數(shù)字雕刻在三維模型制作中的運用

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本文作者：陳星霖 單位：淮陰師范學院美術學院

三維數(shù)字技術的發(fā)展，使得越來越多的三維數(shù)字影像作品走進了人們的生活。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)展的特點和方向。如早期的科幻影視作品《星球大戰(zhàn)》，當時的三維數(shù)字技術還不成熟，為了達到逼真寫實的場景效果，工作人員制作了許多場景的實物模型進行拍攝，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，場景模型的細致程度和自然光影的應用效果還是沒有達到一種真實的狀態(tài)。

在如今的科幻電影中，三維技術的成熟使之產(chǎn)生了革命性的蛻變。在《變形金剛》、《阿凡達》等一系列科幻電影中，已經(jīng)達到了幻想與現(xiàn)實的完美結合。在我們生活的真實環(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的程度，而所有真實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，雖然是基于計算機數(shù)字技術的應用，但是在畫面的表現(xiàn)上還是根據(jù)真實自然狀態(tài)下的規(guī)律，就是利用物體的造型和光影。

三維影像技術發(fā)展至今，圍繞著決定畫面真實性的造型和光影兩個因素，已有了很大的突破。極負盛名的Vray和Mentalray渲染器，就是關于自然真實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、多邊形建模和細分建模等一些建模方式，來針對不同的物體造型進行制作。對于一個真實的影像畫面，不僅要有一個自然真實的光影體系，更重要的是具有真實可信的物體造型。只有物體造型準確細致，才能更好地展現(xiàn)光影帶給它的真實性和厚重感，也才能創(chuàng)造出更可信的畫面。

數(shù)字雕刻是近幾年發(fā)展起來的關于制作超寫實三維模型的一項技術，最具代表的就是Zbrush和Mudbox兩款雕刻軟件。這項技術的誕生，讓超寫實三維模型的制作不再是一項龐大的工作。其帶給我們的最直觀的表現(xiàn)就是在科幻電影中呈現(xiàn)的超寫實的數(shù)字場景和角色，還有在次時代游戲中的真實畫面。這項技術的原理非常簡單，就是利用現(xiàn)實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的編輯工作，從而讓模型的制作在時效和質(zhì)量上達到了一個契合點，在高效率的前提下大大提高了作品的質(zhì)量。下面筆者將以寫實大象模型的制作過程，來介紹一下數(shù)字雕刻技術在寫實模型制作中的應用。

一、了解物體的結構

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

二、構建物體的框架

在進行過對大象結構的了解后，下面就可以進行第一階段的制作工作了。在模型的制作起初，先要來制作模型結構的大體框架，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)的三維軟件中進行第一階段的大型制作，然后導入到雕刻軟件中進行細節(jié)加工；第二是直接在雕刻軟件中利用基礎物體進行雕刻，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模型進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構進行精確的布線，為后期的雕刻奠定良好的基礎，還可以比較快速精確地把握物體的大體結構。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行重建拓撲的工作。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節(jié)的雕刻所起的作用。首先使用三維制作軟件進行大體的造型制作。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，注意各個結構之間的比例（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，并能為物體的結構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，為導入到雕刻軟件做準備。

三、深化物體的結構

在物體基礎造型完成后，就要在雕刻軟件中進行深入加工了。把存為obj格式的物體模型文件導入到雕刻軟件中，這里用到的雕刻軟件為Zbrush（如下圖）。在制作物體大體結構造型的時候，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。因為在雕刻軟件中，模型的雕刻實質(zhì)上也是基于頂點移動的原理。那么在光滑增加頂點雕刻細節(jié)的時候，就能夠得到平均統(tǒng)一的頂點數(shù)量，以此達到一致的細節(jié)表現(xiàn)。在大體形態(tài)結構的制作中，要做到結構明確、布線合理均勻、比例準確。制作完成的基礎造型（如下圖），選擇物體后輸出文件后綴名為obj在導入到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)。在此基礎上，雕刻的第一步是繼續(xù)調(diào)整模型的形態(tài)和大體結構。在Zbrush中，利用“移動筆刷”（如下圖），這可以非常快捷地對物體的形態(tài)進行調(diào)整。大體形態(tài)調(diào)整完成確定后，下面就是對物體的結構進行深入的雕刻。在雕刻之前，要對物體模型進行細分的操作，就是增加物體表面的頂點數(shù)量，模型細分級別增加到三級（如下圖）。頂點數(shù)量越多，代表著對細節(jié)的雕刻能夠越深入。但是對于頂點數(shù)量的增加，還是根據(jù)制作的進度來增加的，不能在模型最初的階段把頂點數(shù)增加到最后細節(jié)表現(xiàn)的數(shù)量上，這樣會為造型結構的把握造成困難。基礎工作準備完畢后，就可以進行結構的深入雕刻了。在雕刻工具使用中，運用默認的常用雕刻筆刷就足夠了。在這個階段的雕刻中，要多觀察實物樣片中大象的肌肉結構和面部骨骼結構，準確把握骨骼肌肉分布情況，這些都是達到最終寫實模型的基礎（如下圖）。

四、細節(jié)表現(xiàn)

觀察并確定第二階段的模型結構形態(tài)的雕刻工作準確無誤后，接下來的工作就是進入到雕刻中最為精彩的部分了——細節(jié)的表現(xiàn)。在此例中，大象的結構造型制作完成后，骨骼肌肉的表達已賦予了模型在力量上的表現(xiàn)力，但是與寫實還有一定的距離，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造，那么在細節(jié)的雕刻和繪制中就要去模擬這么一種皮膚質(zhì)感。在細節(jié)繪制之前，要確定模型有著足夠的細分級別。對于皮膚細小的細節(jié)處理，模型的細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，為模型進行皮膚的細節(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)細節(jié)雕刻的制作中，要保持十分的耐心和信心。把握住實物樣片中所傳達出的細節(jié)特征，在不斷地對比和參考中進行雕刻制作，相信要達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)字雕刻技術的應用，讓數(shù)字化超寫實作品不再是遙不可及的。當然，對于這種高精度的模型，我們可以在此基礎上刻畫很多以往模型中達不到的細節(jié)，但是對動畫來說，頂點數(shù)量的過高無疑是模型動畫過重的負擔。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計算而產(chǎn)生的畫面拖延或停頓的現(xiàn)象。因為在制作中，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，以低頂點的數(shù)量而達到高精度的效果。當然這種模擬的結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)實雕刻的一種狀態(tài)相同。其實在如今數(shù)字影像技術的發(fā)展中，大多數(shù)的軟件應用都朝著模擬現(xiàn)實狀態(tài)下自然真實的一種制作方式發(fā)展，比如大家熟知的數(shù)字繪畫軟件Painter，就是模擬各種真實自然筆刷的一個繪畫軟件。所以軟件技術的發(fā)展讓我們感覺其更像是我們在現(xiàn)實繪畫等藝術創(chuàng)作中使用的工具。對于制作一個寫實性的三維模型作品，其所表現(xiàn)出的藝術感染力是基于創(chuàng)作者對藝術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)作學習中不斷提高對真實物體的塑造和表達能力，應該是最重要的。