數(shù)字雕刻技術(shù)在生物角色模型設(shè)計(jì)與制作中的應(yīng)用研究

胡佳寧

【摘要】? ? 數(shù)字雕刻技術(shù)是可以讓藝術(shù)家實(shí)現(xiàn)自由創(chuàng)作的三維建模技術(shù)，先進(jìn)的建模功能不同于過去針對點(diǎn)線面編輯的多邊形建模方式。本文著重闡述了利用ZBrush數(shù)字雕刻軟件制作三維數(shù)字模型，并以龍形生物的設(shè)計(jì)制作為例論述游戲角色模型設(shè)計(jì)流程。

【關(guān)鍵詞】? ? 三維建模技術(shù)? ? 數(shù)字雕刻技術(shù)? ? 生物角色模型

隨著新媒體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，國家對于培養(yǎng)應(yīng)用型三維動畫、影視、游戲人才給予高度的重視，目前各大高校都開設(shè)三維動畫的相關(guān)專業(yè)，作為一個藝術(shù)性和技術(shù)性高度融合的專業(yè)，從事這個專業(yè)的教師們都在積極探索更新、更科學(xué)的教學(xué)載體與教學(xué)方式。

三維建模在三維動畫技術(shù)的學(xué)習(xí)中屬于基礎(chǔ)部分，但又是重要的一環(huán)，其重要程度等同于造型藝術(shù)中的素描。在三維動畫、游戲中角色、場景和道具等都是通過在三維軟件制作而成，三維模型的質(zhì)量直接會影響到整體作品的品質(zhì)。教學(xué)中常見的三維數(shù)字建模是采用多邊形（Polygon）建模方式，此方式主要通過對鼠標(biāo)和參數(shù)的控制，對點(diǎn)、線、面等元素進(jìn)行編輯與修改實(shí)現(xiàn)模型制作。制作簡單模型來說這一方式尚可，但在制作復(fù)雜的生物角色模型時不但操作困難，制作效率也會明顯降低。當(dāng)前教學(xué)中主流的3ds Max或Maya等這些專業(yè)三維軟件集成建模、渲染、動畫等多個模塊，大都命令繁雜、功能臃腫，初學(xué)者面對它們往往不知所措，隨著數(shù)字雕刻技術(shù)的誕生有效解決了傳統(tǒng)建模技術(shù)存在的問題。[1]以目前應(yīng)用較廣的數(shù)字雕刻軟件ZBrush為例，軟件的功能主要集中在建模，界面的布局簡潔，建模功能的針對性得到顯著提高。其數(shù)字雕刻方式的建模步驟通常是從外形—局部—細(xì)節(jié)的流程，利用數(shù)位筆代替鼠標(biāo)，模擬現(xiàn)實(shí)中的畫筆或雕刻工具，過程更加貼近于真實(shí)立體模型的制作形式。以往使用3ds Max或Maya建立復(fù)雜的生物角色模型至少需要數(shù)天的時間，現(xiàn)在通過數(shù)字雕刻軟件也許只要數(shù)個小時即可完成制作。

本文主要介紹基于數(shù)字雕刻技術(shù)的龍形生物角色模型設(shè)計(jì)與制作過程。在深入了解數(shù)字雕刻技術(shù)的基礎(chǔ)上，將數(shù)字雕刻技術(shù)結(jié)合三維模型制作的優(yōu)勢與特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，對模型外形設(shè)計(jì)、紋理與顏色、渲染展示等制作流程進(jìn)行分析與研究 ，并結(jié)合實(shí)例對如何利用ZBrush制作生物角色模型總結(jié)出了一整套行而有效的制作流程。[2]

