肥皂泡每個人都吹過，甚至成人也會很有興趣的玩，還嘗試玩出不同花樣。除了好玩，肥皂泡還有一些非常有趣的科學背景。

圖1.一個真實的肥皂泡（圖片出自 Mila Zinkova,發布在GUN，我是在維基百科找到的）

 

表面張力或許是肥皂泡最重要的一個特性了。因為表面張力的存在，這也是肥皂泡會在空氣中搖擺不定的原因。另一個由表面張力產生的效果是，肥皂泡是球形的。假如沒有外部環境（重力，空氣阻力等等），肥皂泡將是一個完美的球形。因為它們總有形成，稱為極小曲面（minimal surface）的趨向。

 

你一開始看到肥皂泡，你可能會認為它有很高的表面張力，其實正好相反。肥皂和洗滌劑表面張力很低，如果不是這樣肥皂泡就不會產生了。因為水的表面張力很高，肥皂泡會立即破裂。

 

另一個讓人印象深刻的是肥皂泡很漂亮。它總是有很多顏色，他們反射的顏色看起來在晃動，混合了油一樣。肥皂泡有這么的豐富顏色，因為它的壁很薄。當水蒸發時（肥皂泡變�。�，會有不太顯眼的顏色。當然這個效果不能用RealFlow模擬。但可以用物理渲染引擎做到，讓它看起來五顏六色。在渲染時你可以調節材質的不同厚度，得到不同顏色。

 

第一步：怎么在RealFlow里創建一個泡泡

 

第一步就是創建泡泡。在這個例子里，填充模型做泡泡，不是一個好方法，因為它要一個盡可能薄的空心物體。用單個粒子層可以達到這個目的。在RealFlow里有這樣幾種方法來做成這種結構：

 

1把.粒子均勻分布的Python腳本

2.“sphere”發射器

3.“Fill Object”發射器和“k sphere”輔助器結合

4.激活“Particle layer”設置的“Fill Object”發射器

 

第一個方法能給你很好的效果，因為你能得到一個沒有任何縫隙或孔洞的球體。但用粒子腳本是有問題的。原因是每一個粒子有一個確定的基于Resolution值的半徑。

這半徑是很重要的，因為為直接影響粒子之間的力。如果粒子之間距離非常近，你會觀察到互相排斥的效果，流體會變得不穩定。也可以用非常低的內壓“Int Pressure”參數減少這排斥值，但那時就會失去流體的特性看起來像dumb粒子。 這所以是Dumb粒子，當然就是因為非常低的”Int Pressure“值。

 

 圖2：分布規則的球體

 

你可以降低“Resolution”值，但不容易找到正確的值。如果太高，很難與粒子交互；太低，流體粒子就會亂飛。

 

第二個方法是使用“Sphere”發射器。用這個方法也可以創建一個很薄的粒子層。你僅僅需要把"speed"值設成很低，例如 0.1 。然后第一幀后停止發射。這樣可以管理表達式或動畫關鍵幀。

 

可能最好的方法就是基于"Fill Object"發射器。這發個發射器提供了兩種模式：第一個模式是填充模型。填充好后你可以把“k volume”輔助器放在模型里面(“Inverse=Yes”），刪除多余的粒子。當然輔助器半徑可以做些調整，根據空心的模型來調。結果還不錯，但你可以在下面的圖片看到，看起來像有花紋的圖案。這方法可以輕松控制厚度并能根據需要，用大量粒子。

圖3.用"Fill Object"發射器填充的空心球粒子，輔助使用"K Sphere"輔助器

 

然后，用“Fill Object”第二種模式：“Particle layer”（粒子層）。當這個設置為“Yes”,RealFlow會覆蓋滿球體表面，但不會出現幾何體交接線。優點是流體是靜止的，因為這是RealFlow自動計算正確粒子半徑，你可以增加“Resolution”到非常高的值，而不會出錯。它也能減少粒子間縫隙，你只是需要一個很高分辨率的球體/泡泡做基礎。

 

用 RF_toolfactory’s “RF Toolbox Scripts”（最后一個教程會介紹這個工具）你可以重新創建很高分辨率的模型。

 

你可以在下面圖片看到結果。請注意這是較低resolution值版本，忽略相鄰邊線。

 這個方法另一個優點是：你不需要任何初始狀態，因為粒子層是Realflow直接創建的，存儲或改變時只要“Reset”一下就可以。

 

第二步：腳本

 

做這個效果的腳本是很短的，也很容易理解。在寫腳本之前，很重要的一件事就是你要知道我們要做成什么效果。我想在粒子層上開一個漸漸擴大的洞。在這個過程中，流體其它部分必須不受影響，保持原樣。

所以第一步就需要凍結所有粒子，然后把他們速度設置成0.0。再然后就開始定義，到底在泡泡哪個地方破裂。函數要允許我們把擴散的種子（seed）放在整個表面，或完美的限制他們在一個特定區域。這部分要在模擬前執行，盡管它是"Simulation Events"腳本：

 

Layout>Simulation Events

 

初始化場景

 

