基于動畫技術的數(shù)字雕塑研究

文／鄧 威 大連理工大學建筑與藝術學院 教 授

程旻鴻 大連理工大學建筑與藝術學院 碩士研究生

引言

當今的數(shù)字技術越來越強大，已經(jīng)應用到了藝術的方方面面。在IMAX電影院中，電影大片帶來的震撼無以復加。尤其是看到一個個鮮活的虛擬角色形象，如電影《哥斯拉》等，讓人感動，發(fā)人深省。作為數(shù)字雕塑的創(chuàng)作人員，能不能把電影中的動畫技術用在數(shù)字雕塑中呢？拋開動畫的時間概念，可以說動畫的每一幀都為我們提供了一種雕塑形態(tài)的可能，而一個連續(xù)的動態(tài)過程則為雕塑創(chuàng)作帶來了豐富的構圖形象。所以不言而喻，答案是肯定的，動畫技術可以為數(shù)字雕塑而用。但是作為歷史悠久的傳統(tǒng)雕塑藝術，很多手段和語言跟計算機造型方法不同，究竟怎樣將動態(tài)技術應用到數(shù)字雕塑中呢？下面我們就此展開討論。

1 數(shù)字雕塑和3 D動畫的技術特點

本文中的數(shù)字雕塑主要談論以寫實為基礎的人物題材，這些傳統(tǒng)雕塑都是靜態(tài)的且具有很高的藝術表現(xiàn)力。數(shù)字雕塑對于形體的處理不同于動畫電影，兩者在表現(xiàn)材料的特點和物理性質上的體現(xiàn)都不相同。

雕塑講究造型生動。例如意大利雕塑家貝尼尼①的《普魯托和普洛塞爾皮娜》（圖1），很多數(shù)字雕塑學生都臨摹過。之所以值得大家去臨摹，不僅是這件雕塑擁有生動的造型、精確的解剖，還十分注重細節(jié)的處理。雕塑描繪這樣的情節(jié)，冥王雙手緊抱普洛塞爾皮娜，普洛塞爾皮娜全身抗拒，展現(xiàn)出二者之間的沖突。她用左手推開他的前額，卻又將手指蜷起，不愿整只手觸及到他的身體，甚至連腳趾都緊緊繃起，所有的動作無不透露出厭惡。冥王的手指深深壓進了普洛塞爾皮娜的肌膚里，顯示出強大力量和女人體的柔軟嬌嫩，冰冷的大理石在貝尼尼手中展現(xiàn)出肉體的彈性。這個臨摹的過程要充分考慮雕塑語言的不可缺，同時也鍛煉學生在雕塑創(chuàng)作中對生活觀察的仔細程度和把握問題的能力。但在科技發(fā)展的今天，數(shù)字雕塑可以借助科學計算得到表現(xiàn)力量感的形體，涉及動力學計算、材料學計算，柔體剛體相互碰撞產(chǎn)生擠壓的形態(tài)，其得到的形狀完全符合客觀規(guī)律，具備絕對的視覺真實性。

圖1 普魯托和普洛塞爾皮娜（圖片來源：作者自攝）

雕塑家對于局部的處理會考慮整體雕塑的和諧關系。而且一些看似不同的物體卻因為動作的關聯(lián)而塑造為一個整體，這對于雕塑的整體感來說是至關重要的。傳統(tǒng)雕塑在表現(xiàn)當代生活主題創(chuàng)作中免不了要加進現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品這樣的道具，比如做一個接聽手機的雕塑。但是，雕塑的這種處理方式對于動畫來說絕對是不可能的，換句話說，動畫永遠不會追求靜態(tài)雕塑的表現(xiàn)手段。為了方便動畫的后期制作，所以在動畫中這些物體一定是分開的。既然是分開的就必然有縫隙，雕塑中對于物體間縫隙的處理是很重要的風格體現(xiàn)，但在動畫中卻完全不是問題。

動畫電影里經(jīng)常可以看到利用變形動畫達到夸張的藝術效果。這種效果的強弱變化往往表現(xiàn)在一組參數(shù)區(qū)間，而產(chǎn)生的效果是驚人的。動畫電影可以創(chuàng)造出真實世界攝影拍不出來的夸張表情。這些動畫所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢都可以為數(shù)字雕塑所用（圖2）。

