三維角色的數(shù)字雕刻建模技術(shù)研究

三維角色的數(shù)字雕刻建模技術(shù)研究

李曙光

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，安徽蚌埠233030)

摘要：傳統(tǒng)角色建模多采用多邊形建模的方式，需要有詳細的角色設(shè)定圖作為參考，無法自由快捷地完成角色概念模型的創(chuàng)建，通過與傳統(tǒng)建模方式的對比，分析直觀化建模的技術(shù)優(yōu)勢和三維雕刻軟件ZBrush 中直觀化建模原則，深入的解析ZSphere和ZSketch直觀化的創(chuàng)建生物角色模型的具體技術(shù)。

關(guān)鍵詞：ZBrush；直觀化；生物；角色；建模；ZSphere；ZSketch

收稿日期:2015-01-01

作者簡介:李曙光(1977-)，男，江蘇濱海人，講師，碩士，主要從事藝術(shù)設(shè)計、三維設(shè)計方面研究。

中圖分類號：TP319文獻標(biāo)志碼：A

圖1　使用ZSphere創(chuàng)建角色模型

在三維動畫游戲中大量的使用角色的模型，但傳統(tǒng)的建模方式需要細致的角色設(shè)定圖作為參考，工作流程較長且不易修改，數(shù)字藝術(shù)家的創(chuàng)造力受到很大的限制。Zbrush是數(shù)字藝術(shù)家自由創(chuàng)作的三維雕刻軟件,它強大的建模功能使藝術(shù)家告別過去那種使用參數(shù)化和鼠標(biāo)，針對模型點線面編輯的傳統(tǒng)多邊形建模方式。借助數(shù)位板的壓感，數(shù)字藝術(shù)家可以和傳統(tǒng)粘土雕刻工作流程一樣進行創(chuàng)作，而且Zbrush還擁有豐富多樣的筆刷工具，層的管理以及多種圖形參考和映射方式，能夠隨意調(diào)整角色模型的姿態(tài)，特別適合雕刻復(fù)雜的角色模型，它以強大的功能和直觀化的工作流程徹底改變了整個三維行業(yè)[1]。

三維角色的直觀化建模利用ZSphere和ZSketch等技術(shù)，它們是ZBrush特有的建模方式[2]，ZSphere和ZSketch技術(shù)在ZBrush軟件中有著多種應(yīng)用，如圖1所示。在角色建模時搭建標(biāo)準(zhǔn)Z球、快速造型ZSketch、拓撲編輯模型以及使用Z球綁定角色模型等方面，ZSphere和ZSketch技術(shù)都發(fā)揮著巨大的作用，掌握這些技術(shù)可以輕松創(chuàng)建三維角色模型。

1三維角色的直觀化建模技術(shù)優(yōu)勢

1.1　自由直觀的工作流程

在三維傳統(tǒng)的Polygon多邊形建模中，不僅要保證模型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確，還要同時保證模型具有四邊面的拓撲結(jié)構(gòu)，在建模過程中隨時要切換到平滑模式下查看預(yù)覽的效果，對于創(chuàng)建角色這一類的模型不是很直觀。而在三維數(shù)字雕刻軟件中，數(shù)字藝術(shù)家可把精力更多的集中在角色模型本身的結(jié)構(gòu)上，使用數(shù)位板的壓感可精確的繪制角色的肢體及肌肉結(jié)構(gòu)，使用ZSphere和ZSketch的球鏈結(jié)構(gòu)，可以快速定位和搭建復(fù)雜生物角色模型的肢體結(jié)構(gòu)和肌肉，而且工作流程是非線性結(jié)構(gòu)，隨時可以回到前面的步驟對骨架進行整體的變換操作，在模型雕刻完成后，再使用拓撲工具獲得符合工業(yè)化生產(chǎn)的拓撲結(jié)構(gòu)。

1.2　整體塑造復(fù)雜的角色結(jié)構(gòu)

