# α137 Catalyst FX User Manual [![](https://img.shields.io/badge/Author-Eric炜-orange.svg)](https://www.mthreads.com) haowei.han@mthreads.com **用户手册**

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# 目录 1. [功能特性介绍](#功能概述) - [基于GPU 的实时流体模拟](#id-section1) - [模块特性介绍](#id-section1.1) 2. [101 入门案例教学](#id-section101) 1. [温度和浮力](#id-section2.temp) 1. 浮力和冷却 2. 干冰效果制作 3. 硝烟 2. [爆炸 Explosion](#id-section2) 1. [化学爆炸 101 Basic Explosion With Houdini](#id-section2.1) 2. [物理爆炸 102 Ground Explosion With Houdini](#id-section2.2) 3. [Catalyst FX 工作流总结](#id-sectionWorkflow) 3. [Parameter Map 参数详解](#id-section3.1) 1. [湍流 Turbulence](#id-section3.1.1) 1. [Dissipation](#id-section311.dissipation) 2. [Shredding](#id-section311.shredding) 3. [Disturbance](#id-section311.disTurb) 4. [Curl Noise ](#id-section311.curl) 5. [Vortex Confinement](#id-section311.vc) 4. [Houdini Bridge使用](#id-section5) 5. [SDK Sample Code](#id-section6) --- ## 功能概述

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Catalys FX 是一款基于 GPU 的多平台实时流体模拟解决方案，用来制作烟雾，火焰燃烧，爆炸，等效果的仿真计算。目前我们提供了多个DCC软件和游戏引擎的插件接口，包括 Houdini，Unreal，Unity 的插件版本，用户可以在自己的工作流程环境中直接使用Catalyst FX。 Catalyst FX 可以通过多种Runtime API 环境对GPU设备进行调用，包括DirectX 11，DirectX 12，MUSA，CUDA，Vulkan , OpenGL 等各类常见 Runtime API，并提供了内置的GPU体积渲染模块，以及第三方三维软件的 Viweport 提绘制组件，可以在没有数据回读（Loadback）的情况下快速预览仿真结果

### GPU Base 实时流体仿真 **1. 性能对比 Performance Benchmark**

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Catalyst FX 有着非常好的计算性能，**如图（上）** 即便是 Houdini 插件版本的 Catalyst FX，在数据必须经过系统内存（SystemMemory）回读，湍流控制效果全开， DOP 节点编辑， DOP SimCache 缓存回放记录开启的情况下，**416 * 352 * 160** (2300 万 Voxels) 精度的硝烟效果模拟仍然可以运行到 **2.7 ~ 3 FPS** （**GPU ：MTT S4000**）。如果是 Unreal 或 Unity 版本的 Catalyst FX（无经过 CPU SystemMemory 数据回读），计算好的体积数据直接由 GPU 进行最终渲染绘制和输出的情况下，**256 * 256 * 256** 精度的流体，在 MT 曲院架构 GPU 上（MTT S4000）可以稳定运行在 30 FPS 以上 Catalyst FX的全GPU计算流程，优化了 CPU-GPU IO Overhead ，实现了更好的Substep 性能无关的特性，在不开启硬件加速的情况下，可以实现比Houdini 默认PyroFX解算器提速**10~15倍**，在开启了 MT GPU 专用硬件电路加速的情况下，可以有进一步的性能增益（**买买买**） **2. Houdini DOP 节点兼容设计** 相比市面上其它的 Houdini GPU 解算器， Catalyst FX 最大的优势在于可以用最小的计算代价完美兼容 Houdini DOP 的现有节点，这是目前市面上其它类型的 Houdini GPU 流体解算器所没有解决的问题。我们可以继续使用过去所熟悉的 Houdini DOP 节点组，如：GasVOP，VEX 等节点，这些原生的Houdini DOP 节点都可以用来和 Catalyst GPU Solver 共同完成更复杂的效果制作任务。所有用户新建的 Houdini 原生 DOP 类型节点，都会被Catalyst FX 的节点计算网络所回调，实现 GPU + DOP CPU 的异构计算，用于复杂，或高自定义效果的开发和制作。当然，这会损失一定的性能，但由却给复杂项目生产带来了更好的可控性保证。

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**如图（上）由 MORE VFX 特效公司提供的测试案例：** Gas VEX 相关的节点代码控制飞机拖尾扰流卷动形态（CPU计算），Catalyst GPU Solver进行完整流体效果的最终计算。除此之外，我们还提供了全套的 GPU 版本 DOP MicroSolver 节点，供艺术家进行一定程度的功能自由组装。

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**如图（上）**：在使用Hoduini版本 Catalyst FX 插件的时候，可进入Solver节点内部，自由创建需要添加的效果模块，进行更复杂的效果制作。 **3. Visualization** 为了更有效的控制流体形态，强大的矢量场可视化功能是必不可少的，因此 Catalyst FX Houdini插件也提供了相应的 GPU 流场可视化功能

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**如图（上）**：为了更精准的对每一层效果进行定量控制，Catalyst FX 可以将每一层湍流效果的作用方向和强度单独导出显示，用户可以通过 Catalyst FX 提供的 Visualization 功能，清晰的看到自己所增加的每一层湍流作用，控制和何影响到流体形态的过程，该功能在将在 Houdini 插件用户手册的 Advance Topic 中进行详细讨论。 * Houdini SOP 插件支持 * DOP 节点组 * 自定义节点操作支持 ( SOP Vector & Scalar Field Interface ) * Unreal Unity Ready * AlphaCore SimGraph 模块 **软硬件需求配置** 1. 推荐使用 MTT S90 以上，或者更高级别 GPU 2. 在使用 FP32 浮点计算精度的情况下，8G 显存可以计算 6000万 Voxel 3. 满足场景电影级别制作要求，建议使用 24G 以上显存显卡。（**MTT S4000，MTT S3000，MTT S90**） ---

## 模块特性介绍

### 2.1 烟雾和燃烧 Smoke & Combustion * 燃料和燃烧反应

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### 2.2 爆炸 Explosion

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## 101 入门教学案例 Catalyst FX 的操作，借鉴了业界先锋 Houdini 这个动画制作软件的许多经典用户行为模式。并且，最早也是在 Houdini 18.5 这个版本中，给用户提供了可用的插件版本。如果您在过去非常熟悉 Houdini 以及 Houdini 流体解算器 Pyro FX的控制方法，那么您将非常容易上手 Catalyst FX 的使用，如果您在过去很少或从未接触过 Houdini 这款软件，或者是第一次接触流体效果制作，那么当前的101 入门教学案例系列，将会为您详细介绍有关 Catalyst FX 流体制作的一切基本概念，和使用流程，我们将通过一系列简单的案例入手，由浅入深的带您一步步深入到Catalyst FX 的核心功能，最终完成一个又一个复杂的流体效果制作。关于此文档，我们在编写的时候，尽量去除了繁琐抽象的公式表达，并尽可能的站在使用者和艺术家的视角上，用文字和案例来说明各种物理学概念，和效果制作流程。所以，即便在您未经过系统的对数学物理方法进行学习的前提下，仍然可以理解文档的全部内容以及相关的物理学概念。 ### 101 Simple Smoke Example 这里我们从最简单的一个烟雾效果制作开始，展示 Catalyst FX 的基本操作流程 #### 创建发射器

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1. 创建一个 Catalyst Source 发射器节点，该节点提供了一系列基于基本几何形状的发射器（Box，Sphere，等），可以往流场中添加温度，密度，速度，燃料等属性供解算器计算使用。 2. 在 Initialize 下拉菜单中，选则 Source Smoke 配置，节点会自动设置好用于产生烟雾的发射器参数，这里一个最简单的烟雾效果制作，发射器需要发射：Velocity 速度，Density 密度，Temperature 温度这3个属性。 3. 设置发射器大小为：（1.0，0.5，1.0）类似于一个被压扁的 Box，设置发射器发射的速度，密度，和温度的强度（Scale）均为5。 #### 设置解算器参数

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**如图（上）**：在Catalyst Source 发射器节点下创建 Catalyst Solver 解算器节点，并在Solver节点处于高亮（金色边框）框选状态下，将鼠标放在 viewport 中按下键盘回车，显示出流体解算框大小编辑控制器，设置解算范围至合适大小。在解算器节点上 Wind 面板中，设置风力方向（WindDirection）为：（0.5，0.0，0.0），即往X轴的方向添加速度为 0.5米/秒的微风。最后，在Simulation面板中设置 Substep（子步）为2，提高计算品质，在Houdini时间轴左侧按钮区域单击 **Play**（播放）按钮，得到了我们最终如图显示的烟雾效果，这样就完成了一个最基本的烟雾模拟效果制作的流程。通过该案例，我们对流体效果的制作流程进行了一个最简单的制作过程展示，即：创建发射器作为流体解算器的Input输入，设置流体容器计算区域大小，点击播放按钮进行计算。发射器会往流体容器中添加我们在发射器参数面板上设置好的属性信息，并计算出流体运动的形态。

