Phoenix FD for 3ds Max 帮助文档(更新中)

本页介绍了一些 Phoenix FD in 3ds Max 中使用的细节。
想要阅读英文帮助文档原文，请点击这里。

Phoenix FD简介

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Phoenix FD的流体模拟如何运作？

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这里介绍有关Phoenix FD如何运作的信息。设置模拟的步骤可以在Phoenix FD入门页面找到。

模拟(simulation)的时候会使用一组增量步骤(incremental steps)来预测一段时间内会发生什么事。流体仿真器利用外推法(extrapolates)并更新(advection)流体速度，连续地评估流体的新状态。在大多数流体仿真系统中，外推法(extrapolation)阶段称为平流(advection)，速度更新称为压力投射(pressure projection)。对于外推法(extrapolation)，我们将使用平流(advection)这个专有名词，但对于速度更新/压力投射，我们将使用守恒(conservation)这个词汇，因为”速度更新与压力投影”和流体维持住体积的能力非常有关。上述的外推法时间间隔(extrapolation time interval)称为模拟时间步长(simulation time step)。在Phoenix FD中，模拟时间步长由每帧步数（SPF）参数控制，该参数等于帧持续时间除以模拟时间步长。

由于模拟是一个相对缓慢的过程，因此必须进行预先计算。否则，将无法互动地移动时间滑块或进行渲染。因此就必须将模拟结果保存到缓存文件中。之后这些缓存文件可用于渲染，或者你也可以根据这个已经模拟的效果再额外添加更多细节(译者注: 称为Resimulation)。

仿真在背景进行，并且3ds Max的用户界面维持可用的状态。您可以在模拟过程中更改参数（几个初始核心参数除外），并查看这些参数对模拟的影响。渲染（Production渲染与和Active Shade这两种都支援）也是可用的，您不必等到模拟结束才能看到渲染结果。

粒子和基于网格(Grid-based)的模拟

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在模拟系统中有两种主要的方法：
第一个是关注于物质。 质量，颜色，温度，坐标…等等都是物质的属性，并且与物质的抽象概念 – 粒子有关。这是基于粒子的仿真器的概念，Phoenix FD使用这个概念来计算液体及其相关的效果：泡沫水花(foam splash)，雾气(mist)，沾湿(wetting)。

第二种方法是关注空间。 质量，颜色，坐标…等等这些是空间的属性，并与空间的抽象概念有关 – 称为体素(voxels)或细胞(cells)。这是基于网格(grid based)的仿真器的概念。Phoenix FD使用这个概念来模拟气体效果：火焰，烟雾，爆炸。 这种方法适合烟雾和火焰相关的模拟，因为可以实现半透明和其他困难的结果相对容易。 网格可以被视为3D位图(bitmap)，只是像素(pixels)取代成为体素(voxels)或细胞(cells)。 Phoenix FD仿真时，会按照一定的规则重复“重新绘制”3D图像。越多的体素，模拟运行越慢。了解网格方法和粒子方法彼此的差异非常重要，因为这不仅仅是技术解决方案的问题。即使模拟是完美的，您也必须使用截然不同的方法来渲染模拟结果。

Phoenix FD 导出档案内容

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仿真的结果是一系列称为缓存文件(cache files)的文件。每个缓存文件都有两个部分：网格内容和粒子。PhoenixFD使用它自身的文件格式，允许将网格和粒子保存在单个缓存中，还有其他可用于从某个帧开始恢复仿真的数据。

正如我们已经提到的，网格类似于多通道的3D位图，只是把颜色换成物理数值 -称为信道（温度，烟雾密度，速度等）。一个档案里面只有一个网格，但它可以包含多个通道。与网格不同，缓存文件可以包含多个粒子系统，例如泡沫(foam)粒子和液体(liquid)粒子，每个粒子系统都有自己的信道组。粒子存在于场景中 但是隐藏起来且具有特定命名方式。例如，对于仿真器PhoenixFDLiquid01的液体粒子的物体称为PG [Liquid] of system [PhoenixFDLiquid01]。 这些物体遵守3ds Max粒子系统标准，允许其第三方软件取用其内容。

