數字雕塑軟件中的“拓撲”功能研究

馮鵬翔

摘? 要：科技的進步一直在影響著數字藝術的發(fā)展，同時它也在不斷改變藝術家的創(chuàng)作思維。在國內當代雕塑創(chuàng)作領域中，數字化造型技術從無到有，從簡單的幾何形體造型到復雜的高面數有機模型，每一次的革新都是新技術的突破。本文以數字雕塑軟件ZBrush中的“拓撲”功能為主要研究對象，分析其功能的主要用途以及給當代雕塑創(chuàng)作帶來的影響。

關鍵詞：數字雕塑；拓撲；應用分析

科技是第一生產力，歷經近百年的發(fā)展和應用，人類社會已逐漸進入數字技術縱橫的信息時代?？茖W技術不斷給予藝術作品新的血液與活力，人類探索數字藝術至今，從黑白默片到科幻特效、從平面圖像到立體環(huán)繞，數字技術從動畫游戲等行業(yè)逐漸跨入到雕塑藝術領域，數字化造型語言與雕塑藝術的融合應用也是新時代必然的發(fā)展趨勢。數字造型軟件在國內的發(fā)展雖然只有十余年，但是發(fā)展速度卻十分迅速，無論是在軟件的數量上還是在軟件本身的功能質量上都有了很大的突破，也影響了諸多游戲、動畫影視等行業(yè)的相關應用。從游戲、動畫人物到模型實物手辦等，我們看到越來越多運用數字造型軟件的案例。數字化造型技術在國內外已經有數十年的發(fā)展歷程，雖然有造型藝術家創(chuàng)作出許多的人物、肖像類模型，但大多用于影視、游戲、動畫等相關造型藝術領域，而且其功能、形式都與雕塑藝術作品有著很大的差異。

本文旨在研究ZBrush軟件中的模型“拓撲”功能，使用模型拓撲映射算法可以成功地將3D掃描或者任何數字軟件制作所得的三維模型轉化為數字雕刻軟件所需的模型拓撲結構，這給將數字技術的結合運用于雕塑創(chuàng)作提供了一種具有可行性的方法。

因為Topology單獨就是一個學科，它更多是與數學幾何學相關的文獻研究，所以本文添加了更多與本文研究相關的詞進行計量、檢索。筆者通過同時檢索“ZBrush” 與“TOPOLOGY”這兩個關鍵詞，在Web of Science 數據庫一共搜索到兩篇與本文研究相關的文獻，其中一篇的引用率較高；筆者在以中國知網和萬方數據知識平臺檢索“Zbrush”和“拓撲”二詞時，一共搜索到兩篇與本文研究相關性較高的文獻，而在檢索“雕塑”與“拓撲”時，一共搜索到20篇相關文獻，最終筆者通過分析篩選出與本文研究相關性較高的三篇文獻。

因為本文研究的是被各個涉及數字技術行業(yè)中所廣泛運用的軟件中的單一項功能，它本身并不只是為雕塑藝術所開發(fā)的，而是能在創(chuàng)作雕塑過程中用到，能為當代的雕塑創(chuàng)作提供便利而且被國內外雕塑家頻繁使用的功能，所以將它界定在數字雕塑范圍內是具有一定研究價值的，相關文獻檢索出的數量較少也合乎情理。

一、數字雕塑概述

雕塑，又稱雕刻，是增料與減料兩種創(chuàng)制實物的過程，也是增加與減少實物物體體積的總稱。它是指運用各種可塑性的物質材料，通過使用不同的工具在一定的空間內創(chuàng)造出具有可視化且經過藝術處理的立體形象，觀者可以通過多種角度去觀賞這一立體形象。

