摘要：在三維角色制作過程中，傳統(tǒng)的面片毛發(fā)擺放方法因其梳理工具效率偏低且不夠直觀。通過設(shè)計優(yōu)化了寫實毛發(fā)制作的技術(shù)流程，利用貼圖烘焙，把不能直接用于影視與游戲模型的FiberMesh毛發(fā)轉(zhuǎn)化為寫實毛發(fā)貼圖、放棄復(fù)雜面片擺放效率偏低的3dsMax，轉(zhuǎn)而拓展使用ZBrush的曲線彎折變形器，更加直觀靈活梳理出復(fù)雜的發(fā)型，最終，提升了寫實角色模型毛發(fā)制作效率。為游戲角色模型、影視動畫模型毛發(fā)的設(shè)計提供了新思路。

關(guān)鍵詞：面片毛發(fā);FiberMesh;曲線彎折;寫實毛發(fā)

中圖分類號：TP317? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）07-0054-06

The Improvement Exploration of Realistic Patch Hair Making Process Based on ZBrush

ZHUANG Kai

（Guangdong Literary & Art Vocational College，Guangzhou? 511400，China）

Abstract：In the process of 3D character making，the traditional patch hair placement method is inefficient and not intuitive because of its combing tool. Through the design，the technical process of realistic hair production is optimized. By using map baking，the FiberMesh hair that cant be directly used in film and television and game models is transformed into realistic hair mapping，and the 3dsMax with low efficiency of complex patch placement is abandoned. Instead，the curve bending deformer of ZBrush is expanded to comb out complex hairstyles more intuitively and flexibly. Finally，it improves the hair production efficiency of realistic character model. It provides a new idea for the hair design of game character model and movie animation model.

Keywords：patch hair;FiberMesh;curve bending;realistic hair

收稿日期：2021-03-24

課題項目：2018年度廣東省普通高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃資助項目（2018GWQNCX070）

0? 引? 言

三維角色模型的應(yīng)用場景非常廣泛，涉及動態(tài)視覺的方方面面。動畫電影、游戲、包括近一兩年內(nèi)崛起的虛擬現(xiàn)實教學(xué)等都大量的使用了三維角色。在硬件性能指數(shù)級提升與CG技術(shù)高速發(fā)展的今天，CG可以在影視、游戲、動畫等領(lǐng)域模擬出復(fù)雜的材質(zhì)效果、宏大場景、光影變幻、夸張動作、動力學(xué)運算等效果。其中，毛發(fā)和流體可以并稱為CG制作中兩個頂級難題[1]。

目前主流的寫實毛發(fā)制作方法大致可以歸納為兩種類型。第一種毛發(fā)系統(tǒng)，通過在毛發(fā)生長區(qū)域的皮膚模型上創(chuàng)建引導(dǎo)線，并合理調(diào)整引導(dǎo)線，生成毛發(fā)。再設(shè)置毛發(fā)的碰撞、約束屬性等，最后進(jìn)行動力學(xué)解算與渲染，從而讓巨量的毛發(fā)實現(xiàn)復(fù)雜、細(xì)膩變化的方法，常用于影視模型中。優(yōu)點是效果真實細(xì)膩，缺點是渲染耗費時間非常長，實時顯示效果差。第二種是面片毛發(fā)。使用3dsMax、MAYA等軟件，按照毛發(fā)生長規(guī)律擺放面片模型，對面片毛發(fā)進(jìn)行UVW展開，并把毛發(fā)貼圖擺放在對應(yīng)的UV位置上，從而模擬真實頭發(fā)效果，常用于實時交互的游戲模型中。優(yōu)點是極大減少了渲染時間，甚至可以實時渲染，缺點是擺放面片的過程效率偏低也不夠直觀。筆者基于本?？蒲许椖?，通過高精度三維女性寫實頭像的案例中寫實毛發(fā)制作，進(jìn)行寫實面片毛發(fā)制作流程的應(yīng)用研究，嘗試用相關(guān)軟件對發(fā)型進(jìn)行更加直觀靈活梳理和操作。

