认真学习CFD，一不小心就成为了电影艺术家

自上世纪90年代中期《泰坦尼克号》公映后，国人开始认识到了好莱坞电影的魅力——确切地说，是好莱坞大片特效的魅力。自此以后，每年都有大量的好莱坞特效大片涌入中国荧幕，近几年更是数不胜数，而且越来越与全球同步放映。

所谓的大片，即指投资大、制作大、阵容大、内容大。在今天电影时代，这一切的“大”，都可以被“特效大”来概括。统计这几年最卖座的好莱坞大片，你会发现它们不是视觉特效大片就是ＣＧ制作的动画片，电影工业的格局因此而彻底改变。但是如果你觉得特效仅仅是技术那么简单，那就错了。

流体模拟背后的科学：虽然流体的解算是最耗计算机资源的，但对于视觉特效来说却十分重要。流体所指的也不单单只是液体而已，还包含了火焰、烟雾、气体等。而烟雾跟液体最大的差别在于，液体会有固定的体积，气体则不是。流体的这个概念也不仅仅只应用在视觉特效领域, 在科学领域里面也被广泛应用，从1960年代中期以来，流体动力学（CFD，computational fluid dynamics）或流体模拟的科学就开始在工程问题中得到应用。

流体的方程式和数学原理被用于描述关于许多学术和经济利益中的模拟现象。它们可以用于建立诸如气象模型、天气预报、管道中水的流动和飞机机翼周围的气流这样的对象。当然这些都是题外话，但是流体模拟已经成为众多特效电影的一个重要部分，即便如此，它还是没有被大多数普通艺术家很好地理解。

在电脑图形工业发展之前，早至20世纪50到60年代，流体模拟就已经被活跃地研究并且有了数学模型。回溯至60年代，一个拥有很大影响力的开创者就是Los Alamos国家实验室的T3组织。James Harlow是这个组织的领导者，Harlow和他的团队研究出工业化应用的理论，包括我们在下面会解释的交错MAC（marker-and-cell）网格结构，和PIC（Particle In Cell）方法，而后者就是今天FLIP、MPM和其他复合方法的前身！可惜，多数用于真实世界的CFD方法对视觉特效流体模拟来说显得不必要地复杂，而且数量很少。

在计算机图形学领域，重要的先锋有Nick Foster和Dimitris Metaxas，他们计算了不可压缩和自由表面流体。而在Foster和Metaxas之前，视觉特效中的水都没有用物理学方法，大多数是运用了2D或者位移和凹凸贴图这类小“诡计”。

Alias Wavefront的Jos Stam对不可压缩气态流体所做的工作也十分显著。在他1999年的Siggraph论文中，阐述了为什么比起关键帧动画，模拟动画是如此地重要。与关键帧或过程依赖技术不同，物理模型（流体模拟）可以让一个动画师毫不费力地创造有趣的类似漩涡流体行为。而且，流体与物体和虚拟力之间的互动能被轻松处理。

90年代早期。例如在Waterworld 和 Titanic这样的电影中，证明电脑合成的水图像是可以达到很高真实度，但是这种真实大都局限于平静、开阔的海洋镜头。

Jerry Tessendorf, Rhythm and Hues (R&H)的首席图形科学家，为了研究在CFD领域中传统流体动力学工具，而在水特效的发展过程中做了大量的工作，正因为如此，他和R&H的其他三个成员一起获得了2008年学院奖的Technical Achievement 奖项。

其后，Stanely Osher使用层集方法表达动力学表面也做了开创性工作，他的博士生Ron Fedkiw后来将层集方法带入图形学并且创造了PLS（ Particle Level Set ）方法，这个方法通过沿流体表面种植粒子来保持其它方法可能损失的次网格质量，减少了纯层集方法的质量损失。

Fedkiw后来因此获得了来自动态图像艺术与科学学院的技术成就学术奖。过去的十年中，他一直担任工业光魔（Industrial Light & Magic ，ILM）的顾问，参与了 Terminator 3: Rise of the Machines（终结者3）, Star Wars: Episode III – Revenge of the Sith（星球大战）, Poseidon 和 Evan Almighty电影的制作。

Robert Bridson，反过来又是 Ron Fedkiw的博士生，作为PhysBAM项目的创始人之一，在Fedkiw的管理下与工业光魔一起工作。PhysBAM延续了工业光魔物理模拟编程的主要工作。Bridson针对那些主要的研究者比如Harlow 追溯了20世纪60年代早期的研究，然后为不可压缩流体引入了 PIC/FLIP方法，同时也将不可压缩FLIP方法带入图形学。FLIP方法和它的变体在流体模拟的传递阶段有一个总数值扩散的近似缺陷，因为它将所有的数量都平流输送到粒子而不是网格上。

在PhysBam项目中，Bridson帮助编写了布料模拟代码被用在工业光魔制作的Star Wars Episode II: Attack of the Clones（星球大战前传2）中。然后Bridson 到了英国为Double Negative合作设计了喷溅流体模拟器，在许多电影的烟、水、火、云、水墨特效中都可以见到，这包括Harry Potter and the Half-Blood Prince（哈利波特和混血王子）、2012、 The Boat that Rocked、 Inkheart、 Quantum of Solace（量子危机）、The Dark Knight 和Hell Boy II: The Golden Army（地狱男爵2）。

正是在英国，Bridson 碰到了另一个业内传奇—— Marcus Nordenstam ，他们一起在2008年成立了Exotic Matter公司。Exotic Matter是Naiad流体模拟软件的制造者，这个软件参与了许多震撼的流体特效制作，包括Avatar（阿凡达）、Narnia: Voyage of the Dawntreader（纳尼亚传奇）、X-Men First Class、 Harry Potter and The Deathly Hallows Part 2（哈里波特和死亡圣器2）、Pirates of the Caribbean: On Stranger Tides（加勒比海盗：陌生的潮汐）、Rise of the Planet of the Apes（猩球崛起）等许多电影。

Nordenstam现在有超过15年的VFX R&D和特效模拟经验。他在银幕上的贡献有 Star Wars Episode II、Spider-Man 2, Hellboy II、Inkheart、 Harry Potter and the Half-Blood Prince 和Avatar。作为Exotic Matter公司的一部分，Nordenstam 和公司的其他人深深地投入到关键方向之中，尤其是在公司早期的时候。最紧张之时，他们在新西兰威灵顿的Weta Digital做为R&D部门工作了十个月，制作了诸如Avatar这样的电影。

特效并非人们想像的视频处理“技术”那么简单，它蕴含很多科学与文化含量。特效最先产生于美国军工，部队通过电脑模拟物理现象来测试武器效果，后来好莱坞将其做成仿真效果移植至影片中。比如表现波涛，必须将液体或气体的多项物理特性（包括速度、压力、密度、温度等）进行数值实验、计算模拟和分析研究，并将此运算的整个过程以图形图像的方式进行演示表现。

所以特效师并不是简单的‘技师’，而需要有非常完善的知识体系，在国外成熟的特效公司，甚至还有个职位叫“首席科学家”。怎么样，要从现在开始好好研究CFD技术吧，说不定你也能成为荧幕上的特效大师。