一、外形的設(shè)計(jì)制作

1.1使用“Zsphere”生成基本外形

在ZBrush軟件中建模有多種方法，有利用基本形體塊堆疊、ZModel方式等，也有從其他三維軟件中導(dǎo)入模型的方法，如從Maya，Max中導(dǎo)出模型后再導(dǎo)入后制作。使用ZSphere生成基本形是ZBrush建模的一大特色，這也被稱Z球建模，它是軟件所特有的一種建模方式。不同于傳統(tǒng)的多邊形建模方式是以調(diào)整模型的點(diǎn)、線、面來改變物體的外形，Z球建模則是先由大小不一的球體與球鏈組合成基本形態(tài)，通過自適應(yīng)蒙皮（Adaptive Skin）或快捷鍵“A”生成網(wǎng)格模型，再進(jìn)行數(shù)字雕刻的建模方式。

1.2身體結(jié)構(gòu)的制作

作品參考的案例是的西方龍形生物，在設(shè)計(jì)中是一種擁有四肢和一對獨(dú)立的翅膀，共有六肢的生物。這種生物的形象在很多文學(xué)和藝術(shù)作品中都可以找到參考，部分結(jié)構(gòu)與遠(yuǎn)古的恐龍又有很多類似之處，可以參考恐龍的身體結(jié)構(gòu)。制作中通過對素材圖例的分析，可以借鑒電影《侏羅紀(jì)公園》中迅猛龍的身體結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是上肢較小、下肢粗大，身體的重心在后腿部位，較長的尾巴則是有利于奔跑時保持平衡和轉(zhuǎn)向靈活。在外形的調(diào)整中可以使用Move、ClayBuildup和Inflat畫筆得到角色基本形態(tài)結(jié)構(gòu)，這三個是ZBrush軟件中常見畫筆，常用于改變或調(diào)節(jié)物體的形狀，能較快速體現(xiàn)出角色模型的外形，以及骨骼、肌肉的形態(tài)特點(diǎn)。

1.3飛翼的制作

作品中飛翼制作的難點(diǎn)在皮膜，在制作中采用的方法是利用遮罩工具（Masking）和擠出工具（Extract），先在平面（Plane3D）上繪制單側(cè)飛翼皮膜形狀的遮罩，接著擠出厚度分離出基本形，再利用Move畫筆和移動工具將皮膜模型對應(yīng)到身體和肢體的生長位置，最后進(jìn)行合并（Merge）操作使軀干與飛翼成為一個整體。在合并前還須激活動態(tài)網(wǎng)格（Dynamesh）按鈕，這樣不同部分的模型在合并后會自動進(jìn)行重新布線，減少模型在制作過程中出現(xiàn)拉伸和變形的問題，保證合并后模型布線的均勻。

在皮膜上面添加褶皺和破洞是為了更好體現(xiàn)出角色的故事性等這些細(xì)節(jié)特點(diǎn)。褶皺結(jié)合若干種畫筆工具即可實(shí)現(xiàn)，而破洞的制作同樣可以采用遮罩工具（Masking），在制作中繪制遮罩前將皮膜的細(xì)分精度（SDiv）調(diào)高，遮罩繪制后使用銳化遮罩工具（SharpenMask）將遮罩邊緣銳度提高，這樣經(jīng)過分離出來的破洞邊緣就較為平滑。其它若干大小不同的破洞重復(fù)以上操作就可完成。

單側(cè)的飛翼完成之后使用鏡像工具（Mirror）得到另一側(cè)的飛翼，選擇其中一個飛翼進(jìn)行微調(diào)，這樣整體的造型才不會因?yàn)閮蓚?cè)對稱而顯得單調(diào)。后腿至尾部類似皮膜部分的制作，由于其承擔(dān)的功能不多，結(jié)構(gòu)也相對簡單，故制作時可以簡化。

二、紋理與顏色的繪制

2.1鱗片、尖刺等的制作與自定義畫筆的設(shè)置

鱗片特點(diǎn)是數(shù)量多且排列有序，采用一般的畫筆繪制幾乎難以完成，作品中采用的是添加自定義畫筆的方式，即將一片鱗片做為元素制作成能繪制連續(xù)鱗片的畫筆。這個自定義畫筆的制作是從立方體（Cube）開始的，逐步進(jìn)行調(diào)整外形與增加鱗片上的紋理使其更逼真，但為了后續(xù)制作效率的提高，單個鱗片的精度不需要過高。

