1983年，Reeves提出了一个典型的物理建模系统——粒子系统，解决了在一定条件下由大量微小粒子组成的巨大星团的生成和显示问题。粒子系统可以真实地模拟一些特殊的场景，如火、烟、水流、落叶或抽象的视觉效果，如发光的轨迹等。然而，传统技术很难呈现这些效果的真实感。
粒子系统的基本思想是以微小的粒子为基本元素，然后将成千上万的粒子聚集在一起，形成一个规则或不规则的模糊物体，形成一个封闭的粒子系统。正因为如此，粒子系统具有其他渲染方式不具备的优势3354它使用简单的元素(粒子)来构造复杂的物体。当然，大部分的粒子系统模拟的是动态场景，所以粒子系统永远不可能是一个纯粹的静态系统。如图1所示，粒子被赋予一定的初始值(初始位置、速度、方向、材质颜色等。)开头。随着时间在系统中的推移，原有的粒子不断运动变化，经过一定时间后，部分粒子消失(粒子消亡)，新的粒子不断产生(粒子生成)并被赋予初始属性。这就像是对一个粒子的诞生-成长-死亡过程的模拟。每一个粒子都有并且不得不经历出生-成长-衰老-死亡的生命历程。也就是说，每个粒子除了初始位置、初速度、轨迹、材质颜色等物理属性外，还有生命周期。即每个粒子都有自己的生命周期，粒子的生命周期总会在某个时间点结束，粒子会消亡。同时，粒子的属性值会被随机控制在一定范围内。除此之外，最重要的一点是，为了增加模拟的物理和自然现象的真实感，粒子系统通过空间扭曲操纵粒子的运动变化，会像自然界存在的各种力一样影响粒子流动。粒子系统的这些特点使其有别于传统的图形学方法，它几乎完美地展现了烟、云、火等不规则模糊物体的动态性和随机性。
图1粒子系统生成步骤图
一、 烟雾粒子在影视特效中的应用
（一） 简介
烟雾粒子特效一般用于模拟火焰、爆炸产生的烟雾、自然出现的云。烟是漂浮在空气中的尘埃颗粒，而雾是空气中水滴或冰晶的凝结。两者都是微小粒子的集群。这些粒子都在运动，而且这种运动是随机的，无规律的，无形态的。具有这种特征的现象非常适合用粒子系统进行建模和仿真。
粒子特效可以模拟大量现实中非常危险的东西，甚至可以创造出现实中不存在的物体。因此，得益于粒子特效技术的发展，影视动画中的场景建模变得丰富而精彩。以近年来风靡全球的电影——漫威漫画的《复仇者联盟》为例。其电影场景中出现了烟雾、爆炸等特效，使得整个场景的空间布局更有条理、更丰富，从而增加了电影的趣味性和真实性。另一方面，粒子特效技术与场内灯光、影片整体节奏的配合，给观众营造了一种身临其境的危机感，使整部影片更具艺术性，同时也增加了生动性，突出了爆炸式的视觉冲击。在影视动画行业，这种复杂的场景结构和特殊的感觉表现效果一般都是用粒子特效来制作的，以达到更合理、更有层次感的效果。
（二）烟雾粒子在云雾，龙卷风，沙尘暴等场景中的应用
国内——以MORE VFX为例
图2 《流浪地球》特效效果图
科幻电影的制作对影视产业化的要求最高，可以检验一个国家的电影产业化程度。而《流浪地球》的出现打破了这一空白，也让国内的制作公司再次刺破天花板。
更VFX是国内特效公司，以创新和技术在中国乃至世界享有很高的声誉。公司主营业务为为客户设计特效、代理制作，业务范围涵盖电影、动漫、广告。《更多VFX》最令人向往的是，它以‘制作世界级视觉特效’为己任，在探索特效新世界的征程中，一直迎难而上，勇于突破创新。正因如此，2016年的《西游记之孙悟空三打白骨精》是令人不寒而栗的‘地狱风’；2017年《悟空传》火焰的金箍棒仿佛贯穿全剧，2018年《西游记之女儿国》更是令人难忘的奇幻奇观；2019年的脑洞科幻大作，如《流浪地球》等特效口碑大作，与粉丝不期而遇，震撼惊艳。当然，更多的VFX不仅仅是特效大师，更是动漫影视视效全流程服务的领导者。更多的VFX在特效和视效领域创造的价值是不可估量的，特效的发展一直比《照耀你》更好。
以电影《流浪地球》为例，大部分场景都需要创造和制作一些现实中难以实现甚至不存在的物体，进行深度微调，以达到导演要求的表演效果，使整个拍摄具有连贯性和可执行性。所以主体需要不断微调，才能支撑起一个整体的逻辑物理机械框架，其中任何一个部件都要经过设计者的反复推敲，整个系统才能实现个体的联动，整个真实的连接才有视觉上的冲击。设计与科技的结合，让设计师的每一个灵感都能在空间中生动呈现。
