Houdini 刚体破碎(1) - 模型切割

前言

• 工作中经常会使用 Houdini 来实现一些物理模拟效果，从刚体(Rigid)、柔体(Soft)、流体(Fluid)一路摸索过来，为了快(应)速(付)产(周)出(报)，我个人对 Houdini 的学习都是在一种囫囵吞枣式的快速迭代中进行的，基本上都是先跟着教程连出一套框架，然后查文档和论坛帖，一通魔改加调参，看上去效果差不多了就赶紧塞到 UE 里，基本可用之后就交给美术继续调参，自己则马不停蹄地继续下一个任务。但很显然，这样的模式是完全不可持续的，如果对 Houdini 的很多设计从根本上就不理解，半个月之后再去维护之前的工作就会一脸懵比，但凡脱离了基本框架就寸步难行
  
• 鉴于这种令人不安的现象，我想必须系统地梳理一下曾经做过的内容，从源头上思考一下那些天花乱坠的节点究竟是怎么一回事。另一方面，在看各种教程的过程中，似乎做教程的人自己对很多内容都闪烁其辞，说不出个所以然，只是机械地连连看，所以我隐约感到，也许和我遵循相似学习路线的 Houdini 开发者还有很多，无论如何，如果能透过自己的经验帮到其他人，肯定是一件很棒的事
  
• 接下来我会从刚体破碎入手，争取把刚体、柔体和流体的常见模拟方案都总结和梳理一遍，每种类型的动画模拟都会分成多个子话题来介绍，本篇介绍的是破碎模拟中一个最基本的问题——如何切割模型
  
• 由于使用 Houdini 涉及的知识和技巧太多太细，我不会着墨于 Houdini 中最基本的操作，或某个节点各种参数的详细用途，只会针对一些常见方案涉及到的重要节点，进行基本原理层面的说明
  

重要节点

Voronoi Fracture

Fractures the input geometry by performing a Voronoi decomposition of space around the input cell points.

• 此节点基于一种叫作 Voronoi 的空间分割算法，根据输入的 cell points，将指定 mesh 划分成若干个碎块
  
• 什么是 Voronoi 算法，什么是 cell point？
  
  
  
  • 向一个平面上随机撒 n 个点，Voronoi 算法能够把此平面划分成对应的 n 个区块，每个区块叫作一个 cell，而这些撒下的点就叫 cell points
    
  • 如下图所示，每个区块都用独立的颜色标识了出来，对于某个区块内的任意一点，它与此区块对应的 cell point 的距离，是与所有 n 个 cell points 距离中最小的
    
  
  

• 把这个概念延申到三维空间，Voronoi Fracture 节点能够根据给定的空间中的 n 个 cell points，把指定的 mesh 划分成 n 个碎块
  
• NOTE: 给出的 cell points 必须位于要切分的空间内部，否则对于模型本身的破碎没有意义；另外，cell points 的数量，也就决定了切分后碎块的数量
  

• 输入与输出
  
  
  
  • 下图给出了一个使用 Voronoi Fracture 节点的简易示例，接下来依次解释各输入输出的含义
    
  
  

• Input1: 要切分的 mesh，这里用了最简单的 box 作为要切割的模型
  
• Input2: 生成碎块的 cell points(暂时不用关心这些点是怎么生成的，后面会讲到)，而这些点的数量就是最终生成碎块的总数
  
• Output1: 经过切分后的 geometry，用一个 null 节点来接收
  
  
  
  • 为了验证切分结果，把 Output1 的蓝色(Display)和粉色(Template) 标识都选中，可是这个 box 看上去似乎没有任何变化？
    
  
  

• 而如果此时比较一下 VoronoiFracture 前后节点的 Geometry Spreadsheet 数据，会发现明显不同，可为什么破碎效果没体现出来？
  
  
  
  • 因为所谓的 “切割”，只是把模型分成了多个部分，但并没有把这些碎块分离开，所以这些碎块实际上还紧密地贴合在一起
    
  • 除非对这些碎块施加外力，才能使它们分离，拖动时间轴就能看到破碎的动态过程；而对于静态的某一帧，要想看到切分的结果，就需要用其他的 Debug 方法，把数据的变化可视化，这里我们使用 ExplodedView 节点，就能预览模型的破碎情况
    
  
  

• Output2: 将相邻碎块的中心点相连后形成的 geometry。如下图，查看 Output2 节点时，看到的点都是各碎块的中心点。视窗中看到的多边形，表征了碎块之间的连接关系，利用这个 geometry 可以定制碎块的约束条件，比如希望某些碎块连接得牢固一些，另一些松散一些，就可以设置不同的阈值，规定在受力超过阈值时就打破特定碎块之间的连接
  

Scatter

Scatters new points randomly across a surface or through a volume.

• 前面提到，使用 Voronoi Fracture 节点时需要给定一些 位于模型内部空间 的 cell points，那这些 cell points 又应该怎么生成呢？比较容易联想到的是：直接对这个模型撒点，把它们作为 cell points 传给 Voronoi Fracture。而撒点这件事，可以借助 Scatter 节点来实现
  
• Scatter 节点会对输入的平面(surface)或空间(volume)以 大致均匀 的方式进行撒点，然后把这些点输出。面板中的 Force Total Count 就是撒点的总数
  

• 现在再查看 ExplodeView 节点，预览一下破碎结果，可以看到碎块的形态呈现出一种怪异的 向心趋势，当把撒点的数量增大到 1500，向心现象就非常明显了；另外，还能看到 模型表面的碎块密度明显大于内部的碎块密度。这是因为直接把模型连入 Scatter，实际输入的是 box 的 6 个表面(surface)，而非体积(volume)，Scatter 生成的 cell points 全部位于 box 的表面，对于靠近中心点的部分，Voronoi 算法其实是在 沿各个表面朝着中心点 作划分，这就导致整个形态显得非常规则
  