如何建立简单的模拟

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最简单的模拟所需设置至少要包括3个物体：仿真器(simulator)，发射源助手(source helper)和一些几何体。

• 创建一个仿真器。(simulator)
• 创建一个几何对象并将其放置在仿真器中。
• 创建一个发射源助手(source helper)。
• 在发射源助手的物体列表中选择几何体。

到了这阶段，设置一切就绪。 开始仿真，请转至仿真器的“仿真”卷展栏并按start开始。

模拟(Simulation)

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模拟在一箱子中（被称为网格, grid）中执行，该箱子被分成包含流体的坐标（温度，速度等）属性的小细胞(cells)。仿真核心的最小设置包括速度和温度分别作为火焰/烟雾模拟的流体性质或液体仿真器的速度和液体密度。根据核心设置，可以添加一个或多个附加通道，并沿流体拖动。这些额外的通道是：

• 速度(Speed)
• 燃料(Fuel)
• 烟雾(Smoke)
• RGB
• 小波(Wavelet)
• 粒子 ID (Particle ID)
• 粒子寿命(Particle Age)
• 粒子大小(Particle Size)

RGB通道不影响仿真; RGB只是一个帮助通道，可用于渲染纹理映像或直接作为RGB值。 只有当小波湍流(wavelet turbulence)必须在第二阶段(译者注: 指的是Resimulation)应用于模拟时，才必须输出小波(Wavelet)通道。粒子ID通道有助于识别帧之间的相同粒子。

仿真工作流程

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核心重新计算网格内容，重复以下三个主要动作：

• 与外部物体进行交互作用。
• 根据速度（对流, Advection）来移动流体。
• 改变由于流体内部碰撞所造成的速度（守恒, Conservation）。 守恒是跟”当柱塞被按压时，注射器针头中的液体向前移动”是同样的过程。

根据核心设置，过程中可以包含一个或多个附加操作 这些操作是：

• 燃烧(Burning)
• 涡度约束(Vorticity Confinement)

模拟步骤（简称SPF）

每个模拟循环计算从当前流体状态开始到未来流体状态。但是新的和旧的流体状态在时间轴上应该分开多远？这个时间间隔被称为“模拟步骤(simulation step)”，是模拟最重要的值之一。显然，如果我们试图计算距离未来太远（采用大的模拟步骤），结果将不可信。另一方面，如果我们计算一些非常接近的时刻（采用小的模拟步骤），我们不得不再次重复计算来覆盖整个模拟时间间隔，这会降低性能并造成某些失真。

确定最佳模拟步骤可能看起来像一个复杂的任务，其实不然。在大多数情况下，最佳模拟步骤与流体运行几个网格单元所需的时间有关。由于每帧大量的步数（SPF）会显着降低仿真速度，所以最好以步长值1开始，并且只有在火焰/烟雾仿真产生颗粒噪声(grain artifacts)或液体无法保持体积时才提高SPF。如果液体必须快速通过容器，最好使用更高的SPF。此外，如果您对低分辨率模拟的工作方式感到满意并希望增加网格分辨率，则需要相应地调整SPF。如果您线性地将分辨率变成双倍，则必须将SPF也变成双倍。 但由于网格是三维的，因此如果voxel增加成8倍，则需要将SPF变成原本的双倍。注意：SPF值不能是分数值;必须是整数。

燃烧模拟

燃烧过程还需要Fuel和Smoke这两个通道（会自动加进去）。就像在真实世界一样，燃烧过程将燃料转化为烟雾，并产生一些热量扩张流体。Phoenix FD并没有单独的氧气通道，但氧气是根据烟雾(smoke)与燃料(fuel)进行计算。 公式是 氧气= 1 – 燃料 – 烟雾。燃料的能量控制着将产生多少热量，并且膨胀/膨胀率(inflation/expansion)控制着点火传播的速度。
为方便起见，第二个参数被称为“传播率(Propagation)”，但进阶用户应该记住参数的实际含义是通胀/扩张率(inflation/expansion rate)。

