李 曙 光

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

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ZBrush數(shù)字雕刻中的硬表面建模技術(shù)

李 曙 光

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

摘要：在傳統(tǒng)的數(shù)字雕刻軟件中，要實現(xiàn)硬表面的效果比較困難。本文討論了三維軟件ZBrush 中三種主要的硬表面建模實現(xiàn)技術(shù):創(chuàng)建基礎(chǔ)網(wǎng)格模型、Clip硬表面切割筆刷、硬表面雕刻筆刷。運用這三種技術(shù)可高效地制作硬表面類的模型，與Mask蒙板結(jié)合使用，可直觀的創(chuàng)建硬表面的模型，并對模型自由地進行細節(jié)雕刻。

關(guān)鍵詞：ZBrush軟件;數(shù)字雕刻;硬表面;Clip筆刷

ZBrush 是一個數(shù)字雕刻和繪畫軟件，它以強大的功能和貼合藝術(shù)家的工作流程徹底改變了整個三維建模行業(yè)。ZBrush 為當代數(shù)字藝術(shù)家提供了世界上最先進的生產(chǎn)工具。近年來，ZBrush成為很多知名的國際動畫、游戲及影視特效公司工作流程中必備的工具。

1數(shù)字雕刻中硬表面雕刻技術(shù)

在三維電影或次時代游戲中大量使用了ZBrush雕刻的模型[1]，例如《貝奧武夫》、《加勒比海盜》、《黑夜傳說》、《潘神的迷宮》、《我是傳奇》、《阿凡達》等作品，在這些動畫和游戲中，需要制作大量的如角色道具、場景等硬表面模型，傳統(tǒng)的建模方式主要使用多邊形建模，然后通過法線貼圖制作軟件制作細節(jié)，需要多個軟件協(xié)同配合制作，工作效率低下，且不符合藝術(shù)家的創(chuàng)作流程和習慣，而ZBrush直觀一體化的建模方式，被認為是CG行業(yè)建模的未來，通過3D空間繪畫的全新設(shè)計理念，交互式的建模方法快速建立基本形，在多解析度的網(wǎng)格編輯體系中，使用豐富的雕刻筆刷結(jié)合Alpha形狀，采用模擬繪畫的方式，選擇多種筆畫筆刷對模型進行雕刻，可輕易實現(xiàn)模型的細節(jié)刻畫，如果結(jié)合壓感筆的數(shù)位板，通過豐富的參數(shù)設(shè)置，更能感受到細膩的筆觸，就像畫家用畫筆繪畫一樣自由發(fā)揮，完美表現(xiàn)創(chuàng)意。

2基礎(chǔ)網(wǎng)格模型的建立方法

在ZBrush數(shù)字雕刻軟件中有多種基礎(chǔ)網(wǎng)格模型創(chuàng)建的方式：Zsphere方式搭建模型、Zsketch方式堆積建立、Poly模型、灰度Alpha蒙版轉(zhuǎn)模型方式、Remesh方式重建模型生成、Mesh Extract多邊形擠壓方式產(chǎn)生以及參數(shù)化物體直接創(chuàng)建，使用ShadowBox投影箱自由繪制模型等。

2.1　導(dǎo)入Polygon的模型

使用ZBrush可以從其他三維軟件中導(dǎo)入3D模型，導(dǎo)入的格式可以是OBJ、MA或FLE格式?；蛘咭部梢允褂肎oZ快捷導(dǎo)入或?qū)С鋈S網(wǎng)格模型到其它的三維制作軟件，但由于其它三維制作軟件對于模型面數(shù)的限制，GoZ一般是面數(shù)較低的模型。

表1　幾種建立基礎(chǔ)模型方法比較

2.2　參數(shù)化模型

ZBrush內(nèi)置幾種簡單的基本形，結(jié)合基本形的參數(shù)菜單，可以創(chuàng)建出不同的形狀模型。也可以通過ZTool上的變換面板對基本形進行編輯。參數(shù)化對象是不能直接雕刻的。需要點擊PolyMesh3D按鈕，轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形才可以雕刻，但轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，會丟失掉所有參數(shù)化的信息?？删庉嫸噙呅蔚耐負浣Y(jié)構(gòu)，可以在自適應(yīng)皮膚中修改，生成允許您創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化的模型。它采用先進的算法，自適應(yīng)皮膚的功能，創(chuàng)建多邊形新的拓撲結(jié)構(gòu)。圖1為參數(shù)化制作的模型。