窗口彈出時，你會看到兩個部分。上面部分是模擬事件分支，下面部分是Python 代碼部分。腳本預設必須添加在”SimulationPre“:

 

SimulationPre > Right-click > Add script...（RF5版本后，Layout-->Simulation Events<Ctrl+F2>   打開下圖3窗口）

 

此操作會打開另一個窗口，你可以輸入腳本：

 

# Get the emitter, loop through its particles and freeze them

 

emitter = scene.getEmitter("Fill_Object01")

particleList = emitter.getParticles()

for particle in particleList:

  particle.freeze()

 

# Determine four seed particles which are relatively close together

 

idList = []

maxId = len(particleList)/50

for i in range(0,4):

  curId = random.randint(0, maxId)

  idList.append(curId)

scene.setGlobalVariableValue("oldRadius", 0.005)

scene.setGlobalVariableValue("idList", idList)

 

第一個代碼片段只是簡單的調用發射器和粒子。通過循環全所有粒子凍結用freeze()函數。這個函數功能是使粒子保持當前所有狀態，例如，velocity和position.直接粒子不再鎖定時。

 

 

圖3：初始化"Simulation Evets"窗口腳本 .

 

腳本第二部分是很有趣的，因為會定義種子（seed)。在這個例子，種子（seed）是產生隨機。為此，腳本從“particleList”函數指定粒子的總數。要控制種子(seed)影響更多或更少區域，整個粒子數除以50.如果想靠近一點，可以除以100，或500，如除以1則遍布整個表面。接下來循環

 

for i in range(0,4):

 

用來創建4個種子粒子。如果你想要增多種子，只要簡單的改變括號里第二個數字，例如（0，2）或（0，8）。結果是一個隨機數，可以用來尋找一定的粒子，通過利用粒子的ID數。ID被存儲起來供進一步使用。

 

最后，所有相關數據必須存儲在被為全局變量的里面。這個變量是一種，當你想共享不同腳本（類型）下的值/變量(例如Batch -> SimulationPre, FramesPre -> StepsPost 等等）和當變量要永久存儲（值固定）。全局變量是“oldRadius”和“idList”。這“idList”是，當然需要種子粒子ID。“oldRadius”變量決定種子粒子周圍破裂的大小。它值要很小獲得連續效果。它甚至可以是0.

 

模擬

 

第二部分是腳本控制模擬，在"FramesPre"下，在simulation events tree （模擬事件分支）。這里腳本輸出和用粒子ID，和初始半徑。另外，循環需要遍歷整個粒子。當一個ID存在于“idList”，腳本就繼續擴散到相關連粒子。

 

import random

 

# Prepare the variable, get the emitter and its particles

 

oldRadius        = scene.getGlobalVariableValue("oldRadius")

idList           = scene.getGlobalVariableValue("idList")

emitter          = scene.getEmitter("Fill_Object01")

particleList     = emitter.getParticles()

initialRadiiList = [0.005,0.009,0.015,0.012]

counter          = 0

 

# Loop through all particles, get Ids

for particle in particleList:

  theId = particle.getId()

 

  # Check if the current Id is in already stored in the idList.

  # If yes, calculate the radius around the seed particles.

 

  if theId in idList:

   newRadius = oldRadius + initialRadiiList[counter]

   neighbors = particle.getNeighbors(newRadius)

   counter  += 1

  

   # Replace the old radius with the new radius to simulate a grwoing area

   scene.setGlobalVariableValue("oldRadius", newRadius)

 

   # Loop through the particles around the seed and unfreeze its neighbours

   for neighbor in neighbors:

    if (neighbor.getId() in idList):

     particle.setVelocity(Vector.new(0,0,0))

    else:

     neighbor.unfreeze()

 

腳本思路是，收集種子（seed）粒子周圍一定半徑內相鄰粒子。一旦種子（seed）識別出周圍粒子，它就會解鎖，然后（再次）受到輔助器和力影響。為了使破裂變得更有豐富，每個種子粒子有不一樣的初始半徑。這些半徑存儲在擴散列表：“initialradiiList”里。

 

要獲得種子粒子周圍漸漸增長區域，老的半徑值（oldRadius）必須要被“newRadius”取代。這只能通過全局變量，因為這種類型，不會被清空，在模擬步驟執行后。

 

在此腳本計數器是必要的，從“initialRadiiList”不同的半徑值分配到每個種子粒子:在腳本第一部分四個種子粒子已經設置了。所以必須要除以這四個半徑值。如果ID找到，腳本會從這個列表中給出適當半徑值，例如，半徑值3的種子（seed）粒子：

 

initialRadiiList = [0.005,0.009,0.015,0.012]

[ ... ]

  if theId in idList:

   newRadius = oldRadius + initialRadiiList[2] # (= 0.015)

   neighbors = particle.getNeighbors(oldRadius + 0.015)

   counter  += 1 # Incement the counter to get the next radius value

 

 

請注意，Python列表總是從0開始，第三個位置在"initialradiList"數字是"2"：0，1，2，3。

 

