3D數(shù)字雕刻技術(shù)在三維角色設(shè)計(jì)與模型制作中的應(yīng)用研究

施雨晗 余日季 湖北大學(xué)

3D數(shù)字雕刻軟件是一個(gè)可以讓數(shù)字藝術(shù)家自由創(chuàng)作的三維建模軟件，它強(qiáng)大的建模功能使藝術(shù)家告別過去那種針對(duì)模型點(diǎn)線面編輯的傳統(tǒng)多邊形建模方式。通過借助數(shù)位板的壓感，數(shù)字藝術(shù)家可以像傳統(tǒng)架上雕刻的制作方式一樣更直觀的進(jìn)行創(chuàng)作。

一、3D數(shù)字雕刻技術(shù)

3D數(shù)字雕刻技術(shù)是近些年流行起來的一項(xiàng)關(guān)于制作超寫實(shí)三維模型的技術(shù)，ZBRUSH 和MUDBOX 兩款數(shù)字雕刻軟件是其中最具代表性的。3D數(shù)字雕刻技術(shù)呈現(xiàn)出最直觀的技術(shù)體驗(yàn)就是在科幻電影中呈現(xiàn)的超寫實(shí)的數(shù)字化場景和虛擬三維角色，以及在次世代游戲中的超寫實(shí)虛擬畫面。

3D數(shù)字雕刻技術(shù)的原理十分簡單，模擬現(xiàn)實(shí)中制作雕塑的方式去制作虛擬的數(shù)字化角色和場景，避免了傳統(tǒng)三維模型制作中大量的參數(shù)化工作，在提高效率的同時(shí)也有效的提升了作品質(zhì)量。[1]

二、3D數(shù)字雕刻技術(shù)在三維角色設(shè)計(jì)制作的流程與優(yōu)勢

(一)三維角色設(shè)計(jì)制作流程

第一步角色原畫設(shè)計(jì)：首先確定角色所處的時(shí)代背景，喜好特征，種族職業(yè)等角色定位，可以尋找相關(guān)的歷史背景資料進(jìn)行借鑒創(chuàng)作。根據(jù)角色背景設(shè)定確定角色的體型特征及角色的配色，確定大體后再添加細(xì)節(jié)特征，強(qiáng)化角色個(gè)性。

第二步基礎(chǔ)模型制作：根據(jù)原畫在3DMAX 或MAYA 中創(chuàng)建低面數(shù)基礎(chǔ)模型，或直接在ZBRUSH 中使用自帶的基礎(chǔ)模型變形雕刻出基礎(chǔ)模型。第二種方式更為方便快捷，并且后期拓補(bǔ)出的低模與高模的匹配度更高，所生成的法線貼圖誤差更小。[2]

第三步高精度模型制作：在前期制作好的基礎(chǔ)模型上，對(duì)其進(jìn)行細(xì)節(jié)雕刻。雕刻的同時(shí)可以根據(jù)角色原畫的細(xì)節(jié)特征尋找一些合適的參考資料，有助于對(duì)模型的細(xì)節(jié)表現(xiàn)。

第四步拓補(bǔ)低模：根據(jù)制作好的高精度模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行低模的拓補(bǔ)創(chuàng)建，可以使用專門的拓補(bǔ)工具TOPOGUN 進(jìn)行拓補(bǔ)，或使用ZBRUSH 自帶的拓補(bǔ)功能進(jìn)行低面數(shù)模型的創(chuàng)建。制作低模時(shí)需注意低模的外輪廓結(jié)構(gòu)，以及合理布線，在重要關(guān)節(jié)或轉(zhuǎn)折處需多留布線，以便后期貼圖烘焙的效果表現(xiàn)，以及最終模型的效果呈現(xiàn)。