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当在Viewport中看见计算结果之后，我们在此时使用鼠标中间观察节点信息（Info）面板，可以看到解算节点的最终输出的Geometry 信息里，包含了 2个 Volume 数据（**在流体解算中，更准确的叫法被称为场 Field**），这两个 Volume 在信息面板下册可以看到分别是 density （密度场）和 temperature （温度场）所以，流体解算整个过程的最终输出，就是一组计算好的体积数据，这里由于当前案例是一个最简单的烟雾效果制作，所以解算器的最终输出只有 density 和 temperature 2个场（**Field**），而一个复杂效果的制作任务，可能会输出多个场的数据，接下来，我们对这些流体解算器可能输出的场，进行一个比较全面和系统的介绍。 --- ### 102 场 Field 场是流体模拟中的基本概念，它记录了空间中每一个位置点上各种物理属性的数值，也是流体解算器的最终输出结果。和二维的图像一样，场可以理解为一种三维图像，是N张二维图像沿着Z轴叠加在一起的结果。所以场也有分辨率的概念，只是场的分辨率信息，需要3个参数进行描述。拿空间中每一点上的温度来举例：在一个1立方米的空间范围内，每隔1厘米（**VoxelSize**）就记录一下当前位置的温度高低，最终整个一立方米的空间范围内就有 **100 * 100 * 100** 个，也就是100万个温度记录点，而这 **100 * 100 * 100** 的描述就是3D场空间分辨率的描述，也可以描述为：100万个Voxels（**体素**）场在GPU内的数据结构，通常是一个3D的Texture，这里，对日常效果制作会使用到的场进行一个信息汇总。 |名称|中文|说明 or 渲染| |:--|:--|:--| |density|**密度场**| 代表了空气中可见气体的浓度信息。
**渲染：** Catalyst FX 中代表了烟雾的浓度通常使用 **RayMarching** 进行绘制。| |temperature|**温度场**|记录了空间中每一个位置的温度高低，温度的大小会直接影响流体所受到的浮力大小，温度越高的气体则越容易获得较大的浮力。

**渲染：** 自然界中，只要有温度的物体都会“发光”，在日常生活中，大多数物体由于温度较低，都不足以产生可见光，只能产生能量密度较低的红外波段光源，这种光源不可以通过肉眼直接观察到，但可以被专业仪器检测到。所有物体因其温度而发出电磁辐射，这个现象称为黑体辐射（**Block Body**）。

随着温度的进一步提升，物体发出的光的颜色也会随之改变，比如从红色变为黄色，最终到蓝色。这是因为，物体温度的增加导致其发出的电磁辐射的峰值波长向更短的波长移动，即从红外线区域向可见光乃至紫外线区域移动。这个现象可以通过**普朗克黑体辐射**定律来描述。所以，我们对温度高到足够产生可见光的物体进行绘制的时候，可以使用**黑体辐射**模型或**普朗克黑体辐射**模型来进行绘制，此时候温度场的信息就派上了用场。| |heat |**热量场** (有时也叫 flame 火焰场)|这里比较接近物理学的描述是，heat或flame场，是燃料在燃烧后产生的一个等离子态的区域，即火苗的强弱信息。它和温度场的区别在于：温度场通常覆盖了整个流体区域，不论是在火焰燃烧的等离子态区，还是烟雾流动的气态区，都存在温度，只是燃烧区域的温度会远远大于烟雾的温度。| |vel|速度场|速度场存储了流体解算器最终计算好的速度信息，它描述了流场区域内每一个点上速度的大小和方向信息，这是一个包含了3个分量场的数据，**即：速度场数据通过3张 3DTexture 对象进行存储**（vel.x,vel.y,vel.z）。

**渲染：** 速度场通常在流体渲染绘制运动模糊 **（motion blur）** 的时候，需要参与渲染的计算。| |fuel|燃料场|燃料场作为燃烧计算的Input，模拟燃烧反应需要首先在燃烧的位置设置燃料信息，这里是指给 fuel 燃料场进行赋值操作，数值越大，代表该区域的燃料密度越高，燃烧反应越剧烈。

**渲染：** 如果我们在渲染的时候，也对燃料场进行绘制，就可以看到在燃烧反应的过程中，燃料一点点被消耗殆尽，并产生出火焰的过程| --- ### 103 Smoke Control 在101案例展示了最基本的烟雾制作流程，并对各个场的基本原理了解了之后，我们来进一步细化 101 案例中的烟雾效果，给它的动态增加一点点细节 #### 湍流湍流是一种流体力学现象，它是流体运动中的一种混乱，不规则的运动形式。在制作流体解算动画时，通过往流体的计算过程中注入湍流控制，可以使我们的最终解算结果得到更多的模拟细节。

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**如图（上）**：在先前的101 Simple Smoke Example 案例中（最左），烟雾没有添加任何湍流效果控制，可以发现烟雾的动态效果十分单调，缺乏细节。我们分别在 101 案例的基础上，开启不同类型的湍流控制，可以看到烟雾产生了不同的细节变化，这里演示了在 Catalyst FX 中，分别开启3种常用的湍流作用后的效果对比，分别是：Vorticity Confinement，DisTurblance 和 CurNoise。这3种湍流效果都有自己的优缺点，我将通过后续的章节依次分别展开讲解。 #### 局部控制 & Visualization

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**如图（上）**：我们观察101 Simple Smoke 案例可以发现，烟雾在形成的初期没有任何细节，但在经过一段时间发展和不断翻滚后，可以渐渐的生成出很多细节（尾部烟雾较淡的区域），所以我们此刻希望拖尾部分的形态保持现有效果，仅对刚刚发射出来的烟雾（红色框内）添加 CurlNoise 效果进行一个打乱处理，这个时候，我们就需要对流体进行分区湍流控制。在Catalyst FX 中有多种方法提取提取流体的局部区域，来进行局部效果控制，这里我们先介绍一种最直接的概念：**阈值（Threshold）**，阈值的概念很好理解，指的是当场内的某一个数值超过设置的 **阈值** 的时候，才开始起作用，拿这里我们即将添加的CurlNoise效果来举例，CurlNoise 默认情况下仅在有温度的区域起作用（流体内部），当温度小于一个 **阈值**的时候，就不再产生作用效果，默认情况下，CurlNoise 不会在温度数值小于 0.15 的区域起作用（由 Clamp Below参数控制），所以接下来我们需要借助到 Visualization 功能，帮助我们更定量化的观察流体内部的运动状态。

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**如图（上）**：在Catalyst Solver 节点的 Visualization 参数面板中，找到 Temperature 子面板，勾选开启 Active 开关激活 Temperature 温度场可视化，调整 Offset 数值为1，将Visualization 切片移动到流体容器框外部。这里可以看到可视化切片呈现出冷暖渐变过度效果，这种冷暖渐变过度效果的展示，被称为：**False Color**，False Color的灵感来自于光谱，为了方便理解，我们这里可以简单的理解为：颜色越偏暖色的区域数值越大，颜色越偏冷色的区域，数值越小。

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**如图（上）**：Visualization Range 可视化范围，设置了当前场从冷色到暖色的区域范围，这里设置的数值是 0 ~ 1，在此处的含义是：温度场数值从 0 ~ 1 映射到 False Color 紫 ~ 红（冷色 ~ 暖色）的渐变过度显示。可以发现在烟雾发射的初期，烟雾内部温度较高呈现出纯红色的 FalseColor 可视化，随着烟雾在空中飘散，烟雾尾区域的温度逐渐降低呈现出蓝色到深蓝色的FalseColor可视化结果，如果这个时候我们希望查看哪些区域的温度强度小于0.5，可以将Visualization Range 设置成 0.5 ~ 1 （**画右**）。可以发现此时的可视化功能不再对温度数值强度小于 0.5 的区域进行可视化处理，出现FalseColor可视化的区域，温度场的数值均在 0.5 以上。

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**如图（上）** 设置 Temperature 温度场可视化 Visualization Range 的数值为 4 ~ 10 ，可以发现基本上随着烟雾的飘散，温度场的数值会很快降到 4 以下，烟雾仅会在刚被发射的初期，存在高温区域，刚好和我们需要增加湍流细节的区域匹配，所以这里我们可以跟进温度场的强度，来进行 CurlNoise 添加区域的选则。

