數字雕刻技術在生物角色模型設計與制作中的應用研究

胡佳寧

【摘要】? ? 數字雕刻技術是可以讓藝術家實現自由創作的三維建模技術，先進的建模功能不同于過去針對點線面編輯的多邊形建模方式。本文著重闡述了利用ZBrush數字雕刻軟件制作三維數字模型，并以龍形生物的設計制作為例論述游戲角色模型設計流程。

【關鍵詞】? ? 三維建模技術? ? 數字雕刻技術? ? 生物角色模型

隨著新媒體產業快速發展，國家對于培養應用型三維動畫、影視、游戲人才給予高度的重視，目前各大高校都開設三維動畫的相關專業，作為一個藝術性和技術性高度融合的專業，從事這個專業的教師們都在積極探索更新、更科學的教學載體與教學方式。

三維建模在三維動畫技術的學習中屬于基礎部分，但又是重要的一環，其重要程度等同于造型藝術中的素描。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，三維模型的質量直接會影響到整體作品的品質。教學中常見的三維數字建模是采用多邊形（Polygon）建模方式，此方式主要通過對鼠標和參數的控制，對點、線、面等元素進行編輯與修改實現模型制作。制作簡單模型來說這一方式尚可，但在制作復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。當前教學中主流的3ds Max或Maya等這些專業三維軟件集成建模、渲染、動畫等多個模塊，大都命令繁雜、功能臃腫，初學者面對它們往往不知所措，隨著數字雕刻技術的誕生有效解決了傳統建模技術存在的問題。[1]以目前應用較廣的數字雕刻軟件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。其數字雕刻方式的建模步驟通常是從外形—局部—細節的流程，利用數位筆代替鼠標，模擬現實中的畫筆或雕刻工具，過程更加貼近于真實立體模型的制作形式。以往使用3ds Max或Maya建立復雜的生物角色模型至少需要數天的時間，現在通過數字雕刻軟件也許只要數個小時即可完成制作。

本文主要介紹基于數字雕刻技術的龍形生物角色模型設計與制作過程。在深入了解數字雕刻技術的基礎上，將數字雕刻技術結合三維模型制作的優勢與特點進行歸納總結，對模型外形設計、紋理與顏色、渲染展示等制作流程進行分析與研究 ，并結合實例對如何利用ZBrush制作生物角色模型總結出了一整套行而有效的制作流程。[2]

一、外形的設計制作

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入模型的方法，如從Maya，Max中導出模型后再導入后制作。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。不同于傳統的多邊形建模方式是以調整模型的點、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，通過自適應蒙皮（Adaptive Skin）或快捷鍵“A”生成網格模型，再進行數字雕刻的建模方式。

1.2身體結構的制作

作品參考的案例是的西方龍形生物，在設計中是一種擁有四肢和一對獨立的翅膀，共有六肢的生物。這種生物的形象在很多文學和藝術作品中都可以找到參考，部分結構與遠古的恐龍又有很多類似之處，可以參考恐龍的身體結構。制作中通過對素材圖例的分析，可以借鑒電影《侏羅紀公園》中迅猛龍的身體結構，其特點是上肢較小、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向靈活。在外形的調整中可以使用Move、ClayBuildup和Inflat畫筆得到角色基本形態結構，這三個是ZBrush軟件中常見畫筆，常用于改變或調節物體的形狀，能較快速體現出角色模型的外形，以及骨骼、肌肉的形態特點。

1.3飛翼的制作

作品中飛翼制作的難點在皮膜，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到身體和肢體的生長位置，最后進行合并（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網格（Dynamesh）按鈕，這樣不同部分的模型在合并后會自動進行重新布線，減少模型在制作過程中出現拉伸和變形的問題，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出角色的故事性等這些細節特點。褶皺結合若干種畫筆工具即可實現，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分精度（SDiv）調高，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以上操作就可完成。

單側的飛翼完成之后使用鏡像工具（Mirror）得到另一側的飛翼，選擇其中一個飛翼進行微調，這樣整體的造型才不會因為兩側對稱而顯得單調。后腿至尾部類似皮膜部分的制作，由于其承擔的功能不多，結構也相對簡單，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置