2.3　ZSpheres創(chuàng)建模型

要使用ZSpheres的功能，首先選擇ZSphere工具，切換到繪圖編輯模式，在畫布繪制上ZSphere的根球體(Root)，在Draw模式下，可以以根球體為基準，不斷創(chuàng)建新的ZSphere鏈結(jié)構(gòu)。在任何時候，切換到移動、旋轉(zhuǎn)或縮放模式下，可以編輯任何已經(jīng)繪制的ZSpheres鏈上各個Z球的大小、位置和方向，從而整體調(diào)整ZSpheres的形態(tài)。在使用ZSpheres創(chuàng)建對稱模型時，可以開啟Transform菜單下的Activate Symmetry激活對稱選項，這樣可以一次性得到對稱軸兩邊完全一致的模型?？梢酝瑫r按下鍵盤上的A鍵生成自適應(yīng)皮膚的ZSphere骨架的預(yù)覽網(wǎng)格效果。再次按A鈕開啟預(yù)覽關(guān)閉，這樣你可以繼續(xù)添加或改變ZSpheres。完成后，單擊Tool面板下Adaptive Skin下的生成自適應(yīng)蒙皮的按鈕，得到由Z球模型轉(zhuǎn)化得到的標準化3D網(wǎng)格模型。

2.4　ZSketch創(chuàng)建模型

ZSketch是ZSpheres的變種，可以自由地使用ZSphere的鏈球創(chuàng)建模型的骨架，然后再通過ZSpheres附著在骨架上添加粘土塑造大形。ZSketch用飽滿的粘土構(gòu)建和控制模型的整體，使用ZSketch甚至可以繪制懸空的線條，如動物的須角，或者你可以添加一個子工具到ZSphere來勾畫出你的模型，然后可以使用Unifed自適應(yīng)蒙皮將其轉(zhuǎn)換為可編輯的基礎(chǔ)網(wǎng)格。 圖2為ZSketch制作的模型。

2.5　Shadow Box創(chuàng)建模型

ShadowBox投影箱是基于Volume Pixol立體像素技術(shù)和Remesh功能實現(xiàn)模型的創(chuàng)建，通過依據(jù)三視圖(前視圖、側(cè)視圖和底視圖)的Mask蒙版方式進行投影操作，按住鍵盤上的Ctrl鍵，即可通過鼠標左鍵或使用手繪板直接繪制Mask蒙版，直觀動態(tài)的生成模型，因些Mask蒙版相關(guān)筆刷在ShadowBox投影箱中使用十分頻繁。無論是有機還是機械硬表面，這是快速粗加工出基礎(chǔ)網(wǎng)格的完美解決方案[2]。圖3是使用Shadow Box創(chuàng)建的獅頭怪獸盾牌基礎(chǔ)模型。用ShadowBox創(chuàng)建模型的過程如圖4所示。

基于三個視圖的Mask蒙版形式生成的模型，只能算是一個基礎(chǔ)模型，它的目標不是為了制作一個精細的模型，這一點與Zsphere方式創(chuàng)建模型、Zsketch方式堆積建立模型有很大的相似性，只是Zbrush提供了快速造型的一種方式，為精細的模型雕刻提供相對適當?shù)腂ase Mode基礎(chǔ)模型。ShadowBox投影箱默認128或256Res精度就足夠了，也正是因為如此，在利用這些方式生成模型時，最好不要生成面數(shù)巨大、精度太高的模型，以便給以后的雕刻留有適當?shù)募毣嗟豙3]。