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**如图（上）** 在Catalyst Solver 的 Turbulence 面板下勾选 CurlNoise 选项，在当前烟雾动态的基础上添加 CurlNoise 湍流，这里我们先设置 CurlNoise 的强度为3，然后设置 Clamp Below 数值为4，也就是温度小于4的时候不添加 CulNoise 效果。并开启当前面板下 Visualization 参数组的 Active Visualization 勾选，解算器会将当前CurlNoise的计算结果在 Viewport 中进行绘制，帮助我们观察 CurlNoise 的实际作用效果和范围。这里适当的降低烟雾显示浓度可以发现，CurlNoise 的作用范围仅发生在了烟雾刚产生时的内部高温区域（温度大于4的区域），拖尾处的烟雾是没有受到 CurlNoise的影响的，和我们的预期一致。

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**如图（上）** 这里对比了当前案例开启局部 CurlNoise 控制和关闭局部 CurlNoise 控制在前50帧的效果区别。通过仅在发射器刚产生烟雾的高温区域添加 CurlNoise 湍流控制，“破开”了烟雾在刚生成状态下过于规则和僵硬的感觉。 #### 分层控制和创作一幅画面的思路一样，**整个 Catalyst FX 的参数设计，遵从从整体到局部的效果调整步骤和原则**，创作者在使用Catalyst FX 进行效果制作的时候，我们建议先从流体动态的大形态入手进行效果调节，然后逐步一层层增加二级细节。拿当前案例所讨论的湍流（**Turbulence**）来举例，Catalyst FX 中所提供的每一种湍流都有自己合适的作用范围，比如 CurlNoise 会更适合用来调整流体的大形，而 DisTurbance 则更适合在流体大的形态比较确定的基础上，增加丰富的流体表面扰流细节。如果对应到具体的应用场景中，拿制作一个5公里*5公里区域的山间雾气的效果制作来说，我们首先需要关注的是如果调整出雾气整体效果的大轮廓起伏，这个大轮廓的起伏，对应到5公里的场景中，差不多是效果在 1 ~ 2 公里为单位内的变化，在 1 ~ 2 公里范围内的变化，起伏，动态调整好了之后，我们再进一步的去关注和调整 100 ~ 200 米为单位内的细节变化情况（可以使用CurlNoise + 各种局部控制），最终，我们可以添加一些更细腻的湍流（如：DisTurbance），来生成 10 ~ 50 米范围内的流体细节

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**如图（上）** 在当前的案例上，简单的展示了使用 Catalyst FX 制作效果时，从整体到局部的调参思路。左右往右，首先是没有任何湍流控制的原始效果，然后是使用CurlNoise调整流体大形态，最后使用 DisTurbance 生成最细表面细节。【图103.8】

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**如图（上）** 对流体添加的每一层湍流效果的作用强度，作用范围，都可以单独的被可视化出来，方面我们对每一层效果进行绝对精准的控制。这里不难发现 DisTurbance 被添加在了流体最外围的边缘区，而先前添加的 CurlNoise 只在流体内部温度较高的区域产生作用效果。这里我们也建议大家在使用Catalyst FX 制作效果的时候，每一层效果都进行单独调整，单独可视化，在确保每一层的效果都符合预期之后，再进行最终高精度成品质量的解算。 #### 高频，低频高低频率的概念在科学和艺术创作领域出现的十分常见，但很少有资料对这一重要的概念进行深入的讲解，比如在绘制或创作一幅画面的时候，通常会因为对把控画面视觉重心的需要，引出画面“繁简度”的概念。从数学或自然科学的角度来讲，繁简度这是一个有关画面信息高低频控制控制的理论，繁简度这个概念的出现，帮助人们在电影，动画的工业化生产中，定量化的调整和把控画面的视觉重心。回到我们现在制作的案例，所谓高频和低频的概念，指的是**某一种效果元素出现的次数**，这是一种最简单的理解方式，比如在当前的演示案例中（【图103.8】），烟雾流体在添加了 CurlNoise 后，可以发现 CurlNoise的作用效果，在整个流体上一共出现了大概 20 ~ 30 次，而DisTurbance的效果则出现的更多，整个流体表面铺满了 DisTurbance 的效果影响，出现的次数至少超过了100 次。所以这个时候我们就说 CurlNoise 对流体起到了一个低频控制（或者说大形态控制），而 DisTurbance 就是一个**高频细节调节**。如果想进一步控制这些湍流在画面中的出现次数，我们可以通过设置湍流的尺寸大小来实现，这里对Catalyst 所有的湍流做一个频率尺寸，和应用区域的总结，汇总到下面的表格。 |湍流名称|频率大小控制参数|参数单位|作用范围（Threshold参数）| |:--|:--|:--|:--| |CurlNoise| Swirl Size |场景单位，默认是米|默认情况下，只在有温度（**temperature**）的地方产生 Curl Noise，也可以理解为 CurlNoise 仅在流体效果的内部起作用| |DisTurbance| Block Size|场景单位，默认是米| 在密度（**density**）小于一个数值的时候，才开始起作用，通常这个区域就是流体的边缘。也就是说，为了尽量保证 DisTurbance 添加后不影响到流体的大形态，被设计成尽量只在流体表面起作用的方式 | |Shredding| Block Size|场景单位，默认是米| 只在火焰的边缘处添加| |Vorticity Confinement|无法控制频率|无|只在流体内部添加| 在后续的章节中，会尽量进一步对每一种效果的每一个参数的不同强度给出效果对比图，方便大家更好的理解每一个参数到底产生怎样的效果贡献，我们称这样的参数强度到最终效果对比的形式为：**Parameter Map**。 ---- ### 104 Fire Combustion 在了解了基本的烟雾制作流程后，我们可以尝试按照同样的步骤来了解一下火焰效果在 Catalyst FX 中的制作步骤和相关注意事项。 #### 基础发射器设置

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**如图（上）：** 和制作烟雾的流程一样，我们首先创建Catalyst Source节点作为发射器，设置发射器为流场提供燃料（fuel）和温度（temperature）数据，并作创建 Catalyst Solver 解算器节点，作为其输入节点。

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**如图（上）：** 设置解算器节点上的发射器配置，和发射器配套并相对应的，在Catalys Solver 解算器节点的 Sourcing 面板下，开启 Temperature Sourcing 参数组和 Fuel Soucing 参数组的 Enable 勾选，将发射器提供的燃料和温度数据发射进流场中。

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**如图（上）：** 在解算器节点的Fuel Recation 面板上，开启 Enable Combustion 勾选，设置Fire Cooling Down 参数组的Fire Height 参数，并调整到合适的计算精度，得到火焰燃烧的基础解算结果。这里我们可以通过当前的操作步骤，简单的总结一下燃烧效果的计算流程大致分为3步：**1.** 设置流体发射器和流体解算器发射燃料（**fuel**）和温度（**temperature**）2种属性。**2.** 开启解算器上的 **Enable Combustion** 参数，打开燃烧计算功能。**3.** 当发射的燃料遇到温度时，会被点燃，并形成最终的火焰效果。更细的燃料反应计算流程，会比当前的描述复杂很多，我们将在后续的燃烧章节中进行进一步讲解和 Parameter Map 效果对比展示，接下来我们先来对当前效果进行进一步的细化和完善。 #### 设置发射器扰乱我们注意到当前的燃烧效果在产生燃烧的位置，火苗的形态过于稳定和规则，这和先前的烟雾基础案例效果存在同样的问题。除了先前案例中提到的 CurlNoise + Threshold 参数做局部形态控制以外，这里我们也可以通过在发射器上添加Noise 扰乱来实现对流体规则形态的破坏。

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**如图（上）：** 回到 **Catalyst Source** 发射器节点上，增加发射：**Velocity** 速度属性，并勾选速度属性参数组下的 **EnableNoise** 和 **ShowGuide** 参数勾选，开启速度Noise扰乱，和线框可视化功能。通过观察Viewport可以看到当前的发射器所添加的速度场信息，已经处于不规则状态。通过设置 **Amp** 参数可以控制Noise扰乱的强度，这里我们设置扰乱强度为30，让发射出来的火焰尽可能多的受到 Noise 作用影响，**Freq** 用来控制扰乱的空间频率周期，该数值越大，Noise 在空间上的变化就越剧烈。**Pulse** 参数用来设置Noise在时间维度上的变化速率，即：Noise的效果是随着时间而变化的，它不会在每一时刻都保持同样的状态。即便Noise的基础参数设置完全一样，但在不同的时间上（如：第 20帧，第 40帧）， Noise 也会得到完全不同的的效果。这里**Pulse**的单位是秒，在当前案例中我们设置 Pulse 的强度为1，指的是Noise的状态，会在未来1秒内发生一次完整的周期性变化。