鱗片特點是數量多且排列有序，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，逐步進行調整外形與增加鱗片上的紋理使其更逼真，但為了后續制作效率的提高，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、四肢內側的鱗片則是更細小些，而后頸、脊背和尾部這些部位的鱗片的棱角更明顯。繪制中還需要結合Move畫筆使鱗片的位置更加貼合各部位表面，通過這些細節來增加角色的特征表現。鱗片畫筆的基本元素繪制作之后，須將其導入為預設畫筆，才能進行鱗片的繪制。

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，可以根據不同部位尖刺的特點將形態調整到需要的效果。比如下頜部和鰓部的尖刺應當是小而尖，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較少的動物類模型中褶皺的正確表現可以提高模型的寫實性。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、游戲作品中經典角色的制作。

關節部位的內側由于運動經常發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褶皺處的凹陷，再結合Standard畫筆可以增加褶皺處的皮膚的質感，這樣畫筆搭配更具表現力。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。

由于作品的設計不是在展翼飛行狀態，因此飛翼的皮膜也是需要進行褶皺的處理，由于結構簡單只需運用Standard畫筆再結合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，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入到Photoshop中并處理成灰度圖，裁剪成適合的尺寸導出后再導入到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。將畫筆模式設為DragRect形式，它的特點在于可以通過數位筆來回拉動調節所需紋理的大小。在腹部、肢體內側部位的紋理應當是密集但不明顯，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，畫筆類型調整為FreeHand畫筆，接近于現實中在立體模型表面的手繪上色。在上色中主要分為底色、明暗和細節等三部分。在底色繪制部分，作品的設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，為了體現這部分皮膚較為堅硬的質感。明暗關系在褶皺部位體現較多，褶皺的內側一般不是受光部分可以加深顏色，而褶皺的外側一般屬于受光部分可以適當提高明度，在一些褶皺明顯的凹凸部位可以增強明暗的對比度，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性。

在細節部分，如飛翼皮膜的顏色與主色調一致，邊緣、破洞周圍需要體現出傷痕的效果，可以降低明度呈暗色調。鱗片是皮膚上凸起且類似老化的角質層，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。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

細節刻畫完成后的模型屬于高精度模型，面數多達上億個面，這對于普通的計算機處理能力來說數據量過于龐大，因此實際制作中都會對其進行拓補低模（Retopology）處理，經過拓補處理后的低模面數降低，但各部分所需的結構依舊保留。通常使用用Maya軟件中的拓補工具來對模型進行拓補。

低模拓補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中就能完成并導出。將UV拆分后的低模導入到Substance Painter軟件中與高模進行烘焙操作，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渲染設置

模型的展示主要在Marmoset Toolbag軟件中完成，導入低模并分別賦予之前準備的顏色貼圖、AO貼圖、凹凸貼圖、法線貼圖等。將模型擺好角度，創建攝像機，設置合適的光源，調整渲染器參數并最終渲染出圖。渲染出來的效果圖可在后期使用Photoshop等圖像處理軟件進行優化與調整。

四、結束語

在數字圖形技術迅速發展的大背景下，新技術加速推動新媒體產業的變革。隨著三維模型制作需求提高，尤其是生物模型的復雜程度變高，數字雕刻技術對模型的設計與制作的重要性就更加突出。這一技術改變了創作設計模式，擺脫了傳統軟件技術對藝術家們的思維和雙手束縛。也讓初學者們更專注于設計思維的養成，有利于充分發揮想象力和創造力。簡化了三維數字模型的制作程序，縮短了模型的制作時間，有效控制制作成本。相信隨著三維計算機圖形技術的不斷發展，數字雕刻技術的應用領域也將不斷擴大。

參? 考? 文? 獻

[1]秦建華.數字建模技術在藝術品設計中的應用——以雕花銅爐開發設計為例[J].美術大觀，20180（10）：118-119.

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