圖2 人物表情（圖片來源：作者自繪）

2 數(shù)字雕塑如何借鑒動畫技術

數(shù)字雕塑借助動畫技術最直接的好處就是雕塑家可以在動畫的過程中任意挑選最佳動態(tài)構圖方案。從技術上說就是在3D動畫軟件里給角色模型做骨骼綁定，驅動骨骼完成動作。當然還有更加直接的方法，就是運用動作捕捉系統(tǒng)和面部表情捕捉系統(tǒng)，甚至建模都直接使用3D掃描儀，從而產(chǎn)生絕對令人信服的效果。這些方法很多情況下都需要很昂貴的設備支持，但是最終都要在動畫軟件中編輯完成。下面就幾個重要方面進行討論：

2.1 細節(jié)的保留方法

數(shù)字雕塑利用低精度多邊形動畫勢必要用到置換貼圖保留細節(jié)。其關鍵技術就是將雕塑表面的細節(jié)通過映射的方式，投影到低精度網(wǎng)格上，而低精度網(wǎng)格所設置的UV坐標可以將細節(jié)存儲為一張灰度圖像。這張圖像就可以將細節(jié)保留下來，以備完成動畫設定后細節(jié)還原。

UV貼圖就是能夠對應和表達UV坐標是2D的圖像。把二維的平面貼到三維多邊形表面的關鍵就是模型展UV，以便把多邊形的頂點和圖像文件上的像素對應起來，才能在多邊形表面上定位紋理貼圖。所以說多邊形的頂點除了具有三維的空間坐標外，還具有二維的UV坐標。對于紋理貼圖而言，一張貼圖的U和V坐標的數(shù)值范圍都是0到1，而不管它的實際分辨率是多少，軟件會自動把UV紋理坐標換算成貼圖的像素坐標。

UV編輯是針對多邊形的形態(tài)特點展開的解決方案，其中存在的合理性十分重要。原則就是盡量展平UV，減少伸縮，擴大重要的部位有利于細節(jié)呈現(xiàn)，減少浪費，合理布局，甚至便于在平面軟件下繪制細節(jié)。

角色塑造的時候，也就是在雕塑的姿態(tài)固定前就得將雕塑的細節(jié)完成。考慮到動畫中角色能做各種動作，所以為動畫和游戲而設計的角色應該是面面俱到的。這在步驟上不同于傳統(tǒng)雕塑，傳統(tǒng)雕塑只需要滿足能夠露出來的身體部分就可以，所以這些部分就成為了雕塑家和觀眾關注的焦點。

低精度模型的制作是動畫效果的關鍵，同時也是數(shù)字雕塑動作調整的關鍵。低精度多邊形可以為骨骼綁定而仔細設計，有利于姿態(tài)的呈現(xiàn)并在合理運動范圍內動作。主要的形態(tài)結構需要表現(xiàn)出來的低精度多邊形一定要拓撲合理。科學布線是好的動畫的基礎。剩下的細節(jié)部分，如雕塑的泥塑肌理等真實表面效果還原是需要置換貼圖來呈現(xiàn)的。

很多3D軟件都具備生成置換貼圖的能力。條件是必須要有展好UV的低精度模型和細節(jié)完成的高精度模型。這其中ZBrush軟件是比較優(yōu)秀的。其實不光是動畫，就連次世代游戲角色最需要的資源，也就是對應低模和高模，除了色彩貼圖（Diffuse Map），其余如置換貼圖（Displacement Map）、法線貼圖（Normal Map）等等都可通過ZBrush獲得。通過動作姿態(tài)的事前存儲和事后調用實現(xiàn)了數(shù)字雕塑在動勢調整前后的細節(jié)保留和恢復。

2.2 全身人物動態(tài)參數(shù)化

Maya等3D軟件都有針對動畫編輯的很成熟的骨骼編輯系統(tǒng)，還有類似CS系統(tǒng)等，能有效地配合和驅動角色模型擺拍各種姿態(tài)。一般這類專門的角色系統(tǒng)都是在骨骼系統(tǒng)的基礎上加以設定，增加IK，凍結某些關節(jié)方向，限制一些旋轉角度，比如肘部運動等。

在角色模型的綁定過程中，要想做好合理的動態(tài)效果，并在動作設定的過程中對權重進行編輯，使其更加符合角色運動規(guī)律，那么，過程中的幾個文件應該保留，以便后續(xù)修改。原始動態(tài)低精度模型，不要輕易改動UV以及和UV相關聯(lián)的幾個重要貼圖。數(shù)字雕塑的創(chuàng)作進程非線性的優(yōu)勢會得到充分地發(fā)揮，哪個階段出現(xiàn)問題就調整哪個階段。

