數(shù)字雕刻在三維模型制作中的運(yùn)用

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本文作者：陳星霖 單位：淮陰師范學(xué)院美術(shù)學(xué)院

三維數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，使得越來越多的三維數(shù)字影像作品走進(jìn)了人們的生活。無論在動畫、游戲還是一些影視作品中，那些生動逼真的數(shù)字影像給我們帶來的是視覺上的震撼和無窮的想象。畫面的逼真度，在一定程度上代表了三維影像發(fā)展的特點(diǎn)和方向。如早期的科幻影視作品《星球大戰(zhàn)》，當(dāng)時的三維數(shù)字技術(shù)還不成熟，為了達(dá)到逼真寫實(shí)的場景效果，工作人員制作了許多場景的實(shí)物模型進(jìn)行拍攝，雖然在一定程度上模擬了一種逼真光影效果的幻想空間，但是現(xiàn)在看來，場景模型的細(xì)致程度和自然光影的應(yīng)用效果還是沒有達(dá)到一種真實(shí)的狀態(tài)。

在如今的科幻電影中，三維技術(shù)的成熟使之產(chǎn)生了革命性的蛻變。在《變形金剛》、《阿凡達(dá)》等一系列科幻電影中，已經(jīng)達(dá)到了幻想與現(xiàn)實(shí)的完美結(jié)合。在我們生活的真實(shí)環(huán)境中，不難發(fā)現(xiàn)，物體的造型和光影的照射決定了畫面真實(shí)的程度，而所有真實(shí)的畫面都是基于自然環(huán)境下的物體的表現(xiàn)。那么三維影像的發(fā)展，簡單的說就是模擬自然的一種發(fā)展過程。三維影像的制作，雖然是基于計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，但是在畫面的表現(xiàn)上還是根據(jù)真實(shí)自然狀態(tài)下的規(guī)律，就是利用物體的造型和光影。

三維影像技術(shù)發(fā)展至今，圍繞著決定畫面真實(shí)性的造型和光影兩個因素，已有了很大的突破。極負(fù)盛名的Vray和Mentalray渲染器，就是關(guān)于自然真實(shí)光影效果的解決方案。對于物體的造型制作來說，有曲面建模、多邊形建模和細(xì)分建模等一些建模方式，來針對不同的物體造型進(jìn)行制作。對于一個真實(shí)的影像畫面，不僅要有一個自然真實(shí)的光影體系，更重要的是具有真實(shí)可信的物體造型。只有物體造型準(zhǔn)確細(xì)致，才能更好地展現(xiàn)光影帶給它的真實(shí)性和厚重感，也才能創(chuàng)造出更可信的畫面。

數(shù)字雕刻是近幾年發(fā)展起來的關(guān)于制作超寫實(shí)三維模型的一項(xiàng)技術(shù)，最具代表的就是Zbrush和Mudbox兩款雕刻軟件。這項(xiàng)技術(shù)的誕生，讓超寫實(shí)三維模型的制作不再是一項(xiàng)龐大的工作。其帶給我們的最直觀的表現(xiàn)就是在科幻電影中呈現(xiàn)的超寫實(shí)的數(shù)字場景和角色，還有在次時代游戲中的真實(shí)畫面。這項(xiàng)技術(shù)的原理非常簡單，就是利用現(xiàn)實(shí)中雕刻的方式去制作數(shù)字化的場景和角色，省去了傳統(tǒng)模型制作中大量頂點(diǎn)的編輯工作，從而讓模型的制作在時效和質(zhì)量上達(dá)到了一個契合點(diǎn)，在高效率的前提下大大提高了作品的質(zhì)量。下面筆者將以寫實(shí)大象模型的制作過程，來介紹一下數(shù)字雕刻技術(shù)在寫實(shí)模型制作中的應(yīng)用。

一、了解物體的結(jié)構(gòu)

在模型制作之初，我們都要先去了解物體的結(jié)構(gòu)，特別是生物模型。對于物體造型和結(jié)構(gòu)的了解，可以讓我們在后續(xù)的制作工作中更好地把握物體造型和結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，這也是保證模型最終是否真實(shí)的一個決定性因素。我們可以根據(jù)真實(shí)的圖片或者一些解剖圖，來觀察和記錄大象的骨骼肌肉結(jié)構(gòu)，做到心中有數(shù)，并且在后續(xù)的制作環(huán)節(jié)中要不斷地進(jìn)行比對和觀察（如下圖）。