在這個階段的腳本已經標出相關種子粒子和相鄰粒子�，F在完成遍歷，相鄰粒子，接受"unfreeze()"函數。但這是特別的。這里涉及到種子粒子，因為他們要保持接近他們的初始狀態。想像一個種子粒子，受“Noise field”場影響，在泡泡表面。在這個例子里，腳本找不到相鄰粒子就不會繼續破裂，那會停止在某個點。為避免這個，每個種子粒子速度將要放緩：

 

if (neighbor.getId() in idList):

 particle.setVelocity(Vector.new(0,0,0))

發射器設置

設置發射器實際上只是簡單的幾個步驟。但在你開始往下做時，必須要在Global Links面板移除“sphere”結點，因為它很影響粒子。

 

為了在表面得到足夠多粒子，很高的resolution是必要的。在這個場景"Resolution"值是 1000.0 對 2*2*2球體，有 5120個面。仍然會在粒子間看到一些邊線，但做成mesh就看不到了。如果你要創建更多粒子，可以自由的改變這些值。你會看到模擬，仍然是很快的，盡管因為Python腳本，都是用單核模擬的。

 

為了要凸起的流體界線，“Ext pressure”要設置到5.這將有助于保持粒子靠近一起，避免粒子逃逸。

 

最后，“Surface tension”。代替發射器值，你可以用Surface tension輔助器（同名），激活“Balanced”設置，但這不是必須的。必要的是在“Surface tension”上key幀，讓模擬結果更真實一點。在介紹真實的肥皂泡時，你知道真正的肥皂泡表面張力是很小的，但那只是自然界中，這是模擬。在RealFlow我們可以用各種方法模擬，達到想要的效果。因此設置時數值是否符合自然界中，是不重要的。要達到所需要的外觀和形態時就要很高的“Surface tension”值，如果這值很低，泡泡就會毀掉。這是“Surface tension”動畫曲線：

 

 

 

動畫區間在0到120幀間從 200降到50.曲線是“Bezier”類型，創建第一幀的過程中，泡泡幾乎完好無損。

 

當你點擊“Simulate”，現在你能在種子粒子周圍區域看到逃逸的粒子，或不想要的效果。要避免這個，我建議你用更高的MIN substeps值，在25到50之間。它能保持一些加速的粒子。要保持速度穩定，就添加輔助器。

 

輔助器

 

要除去非�？斓牧Ｗ雍捅３至黧w穩定，在場景里要用到三個輔助器：

 

1."k Isolated",這個輔助器除去孤立的粒子在 0.1秒后

2."K Speed"作用：粒子速度超過2.0就會被除去

3.”Drag force“這個輔助器把”Drag strength“調到5.0，有助于有一個合理的模擬環境和看起來更自然。

 

基于發射器設置，你可以調節輔助器參數，但要有一個好的起始點。

 

要使模擬更豐富，和得到漩渦，添加"Noise field"場。通常使用值 0.2，來模擬，但“Space scale”3.0獲得的漩渦在更小的區域。最后輔助器是“Attractor”，要使排斥變得很小，"Internal force"值設為-0.1，來分散一點粒子。

 

你現在得到近似圖片上的效果了嗎：

 

 

圖4.粒子表達破裂的肥皂泡

 

在這圖片你能清楚的看到不同的速度，但你的模擬可能只會顯示一個統一的藍色外觀。要有不一樣外觀，到發射器”Display“面板，用下面的設置

 

Node Params > Display > Automatic range > No

 

Node Params > Display > Max range > 0.4

 

Mesh （網絡）

 

所有的部分就是為了創建一個好的mesh。因為肥皂泡是非常易碎的，mesh要盡可能的薄。當然，mesh有一個確定的厚度，你不能創建一個單面的模型，或mesh僅是由一個面幾何體構成。最終設置，是基于粒子數量和場景大小。

 

 

 

 

在左邊圖片上泡泡有接近 92000個粒子。要圓滑幾何體邊線縫隙，“Smooth”值要被用到，除了減小filter值。用很低的"Polygon size"值可提供更多的細節，調高就會損失細節。

 

要得到很薄的表面，mesh的“field”設置必須調節。這里你可以看到“Radius”值。這參數決定了球體的半徑（是指每個創建的粒子）。如果模擬不足，粒子值很小時，你就會看到縫隙和孔洞。因為球體上粒子不能互相接觸到。當你粒子數量很小時，就要降低“Radius”，和減小mesh厚度。所以你如果想要一個非常薄的泡泡，就大大提高發射器的"Resolution"和減小mesh的“Radius”

 

 

圖5.Field設置

 

接下來的圖片，就是剛設的mesh結果，縫隙和孔洞，已經看不到了。粒子呈一串串，和一絲絲狀，是由于很高的“surface tension”引起的。

 

 

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謝謝。

 

RealFlow 翻譯教程之——破裂的肥皂泡(-)  

2011-11-25 01:02:47|  分類： RealFlow探索 |  標簽：realflow  肥皂泡  免費教程  翻譯  豆芽兵   |字號大中小 訂閱