C G寫實(shí)角色創(chuàng)作研究

葉梓琪

（廣州美術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510000）

C G寫實(shí)角色創(chuàng)作研究

葉梓琪

（廣州美術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510000）

本篇論文的主題是研究和探討如何在三維軟件里制作寫實(shí)的人物角色。在早期的電影中出現(xiàn)的神話人物，都是由真實(shí)的人物通過化妝技術(shù)去扮演，并沒有運(yùn)用任何的電腦特效。之后，計(jì)算機(jī)的普及和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們開始運(yùn)用三維技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)中的物體。本文將從起初基礎(chǔ)的模型制作至最后的渲染合成，進(jìn)行一次深入的研究和探討。文中將講述在制作中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，以及物理渲染的一些基礎(chǔ)理論，包括如何運(yùn)用CG的技術(shù)模擬真實(shí)的燈光，研究真實(shí)感的皮膚制作構(gòu)成，在三維里面如何一步步去實(shí)現(xiàn)寫實(shí)的效果等等。

動畫； CG； 渲染； 合成； 寫實(shí)

一、前期策劃與設(shè)計(jì)

此次制作需要運(yùn)用到的軟件有Photoshop、Maya2016、3D Mari和After Effect，這些都是當(dāng)前主流的動畫制作軟件。例如，Maya這款軟件會運(yùn)用到的渲染引擎是Vray，其物理渲染非常真實(shí)，且渲染速度也與其它的渲染引擎相當(dāng)。3D Mari這款繪圖軟件為當(dāng)年拍攝電影《阿凡達(dá)》而獨(dú)立開發(fā)出的一款繪圖軟件。它能在三維空間里對模型進(jìn)行立體的紋理繪畫，可以輸出高達(dá)32k的分辨率，操作功能非常強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)非常逼真的效果。

在建模型之初，筆者找了很多人像的參考圖做參考。因?yàn)楹芟矚g美劇《西部世界》里的神槍手詹姆斯·麥斯登，這樣就將選擇的范圍縮小了很多。以他的氣質(zhì)和形象，最終設(shè)計(jì)出符合自己心目中的人物模型。

首先，在photoshop軟件上畫出人物的基礎(chǔ)輪廓（一張頂視圖，一張側(cè)視圖，一張正面圖）。每一張三視圖的人物嘴角、眼角、鼻子和耳朵都要在同一水平線上。在這個(gè)基礎(chǔ)上再添加五官的細(xì)節(jié)，把這些設(shè)計(jì)參考圖完成后，就正式開始模型的制作。

二、模型制作

將做好的三視圖導(dǎo)入Maya，開始模型的制作。在模型的制作過程中，筆者使用的是多邊形建模命令，要求每個(gè)面都是四邊形。然而，偶爾也會出現(xiàn)一些三角面，只要在不影響布線規(guī)律的情況下是可以接受的。模型最終的質(zhì)量取決于合理的布線，所以布線非常重要。在制作的時(shí)候，要根據(jù)人物肌肉和骨頭的走向進(jìn)行合理的布線，這樣做出的模型在之后的綁骨架和細(xì)分時(shí)才能減少失誤。

接下來要將模型進(jìn)行UV拆分。首先要明白UV的含義，UV是三維模型里的X，Y，Z三個(gè)坐標(biāo)軸，每個(gè)坐標(biāo)軸精確記錄每個(gè)頂點(diǎn)的位置，UV則是把模型的表層展開到平面后，所有點(diǎn)坐標(biāo)投射到平面上的精確位置的總和。人像的UV是要比幾何體的UV拆分的更為復(fù)雜，在這里筆者使用UV工具里的平面UV投射，把人像直接投射到UV網(wǎng)格中，然后把兩只耳朵的UV單獨(dú)剪切出來，進(jìn)行UV平滑，再把有拉伸的地方進(jìn)行切割，最終讓每個(gè)網(wǎng)格能盡快展平開來。在Maya2016版本里可以直接顯示出UV網(wǎng)格，因此要確保每一個(gè)UV的平均和是否有拉伸。然而，在Maya的UV拆分中有個(gè)弊端，每個(gè)UV展開并賦予了紋理貼圖以后，連接處都會有一條裂縫，這是由于貼圖在UV空間發(fā)生了錯(cuò)位造成的，所以之后要使用3D Mari對其進(jìn)行貼圖繪畫以解決這個(gè)問題。

在完成基礎(chǔ)模型的UV后，要把模型導(dǎo)入Zbrush軟件里進(jìn)行皮膚紋理雕刻。首先調(diào)整一下模型的比例和外形，然后把這個(gè)模型細(xì)分成三個(gè)等級，雕刻出嘴巴，耳朵和眼角的細(xì)節(jié)。最后把模型再細(xì)分一個(gè)等級，進(jìn)行皮膚的紋理雕刻。完成雕刻后再輸出一張法線貼圖Normal Map（在輸出圖片格式我選擇了4k的分辨率）。法線貼圖的作用是在CG動畫的渲染下，可以將一些高細(xì)節(jié)的模型通過法線烘培，然后賦予到低面數(shù)的模型上。

接著我們重新回到Maya軟件里，創(chuàng)建一個(gè)新的Vray材質(zhì)球，把法線貼圖連接到凹凸屬性里，選擇法線空間，就能讓一個(gè)低面數(shù)的模型顯示出非常清楚的皮膚紋理。

三、燈光的運(yùn)用

接下來是很重要的打燈環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的燈光效果，我們要仔細(xì)思考需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)怎樣的光效環(huán)境效果，室內(nèi)的還是室外的，白天還是夜晚的等等。這里選用的是Vray渲染器，以求達(dá)到最逼真的物理渲染效果，且渲染速度適中，還有其自帶的Vray燈光。

