三維角色的數字雕刻建模技術研究

三維角色的數字雕刻建模技術研究

李曙光

(安徽電子信息職業技術學院 軟件學院，安徽蚌埠233030)

摘要：傳統角色建模多采用多邊形建模的方式，需要有詳細的角色設定圖作為參考，無法自由快捷地完成角色概念模型的創建，通過與傳統建模方式的對比，分析直觀化建模的技術優勢和三維雕刻軟件ZBrush 中直觀化建模原則，深入的解析ZSphere和ZSketch直觀化的創建生物角色模型的具體技術。

關鍵詞：ZBrush；直觀化；生物；角色；建模；ZSphere；ZSketch

收稿日期:2015-01-01

作者簡介:李曙光(1977-)，男，江蘇濱海人，講師，碩士，主要從事藝術設計、三維設計方面研究。

中圖分類號：TP319文獻標志碼：A

圖1　使用ZSphere創建角色模型

在三維動畫游戲中大量的使用角色的模型，但傳統的建模方式需要細致的角色設定圖作為參考，工作流程較長且不易修改，數字藝術家的創造力受到很大的限制。Zbrush是數字藝術家自由創作的三維雕刻軟件,它強大的建模功能使藝術家告別過去那種使用參數化和鼠標，針對模型點線面編輯的傳統多邊形建模方式。借助數位板的壓感，數字藝術家可以和傳統粘土雕刻工作流程一樣進行創作，而且Zbrush還擁有豐富多樣的筆刷工具，層的管理以及多種圖形參考和映射方式，能夠隨意調整角色模型的姿態，特別適合雕刻復雜的角色模型，它以強大的功能和直觀化的工作流程徹底改變了整個三維行業[1]。

三維角色的直觀化建模利用ZSphere和ZSketch等技術，它們是ZBrush特有的建模方式[2]，ZSphere和ZSketch技術在ZBrush軟件中有著多種應用，如圖1所示。在角色建模時搭建標準Z球、快速造型ZSketch、拓撲編輯模型以及使用Z球綁定角色模型等方面，ZSphere和ZSketch技術都發揮著巨大的作用，掌握這些技術可以輕松創建三維角色模型。

1三維角色的直觀化建模技術優勢

1.1　自由直觀的工作流程

在三維傳統的Polygon多邊形建模中，不僅要保證模型結構的準確，還要同時保證模型具有四邊面的拓撲結構，在建模過程中隨時要切換到平滑模式下查看預覽的效果，對于創建角色這一類的模型不是很直觀。而在三維數字雕刻軟件中，數字藝術家可把精力更多的集中在角色模型本身的結構上，使用數位板的壓感可精確的繪制角色的肢體及肌肉結構，使用ZSphere和ZSketch的球鏈結構，可以快速定位和搭建復雜生物角色模型的肢體結構和肌肉，而且工作流程是非線性結構，隨時可以回到前面的步驟對骨架進行整體的變換操作，在模型雕刻完成后，再使用拓撲工具獲得符合工業化生產的拓撲結構。

1.2　整體塑造復雜的角色結構

對于創作角色模型來說，由于角色模型相對比較復雜且無明顯的轉折點，進行整體的創作尤其重要，這樣才能確保把角色的各個部分的比例和結構處理得相對準確，角色模型的結構一般都是在基本形的基礎上的變形，有些局部如頭、手、腳等結構相對復雜的地方，在雕刻中也應從整體到局部的方式由基本幾何形為起點，逐漸對這些局部進行細化深入雕刻。在模型整體比例和形狀未調整到位時，不宜過早的對模型進行細分操作，以節約系統資源提高制作效率。

但是三維角色模型的創作又有別于傳統的數字藝術創作，由于三維角色的創作具有可重用性的特點，所以一般的制作方法是，首先制作頭部以確定身體比例，完成頭部基本細節后進行軀干的制作，之后再完成四肢的制作。總體來說是一個由身體各部位的單獨制作到拼接再到最后的細節劃分的制作過程。所以在三維角色制作過程中，各個環節與階段都是緊密相關、缺一不可的。沒有良好的造型基礎，也就無法完整地制作出符合要求的角色模型。