3硬表面切割筆刷比較

硬表面切割筆刷不改變模型的拓撲結(jié)構(gòu)，他們只推移模型上的網(wǎng)格以適合于編輯的模型形狀。硬表面切割筆刷使用開放式和封閉式的曲線。硬表面切割筆刷是有方向性的，當出現(xiàn)有陰影一邊就是被切掉的一邊。如果創(chuàng)建了相反的方向，只需按下Alt鍵，可以反轉(zhuǎn)切割方向。單擊Alt鍵一次，硬表面切割筆刷創(chuàng)建的曲線可以改變方向，雙擊Alt鍵，硬表面切割筆刷創(chuàng)建的曲線處會出現(xiàn)相當尖銳的角。在做切割操作前，如果你想保護一個局部區(qū)域，可在此區(qū)域畫一個Mask。如在獅頭怪獸盾牌的大形塑造中，通過Clip Curve曲線切割筆刷對外輪廓進行塑造，可快速得到怪獸盾牌人大致外形，在此塑造階段，不要太早進行細節(jié)的表現(xiàn)，要注意整體拓撲結(jié)構(gòu)合理的分布，如圖5、圖6所示。

3.1　Clip切割筆刷類型

Clip筆刷有4種，分別是Clip Circle圓形切割筆刷、Clip Circle Center中心圓形切割筆刷、Clip Rectangle矩形切割筆刷和Clip Curve曲線切割筆刷。實際上，Clip筆刷主要是Stroke選項上的改變。

Clip Circle圓形切割筆刷可以以橢圓方式進行模型切割，默認情況是圓切環(huán)線以外的部分全部被切除，按下Alt鍵效果則相反，會去除環(huán)切線內(nèi)的模型部分。Clip Circle Center中心圓形切割筆刷基本作用和Clip Circle圓形切割筆刷一樣，唯一不同的是增加了Stroke調(diào)板中的Square正方和Center中心選項。其中Square正方選項作用是切割時以正圓或者正方方式產(chǎn)生切割環(huán)線，Center中心選項作用為以鼠標單擊的作用點為圓心，向外繪制，此兩項只有在圓切筆刷和矩切筆刷時才被激活。Clip Rectangle矩形切割筆刷使用矩形環(huán)線作為剪切外形，默認情況和Clip Circle圓切筆刷非常相似，它以矩形方式進行模型切割，如果模型本身有開孔結(jié)構(gòu)，可以使用矩切筆刷修整開孔邊緣至方孔。Clip Curve曲線切割筆刷以曲線方式進行切割作用，出現(xiàn)陰影的方向?qū)⒈磺谐?，按下Alt鍵可以反轉(zhuǎn)切割方向，雙擊Alt鍵進行Conner直角方式切除。Clip Circle圓形切割筆刷和Clip Rectangle矩形切割筆刷在Stroke筆劃中選擇Circle圓形和Rectangle矩形方式時，都能開啟Square正方和Center中心選項特性。在使用Alt鍵改變曲線形狀時，曲線的陰影必須在曲線的同側(cè)。如曲線陰影在曲線兩側(cè)則切割時會出現(xiàn)錯誤，比如字母“S”。

3.2　Clip切割筆刷中的Stroke筆劃

Stroke筆劃在ZBrush中有多種方式，對于Clip切割筆刷而言，需要配合按下Ctrl+Shift鍵，主要有以下幾種，Circle圓環(huán)方式：默認狀態(tài)下筆劃能繪制橢圓環(huán)，可以通過Square方形產(chǎn)生正圓；Rectang矩形方式：默認以矩形為繪制筆劃方式，可以通過Square方形產(chǎn)生正方；Curve曲線方式：默認情況下創(chuàng)建直線，并且一側(cè)有陰影效果，該側(cè)將被施加作用，因為此方式有明顯的方向感，所以最好不要進行“S”形或者“O”形曲線切割，避免陰影方向反轉(zhuǎn)兩次帶來不可預(yù)計的結(jié)果；Lasso索套方式：默認產(chǎn)生封閉曲線方式，選擇其他類型筆刷同樣用該方式。

3.3　Clip切割筆刷的特性

在使用Clip切割筆刷時，能看見拖動的切割選取中心有一個十字叉標記，這個十字叉如果在模型輪廓之外，筆刷將執(zhí)行切除的效果；如果十字叉在模型輪廓里面，模型會出現(xiàn)切平填充的效果。

