李 曙 光

(安徽电子信息职业技术学院 软件学院，安徽 蚌埠 233030)



ZBrush数字雕刻中的硬表面建模技术

李 曙 光

(安徽电子信息职业技术学院 软件学院，安徽 蚌埠 233030)

摘要：在传统的数字雕刻软件中，要实现硬表面的效果比较困难。本文讨论了三维软件ZBrush 中三种主要的硬表面建模实现技术:创建基础网格模型、Clip硬表面切割笔刷、硬表面雕刻笔刷。运用这三种技术可高效地制作硬表面类的模型，与Mask蒙板结合使用，可直观的创建硬表面的模型，并对模型自由地进行细节雕刻。

关键词：ZBrush软件;数字雕刻;硬表面;Clip笔刷

ZBrush 是一个数字雕刻和绘画软件，它以强大的功能和贴合艺术家的工作流程彻底改变了整个三维建模行业。ZBrush 为当代数字艺术家提供了世界上最先进的生产工具。近年来，ZBrush成为很多知名的国际动画、游戏及影视特效公司工作流程中必备的工具。

1数字雕刻中硬表面雕刻技术

在三维电影或次时代游戏中大量使用了ZBrush雕刻的模型[1]，例如《贝奥武夫》、《加勒比海盗》、《黑夜传说》、《潘神的迷宫》、《我是传奇》、《阿凡达》等作品，在这些动画和游戏中，需要制作大量的如角色道具、场景等硬表面模型，传统的建模方式主要使用多边形建模，然后通过法线贴图制作软件制作细节，需要多个软件协同配合制作，工作效率低下，且不符合艺术家的创作流程和习惯，而ZBrush直观一体化的建模方式，被认为是CG行业建模的未来，通过3D空间绘画的全新设计理念，交互式的建模方法快速建立基本形，在多解析度的网格编辑体系中，使用丰富的雕刻笔刷结合Alpha形状，采用模拟绘画的方式，选择多种笔画笔刷对模型进行雕刻，可轻易实现模型的细节刻画，如果结合压感笔的数位板，通过丰富的参数设置，更能感受到细腻的笔触，就像画家用画笔绘画一样自由发挥，完美表现创意。

2基础网格模型的建立方法

在ZBrush数字雕刻软件中有多种基础网格模型创建的方式：Zsphere方式搭建模型、Zsketch方式堆积建立、Poly模型、灰度Alpha蒙版转模型方式、Remesh方式重建模型生成、Mesh Extract多边形挤压方式产生以及参数化物体直接创建，使用ShadowBox投影箱自由绘制模型等。

2.1　导入Polygon的模型

使用ZBrush可以从其他三维软件中导入3D模型，导入的格式可以是OBJ、MA或FLE格式。或者也可以使用GoZ快捷导入或导出三维网格模型到其它的三维制作软件，但由于其它三维制作软件对于模型面数的限制，GoZ一般是面数较低的模型。

表1　几种建立基础模型方法比较

2.2　参数化模型

ZBrush内置几种简单的基本形，结合基本形的参数菜单，可以创建出不同的形状模型。也可以通过ZTool上的变换面板对基本形进行编辑。参数化对象是不能直接雕刻的。需要点击PolyMesh3D按钮，转化为可编辑多边形才可以雕刻，但转化为可编辑多边形，会丟失掉所有参数化的信息。可编辑多边形的拓扑结构，可以在自适应皮肤中修改，生成允许您创建结构化的模型。它采用先进的算法，自适应皮肤的功能，创建多边形新的拓扑结构。图1为参数化制作的模型。

2.3　ZSpheres创建模型

要使用ZSpheres的功能，首先选择ZSphere工具，切换到绘图编辑模式，在画布绘制上ZSphere的根球体(Root)，在Draw模式下，可以以根球体为基准，不断创建新的ZSphere链结构。在任何时候，切换到移动、旋转或缩放模式下，可以编辑任何已经绘制的ZSpheres链上各个Z球的大小、位置和方向，从而整体调整ZSpheres的形态。在使用ZSpheres创建对称模型时，可以开启Transform菜单下的Activate Symmetry激活对称选项，这样可以一次性得到对称轴两边完全一致的模型。可以同时按下键盘上的A键生成自适应皮肤的ZSphere骨架的预览网格效果。再次按A钮开启预览关闭，这样你可以继续添加或改变ZSpheres。完成后，单击Tool面板下Adaptive Skin下的生成自适应蒙皮的按钮，得到由Z球模型转化得到的标准化3D网格模型。