而數字雕塑創(chuàng)作是通過計算機造型軟件將立體的模型在一定的虛擬空間中進行創(chuàng)作的，創(chuàng)作者所能感受到的虛擬模型實際上是一種可視化且富有現實視覺經驗的立體模型。在虛擬的空間中，創(chuàng)作者可以直接對模型進行旋轉、平移、縮放來感受空間模擬出的縱深度。在材料的使用上，數字化造型技術將傳統的泥土、木頭、金屬等具有可塑性的材料轉化成“數字泥土”[1]，其本質就是計算機程序中的數據量，因此“數字泥土”沒有材料消耗、不受現實力學約束、也沒有重量限制。它可以使虛擬的模型模擬現實物質材料的特征，并且在造型軟件中模仿現實的雕塑制作手段對模型進行塑造，讓雕塑家們在虛擬的空間內對所塑造型進行藝術化處理，在創(chuàng)作后期再通過3D打印技術、CNC數控技術等將虛擬模型加工生產為實體，也可以通過虛擬現實技術、全息投影技術等對作品進行直接三維化的無實物展示。傳統雕塑繁雜的前期準備工作過程往往會導致創(chuàng)作過程中的各種突發(fā)性問題，這會使藝術家無法高效的發(fā)揮創(chuàng)造能力。而在計算機的三維虛擬空間中，這樣的問題會不復存在，藝術家完全可以在這之間進行隨意的轉換，去探索更多的可能性。截至目前，數字雕塑不論是在國內還是在國外都擁有了十多年的發(fā)展歷程，國內一些雕塑家也相繼學習并嘗試運用數字技術進行雕塑的設計及創(chuàng)作。

在2008年，由中國雕塑學會《中國雕塑》雜志副秘書長唐堯先生策展的“數碼石雕展”在北京今日美術館舉行，這次展覽的舉辦得到國內許多雕塑家的高度關注，數碼石雕展實現了雕塑創(chuàng)作與現代科學技術的完美結合，展覽中的作品大多以幾何圖案為造型元素，展現了科技世界中的理性化特征與藝術創(chuàng)作中的感性特點的融合與轉換，充分體現了數字時代數字技術在雕塑藝術中運用的可能性，也由此打開了國內雕塑創(chuàng)作在數字化造型運用上的大門；2017年12月“全國高等藝術院校數字雕塑教學研討會”及“2017中國·西安數字雕塑作品展”在西安美術學院舉行，來自全國各地的10余所高等藝術院校的藝術家及學者齊聚于此，這也標志著數字化雕塑創(chuàng)作成為了當代雕塑學科的重要研究方向。國家藝術基金3D科技寫實雕塑人才培養(yǎng)作品展于2018年12月22日在吉林藝術學院開幕，本次展覽起源于國家藝術基金3D科技寫實雕塑人才培養(yǎng)項目，展覽作品均為使用數字化造型技術創(chuàng)作的雕塑作品，這推動了數字化造型技術在雕塑創(chuàng)作中的運用。

隨后逐年至今，各大藝術高校雕塑系陸續(xù)開設了數字雕塑課程，這讓雕塑學子認識到了數字化對雕塑產生的影響，正確認識了數字雕塑的價值，為雕塑學子打開了學習數字化造型語言創(chuàng)作的大門。在每年一屆的畢業(yè)生雕塑藝術作品展，國內重要的學術權威獎項“曾竹韶雕塑藝術獎學金”及全國高校畢業(yè)生優(yōu)秀雕塑作品展中，青年雕塑學子們也頻頻使用數字化技術，讓它參與到雕塑作品創(chuàng)作中，這也使得數字化造型語言成為當代雕塑藝術中的熱門學術話題。

當代雕塑創(chuàng)作常用到的數字造型軟件有：ZBrush、3Dsmax、Blender、Rhino、Maya、CINEMA 4D（C4D）等。數字化造型軟件的種類在市面上也有許多，其作用及用途也各不相同，數字化造型軟件的開發(fā)主要是為工業(yè)、產品、游戲、影視、建筑等領域服務的，但其中有不少的功能可以被雕塑制作所充分運用、轉換并推動對雕塑藝術的探索，為雕塑的創(chuàng)作提供重要幫助。

二、數字雕塑軟件ZBrush中的“拓撲”功能

ZBrush在數字造型軟件中屬于“泰斗”級別，它出現的時間最早且為廣大藝術家所熟知，目前在國內雕塑領域內應用也最為廣泛。數字雕刻軟件最核心的功能當然是模型的雕塑功能，ZBrush有自己獨特的制作模型技術—— Z 球建模，這是一個完全不同于其他任何軟件的建模功能，創(chuàng)作者掌握之后用它來制作復雜造型是相當方便的。除此之外，ZBrush 擁有自己的拓撲功能，拓撲功能可以直接為現有的模型進行合理化布線，為創(chuàng)作者提供了極大的便利并帶來了更多的可能性。

