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)

在純?nèi)S動畫電影、真人視覺特效電影、動畫片、游戲宣傳動畫、影視廣告、虛擬現(xiàn)實(shí)等項(xiàng)目中高質(zhì)量的三維角色的制作運(yùn)用了大量的毛發(fā)特效技術(shù)，如《怪物公司》《長發(fā)公主》《納尼亞傳奇》《冰河世紀(jì)》等影片都有高質(zhì)量寫實(shí)毛發(fā)的應(yīng)用[1]。在三維動畫生產(chǎn)流程中，毛發(fā)對寫實(shí)角色形象的塑造至關(guān)重要，但由于毛發(fā)數(shù)量巨大、單根毛發(fā)又比較細(xì)小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得毛發(fā)動畫模擬及渲染非常耗費(fèi)時間，制作難度較高。目前主流的毛發(fā)制作工具有：maya自帶的nHair、Shave、FX Hair、Zbrush fibermesh、Yeti等。其中，maya自帶的nHair就是PaintEffect，每一束頭發(fā)都是獨(dú)立的，nHair控制工具較少，適合制作長發(fā)以及動力學(xué)解算。Shave適合制作動物皮毛，動力學(xué)解算應(yīng)用較為簡單。FX Hair適合做長發(fā)和動力學(xué)解算。Zbrush fibermesh則適合做毛發(fā)的造型。

Yeti是與maya協(xié)作的一款強(qiáng)大的基于節(jié)點(diǎn)的制作毛發(fā)、羽毛以及草皮纖維等的插件，是目前各大影視特效工具制作毛發(fā)類特效的首選。Yeti已被開發(fā)為一個端到端的解決工具，可以方便地集成到大多數(shù)三維制作流程中，輕松有效地傳輸和渲染生成的數(shù)據(jù)，其獨(dú)特的groom引導(dǎo)線的功能以及圖表節(jié)點(diǎn)的實(shí)時控制技術(shù)為三維藝術(shù)家提供了創(chuàng)造的自由以及更高品質(zhì)、更自然逼真的呈現(xiàn)。Yeti支持目前主流的四個高級渲染器，包括Pixars Renderman、3Delight、Chaos Groups Vray和Solid Angles Arnold。

1 三維毛發(fā)的生產(chǎn)流程

在三維軟件中制作毛發(fā)，一般首先在模型表面制作引導(dǎo)線，引導(dǎo)線的數(shù)量可以非常少，對引導(dǎo)線進(jìn)行梳理編輯，使其符合毛發(fā)的自然生長形態(tài)，然后再把引導(dǎo)線的形態(tài)屬性關(guān)聯(lián)到可渲染的毛發(fā)本身的節(jié)點(diǎn)，通過引導(dǎo)線控制可渲染的毛發(fā)的分布位置、密度、長度、曲率等屬性，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳遞到渲染引擎，在引擎中對可渲染的毛發(fā)進(jìn)行相關(guān)材質(zhì)的設(shè)置以及數(shù)量倍增化的全局處理，最終滿足符合三維藝術(shù)家對三維角色毛發(fā)設(shè)定的需求。三維毛發(fā)的生產(chǎn)流程如圖1所示。

2 使用貼圖控制毛發(fā)的生長

毛發(fā)建模首先讓毛發(fā)依附在角色的模型表面，由模型定義毛發(fā)根部的位置并提供法線方向作為毛發(fā)初始的生長方向[2]。復(fù)雜毛發(fā)往往生長在角色模型的一個局部，傳統(tǒng)的制作方法是把生成毛發(fā)的模型單獨(dú)提取出來，但這種制作方式由于模型的低細(xì)分，生成的發(fā)際線不夠平滑自然。而在Yeti中可以利用紋理貼圖，精確地控制毛發(fā)的生長范圍，甚至可以利用貼圖控制毛發(fā)的生長形態(tài)。把三維模型UV展分好，然后使用3D Paint工具在模型上直接繪制，在繪制前首先指定一張紋理貼圖，在maya軟件中白色代表1，黑色代表0，在繪制時使用Floodpaint整體給模型一個黑色，再用白色畫筆繪制毛發(fā)的生長區(qū)域，調(diào)整邊緣的虛實(shí)變化。不同明暗及虛實(shí)相交最終將控制不同疏密、長短的毛發(fā)。繪制好的貼圖仍然可以在photoshop等繪圖軟件中作進(jìn)一步的細(xì)化處理。