在获得最初的拍摄数据后，MORE VFX的概念团队在渲染引擎中调整灯光，以调节气氛，控制节奏，并在多个通道中输出大量高分辨率的图片。如图3，更多VFX根据真实交通路线绘制立体道路分布交通图。同时还针对不同场景设计分发了三种素材。两者结合，配合灯光对节奏和气氛的调节，用来制作后期的废损特效。其中，虽然基本的引擎底模型是由布局提供的，但是影片想要表达的氛围效果需要大量的气箔，所以我们需要在底模型的基础上，根据拍摄光线，使用软件来调整环境光效果，不断调整和完善氛围渲染。为了突出地球即将解体的紧迫性，镜头中刻意加快了粒子的移动速度，同时增加了体积的密度，从而增强了空气透视对环境的影响。
同样，在电影中，爆炸、灰尘、云朵无处不在。但这些特效要想达到理想的效果，关键在于大量的烟花如何在高速慢动作下产生理想数量的冲击波。经过无数次的调试和渲染，莫尔VFX的团队采用了模拟动力学加假手运动的方法。首先冲击波主体由多边形材质叠加而成，大量细节和纹理由多层噪点叠加而成。然后将其形成的粒子系统带入动力学公式模拟烟花，做出外焰形状。最后进行渲染。这种方法既能呈现完美的细节，又不会让冲击波显得过于僵硬。
除此之外，《流浪地球》中还有一幕，地球想要被木星的引力场加速(引力弹弓效应)，却陷入了木星引力导致的前所未有的危机。由于地球接近木星后引力急剧增加，引潮力作用会导致地球自身解体分散(洛希极限)。地球所有的物质都被木星吸引，加速增重后会产生一股物质流，3354脐带气流。脐带的主要成分是地球上的冰以及建筑垃圾和空气的混合物。正是木星不可抗拒的引力和快速的自转，吸引并撕裂了地球的物质，形成了想要的形状。脐带特效本身就需要无数的粒子群，粒子系统就成了这个sp的最佳选择
我们总说国产影视特效往往不如欧美特效公司，甚至不如日韩公司。结果我们看产品的特效，往往归结到技术层面，认为国内特效技术不成熟。其实很早以前，中国就开始承接国外大片的特效制作，《悟空传》就是一部基本由国内团队制作的特效电影。MORE VFX 700多名特效设计师在一年多的时间里完成了《悟空传》 1700多个镜头，近80%的整体特效。
《悟空传》特效
《悟空传》特效
国外——以工业光魔（Industrial Light Magic）为例
早年，电影界制作特效的一般手段是玻璃画和定格动画，其代表作是《金刚》。直到七八十年代，美国著名导演乔治卢卡斯为了拍系列电影，提出《星球大战》的内容可以用电脑创作，电影特效的未来应该是电脑和摄影技术的结合，于是成立了电脑特效鼻祖——工业光魔。卢卡斯觉得有必要研究工业魔光的电脑特效技术。甚至几年后，他公开表示，由于技术原因，《星战》只呈现了他想表达给观众的30%或40%。
2020年2月9日，第92届奥斯卡颁奖典礼在好莱坞杜比剧院举行，其中最佳视觉效果奖提名为工业魔光出品的《星战》和《惊奇队长》。其中《复仇者联盟4》由工业魔光、Trixter、数域、动物逻辑等十余家世界知名影视公司联合出品。电影情节中，惊奇队长在摧毁测试引擎后获得了人人梦寐以求的能量操控能力。工业魔光参与了这部分特效制作。除此之外，工业魔光还参与设计飞船的造型和飞船内外的各种战斗场景。魔光用霍迪尼微积分模拟引力场和磁场，用力场改变影响粒子实现复杂粒子的模拟计算，从而形成了《惊奇队长》的光效。
《惊奇队长》特效对比
2、 常见渲染软件下烟雾粒子特效开发
基于Unity3D的烟雾粒子特效
烟雾特效截图
考虑到烟雾运动的复杂性和随机性，以及建模时粒子系统的计算性能和最终的渲染结果，需要对自然界中存在的云和烟雾现象进行物理力学分析，找出能够影响烟雾运动的因素，从而简化烟雾的复杂运动。由于烟雾的受力可以清晰地解释烟雾颗粒的运动，其建模模型的运动更接近现实，更符合逻辑，最终的模型也更真实。如果只考虑视觉效果，在人眼找不到的范围内，可以把粒子系统中复杂难算的运动公式作为简单的物理运动模型来禁止。在对烟雾建模时，不仅要考虑力对烟雾的影响，还要考虑烟雾本身的性质，包括烟雾速度、温度浓度等，以及伴随这些性质变化的其他性质变化，如烟雾系统中粒子速度不均匀引起的整个系统的形状、大小、颜色浓度变化等。
小结
视听语言作为一种思维方式，用电影反映生活的艺术。电脑特效技术是电脑技术与绘画艺术完美结合的产物，每一部好评如潮的电影，每一个分镜头都充满了丰富的艺术表现手段。粒子系统的出现及其在影视行业的应用对视听语言的发展起到了补充作用，对影视行业的发展也起到了无可比拟的作用。在绝大多数科幻、战争电影中，镜头衔接、特效处理往往依赖于粒子系统。通过粒子特效的处理和声光色彩的调整，让整部电影更加和谐真实。同时，特效技术可以实现现实生活中难以制作甚至不存在的场景，既节约了制作成本，又保证了演员的生命安全。随着观众艺术追求的不断提高，三维特效技术将伴随着影视行业的不断完善和发展，最终将观众带入身临其境、丰富多彩的电影世界。