2.4　ZSketch创建模型

ZSketch是ZSpheres的变种，可以自由地使用ZSphere的链球创建模型的骨架，然后再通过ZSpheres附着在骨架上添加粘土塑造大形。ZSketch用饱满的粘土构建和控制模型的整体，使用ZSketch甚至可以绘制悬空的线条，如动物的须角，或者你可以添加一个子工具到ZSphere来勾画出你的模型，然后可以使用Unifed自适应蒙皮将其转换为可编辑的基础网格。 图2为ZSketch制作的模型。

2.5　Shadow Box创建模型

ShadowBox投影箱是基于Volume Pixol立体像素技术和Remesh功能实现模型的创建，通过依据三视图(前视图、侧视图和底视图)的Mask蒙版方式进行投影操作，按住键盘上的Ctrl键，即可通过鼠标左键或使用手绘板直接绘制Mask蒙版，直观动态的生成模型，因些Mask蒙版相关笔刷在ShadowBox投影箱中使用十分频繁。无论是有机还是机械硬表面，这是快速粗加工出基础网格的完美解决方案[2]。图3是使用Shadow Box创建的狮头怪兽盾牌基础模型。用ShadowBox创建模型的过程如图4所示。

基于三个视图的Mask蒙版形式生成的模型，只能算是一个基础模型，它的目标不是为了制作一个精细的模型，这一点与Zsphere方式创建模型、Zsketch方式堆积建立模型有很大的相似性，只是Zbrush提供了快速造型的一种方式，为精细的模型雕刻提供相对适当的Base Mode基础模型。ShadowBox投影箱默认128或256Res精度就足够了，也正是因为如此，在利用这些方式生成模型时，最好不要生成面数巨大、精度太高的模型，以便给以后的雕刻留有适当的细化余地[3]。

3硬表面切割笔刷比较

硬表面切割笔刷不改变模型的拓扑结构，他们只推移模型上的网格以适合于编辑的模型形状。硬表面切割笔刷使用开放式和封闭式的曲线。硬表面切割笔刷是有方向性的，当出现有阴影一边就是被切掉的一边。如果创建了相反的方向，只需按下Alt键，可以反转切割方向。单击Alt键一次，硬表面切割笔刷创建的曲线可以改变方向，双击Alt键，硬表面切割笔刷创建的曲线处会出现相当尖锐的角。在做切割操作前，如果你想保护一个局部区域，可在此区域画一个Mask。如在狮头怪兽盾牌的大形塑造中，通过Clip Curve曲线切割笔刷对外轮廓进行塑造，可快速得到怪兽盾牌人大致外形，在此塑造阶段，不要太早进行细节的表现，要注意整体拓扑结构合理的分布，如图5、图6所示。

3.1　Clip切割笔刷类型

Clip笔刷有4种，分别是Clip Circle圆形切割笔刷、Clip Circle Center中心圆形切割笔刷、Clip Rectangle矩形切割笔刷和Clip Curve曲线切割笔刷。实际上，Clip笔刷主要是Stroke选项上的改变。

Clip Circle圆形切割笔刷可以以椭圆方式进行模型切割，默认情况是圆切环线以外的部分全部被切除，按下Alt键效果则相反，会去除环切线内的模型部分。Clip Circle Center中心圆形切割笔刷基本作用和Clip Circle圆形切割笔刷一样，唯一不同的是增加了Stroke调板中的Square正方和Center中心选项。其中Square正方选项作用是切割时以正圆或者正方方式产生切割环线，Center中心选项作用为以鼠标单击的作用点为圆心，向外绘制，此两项只有在圆切笔刷和矩切笔刷时才被激活。Clip Rectangle矩形切割笔刷使用矩形环线作为剪切外形，默认情况和Clip Circle圆切笔刷非常相似，它以矩形方式进行模型切割，如果模型本身有开孔结构，可以使用矩切笔刷修整开孔边缘至方孔。Clip Curve曲线切割笔刷以曲线方式进行切割作用，出现阴影的方向将被切除，按下Alt键可以反转切割方向，双击Alt键进行Conner直角方式切除。Clip Circle圆形切割笔刷和Clip Rectangle矩形切割笔刷在Stroke笔划中选择Circle圆形和Rectangle矩形方式时，都能开启Square正方和Center中心选项特性。在使用Alt键改变曲线形状时，曲线的阴影必须在曲线的同侧。如曲线阴影在曲线两侧则切割时会出现错误，比如字母“S”。