1? 相關(guān)概念介紹

1.1? UVW展開貼圖

UVW展開貼圖是一種貼圖方法，它能將三維模型展開成為帶有坐標(biāo)信息的二維圖紙，在其各個位置附上貼圖，即可得到與三維模型一一對應(yīng)的三維模型貼圖[2]。通常使用三維軟件實現(xiàn)，例如：3dsMax的Unwrap UVW修改器。

1.2? 法線貼圖

使用RGB色彩模式的通道來標(biāo)記法線的方向，顯示為藍(lán)紫色的紋理貼圖，用來記載高模物體表面上的每個不同頂點的高度和光影信息。通過高、低模匹配烘焙獲得，貼在低模上，可表現(xiàn)高模物體的凹凸與細(xì)節(jié)[3]。法線貼圖可以使模型在不增加面數(shù)的情況下，最大程度還原毛發(fā)光影變化產(chǎn)生的細(xì)節(jié)，減少表現(xiàn)毛發(fā)渲染時需要的計算資源。

1.3? AO貼圖

AO貼圖也稱為環(huán)境光閉塞貼圖，是計算一個統(tǒng)一光源強(qiáng)度下，物體陰影效果的圖形技術(shù)。能實現(xiàn)全局光照陰影效果的貼圖，同時能很大程度減少計算資源。

1.4? 透明貼圖

透明貼圖也稱為遮罩貼圖，通常使用黑白兩色控制模型顯示與透明，貼圖中白色顯示模型與材質(zhì)紋理，黑色則為對應(yīng)位置模型透明顯示。能復(fù)雜顯示模型透空位置的造型，同時能減少對面數(shù)的依賴。

1.5? PBR貼圖

PBR是Physically Based Rendering的縮寫，即基于物理的渲染，是一套嘗試基于真實世界光照物理模型的渲染技術(shù)合集，一般直接通過顏色貼圖、法線貼圖、高光貼圖、AO貼圖等一系列貼圖來傳遞給Shader，模擬光線達(dá)到更真實的渲染效果?，F(xiàn)在廣泛運用在高端的游戲模型與影視動畫模型中[4]。

1.6? FiberMesh

FiberMesh是ZBrush4R2b版本的新功能，可以使用網(wǎng)格創(chuàng)建模擬真實頭發(fā)，同時配套毛發(fā)梳理筆刷，可以梳理出各種發(fā)型。消耗資源比較大，不能用于帶動畫的影視或游戲角色中。

1.7? 曲線彎折

曲線彎折是ZBrush4_R8版本中“變形器”的新功能，可控性非常強(qiáng)。通過調(diào)整控制點數(shù)量與移動控制點，可以輕松調(diào)整模型在空間中的位置與形變。

2? 面片毛發(fā)制作流程設(shè)計

為了讓寫實面片毛發(fā)制作更加直觀，同時減少模型多軟件中的互導(dǎo)，筆者多次嘗試，研究設(shè)計了本套面片毛發(fā)的制作流程，如圖1所示。首先，是創(chuàng)建面片與展開UV。第二，F(xiàn)iberMesh生成毛發(fā)：導(dǎo)入UV shell貼在方形面片上，生成的FiberMesh必須嚴(yán)格跟UV shell對位。第三，烘焙貼圖：在Marmoset toolbag中烘焙出的渲染PBR流程貼圖。第四，擺放：分析原畫的發(fā)型特征，創(chuàng)建長短不一多個面片，根據(jù)頭發(fā)生長規(guī)律，從內(nèi)到外分層擺放，增強(qiáng)頭發(fā)整體性與生動性效果。第五，導(dǎo)入引擎：將頭發(fā)模型與全套貼圖導(dǎo)入引擎，通過數(shù)值調(diào)節(jié)實現(xiàn)最終效果。筆者通過制作高精度三維女性寫實頭像的案例，闡述本流程的具體使用方法，特別是FiberMesh功能與曲線彎折功能的重組運用，拓展面片毛發(fā)類型，為CG行業(yè)毛發(fā)的實踐創(chuàng)作和理論研究提供借鑒方法。