對于創(chuàng)作角色模型來說，由于角色模型相對比較復(fù)雜且無明顯的轉(zhuǎn)折點，進行整體的創(chuàng)作尤其重要，這樣才能確保把角色的各個部分的比例和結(jié)構(gòu)處理得相對準(zhǔn)確，角色模型的結(jié)構(gòu)一般都是在基本形的基礎(chǔ)上的變形，有些局部如頭、手、腳等結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的地方，在雕刻中也應(yīng)從整體到局部的方式由基本幾何形為起點，逐漸對這些局部進行細化深入雕刻。在模型整體比例和形狀未調(diào)整到位時，不宜過早的對模型進行細分操作，以節(jié)約系統(tǒng)資源提高制作效率。

但是三維角色模型的創(chuàng)作又有別于傳統(tǒng)的數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作，由于三維角色的創(chuàng)作具有可重用性的特點，所以一般的制作方法是，首先制作頭部以確定身體比例，完成頭部基本細節(jié)后進行軀干的制作，之后再完成四肢的制作?？傮w來說是一個由身體各部位的單獨制作到拼接再到最后的細節(jié)劃分的制作過程。所以在三維角色制作過程中，各個環(huán)節(jié)與階段都是緊密相關(guān)、缺一不可的。沒有良好的造型基礎(chǔ)，也就無法完整地制作出符合要求的角色模型。

1.3　自動拓撲角色模型的結(jié)構(gòu)

模型上所有活動區(qū)域的面都應(yīng)當(dāng)盡量保持四邊形，四邊形的面在使用平滑命令時仍然會保持模型表面的平滑。但是如果其中有的面是三角面、五邊面或者六邊面，即使點的位置沒有改變，但是它們構(gòu)成的面在運動或渲染時，就會產(chǎn)生明顯的拉伸與變形，對于模型表面的形態(tài)影響非常大，另外，角色的模型需要根據(jù)解剖和關(guān)節(jié)進行拓撲優(yōu)化，對于角色的運動來說，動作的設(shè)計與調(diào)整，需要一套符合生物角色模型運動以及肌肉走向的拓撲結(jié)構(gòu)，合理的拓撲結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)生物角色模型特殊動作的內(nèi)在保證。根據(jù)基本的拓撲結(jié)構(gòu)，可以對角色的局部進行完善與深入刻畫，從而制作出更加復(fù)雜精致的表面細節(jié)。在傳統(tǒng)的建模流程中，拓撲需要手工完成，在ZBrush中可利用快捷智能的拓撲、從高模映射到低模、ZRemesh等技術(shù)，生成符合生物模型拓撲的基本結(jié)構(gòu)，以滿足三維角色在骨骼蒙皮、運動調(diào)整等制作流程中的需要。

2三維角色模型的創(chuàng)建原則

2.1　設(shè)定富有變化的姿勢

姿勢是表達生物角色模型的動態(tài)曲線，設(shè)定富有變化姿勢的目的是展現(xiàn)角色整體的韻律和動感。角色的特征和姿勢中固有的動作，在雕刻時會自然的呈現(xiàn)出幾條貫穿全局的富有動感的動態(tài)線，這樣角色模型才會顯得富有動感和韻律之美，相反就會使角色呈現(xiàn)呆板、僵硬的感覺。動態(tài)線是隱藏于具象模型下的抽象因素，合理的組織利用可以提高角色的視覺感染力和沖擊力[3]。

2.2　塑造準(zhǔn)確的解剖結(jié)構(gòu)

解剖結(jié)構(gòu)通常指角色模型的骨骼和肌肉形成的結(jié)構(gòu)以及由此而影響的外部形狀。生物角色主要分為二足的人類、四足的動物、昆蟲、異形等，同一類型的角色都有相近的解剖結(jié)構(gòu)，盡管在ZBrush中可以方便自由的給模型添加細節(jié)，但角色的解剖結(jié)構(gòu)始終是雕刻時首先關(guān)注的因素，忽略模型的外形、解剖和結(jié)構(gòu)，往往導(dǎo)致角色模型總體上感覺缺乏生命感、乏味和不真實。無論是寫實的角色還是卡通化的角色，角色的解剖結(jié)構(gòu)還是要有所體現(xiàn)，只是強調(diào)的程度有所不同，要對它們骨骼和肌肉進行仔細研究，對有顯著特征的結(jié)構(gòu)要進行夸張?zhí)幚硪詮娀巧奶卣?，在雕刻中由于角色多是不?guī)則形狀，不易定位和比較，所以首先應(yīng)對軀體作幾何形的分析和定位，使用先直線后曲線、先方后圓的造型原則，找到角色的幾個關(guān)鍵定位點，整體的進行位置和結(jié)構(gòu)的比較，才能準(zhǔn)確的塑造好角色模型的結(jié)構(gòu)。