二、構(gòu)建物體的框架

在進(jìn)行過對大象結(jié)構(gòu)的了解后，下面就可以進(jìn)行第一階段的制作工作了。在模型的制作起初，先要來制作模型結(jié)構(gòu)的大體框架，方式是很多的。目前業(yè)內(nèi)較流行的制作方式大體有三種：第一是在傳統(tǒng)的三維軟件中進(jìn)行第一階段的大型制作，然后導(dǎo)入到雕刻軟件中進(jìn)行細(xì)節(jié)加工；第二是直接在雕刻軟件中利用基礎(chǔ)物體進(jìn)行雕刻，直至制作完成；第三是直接在雕刻軟件中利用四足動物的基礎(chǔ)模型進(jìn)行雕刻到最后制作完成。對于以上三種方法，主要還是根據(jù)個人的制作習(xí)慣和對造型的把握能力的高低來選擇。第一種方法的好處是可以按照物體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的布線，為后期的雕刻奠定良好的基礎(chǔ)，還可以比較快速精確地把握物體的大體結(jié)構(gòu)。后兩種方法的好處是制作環(huán)節(jié)簡單，但是對于造型能力的把握要求較高，不利于模型布線，對以后需要動畫的物體模型還要進(jìn)行重建拓?fù)涞墓ぷ?。本例將使用第一種方法，這樣可以更好地體會布線對后期模型細(xì)節(jié)的雕刻所起的作用。首先使用三維制作軟件進(jìn)行大體的造型制作。這里用到的是Maya軟件。對比之前觀察的樣圖，來制作大體造型，注意各個結(jié)構(gòu)之間的比例（如下圖）。這里用到的是多邊形建模，其好處在于能夠靈活快速地把握物體的形體，并能為物體的結(jié)構(gòu)建立自由的線框分布。的文件格式，這個格式是三維制作軟件的通用格式，為導(dǎo)入到雕刻軟件做準(zhǔn)備。

三、深化物體的結(jié)構(gòu)

在物體基礎(chǔ)造型完成后，就要在雕刻軟件中進(jìn)行深入加工了。把存為obj格式的物體模型文件導(dǎo)入到雕刻軟件中，這里用到的雕刻軟件為Zbrush（如下圖）。在制作物體大體結(jié)構(gòu)造型的時候，要注意布線，盡量按照布線均勻的原則來制作。均勻的布線可以為后面的雕刻工作奠定便利的基礎(chǔ)。因?yàn)樵诘窨誊浖校Ｐ偷牡窨虒?shí)質(zhì)上也是基于頂點(diǎn)移動的原理。那么在光滑增加頂點(diǎn)雕刻細(xì)節(jié)的時候，就能夠得到平均統(tǒng)一的頂點(diǎn)數(shù)量，以此達(dá)到一致的細(xì)節(jié)表現(xiàn)。在大體形態(tài)結(jié)構(gòu)的制作中，要做到結(jié)構(gòu)明確、布線合理均勻、比例準(zhǔn)確。制作完成的基礎(chǔ)造型（如下圖），選擇物體后輸出文件后綴名為obj在導(dǎo)入到Zbrush后，可以看到物體呈現(xiàn)為類似于紅泥顏色的模型效果。在這里，我們可以看到模型表面的面片數(shù)量和Maya中的一樣，還處于數(shù)量極少的模型狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，雕刻的第一步是繼續(xù)調(diào)整模型的形態(tài)和大體結(jié)構(gòu)。在Zbrush中，利用“移動筆刷”（如下圖），這可以非?？旖莸貙ξ矬w的形態(tài)進(jìn)行調(diào)整。大體形態(tài)調(diào)整完成確定后，下面就是對物體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的雕刻。在雕刻之前，要對物體模型進(jìn)行細(xì)分的操作，就是增加物體表面的頂點(diǎn)數(shù)量，模型細(xì)分級別增加到三級（如下圖）。頂點(diǎn)數(shù)量越多，代表著對細(xì)節(jié)的雕刻能夠越深入。但是對于頂點(diǎn)數(shù)量的增加，還是根據(jù)制作的進(jìn)度來增加的，不能在模型最初的階段把頂點(diǎn)數(shù)增加到最后細(xì)節(jié)表現(xiàn)的數(shù)量上，這樣會為造型結(jié)構(gòu)的把握造成困難?；A(chǔ)工作準(zhǔn)備完畢后，就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的深入雕刻了。在雕刻工具使用中，運(yùn)用默認(rèn)的常用雕刻筆刷就足夠了。在這個階段的雕刻中，要多觀察實(shí)物樣片中大象的肌肉結(jié)構(gòu)和面部骨骼結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確把握骨骼肌肉分布情況，這些都是達(dá)到最終寫實(shí)模型的基礎(chǔ)（如下圖）。

