烟雾信号
　　　　　　　　　　—虚拟烟雾的创建过程

　　工程技术原理把烟雾吹向了数字动画中……

　　无论你怎么看烟雾，它都是烦人的。现实生活中，它会灼伤你的眼睛；在虚拟的现实中，它也会惹火你的眼睛，主要是因为它看上去很难显得真实以致于灼伤眼睛。这个就是电影导演和游戏开发者所面临的问题，他们希望在他们的作品中不需要处理物理现实就能达到真实烟雾的效果。
　　然而，现有的动画设计技术还不能达到这个目标。斯坦福大学的图形研究者Ron Fedkiw说道："烟雾很难制作手动动画，因为它的内部结构非常复杂，所以，大部分的手动动画比被动汹涌的烟雾看上去更像活的烟雾生物体。"但是，创建一个能像真实烟雾那样运动的烟雾的计算模式需要超型计算机能量来运行必要的计算流体动力学（CFD）计算器。然后，为了3D图形的显示和相互作用，大量的模拟数据必须输进一个可视的环境中。


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　　为使数字烟雾更接近真实，Fedkiw和同事Alias|Wavefront公司的Jos Stam与斯坦福大学的Henrik Wann Jensen一起想出了一种技巧，除了避免计算上的消耗外，还借助于传统CFD的基于物理学的原理。根据为娱乐而设置的动画不需要完整的CFD模拟的科学精确度，仅仅只需要从这样的数据中能提取到的视觉现实这一事实，他们能够达到此目的。"科学的CFD就是关于多个处理器计算的一切。国家实验室（比如，Los Alamos 和Lawrence Livermore）创建了一些带有数千个精确处理器的计算机来处理CFD计算，"Fedkiw说，"这样的CFD所存在的问题就是模拟真实物理学往往需要一个比人类视觉系统处理还要快得多的帧频。" "例如，当我们视觉上观察自然动作时，注意到一个动画每秒包含24到30帧，那么，处理在同样的秒中所发生的动作的物理学可能要花数千帧。"他说，"很显然，原本每秒只需计算24到30帧而现在要计算数千帧，这样要加强CPU，而且很浪费。"
　　在科学领域为了补偿这一缺陷，研究者们已开发出了具有特殊目的的综合配置，它只要在损失小规模细节的情况下就能加快帧频。但是，出于娱乐的目的，此方法不奏效。比如，谈到烟雾，它允许出现大规模行动的精确的图像（例如大片烟雾团的总体运动），但是，将会损失一些使烟雾看上去直冒烟的细节（例如使某些区域显得更透明的小密度变化）。Fedkiw说："我们装置一个能在便携式电脑上运行的即快速又实用的计算器，但是，综合配置缺乏小规模的细节，所以，烟雾看上去满是滴状斑点或者像糖浆。"为此，Fedkiw和他的同事为了能适用于烟雾修改了综合装置。
　　为了通过优化程序添加损失的小规模结构，研究者们使用了一种叫涡流抑制（vorticity confinement）的技术，用一个物理学模式来确定细节从数字模式中遗漏的地点，然后，往大规模的烟雾模拟中输入小规模的漩涡结构，把它们放置在流体场中正确的物理位置。
　　程序的最后一步就是创建一个数字数据的视觉图像，为此，研究者们用到了一个基于物理的叫光子贴图（photon mapping）的方法，它作为"参与媒介"（participating media）来渲染烟雾。这是一个基于硬件的两道关口的渲染器，它是由一个发射光子的行为的体积计算和一个光线行进运算法则组成的。


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　　对于在电脑上实际建模和描绘视觉烟雾而言，这是一个"计算简便"的方法。它不仅使数字烟雾结合了自然烟雾旋转滚动的特征，而这一点恰恰是大部分视觉模拟所缺乏的，Fedkiw说，"它也正确地处理了烟雾与移动物体的相互作用。"
　　当在处理非常大的场景或极度杂乱无章的烟雾场景时，此方法的计算上的好处在存储和处理花费方面被否定了。研究者们正考虑能缓解此问题的办法。一种可能就是使用"smart"型结合起来。
　　尽管烟雾视觉系统还没有作为一种产品而存在，但是，研究者们已与许多娱乐和特效制作工作室（包括有Industrial Light & Magic、Pixar和Pacific Data Images，还有许多动画软件公司）取得协商。Fedkiw说："现在，我们大家都卷入了这个行业，而且，我们正在继续发展的技术也已应用到这一行业。"例如，ILM公司最近为许多影片（包括有"木乃伊归来"和"侏罗纪公园3"）模拟了烟雾。
　　Fedkiw说："除了制作影片中的特效，游戏开发团体也需要用烟雾视觉系统来增强视觉现实性。"此技术的应用大大超越了娱乐界。政府部门也想把烟雾运用到军事模拟和训练中。"我现在正为能源部模拟紊乱的（烟雾）从事渲染和诊断技术工作，"他说，"最近，爱得华空军基地联络我，要我为视觉真实的火箭模拟烟雾。"关于视觉烟雾模拟研究的更多信息可参考斯坦福图形研究室的网站：http://www.cs.graphics.stanford.edu/papers/smoke.

转自火星时代