数字雕刻在三维模型制作中的运用

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本文作者：陈星霖 单位：淮阴师范学院美术学院

三维数字技术的发展，使得越来越多的三维数字影像作品走进了人们的生活。无论在动画、游戏还是一些影视作品中，那些生动逼真的数字影像给我们带来的是视觉上的震撼和无穷的想象。画面的逼真度，在一定程度上代表了三维影像发展的特点和方向。如早期的科幻影视作品《星球大战》，当时的三维数字技术还不成熟，为了达到逼真写实的场景效果，工作人员制作了许多场景的实物模型进行拍摄，虽然在一定程度上模拟了一种逼真光影效果的幻想空间，但是现在看来，场景模型的细致程度和自然光影的应用效果还是没有达到一种真实的状态。

在如今的科幻电影中，三维技术的成熟使之产生了革命性的蜕变。在《变形金刚》、《阿凡达》等一系列科幻电影中，已经达到了幻想与现实的完美结合。在我们生活的真实环境中，不难发现，物体的造型和光影的照射决定了画面真实的程度，而所有真实的画面都是基于自然环境下的物体的表现。那么三维影像的发展，简单的说就是模拟自然的一种发展过程。三维影像的制作，虽然是基于计算机数字技术的应用，但是在画面的表现上还是根据真实自然状态下的规律，就是利用物体的造型和光影。

三维影像技术发展至今，围绕着决定画面真实性的造型和光影两个因素，已有了很大的突破。极负盛名的Vray和Mentalray渲染器，就是关于自然真实光影效果的解决方案。对于物体的造型制作来说，有曲面建模、多边形建模和细分建模等一些建模方式，来针对不同的物体造型进行制作。对于一个真实的影像画面，不仅要有一个自然真实的光影体系，更重要的是具有真实可信的物体造型。只有物体造型准确细致，才能更好地展现光影带给它的真实性和厚重感，也才能创造出更可信的画面。

数字雕刻是近几年发展起来的关于制作超写实三维模型的一项技术，最具代表的就是Zbrush和Mudbox两款雕刻软件。这项技术的诞生，让超写实三维模型的制作不再是一项庞大的工作。其带给我们的最直观的表现就是在科幻电影中呈现的超写实的数字场景和角色，还有在次时代游戏中的真实画面。这项技术的原理非常简单，就是利用现实中雕刻的方式去制作数字化的场景和角色，省去了传统模型制作中大量顶点的编辑工作，从而让模型的制作在时效和质量上达到了一个契合点，在高效率的前提下大大提高了作品的质量。下面笔者将以写实大象模型的制作过程，来介绍一下数字雕刻技术在写实模型制作中的应用。

一、了解物体的结构

在模型制作之初，我们都要先去了解物体的结构，特别是生物模型。对于物体造型和结构的了解，可以让我们在后续的制作工作中更好地把握物体造型和结构的准确性，这也是保证模型最终是否真实的一个决定性因素。我们可以根据真实的图片或者一些解剖图，来观察和记录大象的骨骼肌肉结构，做到心中有数，并且在后续的制作环节中要不断地进行比对和观察（如下图）。

二、构建物体的框架

在进行过对大象结构的了解后，下面就可以进行第一阶段的制作工作了。在模型的制作起初，先要来制作模型结构的大体框架，方式是很多的。目前业内较流行的制作方式大体有三种：第一是在传统的三维软件中进行第一阶段的大型制作，然后导入到雕刻软件中进行细节加工；第二是直接在雕刻软件中利用基础物体进行雕刻，直至制作完成；第三是直接在雕刻软件中利用四足动物的基础模型进行雕刻到最后制作完成。对于以上三种方法，主要还是根据个人的制作习惯和对造型的把握能力的高低来选择。第一种方法的好处是可以按照物体的结构进行精确的布线，为后期的雕刻奠定良好的基础，还可以比较快速精确地把握物体的大体结构。后两种方法的好处是制作环节简单，但是对于造型能力的把握要求较高，不利于模型布线，对以后需要动画的物体模型还要进行重建拓扑的工作。本例将使用第一种方法，这样可以更好地体会布线对后期模型细节的雕刻所起的作用。首先使用三维制作软件进行大体的造型制作。这里用到的是Maya软件。对比之前观察的样图，来制作大体造型，注意各个结构之间的比例（如下图）。这里用到的是多边形建模，其好处在于能够灵活快速地把握物体的形体，并能为物体的结构建立自由的线框分布。的文件格式，这个格式是三维制作软件的通用格式，为导入到雕刻软件做准备。