四、細(xì)節(jié)表現(xiàn)

觀察并確定第二階段的模型結(jié)構(gòu)形態(tài)的雕刻工作準(zhǔn)確無誤后，接下來的工作就是進(jìn)入到雕刻中最為精彩的部分了——細(xì)節(jié)的表現(xiàn)。在此例中，大象的結(jié)構(gòu)造型制作完成后，骨骼肌肉的表達(dá)已賦予了模型在力量上的表現(xiàn)力，但是與寫實(shí)還有一定的距離，這就表現(xiàn)在大象皮膚的質(zhì)感上。觀察樣片知道，大象的皮膚是一種非常粗糙并具有類似菱形狀的紋理構(gòu)造，那么在細(xì)節(jié)的雕刻和繪制中就要去模擬這么一種皮膚質(zhì)感。在細(xì)節(jié)繪制之前，要確定模型有著足夠的細(xì)分級別。對于皮膚細(xì)小的細(xì)節(jié)處理，模型的細(xì)分級別最少要提高到六級。

在Zbrush中，對生物皮膚的雕刻處理，一般會采用Alpha紋理筆刷的方式，為模型進(jìn)行皮膚的細(xì)節(jié)處理。在Alpha紋理中，可以查找與生物皮膚紋理類似的紋理圖像（如下圖），以此來進(jìn)行雕刻處理，甚至可以把與之相同的皮膚紋理圖像貼到模型的表面，大大提高了制作的效率。在表現(xiàn)細(xì)節(jié)雕刻的制作中，要保持十分的耐心和信心。把握住實(shí)物樣片中所傳達(dá)出的細(xì)節(jié)特征，在不斷地對比和參考中進(jìn)行雕刻制作，相信要達(dá)到最后的成功也只是時間的問題了（以下是最終的模型完成圖）。

數(shù)字雕刻技術(shù)的應(yīng)用，讓數(shù)字化超寫實(shí)作品不再是遙不可及的。當(dāng)然，對于這種高精度的模型，我們可以在此基礎(chǔ)上刻畫很多以往模型中達(dá)不到的細(xì)節(jié)，但是對動畫來說，頂點(diǎn)數(shù)量的過高無疑是模型動畫過重的負(fù)擔(dān)。如何做到平衡，如今已經(jīng)有了比較成熟的解決方案。比如大家熟悉的次時代游戲，從中可以看到三維場景和角色都有非常細(xì)致的模型表現(xiàn)，但是在游戲中又不會感覺到由于大量的頂點(diǎn)計(jì)算而產(chǎn)生的畫面拖延或停頓的現(xiàn)象。因?yàn)樵谥谱髦?，制作者利用高精度模型可以制作法線貼圖和AO貼圖等，然后把制作出來的這些高精度貼圖貼到低精度的模型上去，以低頂點(diǎn)的數(shù)量而達(dá)到高精度的效果。當(dāng)然這種模擬的結(jié)果不可能和高精度模型的表現(xiàn)一模一樣，但已經(jīng)是相當(dāng)接近可觀的效果了。

不難發(fā)現(xiàn)，雕刻軟件的原理和使用方法，基本與現(xiàn)實(shí)雕刻的一種狀態(tài)相同。其實(shí)在如今數(shù)字影像技術(shù)的發(fā)展中，大多數(shù)的軟件應(yīng)用都朝著模擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下自然真實(shí)的一種制作方式發(fā)展，比如大家熟知的數(shù)字繪畫軟件Painter，就是模擬各種真實(shí)自然筆刷的一個繪畫軟件。所以軟件技術(shù)的發(fā)展讓我們感覺其更像是我們在現(xiàn)實(shí)繪畫等藝術(shù)創(chuàng)作中使用的工具。對于制作一個寫實(shí)性的三維模型作品，其所表現(xiàn)出的藝術(shù)感染力是基于創(chuàng)作者對藝術(shù)的理解和造型能力等。所以對制作工具的選擇和使用并不是最主要的，在創(chuàng)作學(xué)習(xí)中不斷提高對真實(shí)物體的塑造和表達(dá)能力，應(yīng)該是最重要的。