2.3　構(gòu)建合理的比例關(guān)系

比例是指一個角色模型的總體大小與某些局部的相對大小的關(guān)系，雕刻一個角色把握其比例非常重要，因為比例與模型外形關(guān)系緊密，比例在角色設(shè)計中起到重要的作用，適用于人的相同比例規(guī)則一般也適用于其它生物，如頭部比例較大往往使角色顯得更年輕可愛，而較小的頭部比例使得軀體部分看起來更加龐大有力，比例標(biāo)準(zhǔn)是雕刻角色時幫助定位的重要參考，比例有約定俗成的標(biāo)準(zhǔn)，但也沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)，對模型的比例進行改變時，數(shù)字藝術(shù)家可以巧妙的通過比例關(guān)系的改變產(chǎn)生很有趣味的角色。

3三維角色模型的創(chuàng)建技術(shù)解析

3.1　ZSphere建模

ZSphere是ZBrush軟件中非常獨特的一種模型構(gòu)建方式，單獨的ZSphere沒有什么參數(shù)可以調(diào)節(jié)，也就是說ZSphere實現(xiàn)模型快速創(chuàng)建是在一個對于ZSphere球鏈的一系列流程操作中實現(xiàn)的[4]。使用ZSphere不斷的創(chuàng)建新的ZSphere球鏈，可以快速直觀的搭建角色模型的框架，而且非常方便的對角色進行整體比例及動態(tài)的調(diào)整，是ZBrush軟件中核心的功能之一，隨著軟件版本的不斷更新，ZSphere的功能也在不斷增強，從最初的僅僅是建模，到最新版本可以利用它進行拓撲、綁定，也可以結(jié)合ZSketch進行角色模型的創(chuàng)建。

在Tool面板下找到ZSphere工具，并在畫布中按住鼠標(biāo)左鍵拖曳創(chuàng)建，按下鍵盤上的“T”鍵進入編輯模式，這個基礎(chǔ)Z球體叫做Root根球。在Draw繪制模式下，以根球體為基準(zhǔn)，不斷創(chuàng)建新的Z球鏈結(jié)構(gòu)，拖曳可以快捷的縮放新創(chuàng)建的Z球的大小，按住Alt鍵點擊刪除Z球。在創(chuàng)建Z球鏈后，可以隨時切換到Move位移、Scale縮放、Rotate旋轉(zhuǎn)等變換工具，對Z球鏈上各個Z球或鏈的大小、位置和方向等進行變換，從而調(diào)節(jié)Z球鏈的形態(tài)，以符合角色模型的整體動態(tài)結(jié)構(gòu)。Z球鏈創(chuàng)建編輯完畢后，單擊Tool工具面板下的AdaptiveSkin自適應(yīng)蒙皮進行預(yù)覽網(wǎng)格生成效果，使用Make AdaptiveSkin按鈕生成自適應(yīng)蒙皮，得到由Z球模型轉(zhuǎn)化得到的標(biāo)準(zhǔn)3D網(wǎng)格模型，以此模型為角色模型的低模，進行細化深入雕刻角色模型的高模。如圖2所示。