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**如图（上）：** 在添加了发射器的速度扰乱信息后（**行2**），我们可以和先前的计算效果进行对比（**行1**），可以明显的看出第一行的效果从头到尾都是一个近似的形态，而添加了发射器速度扰乱之后，每一个时刻流体的大形态都会产生较大的差异。这里，我们回顾基础烟雾效果制作案例中所提到的：**整个 Catalyst FX 的参数设计，遵从从整体到局部的效果调整步骤和原则**，发射器控制，在绝大多数的效果制作中，都对流体的大形态起到了决定性影响，甚至在不少资深特效艺术家的观念里面，他们会认为一个好的流体效果表现，80%靠发射器的设置，20%靠解算器的参数调节，控制好了发射器，就控制了一切。从另外一个角度来看待这个观点，也侧面说明了：对于一个好的画面效果来说，处理和把控画面整体大形效果的重要性，远远高于解调整设置精细的湍流运动细节。这一部分的更多细节，我们会在后续章节有关破碎烟雾效果制作部分进行更多展示。 #### 添加 Shredding Shredding 是一种专门为模拟火焰效果而设计的湍流，它是对 DisTurbance 方法的一种改进。这里我们为当前的火焰效果，进行简单的 Shredding 湍流效果添加。

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**如图（上）：** 在 Catalyst Solver解算器节点的 Turbulence 湍流面板中勾选 Shredding 启用勾选，打开Shredding 湍流，可以对比发现，相比原始默认解算结果，Shredding 湍流更容易在火苗边缘产生尖锐的细节，这在燃烧尺度（Scaling）的控制中是十分关键的。规模较大的火焰燃烧效果，往往在火焰的边缘会有更多的细节（**左**），而较小尺度燃烧的火苗，容易形呈现出连续，流畅的长线条（**右**）。（补充：这里用到的“流畅”一词，可以从我们在学习绘画时，控线的角度来理解，它指的是我们绘画时，画面线条没有断裂的现象。在计算机物理动画领域，很多效果也会关心这个指标，尤其是在制作中国风布料效果解算的时候，会追求褶皱的连续和流畅，这部分内容会在我们的布料解算产品 VeraFiber 中进行详细讨论。） #### 尽量减少全局控制在流体动态发展的初期，流体通常会处于一个非常规则，光滑且僵硬的状态，这些僵硬的形态是我们所不希望看到的，因此围绕着如何打破这些僵硬的效果，解算器设计了丰富的发射器控制，和湍流控制功能。但诺这些功能被过度使用，则会给效果带来一些负面影响，使原本满足物理运动规律的流体效果，变得不像流体。为了最大程度避免这样的问题，我们提出了这个**尽量减少全局控制**这个原则，拿当前案例的 Shredding 湍流效果来举例。我们在使用 Shredding 湍流后，默认会根据流体的速度（MaskFieldType）大小来关联 Shredding 湍流的作用强度，速度越大，Shredding 湍流的作用效果越强烈。通过 Mask Range 参数，可以进一步设置这个速度大小的关联范围，默认0~5的数值，代表了速度从 0 ~ 5 对应了 Shredding 的作用强度 0 ~ 100%。

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再进一步开启 Remap Mask Field 勾选，会激活默认的 Ramp 曲线编辑面板（**如图：上**），出现的这条控制曲线的含义表示了 Shredding 湍流的作用强度跟随速度的大小而变化的同时，也会受到曲线（高度）的重映射影响。曲线横坐标 0 ~ 0.5 的范围表示了流场内流体运动的速度越快，则流体受到的 Shredding 湍流强度逐步增高，曲线横坐标 0.5 ~ 1.0 的范围则表示流体运动速度进一步增大的时候，所受到的 Shredding 湍流强度又会逐步减少。这和我们的需求匹配：流体效果从无到有的产生过程，通常也伴随着流体运动速度的逐渐增大，而这一过程早期的运动规律，通常是我们需要通过各种湍流控制和发射器控制所要打破的，一旦打破了流体形成早期可能出现的“规则”和“僵硬”的动态效果后，我们还是希望流体可以保持一个相对物理的运动规律发展下去，不再进行额外的过多干预，尽量把控制权交给解算器本身。尽管这种控制方式，不一定适用于所有的应用场景，但这种**尽量减少全局控制**的设计思路，会始终贯穿 Catalyst FX绝大多数模块的设计理念和调参思路。这一点，我们也可以从 Houdini Pyro FX 2.0 到 3.0 的参数设计变化中得出类似的结论规律。这部分的具体内容，我们会在接下来的 Combustion 专题章节中继续进行更深入的讨论。 ### 105 浓烟 Dense Smoke Example 在已经调整好火焰的形态后，如果我们希望在燃烧的火焰上产生浓烟，可以通过开启位于 Catalyst Solver 节点 FuelReaction 面板下 Combustion Dense Smoke 参数组中的 **Fuel Create Smoke** 勾选打开浓烟生成功能。

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**如图（上）**：设置 Combustion Dense Smoke 参数组中 Smoke Amount 系数为 2 ，在燃烧不充分区域产生的浓烟强度为2的效果。在最终渲染的时候，我们也可以关闭火焰渲染，仅保留烟雾，也是一种较常见的浓烟制作方法。 ---

### 106 温度和浮力 Temperature & Buoyancy 在先前的案例中，我们已经对Catalyst FX的基础制作流程有了一个初步的了解和认识，我们可以发现烟雾模拟效果的一个最基本的运动特征，就是气体会受到浮力作用后，产生**翻滚**的动态效果。这里温度（temperature）和浮力（buoyancy）是产生该效果的关键，也是自然界中常见的基本概念，在使用Catalyst FX进行流体效果制作的过程中，温度和浮力的控制，始终是最重要的核心环节，所以本章节为一篇较为理论性的物理背景知识介绍，这里我们首先回顾一下在物理学中有关温度的定义。 #### 温度在物理学中，温度的单位由**开尔文（K）** 来表示。而温度的定义，可以从很多角度来解释。这里由于Catalyst FX 是一款气体流体解算器，所以讨论一下气体的温度，我们可以从体积的视角来看温度的定义，即：温度大小直接决定了气体体积的大小，温度和气体体积直接的关系，是线性的。举个例子，如果在压力不变的前提下，气体的温度升高，那么它的体积也会变大。反之亦然，如果气体的温度减半，也会导致气体的体积减半。这样也就很容易的得到了绝对零度的定义：随着温度的不断降低，气体的体积也会不断缩小。最后，只要温度足够低，那么理想气体的体积也会降低至 0，而此时的理论温度，就是 **-273.15 °C**。由于体积为0的情况，在现实物理世界中是不会发生的，所以，绝对零度 0开尔文 **（-273.15°C）**，是一个从数学层面上推导的理论最低温度，实际上温度只会无限逼近这个数值，而不可能达到这个数值。而这种关于温度和体积之间关系的描述，最早由法国科学家雅克·亚历山大·塞萨尔·查理（Jacques Alexandre César Charles）提出，所以现在在物理学中，温度和体积之间的关系，通常在理想气体的条件下，被描述为**查理定律（Charles's Law）** #### 浮力 Buoyancy 在了解了温度和体积之间的关系以后，我们再来了解浮力（**Buoyancy**）的作用，就很容易理解。这里我们从日常生活中，最常见的现象油可以浮在水面上这个现象入手进行分析，油之所以可以浮在水面上，是因为油的密度比水低，所以受到了水的浮力，那么同样的原理对于气体来说，高温气体由于体积变大密度降低，从而最终受到了密度大于自己的低温气体的浮力，在同一场景中，高温气体往往相比低温气体更容易获得较大的浮力和翻滚动力。所以在Catalyst FX 的效果调整中，控制温度（**Temperature**）是最有效影响流体浮力大小的手段，流体计算的温度场和流体所受到的浮力是正相关的，温度场的数值越高，则代表了给流体提供的浮力越大。 #### 发射温度提高浮力通过发射器直接发射温度获得浮力，是最常被使用的方法，在我们的发射器参数面板上的 Temperature 场选项，用来控制 temperature 的发射强度，数值越大表示发射器给温度场提供的温度越高，这里我们看一个基于多个发射器制作的爆炸效果对比测试，以便更直观的理解温度对浮力的影响。

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**如图（上）**：当前的爆炸效果一共使用了3个发射器进行燃料和温度的发射来产生最终的爆炸反应效果。发射器（A，B，C）的激活时间先后，存在一定幅度的偏差，用来控制最终的爆炸的效果更有节奏，其中发射器B设置了较高的温度发射数值，用来给整个爆炸的中心区域提供额外的翻滚动力，而发射器A则设置了较低的温度发射效果，用来减弱局部区域的浮力作用强度和翻滚动力，最终使得整个爆炸的外轮廓有较大的整体起伏波动（大形控制）。而如果当前的案例关闭发射器的温度发射差异调节，使用数值完全相同的温度，燃料发射强度进行模拟时，则会得到整体大形较为平整的效果