3? 新流程案例效果

下文通過高精度三維女性寫實頭像的案例，如圖2所示，使用新流程制作寫實毛發(fā)。

3.1? 創(chuàng)建面片與UVW展開

在3dsMax中，創(chuàng)建多個長方形面片，如圖3所示，用于制作從密到疏、從長到短不同形態(tài)的頭發(fā)。再使用UVW展開修改器，將全部頭發(fā)按照發(fā)根朝下、發(fā)梢朝上的邏輯擺放，有利于毛發(fā)生成與對位。于是，面片UV的方向必須嚴(yán)格遵循一致方向，展開成有序的二維平面圖形，如圖4所示。在UVW編輯器中渲染出UV shell，導(dǎo)出為jpeg格式。

3.2? FiberMesh毛發(fā)梳理

首先，在ZBrush中創(chuàng)建一個正方形面片，作為在Marmoset toolbag烘焙貼圖的過渡載體，是本流程中不可或缺的低模。該面片創(chuàng)建便自帶UVW展開，隨后，在其上貼上3dsMax中導(dǎo)出的毛發(fā)UV shell圖片。將毛發(fā)面片模型導(dǎo)入ZBrush中與正方形面片模型嚴(yán)格對位，如圖5所示。

其次，生成FiberMesh之前，先創(chuàng)建好一個網(wǎng)格面片。為了更貼近真實毛發(fā)發(fā)根長短穿插的效果，網(wǎng)格面片需要傾斜45度左右擺放。在FiberMesh面板中點擊預(yù)覽即可看到毛發(fā)，調(diào)節(jié)毛發(fā)參數(shù)，如圖6所示，再點擊“接受”按鈕創(chuàng)建出FiberMesh，如圖7所示，使用各種毛發(fā)梳理工具讓毛發(fā)能與UV shell的范圍匹配，作為毛發(fā)高模。筆者在制作毛發(fā)貼圖時，分別制作了從內(nèi)到外，創(chuàng)建多組長度和濃密有明顯區(qū)分的FiberMesh毛發(fā)，避免角色毛發(fā)單一、死板。以供毛發(fā)擺放使用，提高毛發(fā)效果的生動性。

最后，分別導(dǎo)出正方形面片（過渡低模）、毛發(fā)面片、梳理好的FiberMesh毛發(fā)模型（高模）。

3.3? 導(dǎo)入Marmoset toolbag中貼圖烘焙法線等貼圖

毛發(fā)貼圖烘焙最重要的是獲得法線貼圖，如圖8所示、AO貼圖，如圖9所示、透明貼圖，如圖10所示，三張貼圖用于在面片模型上模擬真實頭發(fā)。

首先，創(chuàng)建烘焙：在把FiberMesh（高模）與正方形面片（低模）導(dǎo)入Marmoset toolbag，新建烘焙系統(tǒng)New Baker，將毛發(fā)的高低模型分別賦予到High（高模）和Low（低模）下面。其次，設(shè)置：Baker面板，設(shè)置烘焙路徑、貼圖名稱、貼圖分辨率、貼圖類型，調(diào)整Low面板的封套包裹數(shù)值，使毛發(fā)低模完全包裹住高模，如圖11所示。最后，烘焙貼圖：完成后，將烘焙獲得的貼圖賦予到模型上檢查是否烘焙錯誤。

3.4? 面片擺放

將上一流程中，烘焙的透明貼圖導(dǎo)入ZBrush中，并貼在毛發(fā)面片上，顯示透明貼圖效果，再根據(jù)疏密不同、長短不同將毛發(fā)分組，作為毛發(fā)素材等待后續(xù)使用。毛發(fā)的擺放是最為關(guān)鍵的一環(huán)。毛發(fā)在生長方向上的規(guī)律，長短粗細(xì)不同的毛發(fā)在身體上的分布規(guī)律，不同類型毛發(fā)的混合生長規(guī)律，以及毛發(fā)從根部到梢部的顏色變化規(guī)律等[5]。符合頭發(fā)生長規(guī)律且符合制作規(guī)范的毛發(fā)擺放可以為角色最終視覺效果增添生動性，例如在發(fā)型邊緣擺放細(xì)小發(fā)絲，更好地增加發(fā)絲錯落感，還原頭發(fā)的生動感。