涡度约束(Vorticity Confinement)

涡度约束让小的紊流持续存在(alive)。 为什么我们需要这种修正？ 流体输送（平流, advection）根据速度将网格内容从一个细胞移动到另一个细胞。在传统情况下，任何给定点的移动都不是整数的细胞数目。这会导致细胞的内容与平流期间相邻细胞的内容相混合。因此，速度的细节往往会消失。涡度约束会放大速度以使流体更加湍流。

外部物体(External Objects)

有三种类型的外部物体可以直接与仿真器互动

• 刚体（多边形几何体）
• 粒子
• 力场

在每个模拟步骤中，场景中的所有节点都被进行处理，无论是否属于上述类型的其中一种，都可以与仿真器进行交互作用。

刚体(Rigid Bodies)
场景中的所有几何对像都被认为是刚体。他们可以通过三种不同的方式影响模拟：

• 当没有选择物体作为来源，但与仿真器相互作用时，几何体内部的细胞被冻结，表面细胞的速度由物体的运动决定。
• 当选择物体作为来源时，里面的细胞被冻结，并且表面细胞被设置为参数的来源。速度会根据排放参数(discharge)和物体的运动进行计算。
• 当主体被选为来源时，但不与仿真器交互作用;几何体内的流体直接受到仿真器的发射模式(Emit Mode)所影响。

另一个Phoenix FD仿真器也可以用作刚体。在这种情况下，表面通道(Surface Channel)用于决定什么是表面。

粒子Particles
粒子能够做为发射源直接参与模拟，具体取决于火焰发射源(Fire Source | PHXSource)的发射模式(Emit Mode)（体积注射或体积笔刷, Volume Inject or Volume Brush）PHXSource。注入流体的速度是粒子的速度，它可以使流体参与粒子的运动。

力场Forces
力以两种不同的方式改变流体的速度：
如果力是重力，则直接使用流体的浮力(buoyancy)计算加速度。 如果浮力为负值，流体会朝向重力加速，否则会加速离开重力。
如果力不是重力，则流体朝力的方向加速。加速度的大小由力的强度决定。

注意：3dsMax的标准力场比Phoenix FD的重力和乱流计算要慢。只有部分力场支持多线程模式。

重新模拟(Resimulation)

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重新模拟是模拟现有模拟的过程 – 称为基础模拟(base simulation)。必须首先处理基础模拟，并且必须导出其Velocity通道。然后，要启用重新模拟，必须选中“重新模拟”卷展栏中的启用选项。当启用此选项时，仿真器以重新仿真模式工作（即所有仿真器功能都变成与重新模拟相关）。

重新模拟可以分别影响网格内容和粒子。如果只有网格被重新模拟，粒子将直接从基础模拟中复制。 如果只有粒子被重新模拟，网格内容将直接从基础模拟中复制。网格内容和粒子可以同时重新模拟。

注意：液体目前不支持网格重新模拟(grid resimulation)。
重新仿真过程使用基础仿真的速度力(velocity force)来实现流体的相同流动。如果用户在重新仿真时想要提高分辨率，则可以调整此力。有两种方法来调整速度力的大小：插值(interpolation)和小波湍流(wavelet turbulence)。第二种方法会试着添加高频细节，这种细节当使用简单内插法会丧失，但这个方法要求基本模拟除了常规导出的通道之外还导出特殊的“小波(Wavelet)”信道和“UVW”信道。

由于重新模拟可以执行子步骤(sub-steps)，因此必须自行保存速度力(velocity force)。 然而，由于这种守恒只在一帧内有效，所以整体的流体不会受到影响，并且可以使用较低的守恒值，这可以大大提高总体仿真速度。