圖1 三維毛發(fā)的生產(chǎn)流程

3 基礎(chǔ)毛發(fā)Yeti Node節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建

maya中的每個Yeti節(jié)點(diǎn)的實(shí)例對應(yīng)一個圖形，所以創(chuàng)建圖形首先確保已經(jīng)創(chuàng)建了一個Yeti節(jié)點(diǎn)。Yeti Node節(jié)點(diǎn)就是可以渲染的毛發(fā)曲線，在輸入模型網(wǎng)格上創(chuàng)建將要變形的Yeti圖形，在Yeti工具架上創(chuàng)建Yeti節(jié)點(diǎn)，或使用pgYetiNewNode mel命令創(chuàng)建，否則將無法分配輸入對象，這里可以進(jìn)行手動添加。如果想要將輸入對象添加或刪除到Y(jié)eti節(jié)點(diǎn)，則需要打開屬性編輯器和添加對象中的圖形/輸入對象選項(xiàng)面板，該對象將顯示場景中可添加的對象列表。

選擇Yeti節(jié)點(diǎn)后，可以在任何窗口中打開Yeti圖表編輯器面板，一組毛發(fā)至少需要Import、Scatter和Grow三個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)有自己對應(yīng)的參數(shù)，圖表通過箭頭將結(jié)點(diǎn)輸入和輸出鏈接在一起，該箭頭定義了數(shù)據(jù)流如何通過圖表節(jié)點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)從一個節(jié)點(diǎn)移動到另一個節(jié)點(diǎn)時，任何節(jié)點(diǎn)的輸出口都可以連接多個節(jié)點(diǎn)輸入口，可視化參數(shù)將對Yeti節(jié)點(diǎn)起作用，進(jìn)而影響毛發(fā)的基礎(chǔ)形態(tài)。

4 引導(dǎo)線的制作

4.1 Groom節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用

盡管圖表起到了足夠的控制作用，以便在大多數(shù)情況下獲得較好的整體毛皮效果，對于寫實(shí)角色來說，需要更多的手段來控制毛發(fā)的隨機(jī)效果。如maya的nHair一樣，首先需要制作初始曲線，由初始曲線決定毛發(fā)的長短和造型[3]。Yeti通過Grooms提供所需的隨機(jī)控制，由于Grooms是一組可控制的節(jié)點(diǎn)，所以在每個節(jié)點(diǎn)上可以存儲任意數(shù)量毛發(fā)的自定義屬性。圖表可以實(shí)現(xiàn)任何數(shù)量的輸入，Groom通過屬性節(jié)點(diǎn)來控制長度、密度、方向或其他節(jié)點(diǎn)參數(shù)。

Groom引導(dǎo)線在圖表中的應(yīng)用總流程如圖2所示。創(chuàng)建一個Groom就可以在圖表中應(yīng)用這個結(jié)果。首先把Groom關(guān)聯(lián)上Yeti Node節(jié)點(diǎn)，選擇Groom節(jié)點(diǎn)，打開the Graph/Input Grooms面板中添加Groom，彈出的選擇窗口列出場景中所有可能的Groom，選擇所需的Groom和關(guān)聯(lián)上Yeti Node節(jié)點(diǎn)的Groom，然后返回圖形編輯器(選擇了Yeti節(jié)點(diǎn)，并在Yeti工具架上點(diǎn)擊GE，然后導(dǎo)入Groom，使用導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)，并在屬性欄中將其設(shè)置為Groom模式，在名稱字段中指定Groom的全部或部分名稱。Groom的主要用途是調(diào)整毛發(fā)方向，在圖表列表中選擇Comb節(jié)點(diǎn)。創(chuàng)建后要確保Grow的輸出節(jié)點(diǎn)連接到Comb節(jié)點(diǎn)的第一個輸入口，并將您的Groom Import節(jié)點(diǎn)的輸出連接到Comb節(jié)點(diǎn)的第二個輸入口。當(dāng)設(shè)置為root時Groom形態(tài)會影響到Y(jié)eti Node毛發(fā)。

如果調(diào)整Groom節(jié)點(diǎn)中的線條長度，還可以將Groom屬性連接到Grow節(jié)點(diǎn)的第二個輸入口，這樣可以讓Grow節(jié)點(diǎn)將線條的長度屬性作為乘數(shù)倍增。最后如果在Groom節(jié)點(diǎn)上繪制了密度屬性，也可以以類似的方式將Groom連接到Scatter節(jié)點(diǎn)，以控制如何生成初始點(diǎn)的密度。Groom被導(dǎo)入并在圖表中應(yīng)用，Groom的更改就將在圖形和視窗中動態(tài)地進(jìn)行實(shí)時更新。雖然圖表的密度和復(fù)雜度可能會降低交互性，但對于查看圖的最終結(jié)果非常方便。

圖2 Groom引導(dǎo)線在圖表中的應(yīng)用流程

4.2 Guide curves的應(yīng)用

Guide curves是可以利用第三方軟件生成并作為數(shù)據(jù)導(dǎo)入的任何nurbs曲線。雖然引導(dǎo)曲線的位置是任意的，但是最好將它們創(chuàng)建在盡可能靠近模型表面的位置并且保持與Yeti Node方向一致。要在Yeti Node中使用Guide curves，首先必須將Guide curves轉(zhuǎn)換為maya集，通過mel語言可以直接把曲線轉(zhuǎn)換為集。Yeti節(jié)點(diǎn)上的“輸入指令集”調(diào)板可以將新集分配給Yeti Node節(jié)點(diǎn)。在圖表中創(chuàng)建一個新的導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)，并在屬性面板中將模式更改為Guide，并為該節(jié)點(diǎn)設(shè)置新集。