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**如图（上）**：左侧为A，B，C发射器设置完全一样的温度发射强度所得到的效果，可以发现爆炸的整体外轮廓过于平整，这会导致画面缺乏节奏和层次，这个时候仅需简单的对A，B，C发射器设置不同的温度发射强度，就可以破坏掉这过于规整的动态效果，产生丰富的动态层次（**右**）。 #### 温度的衰减通过设置发射器的温度发射强度，为整个流场提供温度的同时，也提供了浮力，所以减弱温度场的强度，也就可减少流体受到的浮力，在Catalyst FX 中，有2种常用的方式对温度场进行衰减或“降温”，分别是：**扩散 Diffusion** 和 **冷却 Cooling Down** 这两个参数在解算器主面板上分别是：Temperature Diffusion 和 Cooling Rate

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* **冷却 Cooling Down** 冷却（Cooling Down）指的是温度场随着时间不断衰减的过程，单位是（百分比/秒），Cooling Down 的默认参数是 0.75，其物理意义是：温度场的数值在一秒钟的时间内衰减掉当前强度的 75%，以下是冷却参数不同数值的对比效果图

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**如图（上）** ：演示了温度在不同冷却强度下烟雾翻的滚效果，画左为 Cooling Rate 设置为 0，即整个温度场的温度自始至终不进行任何衰减，温度会持续不断的提供烟雾翻滚上升的动力，并永远的向上翻滚下去。**画右:** 为 Cooling Rate 设置为 0.95的效果，通过温度场的切面可视化可以发现，温度场在冷却功能的作用下，影响范围小了很多，并且在一定高度温度降至 0 以后，烟雾则失去翻滚动力不在向上翻滚上升。 * **扩散 Temperature Diffusion** 在物理世界中，温度会在连续介质中进行传播（如：空气，液体，固体）。某一处环境温度的降低，通常是该区域的温度，间接的影响并传播至自己附近的低温区域，最终达到整个区域的一个温度均衡。我们称这种现象为温度的扩散现象。当全局的温度达到均衡的时候，早期局部的高温期将不再存在，也可以理解为一种温度场的冷却现象。在Catalyst FX 中我们也提供了对温度场的扩散处理，通过参数面板上的 Temperature Diffusion 系数进行控制。 #### Cooling Down Example : 干冰干冰是二氧化碳在固态的形式，当它升华（直接从固态变为气态）时，会产生大量的白雾。为了制造舞台上的雾效，干冰被放入热水中，迅速升华产生浓密的冷雾，这种雾会因为比空气冷而在地面附近流动，营造出神秘的气氛。由于干冰的初始温度极低，刚产生的雾气温度也会相对较低，比环境温度低很多。这也是为什么干冰产生的雾通常会在地面附近流动，因为冷空气比较重，不易上升。随着雾气与环境空气的接触和混合，其温度会逐渐上升，最终趋近于周围的环境温度。使用Catalyst FX 制作干冰这种效果的时候，我们可以通过设置解算器的冷却率至最大数值，来让发射器发射的烟雾可以在环境中迅速冷却，从而形成烟雾在地面附近流动的效果。

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**如图（上）** ：Cooling Rate 冷却率设置到 0.99 极限状态下的烟雾流动效果，可以发现虽然发射器设置了温度发射，但是由于发射出来的温度会很快冷却至0度，此时烟雾则会失去所有的浮力，最终下沉到地面附近形成堆积。 --- ## 201 燃烧不论是在真实自然界中，还是在计算机中，燃烧都是一个非常复杂的过程，即便是在CFD领域，迄今为止仍然存在很多未解决的问题。而在计算机图形学，计算机动画领域，燃烧通常使用简化的控制方程，在这里我们简单的介绍一下整个燃烧的过程。首先，燃烧的产生需要往流场中添加燃料，和温度一样，燃料可以通过发射器直接发射储至燃料（**fuel 场**）中，在发射器也同时发射了温度的情况下，当某一点的温度，超过了该点燃料的着火点时（**Ignition Temperature**），燃料就会被点燃开始进行燃烧反应。在燃烧反应的过程中，燃料首先会不断减少变成燃烧状态（**burn 场**），但 burn 场并不是最终渲染的火焰，而是火焰产生的发射源。其值高的地方，表示燃料正在被积极消耗，火焰生成也较为强烈。burn场在经过一系列复杂的计算之后，会形成最终的火焰（**heat 或 flame 场**） * 流程图待补充在这个过程中，燃烧会持续释放出大量的热量，提高温度场的温度，从而也会气体体积的增加，以及浮力和翻滚动力的获取，最终出现火焰和烟雾膨胀并上升的现象。在对燃烧有了基本概念的了解之后，我们就可以系统的看一下燃烧控制面板上的各个参数。

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|名称|默认参数|说明| |:--|:--|:--| |**Ignition Temperature**
着火点
|0.1|当温度场的温度大于这个数值的时候，燃料被点燃开始进行燃烧反应并不断被消耗| |**Burn Rate**
燃烧速率|0.9|这里也可以说成“燃料消耗速率”，是燃料在被点燃后，转换成 burn 场的百分比，1.0表示所有的燃料都会转换到 burn 燃烧状态。| |**Fuel Inefficiency**
燃料效率低|0.1|不能进行有效燃烧燃料的百分比。| |**Temperature Output**
温度输出|0.25|控制燃料燃烧后，对温度的贡献强弱，并最终影响到浮力大小和翻滚动力。在真实物理世界中，不同的燃料燃烧后所释放的热量是不一样的，比如每公斤的煤在完全燃烧后所释放的热量，会远远小于同样质量的甲烷所释放的热量（甲烷（天然气）: 约为 55.5 MJ/kg，煤: 一般在 24到 35 MJ/kg 之间）| |**Gas Release**
气体释放|15|燃烧的本质是一个剧烈的化学反应过程，在这个过程中，燃料与氧气反应生成二氧化碳或水蒸气等产物，这些化学反应的产物大多是以气体形态存在（从固体或液体转变为气体），所以在燃烧的过程中会导致体积产生剧烈膨胀，Gas Release 气体释放这个参数，控制了燃料燃烧后所导致的体积膨胀的长度，该参数在制作爆炸效果的时候，通常需要设置到较高的数值。
算法层面 Gas Release 直接修改压力求解所输入的 divergence 散度信息| ### Parameter Map * 近期更新 ### Collision * 近期更新 --- ## 301 Explosion 爆炸爆炸在流体计算领域是一种常见的仿真需求，它的整个计算过程和燃烧反应差别不大，Catalyst FX 也提供了相应的计算features，用于模拟燃料燃烧后产生的爆炸效果

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#### 物理意义关于爆炸，最容易联想到的是世界大战时期，战场上最常用的TNT炸药，也就是聚能装药爆炸，在学术上可以把它归类为化学爆炸。新闻中出现的煤气罐爆炸，也属于化学爆炸的一种。但是在详细说化学爆炸之前，我们还是总体了解一下爆炸的种类。爆炸可以分为三种： * 物理爆炸 * 核爆炸 * 化学爆炸 **物理爆炸：** 大致可分为三类：(i)压力容器的爆炸；(ii)火山的喷发；(iii)两种温差极大的液体快速混合。举例来说，家里高压锅爆炸就属于物理爆炸，在此过程中没有化学反应的发生，只有压力的快速释放。 **核爆炸：** 包括核裂变、核聚变，其能量来自原子核的链式反应。简单来说，核爆炸释放的能量可以分为三类：(i)粒子的动能；(ii)气体的内能；(iii)热能。热能主要以热辐射形式表现，动能和内能大约占核爆炸能量的一半，并最终形成空气中的冲击波。 **化学爆炸：** 主要表现为化学反应的进行和化学能的释放，在计算机图形学中进行的爆炸效果模拟，会用到化学爆炸中的一些概念，如：着火点（ Ignition Temperature），燃料（Fuel）等，但是和真正的基于化学反应过程实现的燃烧爆炸模拟相比，不能说不太类似，只能说是毫不相干。 #### 核心参数爆炸最核心的控制，就是对散度目标函数，或者说是对散度场（Divergence Field）的设置，通过设置不同的散度（Divergence）数值，来实现各种爆破效果的调节，以下，我们先不考虑复杂的湍流细节，只考虑最重要的几个爆炸相关的参数 |名称|功能|效果注解| |--|--|--| |**燃料密度发射率**
Emit Fuel |燃料会通过点燃，转换成燃烧（Burn），火焰（Heat），和温度（Temperature），并且这三者均会对散度有所贡献|发射器提供的燃料（Fuel）密度越高，爆炸越剧烈，想象一下30吨的TNT炸药爆炸，和30吨的大伊万（5000万吨TNT）爆炸有啥区别| |**燃烧冷却时间**
Combustion CoolingDown Time|该参数控制火焰（Heat）的冷却时间，单位是秒，即：N 秒之后，火焰将完全消失|默认参数下，Heat场（或 brun场）是一个潜在的烟雾发射源，当Heat场的数值降低接近0 的时候，则被认为是燃烧不充分区域，这部分区域会产生浓烟。
同时，Heat场对会温度场进行贡献，Heat存在的时间越久，则温度持续的时间越久，烟雾受到的浮力则越久| |**气体释放**
GasRelease|控制燃料燃烧的反应过程，对散度场（Divergence Field）的贡献系数|整个燃烧反应，对散场（Divergence Field）度贡献的一个全局系数,该参数越大，燃料在燃烧的过程中就膨胀的越剧烈。| 所以，如果要实现一个爆炸，最直接的方法，就是调整发射器的燃料（Fuel）发射强度和 GasRelease参数随时间的变换,以下我们step by step的演示以下