重新仿真时，几乎所有仿真器参数都可以更改（例如SPF，平流步骤，时间尺度）。 但是这会产生与原始流体不同的流体流动。

即使速度(Velocity)信道未导出，恢复(restore)功能也可以与重新仿真缓存一起使用。 但是基本缓存(base cache)必须先储存。

以下是透过重新模拟可以达成的例子。

• 提高现有火焰/烟雾模拟的分辨率，维持整体流体的形状。
• 添加新的通道/更改火焰/烟雾模拟的来源参数。请注意，您可能无法获得实际准确的结果。 例如，在守恒(conservation)不均匀(non-uniform)的情况下，温度会影响速度。
• 增加/减少阻力(drag)粒子的数量，而不进行完整的模拟。
• 添加泡沫和水花，调整参数而无须再完全模拟液体。

渲染（Rendering）

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渲染机制

除非在几何模式(Geometry Mode)下工作，否则Phoenix FD将其自身注册为全局体积(global volumetric)。 全局体积计算需要适当地混合场景中的所有Phoenix FD实例（仿真器和泡沫/水花）。 但是，为了与其他体积重迭，建议使用几何模式。

信道，图表(Diagrams)和渐层(Gradients)

在仿真之后，生成包含导出物理通道的缓存文件。在现实世界中，物理量与视觉外观之间的联系是明确的。但为了在Phoenix FD中获得更大的灵活性，用户可以选择渲染元素如何依赖于物理。例如，在现实世界中，温度决定了发射颜色; 然而，在Phoenix FD中，可以设置速度来表现的发射颜色而不使用温度表现颜色。 用于确定任何给定渲染元素的物理信道称为来源(source)，并且物理量与渲染元素之间的依赖性由称为调色板(palettes)的对照表。于体积内容的渲染，为每个点计算三个渲染元素：发射颜色(emissive color)，漫反射颜色(diffuse colo)和不透明度（alpha）。为了计算这三个渲染元素，着色器会执行以下步骤：

• 决定哪些物理通道作为来源。
• 对着色点(shaded point)输入数据进行采样以确定来源通道的值。
• 透过调色板传递来源通道的值以获取渲染元素(render element)的值。

上述的过程控制可在Render Fire, Render Smoke Color与 Render Smoke Opacity卷展栏中找到，用户可以为每个信道选择来源和调色板。对于发射颜色(emissive color)，使用图表和渐层，因为发射颜色与漫反射颜色不同 – 发射颜色可能在0-1范围之外。 当超过0-1范围时，渐层将显得饱和。 对于每个渲染元素，用户也可以选择纹理贴图作为源通道。 在这种情况下，跳过调色板，直接使用采样颜色(sampled color)。

烟雾不透明(Smoke Opacity)与完全可见的着色(Fully Visible Shading)

在现实世界中透明度和发射光之间有明确的联系。 对于烟雾（漫射光），这两者之间的关连非常清晰，大家都可以直观地了解其工作原理。然而，对于发射光线(emissive light)，当被问及“缺少烟的火焰是否完全透明？”时，大多数人会给出错误的答案。 常见的错误答案是，“是的，如果没有烟雾，火焰是完全透明的，不会投下阴影。” 然而，正确答案是“不，完全透明的气体即使足够热，也不能发出任何光。”这就是为什么乙炔火焰比蜡烛暗的原因，尽管乙炔温度较高。乙炔火焰只是产生较少的烟雾。

然而，这种着色方式看起来很奇怪，不方便，因为无法明确地把烟雾和火焰明确地分离控制。 当你提高烟雾的浓度时要小心，因为结果可能会产生过亮亮的火焰。出于这个原因，Phoenix FD提供不同的着色模式：物理性与脱钩(detached)。 这由“Fire”卷展栏中的“Fire Opacity Mode”（火焰不透明度模式）参数控制。 在完全可见模式(Fully Visible mode)下，发射部分完全独立于透明度，您可以不管上述连接。 在“使用烟雾不透明度(Use Smoke Opacity)”模式下，烟雾的Alpha控制着火焰的不透明度。 另外还有使用自己的不透明度模式(Use Own Opacity mode)，其中火焰(Fire)具有单独的不透明度曲线，可以独立于烟雾调整。