3.2　Clip切割笔刷中的Stroke笔划

Stroke笔划在ZBrush中有多种方式，对于Clip切割笔刷而言，需要配合按下Ctrl+Shift键，主要有以下几种，Circle圆环方式：默认状态下笔划能绘制椭圆环，可以通过Square方形产生正圆；Rectang矩形方式：默认以矩形为绘制笔划方式，可以通过Square方形产生正方；Curve曲线方式：默认情况下创建直线，并且一侧有阴影效果，该侧将被施加作用，因为此方式有明显的方向感，所以最好不要进行“S”形或者“O”形曲线切割，避免阴影方向反转两次带来不可预计的结果；Lasso索套方式：默认产生封闭曲线方式，选择其他类型笔刷同样用该方式。

3.3　Clip切割笔刷的特性

在使用Clip切割笔刷时，能看见拖动的切割选取中心有一个十字叉标记，这个十字叉如果在模型轮廓之外，笔刷将执行切除的效果；如果十字叉在模型轮廓里面，模型会出现切平填充的效果。

在按下Ctrl+Shift键切换切割笔刷时，按下Space空格键可弹出Clip Brush Modifiers切割笔刷变动设置面板，按住Ctrl和Shift键时不要进行左键拖曳，否则再按空格键是实现移动切割选取的效果。BRadius笔刷半径：激活可根据笔刷的大小和距离摄像机的距离对多边形进行剪切操作，不会进行切平填充效果。激活此按钮Poly Group多边形组，在进行剪切模型时可根据圆形或方形笔划创建新的多边形组。

4硬表面塑形笔刷比较

得到Shadow Box投影功能或其他方法生成的基础模型之后，在使用Clip切割笔刷对大形进行制作后，还需要和多种塑形笔刷结合使用来制作硬质边缘和表面，主要包括：Planar平整类型笔刷、Trim修剪类型笔刷和Polish抛光类型笔刷。在硬表面制作过程中，Stroke笔划的控制也是非常重要的，尤其是Lazy Mouse延迟鼠标和Backtrack来回轨迹功能等。在狮头怪兽的雕刻中，通过Planar平整类型笔刷对轮廓边缘进行平整处理，对雕刻的表面使用Polish抛光类型笔刷，通过硬表面塑形笔刷交替使用，才获得模型挺括、坚硬的质感表面。如图7为使用硬表面塑形笔刷表面光滑和硬边处理之后的狮头怪收兽盾牌图形。

根据基本硬表面塑形笔刷，针对一些笔刷设置参数，衍生出多种扩展的硬表面塑形笔刷，硬表面基本塑形笔刷主要有以下几种。

4.1　Trim修剪笔刷

Trim修剪笔刷能在保持一定模型表面曲率的情况下，逐步削平模型的表面起伏，所以作用效果相对缓和，如同Form(塑形)笔刷效果介于Standard标准笔刷和Clay黏土笔刷之间一样，适合作为一种常规的笔刷进行模型调整。细分笔刷还包括Trim adaptive自适应修剪笔刷、Trim dynamic 动态修剪笔刷、Trim hole修剪洞笔刷、Trim normal法线修剪笔刷和Trim smooth border边界光滑修剪笔刷等。

4.2　Polish抛光笔刷

Polish抛光笔刷和Trim修剪笔刷效果有些相似。不同的是它的效果更接近抛光打磨平滑所产生的坚硬感觉，并且可以随着不断的施加，产生平滑凹陷的结果。细分笔刷还包括Soft Polish轻度抛光、Medium Polish中度抛光、Hard Polish强烈抛光等。