#### 化学爆炸 301 Basic Explosion With Houdini **创建发射器 Source**

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如图（上）所示：在SOP Network中创建一套标准Pyro发射器，Catalyst FX 节点可以读取Houdini Pyro Source 节点已经创建好的Field，作为自己的发射源使用。这里我们直接将一个Houdini自带的甜甜圈转换成体积，对其设置合理的Noise密度分布，并将其作为爆炸发射器使用接下来，我们可以创建 SOP 下的 CatalystSolver节点，将Solver节点第一个Input 连接至当前编辑好的发射器作为输入 **燃料发射强度设置**

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我们在创建好的Catalyst Solver节点的 Sourcing 面板中依次勾选 Fuel，Temperature 和Velocity 的 Enable 开关。启动发射器的燃料，温度和速度的发射，在这里速度可以设置为正Y（0，1，0）方向上一个比较大的数值，使得爆炸有较高的向上的初始速度比较关键的是燃料参数的整体缩放系数，如图所示，我们对燃料参数进行一个key 帧处理，将燃料的初始发射密度设置成5，在经过24帧左右的时间之后，燃料发射器的整体发射强度，降低至0.2，创造出解算第一秒流场中产生爆炸和膨胀的条件

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* 增加适当的湍流效果，最终得到如图所示的爆炸模拟结果（**精度：** 220 * 480 * 220 **帧数：** 120 frames ，**解算用时：** 1 min with MTT S90 ）

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* 为了得到更明显的爆炸效果，我们修改fuel的发射曲线，发射强度由最开的 5 ~ 0.2，修改成 10 ~ 0.2，得到图（右）的效果小节：通过控制发射器的燃料发射密度，是最直接的制作爆炸的方法，更详细的有关于 Catalyst FX 制作爆炸的调参细节，可以参考手册后续的 Parameter Map章节，该章节会对每一种效果使用不同的参数有详细的对比和注解 ---

#### 物理爆炸 302 Ground Explosion With Houdini **Divergence Control** 除了控制燃料发射密度的方式制作爆炸，我们也可以直接控制发射器直接对散度场进行填充，配合 Houdini 的粒子系统作为Catalyst Solver的发射器输入源，用于制作更复杂的爆炸效果相比直接控制燃料发射密度的工作流程相比，通过直接控制散度 Divergence的方式，不会产生额外的燃烧反应温度，换句话说，散度控制（Divergence Control）和先前章节提到的爆炸分类中的**物理爆炸**，这分类有些类似，即整个爆炸的过程中没有任何化学能的转换，也没有复杂的燃烧温度输出反应。 * 待更新 ### 爆炸总结：化学爆炸：会模拟燃料的热反应过程，产生热量，影响流体所受到的浮力大小，释放的热量也会影响气体体积的膨胀，燃料燃烧后，会产生浓烟物理爆炸：只产生纯粹的体积膨胀，不产生温度和热量，不贡献浮力 --- ## Advance Houdini Topic 这一章节我们主要讨论Catalyst FX Houdini 插件版本的高级使用流程，包括但不限于：Houdini DOP 原生节点混用，GPU VOP 可视化编程等内容。 ### DOP Control Workflow Houdini 的 DOP 模块提供了大量和物理解算有关的计算节点组，并且很多艺术家过去多年的工作经验，也都是基于使用 Houdini DOP 节点组进行各种各样复杂效果的制作，所以我们在Catalyst FX 设计之初，就希望艺术家在使用Catalyst FX 的时候，还可以有一种高效的计算方式，继续使用 Houdini 原生的 DOP 节点组，这样可以在提高效果可控性的同时，进一步降低上手门口，做到在流程和体验的无缝切换。

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**如图（上）** ：在 Catalyst Solver 节点Advance 面板的 DOP Control 子面板下，找到 **AllowDOPMicroSolver** 勾选并开启，即可在 Catalyst Solver 节点内部的 DOP Network 层级使用 Houdini 原生自带的 DOP 节点组参与效果计算。否则，处于计算效率考虑的角度，解算器默认会忽略所有需要在 CPU 上进行计算的 DOP 节点，这一点设计和 Houdini Pyro FX 系统的 **Minimal OpenCL** 工作模式类似。在打开 AllowDOPMicroSolver 参数设置后，我们来对一个基本的烟雾效果添加 DOP 节点来参与最终效果计算。

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**如图（上）** : 双击 Catalyst Solver，进入解算器内部的 DOP 节点网络层级，创建Houdini DOP自带的 Gas Wind 节点，设置 WindScale 为2，再次解算可以发现燃烧的硝烟在 Gas Wind 节点的作用下，产生了沿X轴水平方向的飘散运动效果。以上作为最基本的 DOP 节点使用流程介绍。当然，在 DOP 节点网络层级下使用 Gas MicroSolver 系列的湍流节点也是可以被允许的，只是这样做的性价比并不是很高。

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**如图（上）** ：这是一个并不科学的展示，虽然启用了 DOP Control 功能后，我们可以随意的使用 Houdini DOP GAS 系列的全套节点组，即便是用于产生流体动态细节的 Gas Vortex Confinement 也可以产生正确的效果。但是我们仍然不建议用户使用 DOP Control 来进行复杂且精细效果控制。这主要还是从计算效率的角度考虑，通常情况下 Catalyst FX 一个完整 step 的效果计算通常不会超过 100ms（10 FPS），而Houdini内不少 Gas MicroSolver 节点的单个节点计算时间就已经达到了这个量级，所以从体验的角度来说，容易产生用户在开启 DOP Control 功能后，感受到解算器工作效率呈现断崖式下降的糟糕体验。当然，即便是在开启 DOP Control ，让 Gas MicroSolver 节点参与到 Catalyst FX 计算的情况下，解算器的整体性能仍然可以保证比 Pyro FX 快到 3~5倍以上。 ### DOP Control 的注意事项由于 DOP 节点的计算是在 CPU 上完成，而 Catalyst FX 节点的计算是在 GPU 上完成，这导致使用 DOP Control 功能的时候，GPU 和 CPU 之间会存在大量的同步，以及数据传输问题，在一些应用场景中，会极大程度影响到操作流畅度的体验。这里拿 MooreThreads MTT S4000 或 nVIDIA RTX 3060 这个级别的 GPU来举例，单个 **256 * 256 * 256** 精度的流场（1677 万 Voxels）数据回读，平均时间在 15ms 左右，而完整的速度场回读就会达到 45ms 的用时，在经过DOP的计算后，我们还需要把在CPU上的速度场传回 GPU，这会导致最终数据传输时间开销达到 100 ms 这个量级。所以为了优化速度场传输的性能开销，我们开发了**降采样回读编辑方法**，拿一个 **256 * 256 * 256** 精度的速度场来说，我们会先对这个速度场进行降采样处理，先将当前的速度场精度降低到 **128 * 128 * 128**，然后在 DOP 节点网络的编辑中，始终是对这个精度降低后的速度场进行编辑操作，最终也是把在 DOP 中编辑好的低精度速度场上传回 GPU参与完整流程计算，这样整体的 IO 带宽开销，和 DOP CPU 节点的计算开销，都降低了 8 倍，也就是一个量级左右。

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**如图（上）**：在 Catalysts Solver 节点的 Advance 面板的 DOP Control 子面板下，启动了 **AllowDOPMicroSolver** 勾选后所激活的 DOP Velocity 下拉菜单，默认倍设置了 2x DownSample。经过和产品早期测试用户在实际项目中的试用反馈来看，使用 2x 降采样精度的速度场进行 DOP Control，在大多数应用场景中已经足够使用，所以这里速度场 2x DownSample 作为 DOP Control 的默认设置参数。如果一定存在特别复杂的应用场景，需要在 DOP 中编辑完整精度的速度场，可以将该参数由默认的 **2x DownSample** 模式，设置成 **FullResolution** 模式。在实际的应用场景中，需要用户使用 Gas MicroSolver 参与流体效果调整的需求分为2类，一类是湍流（Turbulence）效果计算，如：使用多个 DisTurbance ，或多组 CurlNoise 节点生成不同频率的湍流扰流细节。这部分的效果制作会给画面带来**高频**的细节变化，需要直接对原始的高精度速度场进行计算编辑处理，所以**不适合使用降采样回读编辑方法**。但这部分的效果我们都完成了对应GPU节点的开发，可以直接使用。而剩下一部分效果的 Gas MicroSolver 应用场景，就是用来对流体的大形态进行比较特殊的定制化控制。如：使用让流体可以沿着在 SOP 中编辑好的曲线运动，或让风场的强度可以跟随高度的变化而产生简单的起伏，这些效果的作用力，都不需要使用精度过高的网格进行编辑。所以，这部分的效果大形控制更适合使用 DOP Control来实现，这里我们将展示一个由知名特效团队 **MORE VFX** 提供的测试案例，来进一步说明 DOP Control 功能中，高低频控制的概念。 --- ### MORE VFX | Gas VEX 翼尖涡流