1.3　自動拓撲角色模型的結構

模型上所有活動區域的面都應當盡量保持四邊形，四邊形的面在使用平滑命令時仍然會保持模型表面的平滑。但是如果其中有的面是三角面、五邊面或者六邊面，即使點的位置沒有改變，但是它們構成的面在運動或渲染時，就會產生明顯的拉伸與變形，對于模型表面的形態影響非常大，另外，角色的模型需要根據解剖和關節進行拓撲優化，對于角色的運動來說，動作的設計與調整，需要一套符合生物角色模型運動以及肌肉走向的拓撲結構，合理的拓撲結構是實現生物角色模型特殊動作的內在保證。根據基本的拓撲結構，可以對角色的局部進行完善與深入刻畫，從而制作出更加復雜精致的表面細節。在傳統的建模流程中，拓撲需要手工完成，在ZBrush中可利用快捷智能的拓撲、從高模映射到低模、ZRemesh等技術，生成符合生物模型拓撲的基本結構，以滿足三維角色在骨骼蒙皮、運動調整等制作流程中的需要。

2三維角色模型的創建原則

2.1　設定富有變化的姿勢

姿勢是表達生物角色模型的動態曲線，設定富有變化姿勢的目的是展現角色整體的韻律和動感。角色的特征和姿勢中固有的動作，在雕刻時會自然的呈現出幾條貫穿全局的富有動感的動態線，這樣角色模型才會顯得富有動感和韻律之美，相反就會使角色呈現呆板、僵硬的感覺。動態線是隱藏于具象模型下的抽象因素，合理的組織利用可以提高角色的視覺感染力和沖擊力[3]。

2.2　塑造準確的解剖結構

解剖結構通常指角色模型的骨骼和肌肉形成的結構以及由此而影響的外部形狀。生物角色主要分為二足的人類、四足的動物、昆蟲、異形等，同一類型的角色都有相近的解剖結構，盡管在ZBrush中可以方便自由的給模型添加細節，但角色的解剖結構始終是雕刻時首先關注的因素，忽略模型的外形、解剖和結構，往往導致角色模型總體上感覺缺乏生命感、乏味和不真實。無論是寫實的角色還是卡通化的角色，角色的解剖結構還是要有所體現，只是強調的程度有所不同，要對它們骨骼和肌肉進行仔細研究，對有顯著特征的結構要進行夸張處理以強化角色的特征，在雕刻中由于角色多是不規則形狀，不易定位和比較，所以首先應對軀體作幾何形的分析和定位，使用先直線后曲線、先方后圓的造型原則，找到角色的幾個關鍵定位點，整體的進行位置和結構的比較，才能準確的塑造好角色模型的結構。

2.3　構建合理的比例關系

比例是指一個角色模型的總體大小與某些局部的相對大小的關系，雕刻一個角色把握其比例非常重要，因為比例與模型外形關系緊密，比例在角色設計中起到重要的作用，適用于人的相同比例規則一般也適用于其它生物，如頭部比例較大往往使角色顯得更年輕可愛，而較小的頭部比例使得軀體部分看起來更加龐大有力，比例標準是雕刻角色時幫助定位的重要參考，比例有約定俗成的標準，但也沒有絕對的標準，對模型的比例進行改變時，數字藝術家可以巧妙的通過比例關系的改變產生很有趣味的角色。

3三維角色模型的創建技術解析

3.1　ZSphere建模

ZSphere是ZBrush軟件中非常獨特的一種模型構建方式，單獨的ZSphere沒有什么參數可以調節，也就是說ZSphere實現模型快速創建是在一個對于ZSphere球鏈的一系列流程操作中實現的[4]。使用ZSphere不斷的創建新的ZSphere球鏈，可以快速直觀的搭建角色模型的框架，而且非常方便的對角色進行整體比例及動態的調整，是ZBrush軟件中核心的功能之一，隨著軟件版本的不斷更新，ZSphere的功能也在不斷增強，從最初的僅僅是建模，到最新版本可以利用它進行拓撲、綁定，也可以結合ZSketch進行角色模型的創建。