當?shù)袼芗掖_定好姿態(tài)并固定下來以后，有必要對模型做進一步的調整。在此過程中不會修改模型的拓撲，以便數(shù)字雕塑細節(jié)的投射不會遭到破壞。細節(jié)還原到數(shù)字雕塑模型之上，也就完成了大部分的雕塑工作。動畫過程中難免有局部的不和諧，但是當大部分工作由動畫完成后，剩下的就可以運用數(shù)字雕塑方法輕松修改靜態(tài)雕塑了。這個過程至少節(jié)省了一半以上的重復工作，提高了效率，節(jié)省了時間。而且完成的工程文件今后可以重復使用，一勞永逸。

運動捕捉方法，通過給真人穿上具有傳感器的衣服，將人體的運動傳到骨骼系統(tǒng)中，從而獲得真實自然的動態(tài)，有時候這種微妙的動態(tài)是手工很難做出來的。對于面部表情也相應地誕生出利用攝像頭捕捉面部動態(tài)的方法。這些方法無疑都給數(shù)字雕塑創(chuàng)作帶來了方便，使雕塑家能夠更加專注于對雕塑本身的形式語言探索，從而大大提高創(chuàng)作效率。

2.3 動力學的運用

在動畫領域像樹木森林、煙霧水火、毛發(fā)，如果這些現(xiàn)象都得需要Key幀的話，那簡直就是難以想象的，所以動力學系統(tǒng)是制作這類動畫的不二選擇。雕塑的塑造語言不同于影像繪畫，雕塑要求實體表現(xiàn)。所以在對于毛發(fā)、色彩、玻璃、布料上都有著獨特的表現(xiàn)方法。但是在雕塑創(chuàng)作的前期階段是可以借助動力學來提高效率的，作者覺得最具明顯優(yōu)勢的就是布料。

布料在雕塑里具有重要的表現(xiàn)力，作為雕塑藝術中的活躍因素，衣紋起到展示風格、參與構圖、活躍氣氛的重要作用。傳統(tǒng)雕塑的衣紋是很有表現(xiàn)力的，但是不同于動畫中的衣紋，雕塑往往伴隨雕塑家的個人風格而有不同的呈現(xiàn)。但是，對于動畫帶來的多態(tài)性的變化，在大的衣紋動態(tài)方面確實是很有參考和借鑒價值的。在雕塑創(chuàng)作中能夠節(jié)省很多時間，提高效率。確定基本動態(tài)以后，可以將動畫變成靜幀后固定下來造型，再按照數(shù)字雕塑的方法結合雕塑家自身的風格自由塑造（圖3）。

圖3 踢足球（圖片來源：作者自繪）

多人雕塑組合，有人物之間的相互作用和涉及物件之間的碰撞關系，其視覺上必須符合人們對于生活常識的認知，不能違背基本的常識。動畫處理這類接觸場景通常要用到動力學系統(tǒng)，比如Maya的肌肉系統(tǒng)就能夠解決前文說到的貝尼尼的作品中手指抓進肌膚中表現(xiàn)力量感的問題。但是處理這類動畫問題涉及采樣精度，令人信服的效果要付出大量的計算。一般也就在動畫層面上可以接受靜幀，最后還得用數(shù)字雕塑方法塑造細節(jié)。沒有人為的干預，數(shù)字雕塑必定走入俗套。筆者不認為一個完全靠數(shù)字化的藝術品能完全地表達內心張揚的個性。所以一個數(shù)字雕塑家沒有深厚的造型基礎想要按照自己的風格創(chuàng)作是不可能的。

3 數(shù)字雕塑借鑒動畫技術的意義

對于雕塑創(chuàng)作手段可以有多種選擇。數(shù)字雕塑的蓬勃興起極大地提高了雕塑創(chuàng)作水平和生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)方式不再束縛雕塑家的思想，傳統(tǒng)雕塑家越來越多地開始思考怎樣和高科技接軌了。

數(shù)字雕塑基于數(shù)字技術，而數(shù)字技術重要特點就是在不斷學習進步，借鑒好的理念方法，融會貫通相關專業(yè)的知識技能。動畫技術發(fā)展了幾十年的時間，積累了很多寶貴的經(jīng)驗，拿來為數(shù)字雕塑所用，可以大大節(jié)省人力物力，在時間上大大提高效率。這些高質量、高速度的雕塑創(chuàng)作在城市建設上擁有廣闊的應用領域和發(fā)展前景。

注釋：

①喬凡尼·洛倫佐·貝尼尼（Gian Lorenzo Bernini，1598年12月7日—1680年11月28日），意大利雕塑家、建筑家、畫家，巴洛克藝術之父，是17世紀最偉大的藝術大師。