在按下Ctrl+Shift鍵切換切割筆刷時，按下Space空格鍵可彈出Clip Brush Modifiers切割筆刷變動設(shè)置面板，按住Ctrl和Shift鍵時不要進行左鍵拖曳，否則再按空格鍵是實現(xiàn)移動切割選取的效果。BRadius筆刷半徑：激活可根據(jù)筆刷的大小和距離攝像機的距離對多邊形進行剪切操作，不會進行切平填充效果。激活此按鈕Poly Group多邊形組，在進行剪切模型時可根據(jù)圓形或方形筆劃創(chuàng)建新的多邊形組。

4硬表面塑形筆刷比較

得到Shadow Box投影功能或其他方法生成的基礎(chǔ)模型之后，在使用Clip切割筆刷對大形進行制作后，還需要和多種塑形筆刷結(jié)合使用來制作硬質(zhì)邊緣和表面，主要包括：Planar平整類型筆刷、Trim修剪類型筆刷和Polish拋光類型筆刷。在硬表面制作過程中，Stroke筆劃的控制也是非常重要的，尤其是Lazy Mouse延遲鼠標和Backtrack來回軌跡功能等。在獅頭怪獸的雕刻中，通過Planar平整類型筆刷對輪廓邊緣進行平整處理，對雕刻的表面使用Polish拋光類型筆刷，通過硬表面塑形筆刷交替使用，才獲得模型挺括、堅硬的質(zhì)感表面。如圖7為使用硬表面塑形筆刷表面光滑和硬邊處理之后的獅頭怪收獸盾牌圖形。

根據(jù)基本硬表面塑形筆刷，針對一些筆刷設(shè)置參數(shù)，衍生出多種擴展的硬表面塑形筆刷，硬表面基本塑形筆刷主要有以下幾種。

4.1　Trim修剪筆刷

Trim修剪筆刷能在保持一定模型表面曲率的情況下，逐步削平模型的表面起伏，所以作用效果相對緩和，如同F(xiàn)orm(塑形)筆刷效果介于Standard標準筆刷和Clay黏土筆刷之間一樣，適合作為一種常規(guī)的筆刷進行模型調(diào)整。細分筆刷還包括Trim adaptive自適應(yīng)修剪筆刷、Trim dynamic 動態(tài)修剪筆刷、Trim hole修剪洞筆刷、Trim normal法線修剪筆刷和Trim smooth border邊界光滑修剪筆刷等。

4.2　Polish拋光筆刷

Polish拋光筆刷和Trim修剪筆刷效果有些相似。不同的是它的效果更接近拋光打磨平滑所產(chǎn)生的堅硬感覺，并且可以隨著不斷的施加，產(chǎn)生平滑凹陷的結(jié)果。細分筆刷還包括Soft Polish輕度拋光、Medium Polish中度拋光、Hard Polish強烈拋光等。

4.3　Flatten切平筆刷

Flatten切平筆刷能夠切平模型表面起伏，類似切土豆的感覺。相比Trim修剪筆刷和Polish拋光筆刷平整表面的效果而言，F(xiàn)latten切平筆刷更加純粹，更加明顯一些。所以相應(yīng)的細分筆刷非常少，像這類沒有什么特點的筆刷，使用的頻率往往很高。

4.4　Planar平整筆刷

Planar平整筆刷是作用效果比較強烈的類型，它能以筆刷著力的第一點作為施力基準，將筆刷作用的區(qū)域參照第一點進行強制平整處理，如果第一點是高點，則不會有什么效果，能創(chuàng)造出非常體塊化的剛體表面。平整筆刷細分有Planar Cut平整切割筆刷、Planar Spline樣條線平整筆刷，Planar Path路徑平整筆刷、Planar Line線性平整筆刷、Planar Flatten平面平整筆刷等。

基本硬表面塑形筆刷4種類型的筆刷的作用效果有相似之處，都是能使模型的表面起伏得到不同程度、不同方式的平整和切削，產(chǎn)生非常堅硬的體塊感，具體如表2所示。所以在使用ZBrush制作機械結(jié)構(gòu)、鋼鐵部件、工業(yè)產(chǎn)品等硬表面物體時，基本硬表面塑形筆刷的使用頻率非常高[4]。

表2　基本硬表面塑形筆刷比較

5硬表面細節(jié)雕刻的技法

5.1　使用Stroke制作細節(jié)