使用ZBrush的Gizmo 3D變形器面片擺放寫實面片毛發(fā)是一種值得研究的方法。下面通過曲線彎折修改器，擺放面片。首先，切換到Gizmo 3D，如圖12所示。第二，在Gizmo 3D的頂部，單擊小齒輪“自定義”圖標(biāo)。在彈出的菜單中選擇曲線彎折變形器，如圖13所示。第三，通過圓錐控制，調(diào)整變形器操作的軸向，分辨率等數(shù)據(jù)。第四，根據(jù)頭發(fā)生長規(guī)律擺放多組毛發(fā)，如圖14所示。第五，完成面片毛發(fā)擺放后，點擊小齒輪按鈕返回“自定義”菜單，單擊“接受”完成毛發(fā)擺放。最后，將毛發(fā)面片全部合并為一個子工具導(dǎo)出，此處注意合并時，毛發(fā)面片UV的保留。毛發(fā)最終效果優(yōu)劣取決于面片的密度、走向、細(xì)節(jié)發(fā)絲與面片擺放是否符合毛發(fā)生長規(guī)律。

3.5? 導(dǎo)入Marmoset toolbag實時渲染

將頭發(fā)面片模型與頭部模型一起導(dǎo)入Marmoset toolbag中，在界面右側(cè)的材質(zhì)欄里對應(yīng)的通道中貼上法線貼圖、AO貼圖、透明貼圖等，如圖15所示。架設(shè)燈光，將燈光設(shè)置為泛光燈，并設(shè)置光源的體積，再調(diào)整強(qiáng)度、距離、衰減等參數(shù)。根據(jù)三點布光的調(diào)整好燈光角度、光源色溫，即可實時渲染出寫實毛發(fā)的最終效果，如圖16所示。

4? 結(jié)? 論

該文基于ZBrush面片毛發(fā)制作，設(shè)計出一套新的寫實毛發(fā)制作流程。并通過高精度三維女性寫實頭像較為詳細(xì)的制作案例，將Fibermesh毛發(fā)寫實特點與方便梳理的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為可以試試渲染的面片毛發(fā)，探索曲線彎折在毛發(fā)面片擺放的可行性，讓面片擺放能更加直觀與流暢，總結(jié)出符合CG模型的毛發(fā)制作流程。新流程的不斷試探，是藝術(shù)創(chuàng)作永恒發(fā)展方式。該流程制作效率高、操作性強(qiáng)、在虛擬現(xiàn)實、高精度游戲模型、影視動畫等領(lǐng)域有著廣泛使用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許樂，孟子凡.電影中的CG毛發(fā)技術(shù)進(jìn)步史 [J].北京電影學(xué)院學(xué)報，2018（4）：155-163.

[2] 祁甲民，馮蘭芳，陳艷雷，等.逆向工程中三維建模模型紋理貼圖方法探究 [J].制造業(yè)自動化，2018，40（5）：112-114+128.

[3] 于越.當(dāng)代游戲人物角色設(shè)計要素及其技術(shù)表現(xiàn)研究 [D].大連：遼寧師范大學(xué)，2020.

[4] 新生命.PBR的實現(xiàn) [EB/OL].（2019-04-20）.https：//zhuanlan.zhihu.com/p/63125974.

[5] 孫立軍.用一份堅持來傳承中國人自己的文化——中國首部3D動畫電影《兔俠傳奇》之背后故事 [J].北京電影學(xué)院學(xué)報，2012（1）：67-71.

作者簡介：莊鍇（1984—），男，漢族，廣東潮州人，游戲設(shè)計專業(yè)教研室主任講師，美術(shù)學(xué)學(xué)士，研究方向：游戲美術(shù)設(shè)計。