在Tool面板下找到ZSphere工具，并在畫布中按住鼠標左鍵拖曳創建，按下鍵盤上的“T”鍵進入編輯模式，這個基礎Z球體叫做Root根球。在Draw繪制模式下，以根球體為基準，不斷創建新的Z球鏈結構，拖曳可以快捷的縮放新創建的Z球的大小，按住Alt鍵點擊刪除Z球。在創建Z球鏈后，可以隨時切換到Move位移、Scale縮放、Rotate旋轉等變換工具，對Z球鏈上各個Z球或鏈的大小、位置和方向等進行變換，從而調節Z球鏈的形態，以符合角色模型的整體動態結構。Z球鏈創建編輯完畢后，單擊Tool工具面板下的AdaptiveSkin自適應蒙皮進行預覽網格生成效果，使用Make AdaptiveSkin按鈕生成自適應蒙皮，得到由Z球模型轉化得到的標準3D網格模型，以此模型為角色模型的低模，進行細化深入雕刻角色模型的高模。如圖2所示。

圖2　ZSphere創建角色模型的流程

3.2　ZSketch建模

ZSketch Z球速描是基于Z球的一種模型構建技術，必須要有Z球才可以啟動ZSketch，ZSketch的技術是基于ZSphere,它不再需要從其它三維軟件中制作低模導入到ZBrush中雕刻高模，設計師可通過數位板自由的創造模型而沒有限制。ZSketch主要用于前期沒有角色設定稿，需要快速的表現三維角色的概念。建立一個Z球后，進入ZSketch面板進入編輯模式后，就可以開始ZSketch的創建，創建好后關閉EditSketch，已創建的ZSketch將被隱藏，點擊ShowSketch，已創建的ZSketch將以半透明的效果顯示，這時可以再次移動ZSphere的球或鏈來調整模型的整體形態，如果要讓已創建的ZSketch跟隨ZSphere一起變換，要啟動Bind綁定選項。

3.2.1　ZSketch的工作流程

ZSketch是非常快捷的操作，如果把ZSphere Z球鏈比做角色的骨架，那么ZSketch就是肌肉。所以前期Z球骨架搭建非常重要，它的好壞直接影響到后面ZSketch的搭建結果，進入ZSketch階段不要立刻陷入細節堆積，要先注重大肌肉群和大體塊的塑造，如果有膜狀、翼狀或者片狀結構可單獨處理。

ZSketch角色建模主要有以下幾種方法：一種方法是首先使用ZSphere搭建一個模型的骨架，然后使用ZSketch在骨架上涂刷肌肉；二是使用一個單獨的ZSphere，然后在三維空間中自由的創建模型；第三種是把一個ZSphere當作一個次工具添加進網格，然后在其它的次工具上進行直接創建，使用哪一種方法取決于模型的特點及數字藝術家的工作習慣。

3.2.2　ZSketch的主要筆刷

ZSketch的主要繪制筆刷是Sketch速描筆刷，如表1所示。包括Sketch1、Sketch2、Sketch3三種筆刷，這三種繪制筆刷的區別主要在表面嵌入深淺的程度，ZSketch的光滑筆刷是Smooth筆刷，也包括Smooth1、Smooth2、Smooth3、Smooth4四種筆刷，Smooth1筆刷可以把ZSketch兩端放大并嵌入到表面，Smooth2筆刷可以把ZSketch平滑而與表面融合，Smooth3筆刷可以把ZSketch只平滑而不融合，Smooth4筆刷可以把ZSketch兩端縮小并融合，在繪制ZSketch的時候，需要及時的按下Shift鍵對已繪制的部分進行Smooth光滑處理。

表1　ZSketch主要筆刷

3.2.3　ZSketch的模型生成

ZSketch在不完全包裹Z球鏈時，生成的多邊形網格會有自身的厚度，而這在角色建模時是要盡量避免的，讓ZSketch完全的包裹住Z球鏈。ZSketch生成網格模型主要使用Unified Skin統一的蒙皮，在這個面板中可以使用Reslution設置生成網格的精度，Smooth控制網格的平滑度，Polish Surface控制網格的拋光程度，Border設置ZSketch之間的邊界循環邊的數量。ZSketch的模型在Adaptive Skin自適應蒙皮中也可以映射與Z球鏈結合得比較緊密的ZSketch，結合得不緊密的部分則不會轉變為多邊形網格。