在硬表面細節(jié)不太突出，如制作鉚釘、螺釘?shù)燃毠?jié)時，可使用Standard筆刷和DragDot筆劃，選擇圓形的Alpha作為筆觸，調(diào)節(jié)合適的筆刷大小，在模型表面按下鼠標左鍵不松開，拖曳到合適位置釋放，創(chuàng)建半圓形的鉚釘結(jié)構(gòu)。

5.2　使用SubTool子工具制作細節(jié)

在硬表面細節(jié)較突出的時候，可在SubTool調(diào)板下，按下Insert插入按鈕，添加ZBrush中內(nèi)置的基本形模型或已經(jīng)另外制作好的模型作為子工具，也可以使用Append附加，不過它會將添加的物體放置在整個SubTool的最底層。

5.3　使用ZApplink功能

在制作硬表面細節(jié)較為復(fù)雜的時候，可借助于其他二維圖形軟件進行精確的定位和繪制，ZApplink能完成模型在紋理繪制過程中的文檔截圖與外部圖形軟件的即時切換，通過外部圖形軟件的平面圖形修飾功能，將硬表面模型表面細節(jié)進行更加精準的繪制，之后再重新將繪制的像素信息轉(zhuǎn)回到ZBrush的模型表面，生成一個可供編輯的Mask，由此生成一個硬表面模型的細節(jié)，這對于制作細節(jié)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、深度層次較簡單的物體比較方便，具體流程如圖8所示。

6結(jié)論

ZBrush依靠大量的多邊形堆積作為雕刻細節(jié)的基礎(chǔ)，這是ZBrush進行造型的特點，通過Retopology拓撲技術(shù)將硬質(zhì)模型的布線重新提取，依靠Project投射或者Normal法線貼圖還原硬表面模型的表面細節(jié)，既可大大減少模型的多邊形數(shù)量，也能很好的保留原模型的豐富細節(jié)。相較于目前計算機三維軟件常用的多邊形建模技術(shù)，數(shù)字雕刻軟件ZBrush的硬表面雕刻技術(shù)更直觀，完全與繪畫使用一樣的制作流程，數(shù)字藝術(shù)家容易理解與使用，通過幾種不同切割筆刷的合理使用，不但可以自由直觀的塑造大形，而且結(jié)合幾種常用的硬表面塑形筆刷，可以直接雕刻硬表面的細節(jié)紋理，就可使傳統(tǒng)手繪藝術(shù)、數(shù)字雕刻藝術(shù)兩者更緊密聯(lián)系起來。它帶給數(shù)字藝術(shù)家們?nèi)碌膭?chuàng)作體驗和思路，提高了復(fù)雜硬表面模型的制作效率[5]。

參考文獻:

[1] 王愷．ZBrush雕刻大師火星課堂[M]. 第1版. 北京:人民郵電出版社，2011(5):6-10．

[2] 劉寒．ZBrush數(shù)字雕刻精解[M]. 第1版. 北京:人民郵電出版社，2012(8): 59-64．

[3] 史策．ZBrush高精模型與靜幀藝術(shù)渲染精粹[M]. 第1版.北京:清華大學(xué)出版社，2011(7):78-79．

[4] 鄧威．ZBrush雕塑藝術(shù)完美呈現(xiàn)[M]. 第1版. 北京: 機械工業(yè)出版社， 2014(4):105-110．

[5] 黃永生．ZBrush藝術(shù)家及其圖形呈現(xiàn)[J]．華僑大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版),2006(6):113-119．

Digital Sculpting in ZBrush Hard Surface Modeling Techniques

LI Shu-guang

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

Abstract:In the conventional digital engraving software, it is difficult to achieve the effect of hard surface. In this paper we discussed the three main hard surface technologies in ZBrush 3D software, such as Shadow Box, Clip hard surface cutting carved brush and hard surface. Using these three technologies we can efficiently produce hard surface class model, combined with the Mask, intuitively create the hard surface model, and freely carve the detail of the model.

Key words:ZBrush software, digital sculpture, hard surface, Clip brush

中圖分類號：TP31

文獻標識碼：A

文章編號：1007-4260(2015)01-0059-05

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.017

作者簡介：李曙光，男，江蘇濱海人，碩士，安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院講師，研究方向為藝術(shù)設(shè)計、三維設(shè)計。

收稿日期：2014-10-26