表面通道(Surface Channel)

某些渲染技术（如实体渲染，置换…等）需要使用单独的通道，因此Phoenix FD提供了Surface通道。大多数都使用Surface通道根据其内容计算隐式曲面(implicit surface)，使用以下规则：具有高于给定阈值的值的所有点将位于曲面内，而具有低于阈值的值的所有点将位于曲面外。网格模式(Mesh Mode)给出了整个概念的最佳视图，因为这使表面变的可见。

几何模式(Geometry Mode)

体积几何模式Volumetric Geometry Mode
在这种模式下，得到的内容的外观与体积模式完全相同，除了能够与其他重迭的体积对象混合。但是，渲染速度较慢并需要更多内存。这个模式也需要提高Max. transp levels (最大透明度阶级) ，您可至“V-Ray渲染设置”中“全局切换”卷展栏增加数值。

体积热雾(Volumetric Heat Haze)模式
此模式用于实现海市蜃楼效应和热雾。在此模式下，根据表面信道的内容，体积中描绘的射线将在每个步骤改变其方向。看起来这种模式与纯几何模式相似，但其实不是。这种着色模式更类似于V-Ray的折射材质，比较不像体积模式或是纯的几何体模式。 与折射材质的着色一样，对于与仿真器网格相交的射线，alpha值设置为1。

网格(Mesh)模式
此模式会生成具有锐利表面的实体，由曲面信道(Surface channel)确定，并且可以使用任何材质进行着色。

增加细节

有两种直接方法可用于在着色中添加细节。 为了增强流体中细节运动的真实感，V-Ray配备了一种称为“粒子纹理(Particle Texture)”的粒子纹理。PhoenixFDParticleTex。 当与Phoenix仿真器驱动的粒子系统结合使用时，粒子纹理能够正确地对流体表面上的小细节进行动画处理。

纹理调整(Texture Modulation)
这是流体系统中添加细节的常用方式。 在“Render Fire”中，“Render Smoke Color”和“Render Smoke Opacity”卷展栏中可看到这个参数，称为Modulate。就在每个渲染元素的纹理插槽附近。当启用时，相应的渲染元素将乘以纹理贴图的值，但在选择纹理作为发射源通道的情况下除外。

置换效果(Displacement)
这种技术比纹理调整(texture modulation)更复杂，产生更好的结果。置换的概念类似于几何置换，其中表面沿着其自身法线在由纹理图确定的距离处移位。曲面通道指定的曲面的最近点决定了置换的方向。

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表面驱动与体积置换(Surface Driven vs. Volumetric Displacement)
Phoenix FD中的置换通过将偏移采样点移动来实现，偏移方向由效果通道的渐层(gradient)确定，而距离由给定贴图的亮度决定。有两种不同的模式用于对上述贴图进行采样，这两种模式可藉由渲染卷展栏中的复选框进行切换。如果复选框未选中，则贴图在着色点处进行采样，我们称之为“体积置换(volumetric displacement)”。如果选中该复选框，则首先将坐标投影到由效果通道确定的曲面上。投影点然后用作贴图坐标。我们称之为“表面驱动置换。表面驱动置换较慢，需要一些初始计算，但它保持了iso-表面的拓扑结构。如果置换值太大，则体积置换更快，但容易产生浮出小岛。除了性能，体积置换还有一个更重要的优势：它不需要效果的特定表面。因此，当表面驱动置换产生闪烁的场景时，体积置换还可以正常工作。

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范例：表面驱动置换(Surface Driven)与体积置换(Volumetric Displacement)

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泡沫(Foam)和水花(Splashes)