Guide curves節(jié)點(diǎn)通常用于變形毛皮曲線的輸入設(shè)置，可以通過新的屬性Yeti在輸入的曲線弧度上創(chuàng)建，進(jìn)而引導(dǎo)曲線圍繞和引導(dǎo)曲線聚集。還可以通過Yeti節(jié)點(diǎn)顯示調(diào)色板中的指南切換，在maya視窗中預(yù)覽影響范圍的衰減。Guide curves只需將引導(dǎo)線的輸出或與Groom合并，連接到Scatter和Grow節(jié)點(diǎn)就可以設(shè)置生成的毛發(fā)的密度和長度。

默認(rèn)情況下Guide curves將根據(jù)其全局位置進(jìn)行采樣，它們可以被動地進(jìn)行配置和動態(tài)的使用，通過Yeti可以在任何指定集上創(chuàng)建“鎖定到表面”屬性來實(shí)現(xiàn)，即使曲線毛皮變形也可以保持與表面的初始關(guān)系。Guide curves切換的屬性將與變形表面一起移動，曲線集被添加到Y(jié)eti節(jié)點(diǎn)中，集中的每個曲線形狀將被賦予并用于控制毛發(fā)的形態(tài)屬性。

5 羽毛的制作

Yeti中的羽毛可以使用實(shí)例節(jié)點(diǎn)和自定義羽毛節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建，該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可較為便捷實(shí)現(xiàn)在所選渲染引擎內(nèi)產(chǎn)生許多羽毛。Yeti可以實(shí)現(xiàn)自定義羽毛節(jié)點(diǎn)，可以通過Yeti工具架上的CRF按鈕或Yeti菜單中的Create Feather創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)。創(chuàng)建場景起點(diǎn)處的默認(rèn)羽毛形狀，即最終渲染后羽毛的簡單視窗預(yù)覽效果。在組件模式中，選擇羽毛的頂點(diǎn)來調(diào)整羽毛的形狀，這個控制框架可以被認(rèn)為是簡單的默認(rèn)多邊形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？刂朴鹈嵌群陀鹈毫训膮?shù)可以在羽毛的屬性編輯器中設(shè)置，這些參數(shù)作為幾何形狀的特有屬性被傳遞到Y(jié)eti圖中，由程序生成可渲染的羽毛，它們與羽毛的被唯一標(biāo)識的ID一起作用，產(chǎn)生每根羽毛形態(tài)的多樣變化。Yeti在羽毛形狀中生成單個羽毛框架用于視窗預(yù)覽，在渲染時可以通過羽毛屬性編輯器中的“Barb”參數(shù)來控制單個羽毛形態(tài)的輸出，不同形態(tài)羽毛的輸出控制如圖3所示。

圖3 不同形態(tài)羽毛的輸出控制

6 毛發(fā)的細(xì)化調(diào)節(jié)與渲染

Yeti目前支持四個主流的高級渲染器：Pixars Renderman、3Delight、Chaos Groups Vray和Solid Angles Arnold。這些渲染器都自帶毛發(fā)材質(zhì)，結(jié)合Yeti Node節(jié)點(diǎn)渲染屬性，可以控制毛發(fā)最終渲染的數(shù)量，較好地定義倍增、密度、根尖顏色等屬性。

7 結(jié)語

在三維角色制作中，寫實(shí)類生物角色毛發(fā)一直是制作的一個技術(shù)難點(diǎn)，近年來主流的制作方法是采用幾何建模的方法來構(gòu)建毛發(fā)，將每根毛發(fā)顯示成一串三角片或圓錐體，并進(jìn)行反混淆以及復(fù)雜的光照計(jì)算，從而生成令人滿意的繪制效果[5]。在制作過程中首先制作數(shù)量較少的引導(dǎo)線，通過引導(dǎo)線的形態(tài)屬性控制較多數(shù)量的可渲染毛發(fā)，Yeti的Groom筆刷工具豐富，獨(dú)特的圖形節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)直觀且方便于后期編輯，圖形節(jié)點(diǎn)描述毛發(fā)在制作過程中的所有參數(shù)，尤其是參數(shù)的隨機(jī)化處理和組合，可直觀地模擬真實(shí)世界的毛發(fā)形態(tài)。配合Autodesk maya動力學(xué)引擎、渲染模塊生成皮毛、羽毛和樹葉等效果，創(chuàng)造可信真實(shí)的三維角色，且制作效率極高。