“拓撲”一詞來源于數學領域的拓撲學。拓撲學是幾何學的一個學科分支，而其中的“拓撲”是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質，換句話說，拓撲是指只考慮物體之間的位置關系而不考慮它們的形狀和大小。

拓撲學的英文名是“Topology”，直譯是“地志學”，也就是和研究地形、地貌相類似的有關學科。但是在應用到數字技術領域后，以數字雕塑應用最廣泛的ZBrush軟件為例，“拓撲”在其中就作為功能型的技術工具出現了，它通常是指在原始基礎模型上對模型結構的點、線、面重新繪制，從而產生非常有效且便于控制的模型，讓模型細節(jié)保持充足且面數非常少的狀態(tài)。拓撲功能在具象人物建模中會經常被使用，特別是在對高面數模型進行有序、規(guī)范化的網格布線時會更頻繁地使用到。另外，在軟件中制作時，高模（高面數模型）對模型布線有著高質量要求，它在有面數限制之下才能夠保證流暢地在不同電腦配置下使用，從而提高最終渲染呈現效率。在進行具象人物系列創(chuàng)作時，創(chuàng)作者還可以利用拓撲對模型進行骨骼綁定以實現對人物動態(tài)的適時調整，從而得到相同基礎造型的人物形象。此外，具象創(chuàng)作的拓撲還要為UV表面的拆分做準備，提前拓撲好UV邊緣線的位置可以使之得到一個更高效的模型以便最終的效果圖制作及實體打印。簡言之，拓撲就是在已有的數字模型上畫出或布置出新的結構布線，方便我們對數字雕塑形體的把控和深入的塑造制作。在ZBrush中，常用的拓撲命令有Dynamesh（動態(tài)模型網格）、ZremesherGuides（拓撲引導）、Activates Dynamic Subdiv（動態(tài)網格細分）、Decimation Master（抽減面大師）等。

數字雕塑模型本質上是由點、線、面三者構成的結構模型，現在市面上所有的數字造型軟件中所構建的雕塑結構模型均是如此，如圖1，這是國內雕塑家魏小杰的雕塑作品《孕育》的雕塑三維掃描稿件在ZBrush軟件中打開后的圖示，這些密集的點線面結構被稱之為“布線”，即是指一個雕塑模型上的點、邊、面是如何分布的。

三、“拓撲”在數字雕塑創(chuàng)作中的應用分析

在數字雕塑創(chuàng)作過程中，“布線”占有舉足輕重的份量，在ZBrush軟件中，創(chuàng)作者對布線的熟練控制就能夠對數字雕塑的形體進行更加準確的把握。而“拓撲”功能恰好是幫助創(chuàng)作者在對雕塑模型進行深入塑造時對模型進行結構重組且合理化的布線。

（一）拓撲模型映射算法

ZBrush提供了DynaMesh（動態(tài)網格）命令按鈕，任何模型在導入ZBrush進行再雕刻塑造時都可打開此按鈕。該模型會自動拓撲成動態(tài)網格模型，其拓撲結構是在形體表面進行均勻的四邊形網格劃分，使面數分布稀疏的模型變得均勻且密集，便于后期的雕刻塑造。這項命令雖然可以雕刻塑造，但是在模型不斷增加細分級別時，會在整個模型的表面呈現出不必要的面數浪費甚至會導致計算機運行的卡頓。

因此，將原來高面數的模型通過拓撲得到一個模型的低模，然后給低模增加細分級別后進行細節(jié)還原繼續(xù)深入塑造，如圖2所示，在DynaMesh命令按鈕的基礎上使用ZremesherGuides（拓撲引導）自主地去修改模型的拓撲結構，就會使其表面的布線按照創(chuàng)作者意圖來嚴格控制模型表面結構的復雜與疏密程度。這樣一來模型的布線就會由創(chuàng)作者自己控制，網格結構合理化，網格面數減少，計算機內存占用率也隨之變小，雕塑的形體細節(jié)也更容易去把控，創(chuàng)作者可以在低面數模型狀態(tài)下去調整雕塑結構關系，再回到細分高級別中去深入塑造雕塑局部細節(jié)，從而實現雕塑在細節(jié)與大關系之間的靈活造型。