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PhoenixFD创建泡沫和水花的解决方案是基于粒子的(particle based)，并且通过两个可对应但独立的功能实现 – 泡沫/水花(foam/splashes)粒子仿真器和泡沫/水花(foam/splashes)粒子着色器。 粒子仿真器被嵌入到PhoenixFD Simulator节点中，并通过PhoenixFDPGroup节点导出其内容，支持位置，速度，大小和ID通道。 粒子着色器是一个独立的组件：PhoenixFDFoam。 该组件可以渲染PhoenixFDPGroup和任何可导出位置，大小和速度信道的3dsMax的标准粒子系统。

PhoenixFD Simulator的粒子

Phoenix FD仿真器输出的粒子类型有几种：

• 泡沫Foam
• 水花Splashes
• 薄雾Mist
• 拖曳粒子Drag

粒子的诞生可以由使用者定义的来源（参见Fire Source | PHXSource）或经由script脚本自动执行（泡沫foam和水花splashes）。当使用自动诞生(automatic birth)时，仿真器计算每个细胞的“诞生潜能(birth potential)，并将该潜能与用户设定的出生阈值(birth threshold)进行比较。如果潜在值高于阈值，则仿真器按照“出生率”参数中指定的数量创建新的粒子，每个立方场景单位的成千上万粒子数。泡沫和水花都是以这种方式诞生的; 唯一的区别是 “出生潜能”的计算方式。另外，当水花粒子(splash)撞击水面时，会自动产生泡沫(foam)。

每种类型的粒子模拟都是非常不同的。最简单的类型是“拖曳(drag)”。这种类型的粒子模拟会产生被流体拖动的粒子。这与Particle Flow中的PhoenixFDForce Operator非常相似，但效率更高：您可以在几分钟内拖动一百万个粒子。第二种类型（根据复杂性）是水花类型。水花只是自由下落，直到他们击中某个物体或水面。自由落体并不是最简单的一种，它受空气运动的影响（不要忘记，Phoenix FD也模拟空气，不仅仅是液体！），并且空气水花相互作用由空气摩擦参数控制。最复杂的类型是泡沫(foam)。泡沫粒子不仅与流体相互作用，还与彼此相互作用。当粒子太接近时，这种相互作用产生排斥力，当它们不相接时产生吸引力，确保泡沫的固结。这个过程是最昂贵的过程(译者注: 花费最多计算机运算资源)，由B2B交互参数控制。当只需要表面泡沫时，可以通过将参数设置为零来关闭B2B交互作用。

渲染泡沫(Foam)和水花(Splashes)

Particle Shader | PHXFoam node可以用几种不同的方式渲染粒子系统 – 如单独的气泡/水滴(bubbles/droplets)，点(point)或雾(fog)。在雾模式下，会计算所有粒子的边界框(bounding box)，并使用边界框和雾分辨率参数构建基于网格的着色器。 这种模式最适用于表面泡沫，当网格高度相对较大且粒子数量很大时。另一种模式（基于粒子的着色, particle-based shading）更加复杂和有趣; 这个模式使我们能够实现更多种类的效果。我们为什么需要这种渲染模式呢? 当我们需要适当的材质，把例子当作几何体渲染的时候就需要。这模式有几个优点，但最重要的是能够将散射(scattering)转换为漫射颜色(diffuse color)，从而为泡沫和水花提供自然明亮的外观。 另一个重要的优点是细胞(cellular)模式，可对特写的泡沫进行着色。

球形粒子有三种不同的着色模式 – 气泡(bubbles)，细胞(cellular)和水花(splashes)。 在每种模式下，一个粒子表示成相同半径大小的，并具有某些光学特性的球体。 “气泡”和“细胞”模式旨在用于泡沫渲染并具有与表面相同的光学特性。这两者的差别仅在几何表示方面不同 – 气泡模式使用简单的球体，而细胞模式则构建类似于真正泡沫的多面体状细胞。 细胞彼此接触的地方不是平的，稍微弯曲，因此可提供更逼真的外观。

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范例: 渲染泡沫与水花