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**如图（上）**：由 **MORE VFX** 提供的测试案例，飞机飞过的区域产生**翼尖涡流**的效果，该案例使用 Catalyst FX + GAS FieldWrangle 节点编写 VEX 脚本实现，接下来我们对当前案例的制作过程进行一个简单的介绍。当飞机在空中飞行时，飞机机翼两侧的气流在尖端处相遇而形成的，空气从机翼的底部流向顶部，然后在尖端处汇聚，形成一个旋涡。这个旋涡看起来像是一条细长的线，绕着飞机的尖端不停旋转。这种特殊的气流现象，被称为翼尖涡流，是一种常见的空气动力学现象。 #### 制作流程简介翼尖涡流的制作流程和龙卷风很像，核心思路就是想办法让流体能够绕着一条曲线旋转，所以首先我们需要沿飞机飞过的路径构建路径曲线，然后再通过开启 DOP Control 功能，编写让流体绕着曲线旋转的 VEX 代码来实现翼尖涡流拖尾效果。

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**如图（上）**：首先使用 Ray 节点将机翼投影到地面上，并使用 Extract Centroid 节点提取投影重心点，然后用 Trail 节点计算轨迹，使用 Time Shift 节点锁死到整个动画的最后一帧，并用 Add 节点将所有的点都链接成线，再添加 Poly Frame 节点计算出 tangentu 属性，作为曲线方向信息。如果得到的 tangentu 属性和我们需要的方向相反，也可以使用 Point Wrangle 对属性乘以 -1 取反。

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**如图（上）**：这样的曲线一共需要制作3条，除了演示的投影到地面的一条，还有左右两边机翼处的两条（红，绿），作为翼尖涡流的漩涡旋转中心线。在有了飞行轨迹曲线，和左右两侧的机翼运动轨迹曲线后，我们就可以使用DOP Control 功能，通过 VEX 代码来实现流体绕着（红，绿）曲线旋转的形态。

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**如图（上）：** 针对前面已经制作好的3条轨迹曲线，这里一共要给流体解算器添加3个 Gas Field Wrangle 节点，分别将每一条曲线作为计算辅助输入完成最终速度场的计算。其中 centerDriven 节点的 Input1 读取运投影到地面的动轨迹，leftDriven 节点 Input1 读取红色左侧机翼运动轨迹，rightDriven 节点 Input1 读取绿色右侧机翼运动轨迹曲线。添加的 VEX 代码如下 ```C //centerDriven Node int pr; vector uv; float dist = xyzdist(1, @P, pr, uv);// 选取地面轨迹曲线 vector tangentu = primuv(1, 'tangentu', pr, uv); float w0 = fit(dist, 3, 9, 1, 0); float w1 = fit(dist, 0, 4, 0, 1); w1 = pow(w1, 1.8); w1 *= 3; v@vel += tangentu*w0*0.5 + set(0,1,0)*w1*pow(fit(@P.y,-7,-5,1,0),1.8); ``` ```C //leftDriven & rightDriven int pr1; vector uv1; float dist1 = xyzdist(1, @P, pr1, uv1); // 选取左，右轨迹曲线 vector tangentu1 = primuv(1, 'tangentu', pr1, uv1); tangentu1 = normalize(tangentu1); vector pos1 = primuv(1, 'P', pr1, uv1); vector side1 = normalize(pos1 - @P); vector dir1 = cross(tangentu1, side1);// *-1; 机翼右翼轨迹曲线需要乘以 -1 取反 float w1 = fit(dist1, 0, 2, 1, 0)*20; v@vel += dir1*w1; ``` 运行得到解算效果 * 来一个 gif #### 高低频控制的进一步讨论

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通过观察上图的最终计算结果我们可以发现，速度曲线绘制的旋转大形，是DOP 中Gas VEX 代码完成计算的部分，这部分的旋转的形态并没有丰富的细节，并不需要在很高精度的速度场上进行编辑，换句话说，当前的翼尖涡流旋转效果，使用最大分辨率128的速度场，和最大分辨率512的速度场制作旋转信息，驱动的最终流体动态效果，并不会有太大区别。所以我们建议大家在使用 DOP Control 的时候，尽量使用**降采样回读编辑**，在 DOP 中使用低精度速度场作流体的大形态，在GPU上使用GPU强大的并行计算能力生成丰富的湍流细节。 --- ### Houdini Catalyst 节点操作 #### 多发射器爆炸案例

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**如图（上）**：我们直接使用 **Pyro Burst Source** 节点创建一个粒子爆炸效果，并添加 **Volume Rasterize Attributes** 将粒子转成 VDB 体积。这部分发射器的制作流程和使用 Houdini Pyro FX 制作爆炸效果的流程完全一致。

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**如图（上）**：制作多个爆炸点依次爆炸的效果。使用 **TimeShift** 节点，创建2号，3号爆炸点，让爆炸时间点在时间上错开，每个 **TimeShift** 节点将爆炸时间错开 3 帧时间差，再使用 **Transform** 节点偏移爆炸点位置，让爆炸在不同的地方产生。这里制作好的原始 1 号爆炸点发射器数据可以直接链接到 Catalyst Solver 节点 1 号 input 上，并在Catalyst Solver 节点的 Sourcing 面板上设置相关的发射参数。但是 emitter2 和 emitter3 节点处的发射器数据，如果我们需要对发射强度，发射方式进行单独控制，就需要在 Catalyst Solver 节点内部的 DOP 层级创建Catalyst FX发射器节点进行单独控制。

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**如图（上）**：创建多个 **AxField Source** 节点，设置 **SourcingGeoPath** 参数路径为先前制作好的 2号，3号发射器位置。并单独设置不同的发射强度。这里为了让中心区域的爆炸效果更加剧烈，我们设置中间位置爆炸发射器的燃料发射强度（**Scale**）为 4倍，温度发射强度为 1.5 倍。然后点击时间轴上的 Play 案例播放计算结果。

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**如图（上）**：可以看到在 Catalyst Solver 节点内部创建的 AxField Source 发射器正确的读取到了在 SOP 层级中使用 **TimeShift** + **Transform** 节点制作的多发射器信息。从 Frame 3 到 Frame 20 阶段可以清楚的看到整个爆炸呈有节奏顺序的产生。 #### 创建 Catalyst 湍流节点在对流体效果从整体往局部一层层添加细节控制的过程中，难免有额外的湍流效果添加需求，和创建多发射器节点一样，在 Catalyst Solver 内部的 DOP 层级中，也可以创建额外的，除解算器面板上默认提供的湍流类型节点。

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**如图（上）**：在默认的 Catalyst Solver 节点内部，存在2个 Ouput 节点，一个是先前使用的发射器 Output 节点接口用于链接额外的发射器节点资源，还有一个是名为 Force 的节点类型接口，用于链接额外的湍流节点资源，这里我们在现有效果的基础上，添加一层更细致的 DisTurb 湍流（**AxField_UltraTurb 节点**），和一层更对流体大形态进行轻微干预的 CurNoise（**AxField_CurlNoise 节点**）。

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**如图（上）**：来看最终结果，3个效果对比，**画左**:为原始模拟效果，没有添加任何湍流控制，**画中:** 为添加解算器面板自带的 DisTurb 湍流控制，湍流强度为 5，尺寸为 1 （米），**画右:** 为在解算器自带的 DisTurb 效果的基础上额外再添加一层强度为 25，尺寸为 0.3（米）的更细粒度高频湍流，在不影响流体大形态的基础上，为流体表面添加更多的扰乱细节。 ### 节点可视化 Node Visualization 每一个在 Catalyst Solver 节点内部添加的湍流计算节点，都可以进行可视化看到当前节点的作用强度效果。（在每一个湍流节点的 **Visualization 面板**上进行设置）

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**如图（上）**：当开启 Catalyst Solver 节点内部添加的湍流节点的 Visualization 功能后，Visualization 数据会从 Catalyst Solver 节点的第二个输出端口导出。可以添加 **Transform** + **Merge** 节点将计算结果合并在一起观看。每一层湍流控制的 Visualization 数据上，都有原始节点路径信息，在添加多个湍流控制节点的时候，便于区分每一份可视化信息的节点目标来源。 ### 关于节点命名