圖2　ZSphere創(chuàng)建角色模型的流程

3.2　ZSketch建模

ZSketch Z球速描是基于Z球的一種模型構(gòu)建技術(shù)，必須要有Z球才可以啟動ZSketch，ZSketch的技術(shù)是基于ZSphere,它不再需要從其它三維軟件中制作低模導(dǎo)入到ZBrush中雕刻高模，設(shè)計師可通過數(shù)位板自由的創(chuàng)造模型而沒有限制。ZSketch主要用于前期沒有角色設(shè)定稿，需要快速的表現(xiàn)三維角色的概念。建立一個Z球后，進入ZSketch面板進入編輯模式后，就可以開始ZSketch的創(chuàng)建，創(chuàng)建好后關(guān)閉EditSketch，已創(chuàng)建的ZSketch將被隱藏，點擊ShowSketch，已創(chuàng)建的ZSketch將以半透明的效果顯示，這時可以再次移動ZSphere的球或鏈來調(diào)整模型的整體形態(tài)，如果要讓已創(chuàng)建的ZSketch跟隨ZSphere一起變換，要啟動Bind綁定選項。

3.2.1　ZSketch的工作流程

ZSketch是非?？旖莸牟僮?，如果把ZSphere Z球鏈比做角色的骨架，那么ZSketch就是肌肉。所以前期Z球骨架搭建非常重要，它的好壞直接影響到后面ZSketch的搭建結(jié)果，進入ZSketch階段不要立刻陷入細節(jié)堆積，要先注重大肌肉群和大體塊的塑造，如果有膜狀、翼狀或者片狀結(jié)構(gòu)可單獨處理。

ZSketch角色建模主要有以下幾種方法：一種方法是首先使用ZSphere搭建一個模型的骨架，然后使用ZSketch在骨架上涂刷肌肉；二是使用一個單獨的ZSphere，然后在三維空間中自由的創(chuàng)建模型；第三種是把一個ZSphere當(dāng)作一個次工具添加進網(wǎng)格，然后在其它的次工具上進行直接創(chuàng)建，使用哪一種方法取決于模型的特點及數(shù)字藝術(shù)家的工作習(xí)慣。

3.2.2　ZSketch的主要筆刷

ZSketch的主要繪制筆刷是Sketch速描筆刷，如表1所示。包括Sketch1、Sketch2、Sketch3三種筆刷，這三種繪制筆刷的區(qū)別主要在表面嵌入深淺的程度，ZSketch的光滑筆刷是Smooth筆刷，也包括Smooth1、Smooth2、Smooth3、Smooth4四種筆刷，Smooth1筆刷可以把ZSketch兩端放大并嵌入到表面，Smooth2筆刷可以把ZSketch平滑而與表面融合，Smooth3筆刷可以把ZSketch只平滑而不融合，Smooth4筆刷可以把ZSketch兩端縮小并融合，在繪制ZSketch的時候，需要及時的按下Shift鍵對已繪制的部分進行Smooth光滑處理。

表1　ZSketch主要筆刷

3.2.3　ZSketch的模型生成

ZSketch在不完全包裹Z球鏈時，生成的多邊形網(wǎng)格會有自身的厚度，而這在角色建模時是要盡量避免的，讓ZSketch完全的包裹住Z球鏈。ZSketch生成網(wǎng)格模型主要使用Unified Skin統(tǒng)一的蒙皮，在這個面板中可以使用Reslution設(shè)置生成網(wǎng)格的精度，Smooth控制網(wǎng)格的平滑度，Polish Surface控制網(wǎng)格的拋光程度，Border設(shè)置ZSketch之間的邊界循環(huán)邊的數(shù)量。ZSketch的模型在Adaptive Skin自適應(yīng)蒙皮中也可以映射與Z球鏈結(jié)合得比較緊密的ZSketch，結(jié)合得不緊密的部分則不會轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅尉W(wǎng)格。