4.3　Flatten切平笔刷

Flatten切平笔刷能够切平模型表面起伏，类似切土豆的感觉。相比Trim修剪笔刷和Polish抛光笔刷平整表面的效果而言，Flatten切平笔刷更加纯粹，更加明显一些。所以相应的细分笔刷非常少，像这类没有什么特点的笔刷，使用的频率往往很高。

4.4　Planar平整笔刷

Planar平整笔刷是作用效果比较强烈的类型，它能以笔刷着力的第一点作为施力基准，将笔刷作用的区域参照第一点进行强制平整处理，如果第一点是高点，则不会有什么效果，能创造出非常体块化的刚体表面。平整笔刷细分有Planar Cut平整切割笔刷、Planar Spline样条线平整笔刷，Planar Path路径平整笔刷、Planar Line线性平整笔刷、Planar Flatten平面平整笔刷等。

基本硬表面塑形笔刷4种类型的笔刷的作用效果有相似之处，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，产生非常坚硬的体块感，具体如表2所示。所以在使用ZBrush制作机械结构、钢铁部件、工业产品等硬表面物体时，基本硬表面塑形笔刷的使用频率非常高[4]。

表2　基本硬表面塑形笔刷比较

5硬表面细节雕刻的技法

5.1　使用Stroke制作细节

在硬表面细节不太突出，如制作铆钉、螺钉等细节时，可使用Standard笔刷和DragDot笔划，选择圆形的Alpha作为笔触，调节合适的笔刷大小，在模型表面按下鼠标左键不松开，拖曳到合适位置释放，创建半圆形的铆钉结构。

5.2　使用SubTool子工具制作细节

在硬表面细节较突出的时候，可在SubTool调板下，按下Insert插入按钮，添加ZBrush中内置的基本形模型或已经另外制作好的模型作为子工具，也可以使用Append附加，不过它会将添加的物体放置在整个SubTool的最底层。

5.3　使用ZApplink功能

在制作硬表面细节较为复杂的时候，可借助于其他二维图形软件进行精确的定位和绘制，ZApplink能完成模型在纹理绘制过程中的文档截图与外部图形软件的即时切换，通过外部图形软件的平面图形修饰功能，将硬表面模型表面细节进行更加精准的绘制，之后再重新将绘制的像素信息转回到ZBrush的模型表面，生成一个可供编辑的Mask，由此生成一个硬表面模型的细节，这对于制作细节结构较复杂、深度层次较简单的物体比较方便，具体流程如图8所示。

6结论

ZBrush依靠大量的多边形堆积作为雕刻细节的基础，这是ZBrush进行造型的特点，通过Retopology拓扑技术将硬质模型的布线重新提取，依靠Project投射或者Normal法线贴图还原硬表面模型的表面细节，既可大大减少模型的多边形数量，也能很好的保留原模型的丰富细节。相较于目前计算机三维软件常用的多边形建模技术，数字雕刻软件ZBrush的硬表面雕刻技术更直观，完全与绘画使用一样的制作流程，数字艺术家容易理解与使用，通过几种不同切割笔刷的合理使用，不但可以自由直观的塑造大形，而且结合几种常用的硬表面塑形笔刷，可以直接雕刻硬表面的细节纹理，就可使传统手绘艺术、数字雕刻艺术两者更紧密联系起来。它带给数字艺术家们全新的创作体验和思路，提高了复杂硬表面模型的制作效率[5]。

参考文献:

[1] 王恺．ZBrush雕刻大师火星课堂[M]. 第1版. 北京:人民邮电出版社，2011(5):6-10．

[2] 刘寒．ZBrush数字雕刻精解[M]. 第1版. 北京:人民邮电出版社，2012(8): 59-64．

[3] 史策．ZBrush高精模型与静帧艺术渲染精粹[M]. 第1版.北京:清华大学出版社，2011(7):78-79．

[4] 邓威．ZBrush雕塑艺术完美呈现[M]. 第1版. 北京: 机械工业出版社， 2014(4):105-110．

[5] 黄永生．ZBrush艺术家及其图形呈现[J]．华侨大学学报(哲学社会科学版),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

中图分类号：TP31

文献标识码：A

文章编号：1007-4260(2015)01-0059-05

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

作者简介：李曙光，男，江苏滨海人，硕士，安徽电子信息职业技术学院软件学院讲师，研究方向为艺术设计、三维设计。

收稿日期：2014-10-26