• 为了解决上述问题，关键在于怎样让 Scatter 撒出的点填充到模型的内部，而这可以通过 IsoOffset 节点来实现
  

IsoOffset + Scatter

• 在 Scatter 之前加入 IsoOffset 节点，可以 把 mesh 以 volume 的形式传给 Scatter，使它生成的 cell points 不局限于表面，还能充斥 box 内部
  

• 为了对比使用 IsoOffset 前后的破碎形态，这里增加了一个 switch 节点作为开关，为 0 时不使用 IsoOffset，为 1 时使用 IsoOffset
  

• 使用 IsoOffset 前后的破碎结果对比，可以看到使用 IsoOffset 后的各处的碎块密度基本一致，奇怪的向心现象也消失了
  

• 看来 IsoOffset + Scatter 的方案表现不错，但多看几眼就很难不注意到：碎块分布得太均匀、单调，缺乏层次感，这本质上还是由于生成的 cell points 在各处的密度都基本一致，这时就可以引入一个更加强大的节点：Voronoi Fracture Points
  

Voronoi Fracture Points

Given an object and points of impact on the object, this SOP generates a set of points that can be used as input to the Voronoi Fracture SOP to simulate fracturing the object from those impacts.

• 此节点将根据传入的 mesh(Input1) 和 impact points(Input2)，生成一个 impact volume，然后用这个 impact volume 和要破碎的 mesh 进行一些计算，生成最后的 cell points
  

• 什么是 impact point？什么是 impact volume？
  

• impact point 就是指定的在 mesh 上的撞击点，impact volume 就是基于撞击点生成的撞击体(相当于撞击范围)
  

• Voronoi Fracture 生成的 impact volume 是以 metaball 的形式存在的，那么，什么又是 metaball？
  
  
  
  • 联系 meta-universe，metaball 直译过来就是 “元球”，单拎出来就是一个球，但是多个 metaball 可以融合、聚集在一起，组成任意形态的模型，就像原子作为一种构成物质的基本元素而存在，所以叫 "meta"
    
  • 视觉上可以把一个 metaball 理解成一滴圆润的露珠，下图就是两个 metaball 靠近时结合在一起的形态
    
  
  

• 有了 impact volume 之后呢？它怎么生成最终的 cell points？又怎么解决碎块分布过于均匀的问题？
  
  
  
  • impact volume 会把要破碎的 mesh 分为 3 个区域，然后依次往这 3 个区域(region)上撒点(密度可调)，这 3 类点的并集，就是最终传给 Voronoi Fracture 节点的 cell points
    
  
  

• 如下图，蓝色线框表示一个 impact volume，黑色线框表示我们要破碎的 mesh，impact volume 首先会和 mesh 的 volume 求交，交集中位于 mesh 表面的部分称作 Surface(黄色)，位于 mesh 内部的称作 Interior(红色)，而不在交集中、但位于 mesh 内部的，称作 Exterior(蓝色)，这就是上述所说的 3 个区域
  

• 这三种颜色的点加起来，就是输出的 cell points，而每个区域的点密度、impact volume 的大小、位置，都是可调的，这可以大大提高我们调整破碎形态的灵活性
  

• 这里我用 IsoOffset + Scatter 的方式在 mesh 上生成一个 impact point，再加上一个 transform 来移动 impact point 的位置，可以看到破碎形态将随 impact point 的位置移动而发生显著变化
  

• 现在再将 Voronoi Fracture Points 方案加入 switch 分支中，对比 3 种方案的破碎结果
  

• 关于密度的调节
  
  
  
  • 这种方案结合了 IsoOffset, Scatter 以及 VoronoiFracturePoints 三个节点来生成 cell points，其中与密度相关的属性包括 Scatter 节点的 Force Total Count 、VoronoiFracturePoints 中的 PointsPerArea 、Impact Radius 以及各个区域对应的 Point Density
    
  • Scatter
    
    
    
    • 注意 Scatter 的结果是传给 VoronoiFracturePoints 的 input2 的，它的 Force Total Count 决定的是 impact volume 的数量，和最终碎块的数量没有直接关系
      
    
    
  
  

• VoronoiFracturePoints
  

• Impact Radius: 对应着 Impact Volume 的大小，一般来说尺寸越大，与几何体的交集越多，cell points 的数量也会越多
  
• Point Density: Surface, Interior, Exterior 3 个页签下都有对应的 Point Density，调整该值只会影响对应区域的点的密度
  
• Points Per Area: 相当于所有 3 个 Point Density 的 ScaleFactor，调整该值会整体影响所有区域的点密度
  

总结

• 本篇主要浅析了在 Houdini 实现刚体破碎过程中的模型切割部分，首先介绍了切分模型的最基本节点：Voronoi Fracture，然后分别介绍了生成 cell points 的三种方案：从最简单的、直接对模型表面应用 Scatter 节点，到加入 IsoOffset 实现对模型内部进行撒点，最后使用 Voronoi Fracture Points 节点实现更加丰富的破碎形态，阐述了三类方案的基本原理、使用方法和优缺点
  
• 到目前为止，所有的预览结果都是静态的，对应地，所有描述到的节点都属于 SOP(Surface Operator)，一下篇会讲到 DOP(Dynamic Operator)，让破碎效果真的动起来
  

Reference

• Voronoi diagram
  
• SideFX - Voronoi Fracture
  
• SideFX - Voronoi Fracture Points
  
• SideFX - IsoOffset
  
• SideFX - Metaball