角色鱗片形態(tài)也不是單一的，例如在四肢、褶皺處等是偏圓滑、扁平，腹部、四肢內(nèi)側(cè)的鱗片則是更細(xì)小些，而后頸、脊背和尾部這些部位的鱗片的棱角更明顯。繪制中還需要結(jié)合Move畫筆使鱗片的位置更加貼合各部位表面，通過這些細(xì)節(jié)來增加角色的特征表現(xiàn)。鱗片畫筆的基本元素繪制作之后，須將其導(dǎo)入為預(yù)設(shè)畫筆，才能進(jìn)行鱗片的繪制。

頭部、尾部等皮膚表面突出來的尖刺也可用自定義畫筆來制作，在利用基本形完成尖刺元素制作后，可以根據(jù)不同部位尖刺的特點(diǎn)將形態(tài)調(diào)整到需要的效果。比如下頜部和鰓部的尖刺應(yīng)當(dāng)是小而尖，而頭部的尖刺是個體明顯突出。

2.2褶皺、紋理的繪制

皮膚表面褶皺的制作特別是在毛發(fā)較少的動物類模型中褶皺的正確表現(xiàn)可以提高模型的寫實(shí)性。作品中龍的褶皺的繪制可以參考蜥蜴類生物的皮膚，也可以借鑒影視、游戲作品中經(jīng)典角色的制作。

關(guān)節(jié)部位的內(nèi)側(cè)由于運(yùn)動經(jīng)常發(fā)生彎折所以褶皺就會較多，其中Damstandard畫筆是特別適合用來表現(xiàn)褶皺處的凹陷，再結(jié)合Standard畫筆可以增加褶皺處的皮膚的質(zhì)感，這樣畫筆搭配更具表現(xiàn)力。那些皮膚相對比較緊致的部位則不需要添加明顯的褶皺，多了反而顯得皮膚表面紋理凌亂。

由于作品的設(shè)計(jì)不是在展翼飛行狀態(tài)，因此飛翼的皮膜也是需要進(jìn)行褶皺的處理，由于結(jié)構(gòu)簡單只需運(yùn)用Standard畫筆再結(jié)合Alt鍵反向繪制，就可以繪制出效果較好的褶皺。

紋理是生物外表特征的體現(xiàn)，ZBrush軟件提供了一種特殊的工具—Alpha畫筆，專門用以刻畫各種物體表面各種紋理效果。除了使用軟件自帶的多種Alpha畫筆以外，還可以自定義制作中需要的畫筆。

例如將類似于蜥蜴皮膚作為素材導(dǎo)入到Photoshop中并處理成灰度圖，裁剪成適合的尺寸導(dǎo)出后再導(dǎo)入到Alpha畫筆中，這樣畫筆的白色部分就是凸起的紋理，黑色部分就是凹陷的紋理。將畫筆模式設(shè)為DragRect形式，它的特點(diǎn)在于可以通過數(shù)位筆來回拉動調(diào)節(jié)所需紋理的大小。在腹部、肢體內(nèi)側(cè)部位的紋理應(yīng)當(dāng)是密集但不明顯，頭部、脊背和龍爪等部位的紋理則是疏散但明顯。

2.3色彩繪制

在模型外形和紋理制作后就可以開始為模型表面著色，這時的畫筆需要去掉雕刻功能，打開RGB模式，畫筆類型調(diào)整為FreeHand畫筆，接近于現(xiàn)實(shí)中在立體模型表面的手繪上色。在上色中主要分為底色、明暗和細(xì)節(jié)等三部分。在底色繪制部分，作品的設(shè)定為整體偏紅色的龍形生物角色形象，腹部為淺橙色，紅色與淺橙色之間為自然過度的漸變色，在脊背部位是偏深色，為了體現(xiàn)這部分皮膚較為堅(jiān)硬的質(zhì)感。明暗關(guān)系在褶皺部位體現(xiàn)較多，褶皺的內(nèi)側(cè)一般不是受光部分可以加深顏色，而褶皺的外側(cè)一般屬于受光部分可以適當(dāng)提高明度，在一些褶皺明顯的凹凸部位可以增強(qiáng)明暗的對比度，即增加受光部分的明度，減弱背光部分的明度，這樣更加突出立體感和寫實(shí)性。