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## 401 Parameter Map 参数详解（更新中）

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### 湍流 Turbulence

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#### Dissipation 消失不同的基础数值

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#### Vortex Confinement 全称为：VorticityConfinement 原始论文出自1994年 [Modification of the Euler equations for "vorticity confinement"](https://www.researchgate.net/publication/239547604_Modification_of_the_Euler_equations_for_vorticity_confinement''_Application_to_the_computation_of_interacting_vortex_rings) Vorticity confinement 将由于数值耗散而损失的能量利用体积力重新注入到流体中，该体积力可以增加流动的涡量。具体来说，该算法通过控制涡量的传输来模拟流体中的涡旋行为，其中涡量是一个描述流体涡旋强度和方向的向量，在流体中，涡量的传输是由速度场引起的，如果速度场的涡量分布不均匀，就会出现涡旋，为了还原数值耗散导致的涡量丢失，我们可以首先找到这些具有涡量的地方，然后归一化涡量位置向量，让它从低涡量的地方指向高涡量的地方，最后让涡量方向乘上涡量本身就得到了为了形成漩涡需要额外添加的体积力 ----

#### Curl Noise

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相比其它的 Noise 类型，CurlNoise 是一种考虑流体运动过程保持体积守恒的 Noise，换句话说 CurlNoise 是无散的（Divergence Free），使用这种Noise可以最大程度丰富流体动态细节的前提下，仍然不对流体的原始体积有较大的破坏。 Catalyst FX 提供3D，4D 2种版本的CurlNoise ，其中4D Noise 提供对时间上的变化频率单独控制，例如：Noise 在时间上有交大程度的变化，但是空间上却是较低频率的形态，以下是CurlNoise湍流的参数列表 |参数名|说明| |:--|:--| | Core | CurlNoise 的计算内核，分Procedural Noise 和 Bake的3D Texture2种 | | Swirl Size | CurlNoise的空间尺寸大小，本质上是CurlNoise的频率控制 | | Gain | CurlNoise 湍流的强度控制信息 | | Pulse Length | 时间频率 | | Seed | Noise的种子数 | | Clamp Below | Mask 场数值低于该数值则忽略控制，默认情况下使用 Temperature 温度场作为 threshold | Curl Noise 比较适合用于流体的大形态控制，通常 Curl Noise 的 Swirl Size 设置到 Voxel Size 的 10 倍左右，会比较容易将 Curl Noise 计算所生成的全部无散漩涡信息注入到流体速度场中，产生较好的动态控制效果，而当CurlNoise的 Swirl Size 小于这个数值比例的时候，无散的漩涡信息会被减弱（这是由于对CurlNoise信息离散化程度不够导致） #### Mask Setting CurlNoise 默认的 Mask Field 为 Density Field （密度场），在浓度越大的地方 CurlNoise 的作用效果越明显，换句话说，在默认参数下 CurlNoise 会尽量尝试从内部往外破坏流体的运动形态，并产生出漩涡和翻滚效果 ----

#### Disturbance

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Disturbance，是一种针对烟火爆炸等流体模拟效果添加的一种高频湍流，为了在流体中产生较为细碎的细节。**如图（上）：** 分别展示了 Disturbance 关闭和开启状态下的效果对比，可以在保持流体大形不发生过大变化的情况下，仅在最外层边缘处增加频率可控的湍流细节该湍流效果和 CurlNoise 或 Vorticity Confinement 这一类或多或少考虑体积守恒的湍流模型不一样，Disturbance 的工作流程是无视体积守恒，根据一个频率周期（**BlockSize**），通过强行“撕裂”一个速度场来对流体产生破坏性影响，若输入的是一个无散的速度场，在经过 Disturbance 的修改之后，速度场会不再无散。 Disturbance 对速度场的破坏，会随着之后的压力投影（pressure projection）进行修正，并最终产生出高频湍流细节由于对速度场的修改，无视了体积守恒，所以 Disturbance 不适合用于液体流体的制作，接下来会介绍 Disturbance 里一些比较重要的概念 * **Threshold** 由于 Disturbance 无视体积守恒，所以我们并不希望 Disturbance 对流体速度场的影响范围过大，我们希望只在最重要的区域添加 Disturbance，通常烟雾和燃烧模拟，我们只关心烟雾最表面的一层有足够的细节，而远离烟雾表面的区域，尤其是烟雾的内部，不太希望DisTurbance的作用对速度场做过多的修改，因此Threshold的作用在 Disturbance 会比其他湍流效果更重要在默认参数下，我们使用 density 密度场的补值作为 Threshold ，并将 density 场的数值从 0.1 ~ 0.0 的范围映射到 threshold 强度 0 ~ 1 区间，拿一个简单的烟雾模拟来举例，即：密度大于 0.1 的区域（烟雾内部）均不进行 Disturbance 的计算，小于 0.1 的区域到没有烟雾的区域 Disturbance 的强度从 0 ~ 1.0 递增。这也意味着仅通过 Threshold 控制 Disturbance 的强度，流体效果不覆盖的区域（空白区域）的速度场，也会受到 Disturbance 的作用影响，这一点也是我们之前讨论的所不希望发生的 * **MaskField** 为避免 Disturbance 对速度场的影响范围过大，我们需要在 Threshold 控制的基础上再加一个 MaskField 控制，以保证没有流体效果覆盖的区域没有 Disturbance 湍流效果的产生，这里使用Temperature温度场，或使用速度的模长作都可以满足需求，总结一下Threshold和MaskField的作用可以是：Threshold **用于剔除内部区域**，MaskField **用于剔除外部区域**，下面我们对2种方案进行一个可视化的对比

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**如图（上）** Disturbance 的影响范围可视化。分别为 **（左）** 使用 **density** 作为 **ThresholdField**（剔除烟雾内部区域），和 **temperature** 强度作为 **MaskField**（剔除烟雾未抵达的空间）之后所留下的烟雾边缘区域，和 **（右）** 使用 **density** 作为 **ThresholdField** 以及 **vel** 的模长强度作为 **MaskField** 之后所留下的烟雾边缘区域，来作为UltraTurbulence的最终影响范围，不论哪一种方式的核心目标，都是尽可能的让UltraTurbulence只在烟雾区域的边界上产生作用这里需要注意的是，如果使用 **temperature** 场作为 **MaskField** ， **temperature** 在不开启Diffusion 的情况下 **temperature** 覆盖区域是和 **density** 场的范围是接近的，所以使用**temperature**作为**threshold**剔除外部区域后提取的边缘会非常窄，UltraTurbulence的作用效果会不如使用速度的模长作为 **MaskField** 更加明显，所以这里默认Catalyst FX 使用速度的模长为UltraTurbulence MaskField的默认计算方式 #### ParameterMap `Samples/UltraTurbulence ParameterMap` * BlockSize

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* Intensity

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* Speed UltraTurb v.s Temperature UltraTurb --- ### Shredding 扭曲 ---

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打开提供的任意samples文件，选择Catalyst Solver节点，勾选 Use AlphaCore Bridge 参数，这个时候会激活AlphaCore.exe 参数，该参数的类型是一个文件类型String参数，参数填写AlphaCore.exe的存放路径即可。最后整个场景设置好了以后，首先单击按钮 Export Asset进行场景缓存的导出（如果场景较大导出需要一定时间），在导出结束后，单击 Run Simulation 按钮即可发动该exe进行解算任务这里拿Catalyst的应用场景来举例，如果上游的发射器Geometry没有发生变化，仅仅是参数和AlphaCore节点图发生变化，则无需频繁 Export Asset。在Houdini Bridge状态下的命令行使用 |命令行名称|解释| |:--|:--| |-export_vel|强行导出速度场|

## Samples 1. Combustion 2. Explosion 3. Particle Explosion 4. DenseSmoke 5. Custom Vector Field 6. Flame thrower 7. Volcano 8. Node Operator 9. Wind Field 10. VOP Control --- #### DenseSmoke `路径：\doc\` #### Explosion #### Custom Vector Field ---

### 3.4 已知问题 1：Visualization Range 是整数 2：CurlNoise 对火焰无效 * CurlNoise的MaskField 设计是错的，需要修复 3：WindSpeed 参数无效 4：FuelCreate Smoke 一堆没有关联的参数需要处理 5：对流风加一下 6：发射器喷不出来 debug 一下 7：FieldDivergence 升级一下 8：文档完善一下 9: 发射器需要升级 * 多发射器节点【SimData的修改】 * Particle Source 10. 默认DisTurbMask方式改一下 12. AutoCache部分功能介绍一下 13. HDA 指标只能 Reference 在 Null 节点上 14. Error 在UI上输出一下 15. 日志都清理掉不要有

CatalystFX