第五步制作貼圖：對(duì)制作完成的低模進(jìn)行UV 的拆分和UV 圖分布，UV 圖的作用即是將模型展開成平面便于貼圖的繪制和制作。UV 的拆分主要是把模型按其形態(tài)來分成各個(gè)部分，比如頭部、主體、四肢等部分分開。在排列UV 分布時(shí)需注意各部分之間不可重疊，可調(diào)整大小來使UV 圖分布更均勻，UV 圖的利用率更高。

將制作好的UV 圖匹配至ZBRUSH中的高精度模型，根據(jù)原畫和參考圖片資料，利用ZBRUSH 自帶的色彩繪制功能，直接在高精度模型上進(jìn)行顏色的繪制，筆刷中的遮罩功能可以快速便捷地繪制出所需的紋路圖案。繪制完成的顏色貼圖可直接導(dǎo)出使用。借助第三方插件在低模的基礎(chǔ)上烘焙出高模的雕刻細(xì)節(jié)來作為法線貼圖。

(二)3D數(shù)字雕刻技術(shù)的優(yōu)勢

在3D數(shù)字雕刻技術(shù)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的三維角色模型制作主要是在3DMAX或MAYA 中制作，模型的細(xì)節(jié)只能用控制點(diǎn)線來表現(xiàn)，導(dǎo)致模型的精度難以達(dá)到滿意，更勿論達(dá)到超寫實(shí)的程度。而3D數(shù)字雕刻技術(shù)的出現(xiàn)，使得三維模型的制作不再是復(fù)雜的控制點(diǎn)線面的制作方式，其自由的數(shù)字雕刻形式使模型師可以自如的實(shí)現(xiàn)藝術(shù)造型效果，不用再被以往的點(diǎn)線面所約束。[3]

數(shù)字雕刻軟件中所獨(dú)有的近百種不同的筆刷，可以使我們輕松得到光滑、棱角、磨平、扭曲等諸多效果，使得模型制作變得極為簡單。同時(shí)，模型制作過程中隨時(shí)可以改變細(xì)分面數(shù)，制作者能夠更全面的觀察模型效果，并隨時(shí)做出調(diào)整。

擺脫了面數(shù)的束縛，做出的模型可以達(dá)到盡可能的高精度，寫實(shí)的紋理繪制，甚至細(xì)節(jié)到皮膚皺紋、毛孔血管等諸多真實(shí)的效果。而這些在3D數(shù)字雕刻技術(shù)出現(xiàn)之前都幾乎無法做到。

三、基于3D數(shù)字雕刻技術(shù)的三維角色設(shè)計(jì)與模型的實(shí)例創(chuàng)作

(一)《幻澤》三維角色原畫設(shè)計(jì)

《幻澤》的原型是古代漢族傳說中的蜃龍，蜃棲息在海岸或大河的河口，模樣很像蛟龍，蜃頭上有像鹿一樣分叉的角，脖子到背上都生著紅色的鬃毛。在創(chuàng)作《幻澤》角色形象時(shí)，根據(jù)傳說中蜃龍的形象描述，結(jié)合了龍首、鹿角、鳥翼、魚尾等形象特征來進(jìn)行創(chuàng)作。

(二)三維模型基礎(chǔ)形體的創(chuàng)建

模型創(chuàng)建的初期都是從最基本的形體開始，其次才是細(xì)節(jié)的刻畫，在一開始制作模型時(shí)不需要過于精細(xì)，創(chuàng)建出基本大形即可，主要體現(xiàn)出角色的主要特征，再在后期細(xì)節(jié)深化中考慮更深層次的細(xì)節(jié)。

一個(gè)好的角色最重要的部分就是頭部的刻畫，角色頭部通常是最具表現(xiàn)力的地方。使用軟件自帶的基礎(chǔ)模型開始角色頭部的基礎(chǔ)創(chuàng)建，角色頭部模型大多數(shù)情況是對(duì)稱的，因此在制作過程中需要結(jié)合對(duì)稱工具進(jìn)行對(duì)稱操作。