在細(xì)節(jié)部分，如飛翼皮膜的顏色與主色調(diào)一致，邊緣、破洞周圍需要體現(xiàn)出傷痕的效果，可以降低明度呈暗色調(diào)。鱗片是皮膚上凸起且類似老化的角質(zhì)層，主要分布在腿部、脊背這些位置，它們相對各自周圍的皮膚顏色需要偏暗些。爪子和若干部位凸出來的尖刺，需要做出漸變色的效果，即根部顏色深，頂端部分明度較高，這是由于磨損造成的本色呈現(xiàn)。在龍頭部位犄角顏色的繪制中，根部的顏色則是褐色為主，只有在頂端部位才會明度變高。

三、模型渲染展示

3.1貼圖制作

細(xì)節(jié)刻畫完成后的模型屬于高精度模型，面數(shù)多達(dá)上億個面，這對于普通的計(jì)算機(jī)處理能力來說數(shù)據(jù)量過于龐大，因此實(shí)際制作中都會對其進(jìn)行拓補(bǔ)低模（Retopology）處理，經(jīng)過拓補(bǔ)處理后的低模面數(shù)降低，但各部分所需的結(jié)構(gòu)依舊保留。通常使用用Maya軟件中的拓補(bǔ)工具來對模型進(jìn)行拓補(bǔ)。

低模拓補(bǔ)完成后即可開始多種貼圖的制作，其中顏色貼圖和UV拆分在ZBrush中就能完成并導(dǎo)出。將UV拆分后的低模導(dǎo)入到Substance Painter軟件中與高模進(jìn)行烘焙操作，烘焙后貼圖主要有AO貼圖、凹凸貼圖、法線貼圖等，這些都是后期模型渲染所必須的貼圖。

3.2渲染設(shè)置

模型的展示主要在Marmoset Toolbag軟件中完成，導(dǎo)入低模并分別賦予之前準(zhǔn)備的顏色貼圖、AO貼圖、凹凸貼圖、法線貼圖等。將模型擺好角度，創(chuàng)建攝像機(jī)，設(shè)置合適的光源，調(diào)整渲染器參數(shù)并最終渲染出圖。渲染出來的效果圖可在后期使用Photoshop等圖像處理軟件進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整。

四、結(jié)束語

在數(shù)字圖形技術(shù)迅速發(fā)展的大背景下，新技術(shù)加速推動新媒體產(chǎn)業(yè)的變革。隨著三維模型制作需求提高，尤其是生物模型的復(fù)雜程度變高，數(shù)字雕刻技術(shù)對模型的設(shè)計(jì)與制作的重要性就更加突出。這一技術(shù)改變了創(chuàng)作設(shè)計(jì)模式，擺脫了傳統(tǒng)軟件技術(shù)對藝術(shù)家們的思維和雙手束縛。也讓初學(xué)者們更專注于設(shè)計(jì)思維的養(yǎng)成，有利于充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。簡化了三維數(shù)字模型的制作程序，縮短了模型的制作時間，有效控制制作成本。相信隨著三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字雕刻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]秦建華.數(shù)字建模技術(shù)在藝術(shù)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——以雕花銅爐開發(fā)設(shè)計(jì)為例[J].美術(shù)大觀，20180（10）：118-119.

[2]郭曉芳，余日季.基于數(shù)字雕刻技術(shù)的次世代游戲角色模型設(shè)計(jì)與制作[J].新媒體研究，2019（21）：97-101.