3.3　角色模型綁定

可以使用ZSphere對角色模型進行綁定，此時ZSphere的球鏈就是模型的骨骼，通過對ZSphere的球鏈的變換操作，可以方便地設(shè)置角色模型的動態(tài)姿勢。首先應(yīng)在模型的Subtool上增加一個ZSphere，在這個基礎(chǔ)上根據(jù)角色模型的結(jié)構(gòu)繪制ZSphere的球鏈，確保每個關(guān)節(jié)的地方要設(shè)置一個ZSphere球，繪制完成后把ZSphere的球鏈克隆成一個獨立的Ztool，選擇ZSphere的球鏈，在Rigging中選擇要綁定的模型，這樣模型就以半透明的方式顯示，表明已經(jīng)被綁定在ZSphere的球鏈上，綁定好的模型在調(diào)整好姿勢后要在Adaptive Skin中選擇Make Adaptive Skin生成最終的可雕刻網(wǎng)格模型。在ZBrush中綁定的模型，由于不能像其它三維軟件中設(shè)置骨骼綁定的權(quán)重，在變換后模型一般會出現(xiàn)扭曲的錯誤，所以盡量在低模階段進行綁定調(diào)節(jié)工作，調(diào)節(jié)完成后使用Smooth筆刷對扭曲錯誤的局部進行修正。

3.4　角色模型拓撲

雕刻好的角色模型可能會在拓撲結(jié)構(gòu)上不符合后期制作的要求，這時就需要對模型進行拓撲，ZBrush的拓撲功能是ZSphere的擴展，創(chuàng)建一個ZSphere，首先把ZSphere綁定到要拓撲的模型上，然后點擊Edit Topology，ZSphere會自動消失，只留下一個中心點，在創(chuàng)建第一個拓撲點的時候，要避開這個中心點，被激活的點以紅色圓點顯示，按位Ctrl鍵可以快速激活任意一個拓撲點，按位Alt鍵可以刪除一個拓撲點，拓撲點的位置都是基于中心的ZSphere，拓撲好的網(wǎng)格一樣可以按A鍵預(yù)覽，按Make Adaptive Skin生成最終的模型網(wǎng)格，生成的角色模型可以使用Project把雕刻好的高模細節(jié)映射到拓撲的模型。

4結(jié)語

在專業(yè)的數(shù)字藝術(shù)工作流程中利用ZBrush 特有的ZSphere和ZSketch可以實時編輯角色模型，使用ZSphere的擴展功能，模型的綁定可以快速塑造調(diào)整角色模型的動態(tài)姿勢，使用角色的拓撲功能和映射功能，可以快捷的生成符合后期要求的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)，而且與傳統(tǒng)粘土雕刻使用相類似的制作流程，數(shù)字藝術(shù)家對這種工作流程更容易適應(yīng)和上手，它帶給數(shù)字藝術(shù)家們巨大的便利和全新的創(chuàng)作體驗，提高了角色模型的制作效率，這些技術(shù)以快捷的速度，直觀的流程等特點為三維角色建模提供了最優(yōu)的行業(yè)解決方案[5]。

參考文獻:

[1](美)Scott Spencer．ZBrush數(shù)字雕刻：概念角色設(shè)計[M]．北京:人民郵電出版社，2013：8-15.

[2]鄧威．ZBrush雕塑藝術(shù)完美呈現(xiàn)[M]． 北京: 機械工業(yè)出版社，2014：4-10.

[3](美)斯潘塞，李文煥譯．ZBrush角色塑造：高級數(shù)字雕刻[M]．北京:人民郵電出版社，2013：215-232.

[4]王愷．ZBrush雕刻大師火星課堂[M]．北京:人民郵電出版社，2011：127-132.

[5]劉寒．ZBrush數(shù)字雕刻精解[M]．北京:人民郵電出版社，2012：85-94.

責(zé)任編輯：吳旭云

Research on Digital Engraving Modeling Technology of Three-dimensional Role

LI Shuguang

(School of Software, Anhui Vocational College of Electronics and Information Technology, Bengbu 233030, China)

Abstract：The traditional role modeling uses polygon modeling approach, requiring a detailed character setting diagram for references, which can not complete freely and efficiently the establishment of role concept modeling. By comparison with the traditional methods of modeling, this paper analyzes the technique advantages of intuitive modeling and intuitive modeling principles of three-dimensional sculpture software ZBrush, furthermore, it deeply analyzes the technology of creating biological role model by ZSketch and ZSphere.

Keywords：ZBrush; visualization; biology; role; modeling; ZSphere; ZSketch