3.3　角色模型綁定

可以使用ZSphere對角色模型進行綁定，此時ZSphere的球鏈就是模型的骨骼，通過對ZSphere的球鏈的變換操作，可以方便地設置角色模型的動態姿勢。首先應在模型的Subtool上增加一個ZSphere，在這個基礎上根據角色模型的結構繪制ZSphere的球鏈，確保每個關節的地方要設置一個ZSphere球，繪制完成后把ZSphere的球鏈克隆成一個獨立的Ztool，選擇ZSphere的球鏈，在Rigging中選擇要綁定的模型，這樣模型就以半透明的方式顯示，表明已經被綁定在ZSphere的球鏈上，綁定好的模型在調整好姿勢后要在Adaptive Skin中選擇Make Adaptive Skin生成最終的可雕刻網格模型。在ZBrush中綁定的模型，由于不能像其它三維軟件中設置骨骼綁定的權重，在變換后模型一般會出現扭曲的錯誤，所以盡量在低模階段進行綁定調節工作，調節完成后使用Smooth筆刷對扭曲錯誤的局部進行修正。

3.4　角色模型拓撲

雕刻好的角色模型可能會在拓撲結構上不符合后期制作的要求，這時就需要對模型進行拓撲，ZBrush的拓撲功能是ZSphere的擴展，創建一個ZSphere，首先把ZSphere綁定到要拓撲的模型上，然后點擊Edit Topology，ZSphere會自動消失，只留下一個中心點，在創建第一個拓撲點的時候，要避開這個中心點，被激活的點以紅色圓點顯示，按位Ctrl鍵可以快速激活任意一個拓撲點，按位Alt鍵可以刪除一個拓撲點，拓撲點的位置都是基于中心的ZSphere，拓撲好的網格一樣可以按A鍵預覽，按Make Adaptive Skin生成最終的模型網格，生成的角色模型可以使用Project把雕刻好的高模細節映射到拓撲的模型。

4結語

在專業的數字藝術工作流程中利用ZBrush 特有的ZSphere和ZSketch可以實時編輯角色模型，使用ZSphere的擴展功能，模型的綁定可以快速塑造調整角色模型的動態姿勢，使用角色的拓撲功能和映射功能，可以快捷的生成符合后期要求的網格拓撲結構，而且與傳統粘土雕刻使用相類似的制作流程，數字藝術家對這種工作流程更容易適應和上手，它帶給數字藝術家們巨大的便利和全新的創作體驗，提高了角色模型的制作效率，這些技術以快捷的速度，直觀的流程等特點為三維角色建模提供了最優的行業解決方案[5]。

參考文獻:

[1](美)Scott Spencer．ZBrush數字雕刻：概念角色設計[M]．北京:人民郵電出版社，2013：8-15.

[2]鄧威．ZBrush雕塑藝術完美呈現[M]． 北京: 機械工業出版社，2014：4-10.

[3](美)斯潘塞，李文煥譯．ZBrush角色塑造：高級數字雕刻[M]．北京:人民郵電出版社，2013：215-232.

[4]王愷．ZBrush雕刻大師火星課堂[M]．北京:人民郵電出版社，2011：127-132.

[5]劉寒．ZBrush數字雕刻精解[M]．北京:人民郵電出版社，2012：85-94.

責任編輯：吳旭云

Research on Digital Engraving Modeling Technology of Three-dimensional Role

LI Shuguang

(School of Software, Anhui Vocational College of Electronics and Information Technology, Bengbu 233030, China)

Abstract：The traditional role modeling uses polygon modeling approach, requiring a detailed character setting diagram for references, which can not complete freely and efficiently the establishment of role concept modeling. By comparison with the traditional methods of modeling, this paper analyzes the technique advantages of intuitive modeling and intuitive modeling principles of three-dimensional sculpture software ZBrush, furthermore, it deeply analyzes the technology of creating biological role model by ZSketch and ZSphere.

Keywords：ZBrush; visualization; biology; role; modeling; ZSphere; ZSketch