（二）拓撲結構中的“高?！迸c“低?！?/p>

拓撲功能的靈活使用能給數字雕塑創(chuàng)作帶來新的數字藝術語言，藝術家需結合ZBrush軟件中多個拓撲功能命令按鈕，才能夠創(chuàng)作出更多具數字化的藝術形式和標準化的雕塑造型。如圖3，它是由國內數字雕塑家鄧威所創(chuàng)作的《魯迅像》，如此類具象數字雕塑模型，它的拓撲結構點、線、面數總和能夠達到幾十萬，我們稱之為高面數模型，簡稱高模。高模的制作要從雕塑模型之初就預設好制作雕塑的步驟，如圖4中ZBrush軟件創(chuàng)作數字雕塑步驟所示，對模型進行布線的合理化調整拓撲后可以得到一個布線結構更便于深入塑造細節(jié)的模型。而在其中對雕塑模型進行拓撲時，要求拓撲結構要準確表現模型中的高點與低點，在高模表面創(chuàng)建的每一個點或邊，都要根據高模本身的結構操作，這樣才能得到更加有效的布線以便后續(xù)的細節(jié)制作。創(chuàng)作者嚴謹執(zhí)行制作步驟才能在ZBrush軟件中順利的創(chuàng)作出具象寫實的數字雕塑。

而在圖5中，由法國雕塑家澤維爾·威爾漢（Xavier Veilhan）制作的雕塑作品《索菲亞》，其模型拓撲結構面數總和只有幾百面，我們稱之為低面數模型，簡稱“低?！薄＿@種造型語言更具數字藝術特征，它不需要非常合理的布線，只需要將模型的面數通過拓撲功能抽減至百位數或者十位數，使原本具象的模型變得抽象化，并在后期通過拉伸、旋轉、重疊等方法延伸出更多不同的表現形式。

如圖6，這是喬瑪·帕蘭薩（Jaume Plensa）的系列公共空間藝術裝置，他的這一系列裝置雕塑作品借助了拓撲網格對人體或人物頭像模型進行合理的點線面編排，然后使用此網格結構制作出的金屬環(huán)境雕塑。這樣的造型方式可以使作品與建筑、環(huán)境進行結合，在現實空間中塑造出極具數字化造型的語言特征，是當代雕塑中一種特有的形式美感。

四、結語

本文通過對創(chuàng)作者在ZBrush軟件制作雕塑過程中“拓撲”功能的使用進行研究，嘗試進一步挖掘“拓撲”功能給當代雕塑創(chuàng)作帶來的可能性。同時，本文也強調在數字雕塑過程中“拓撲”功能的重要性：一方面，它能夠對雕塑形體空間進行嚴格把控，在制作雕塑時，充分使用拓撲功能可以使雕塑得到更深入的塑造。另一方面，拓撲結構網格可以充分表現雕塑空間、雕塑結構之間的相互關系，藝術家可以通過靈活使用拓撲網格的點、線、面結構對雕塑在形式語言上進行探索，發(fā)掘更具數字時代的雕塑藝術語言。

在這個信息技術瞬息萬變的時代背景下，雕塑創(chuàng)作離不開傳統文化的精神內涵，也離不開科技與藝術之間的融合轉換。筆者相信在數字化造型技術影響下的雕塑創(chuàng)作前景會越來越廣闊，未來數字雕塑的發(fā)展也會日臻完善。我們要繼承傳統的造型藝術，融合科技的語言，在不斷發(fā)展中創(chuàng)新，從而挖掘出更多新的雕塑語言、創(chuàng)造出更加優(yōu)秀的雕塑作品。

參考文獻：

[1]張盛.數字雕塑技法與3D打印[M].北京：清華大學出版社，2019：28.

作者簡介：馮鵬翔，鄭州大學美術學院雕塑系碩士研究生。研究方向：雕塑藝術。