三、深化物体的结构

在物体基础造型完成后，就要在雕刻软件中进行深入加工了。把存为obj格式的物体模型文件导入到雕刻软件中，这里用到的雕刻软件为Zbrush（如下图）。在制作物体大体结构造型的时候，要注意布线，尽量按照布线均匀的原则来制作。均匀的布线可以为后面的雕刻工作奠定便利的基础。因为在雕刻软件中，模型的雕刻实质上也是基于顶点移动的原理。那么在光滑增加顶点雕刻细节的时候，就能够得到平均统一的顶点数量，以此达到一致的细节表现。在大体形态结构的制作中，要做到结构明确、布线合理均匀、比例准确。制作完成的基础造型（如下图），选择物体后输出文件后缀名为obj在导入到Zbrush后，可以看到物体呈现为类似于红泥颜色的模型效果。在这里，我们可以看到模型表面的面片数量和Maya中的一样，还处于数量极少的模型状态。在此基础上，雕刻的第一步是继续调整模型的形态和大体结构。在Zbrush中，利用“移动笔刷”（如下图），这可以非常快捷地对物体的形态进行调整。大体形态调整完成确定后，下面就是对物体的结构进行深入的雕刻。在雕刻之前，要对物体模型进行细分的操作，就是增加物体表面的顶点数量，模型细分级别增加到三级（如下图）。顶点数量越多，代表着对细节的雕刻能够越深入。但是对于顶点数量的增加，还是根据制作的进度来增加的，不能在模型最初的阶段把顶点数增加到最后细节表现的数量上，这样会为造型结构的把握造成困难。基础工作准备完毕后，就可以进行结构的深入雕刻了。在雕刻工具使用中，运用默认的常用雕刻笔刷就足够了。在这个阶段的雕刻中，要多观察实物样片中大象的肌肉结构和面部骨骼结构，准确把握骨骼肌肉分布情况，这些都是达到最终写实模型的基础（如下图）。

四、细节表现

观察并确定第二阶段的模型结构形态的雕刻工作准确无误后，接下来的工作就是进入到雕刻中最为精彩的部分了——细节的表现。在此例中，大象的结构造型制作完成后，骨骼肌肉的表达已赋予了模型在力量上的表现力，但是与写实还有一定的距离，这就表现在大象皮肤的质感上。观察样片知道，大象的皮肤是一种非常粗糙并具有类似菱形状的纹理构造，那么在细节的雕刻和绘制中就要去模拟这么一种皮肤质感。在细节绘制之前，要确定模型有着足够的细分级别。对于皮肤细小的细节处理，模型的细分级别最少要提高到六级。

在Zbrush中，对生物皮肤的雕刻处理，一般会采用Alpha纹理笔刷的方式，为模型进行皮肤的细节处理。在Alpha纹理中，可以查找与生物皮肤纹理类似的纹理图像（如下图），以此来进行雕刻处理，甚至可以把与之相同的皮肤纹理图像贴到模型的表面，大大提高了制作的效率。在表现细节雕刻的制作中，要保持十分的耐心和信心。把握住实物样片中所传达出的细节特征，在不断地对比和参考中进行雕刻制作，相信要达到最后的成功也只是时间的问题了（以下是最终的模型完成图）。

数字雕刻技术的应用，让数字化超写实作品不再是遥不可及的。当然，对于这种高精度的模型，我们可以在此基础上刻画很多以往模型中达不到的细节，但是对动画来说，顶点数量的过高无疑是模型动画过重的负担。如何做到平衡，如今已经有了比较成熟的解决方案。比如大家熟悉的次时代游戏，从中可以看到三维场景和角色都有非常细致的模型表现，但是在游戏中又不会感觉到由于大量的顶点计算而产生的画面拖延或停顿的现象。因为在制作中，制作者利用高精度模型可以制作法线贴图和AO贴图等，然后把制作出来的这些高精度贴图贴到低精度的模型上去，以低顶点的数量而达到高精度的效果。当然这种模拟的结果不可能和高精度模型的表现一模一样，但已经是相当接近可观的效果了。

不难发现，雕刻软件的原理和使用方法，基本与现实雕刻的一种状态相同。其实在如今数字影像技术的发展中，大多数的软件应用都朝着模拟现实状态下自然真实的一种制作方式发展，比如大家熟知的数字绘画软件Painter，就是模拟各种真实自然笔刷的一个绘画软件。所以软件技术的发展让我们感觉其更像是我们在现实绘画等艺术创作中使用的工具。对于制作一个写实性的三维模型作品，其所表现出的艺术感染力是基于创作者对艺术的理解和造型能力等。所以对制作工具的选择和使用并不是最主要的，在创作学习中不断提高对真实物体的塑造和表达能力，应该是最重要的。