使用Z 球工具根據(jù)原畫創(chuàng)建出身體主體部分，在創(chuàng)建過程中可隨時(shí)切換蒙皮模式觀察效果，有助于及時(shí)調(diào)整形體表現(xiàn)不足和錯(cuò)誤的地方。在確定形體滿足需要后，點(diǎn)擊生成蒙皮會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)新的tool 模型，接著在這個(gè)新生成的模型上使用筆刷將角色肌肉骨骼轉(zhuǎn)折等大關(guān)系表現(xiàn)出來。

(三)深化角色細(xì)節(jié)

在深入刻畫細(xì)節(jié)時(shí)，可以學(xué)習(xí)一些其他優(yōu)秀作品的細(xì)節(jié)表現(xiàn)，彌補(bǔ)自己的不足之處。模型細(xì)節(jié)的刻畫需要層級(jí)遞進(jìn)，從大體結(jié)構(gòu)關(guān)系到毛發(fā)鱗片紋理的體現(xiàn)，需要逐層添加面數(shù)細(xì)分進(jìn)行刻畫。細(xì)分等級(jí)越高，模型面數(shù)就越高，細(xì)節(jié)的制作越精細(xì)。若發(fā)現(xiàn)形體結(jié)構(gòu)上有不足處需要修改，需將模型細(xì)分降低再進(jìn)行調(diào)整，這樣修改才不會(huì)影響已經(jīng)制作好的細(xì)節(jié)。

(四)拓補(bǔ)低模

細(xì)節(jié)刻畫完成的模型屬于高精度模型，面數(shù)多達(dá)千萬，對(duì)于目前的計(jì)算機(jī)處理能力來說過于龐大，因此為了便于模型的應(yīng)用通常都會(huì)對(duì)其進(jìn)行拓補(bǔ)低模處理。經(jīng)過拓補(bǔ)處理后的低模面數(shù)低但不失細(xì)節(jié)，適用于各種場景。模型拓補(bǔ)可使用ZBRUSH 自帶的拓補(bǔ)工具，也可利用專業(yè)拓補(bǔ)工具TOPOGUN 來對(duì)模型進(jìn)行拓補(bǔ)。

(五)貼圖繪制

低模拓補(bǔ)完成后即可開始貼圖的制作，最終需要的貼圖主要有顏色貼圖、凹凸貼圖、法線貼圖等。貼圖開始制作前，需先將低模的UV 進(jìn)行拆分，再與高模進(jìn)行匹配制作。顏色貼圖制作方式主要有兩種，一種是在ZBRUSH 中直接在高模上繪制，另一種是使用SUBSTANCE PAINTER 專業(yè)繪制材質(zhì)貼圖的軟件來制作并導(dǎo)出。凹凸貼圖、法線貼圖等則需要在3DMAX 中使用封套插件在低模的基礎(chǔ)上將高模完全包裹，再導(dǎo)入XNORMAL 烘焙軟件中渲染出圖。

(六)渲染展示

模型的展示主要在3DMAX 中完成，導(dǎo)入低模并分別賦予其顏色貼圖、凹凸貼圖、法線貼圖等。為模型擺好角度，創(chuàng)建新的攝像機(jī)，設(shè)置合適的光源，調(diào)整渲染器參數(shù)最終渲染出圖。渲染出來的效果圖可后期使用PS 等圖片處理軟件進(jìn)行優(yōu)化。

四、創(chuàng)作總結(jié)

回望整個(gè)三維角色模型創(chuàng)作過程，可以很清晰的看到3D數(shù)字雕刻技術(shù)在制作三維角色時(shí)強(qiáng)大的造型能力。不論使用任何軟件來呈現(xiàn)三維角色模型，或者將三維角色模型用于任何領(lǐng)域，3D數(shù)字雕刻技術(shù)所賦予角色的魅力是顯而易見的。[4]3D數(shù)字雕刻技術(shù)目前為止在三維角色模型的細(xì)節(jié)表現(xiàn)上是其他建模工具無法能夠比擬的。