同時(shí)，運(yùn)用三點(diǎn)布光，即使用3個(gè)燈光擺在三個(gè)不同方位的方法。這三個(gè)燈光分別是主光源光Key Light，輔助光源Fill Light和背景光源Back Light。正是這三種燈光構(gòu)成了常用的三點(diǎn)布光法。

首先，在沒有燈光的場景中添加一盞Vray的Vray lightrect燈光，即區(qū)域燈。它的亮度和發(fā)光的強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)，燈光的亮度和面積大小是關(guān)聯(lián)的，就是說面積越大，燈光的亮度也會增強(qiáng)。區(qū)域光一般是用來模擬陽光從窗戶射入的光線等情況，它以物理計(jì)算為基礎(chǔ)，渲染出來的光照非常寫實(shí)逼真。

主光源一般會使用三維軟件中的平行光或者區(qū)域燈。在這里建一個(gè)平行光為主光源，模擬陽光、室內(nèi)燈光等。由于主光源是整個(gè)場景中的光影主要來源，也是產(chǎn)生陰影的主要因素。這盞主光燈是擺在人像正面左側(cè)的位置，位于攝像機(jī)的45度角，這盞燈默認(rèn)的強(qiáng)度（Lntensity Multiplier）為30，把它設(shè)置成24（具體數(shù)值參數(shù)要根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)定）。然后建立一盞側(cè)光燈在人像正面的右側(cè)，剛好與主光燈形成90度的夾角，輔助燈的強(qiáng)度為16，這樣就可以把人物的光影明暗交界線顯示出來。然后，在人物后面建一盞背光燈，燈光強(qiáng)度為28，把人物的輪廓線突顯出來，讓角色更有視覺沖擊力，通過這三盞燈基本上可以完成人物的光照效果。

為什么默認(rèn)的燈光強(qiáng)度為30，但這三盞燈光的強(qiáng)度都低于這個(gè)數(shù)值呢？渲染效果確實(shí)會比較暗，主要是接下來還要添加一盞環(huán)境光來擬補(bǔ)燈光的不足。這個(gè)燈光是運(yùn)用Vray的VRayLightDome,在此之前要預(yù)先挑選好一張HDR貼圖，因?yàn)檫@盞燈的環(huán)境光是根據(jù)HDR圖片里面的環(huán)境進(jìn)行模擬光照的。當(dāng)然選擇HDR貼圖也要根據(jù)之前3點(diǎn)布光的效果相結(jié)合，如果是模擬室內(nèi)的光照，正常就要選擇一張室內(nèi)的HDR圖片。在VRayLightDome的Texture下勾選Use Dome Tex，然后在Dome Tex里添加HDR貼圖，添加完以后，一定要在Parameters的屬性里（Horizontal rotation）設(shè)置與主光源的方向匹配一致。在這種情況下如果進(jìn)行渲染整個(gè)畫面都會曝光過度，所以要把VRayLightDome的燈光強(qiáng)度改為0.3（VRayLightDome默認(rèn)的燈光強(qiáng)度為1，與Vraylightrect燈光默認(rèn)強(qiáng)度有所區(qū)別），這樣才能平衡整個(gè)場景的照明效果。當(dāng)然，這些只是數(shù)據(jù)，要根據(jù)不同情況多次嘗試出最好的效果，所以明白其中的原理才是最重要的。

四、紋理貼圖與材質(zhì)球

完成燈光測試后就可以進(jìn)行皮膚的紋理繪畫了。在繪畫之前，我們需要理解真實(shí)皮膚的構(gòu)造，這也是基于Vray物理渲染引擎的需要。例如，燈光會根據(jù)真實(shí)的折射滲透到皮膚里然后再反射出來，所以一定要了解Vray渲染引擎的物理計(jì)算方式，才能制作出真實(shí)的皮膚效果。人類的皮膚主要分為表皮層、真皮層和皮下組織。理解這些圖層的作用和含義后，將這三層皮膚分別畫出來，再繪制皮膚的凹凸和高光部分。

這三張貼圖需要連接在VRayFastSSS的皮膚材質(zhì)球里的Overall color、Diffuse color 和Subsurface color 這三個(gè)圖層里。

人體皮膚在3D模擬上半透固有色的控制需要用到3張貼圖。第一張是表皮層（Overall color），這個(gè)圖層需要把皮膚的細(xì)節(jié)繪畫上去，例如斑點(diǎn)、傷痕之類。最重要的是要控制它的灰度和飽和度，因?yàn)镺verall color的圖層是根據(jù)黑白顏色的深淺進(jìn)行識別的，顏色越接近白色渲染透射底下的一層就越清晰，反之則越低。第二層是漫反射層（Diffuse color），需要用平面軟件繪制皮膚真實(shí)的固有色，色調(diào)偏中性；中間真皮層會在diffuse層的基礎(chǔ)上稍作偏綠調(diào)的調(diào)整，以達(dá)到被包裹的半通透性膚質(zhì)效果。第三層（Sub-surface color）是毛細(xì)血管層，此層的制作會夸張地描繪血管，以及充血的范圍，故整個(gè)貼圖色調(diào)都偏紅。

高光和凹凸貼圖這兩個(gè)圖層相對比較容易理解，因?yàn)檫@兩張貼圖只需要黑白通道就能達(dá)到預(yù)期的效果。高光圖層，即需要反光的地方就越亮。一般鼻子，額頭和嘴唇這些地方的高光都是明亮的，其它地方就相對較暗。凹凸圖層，則顏色越亮的地方就會越凸出來，反而顏色越暗就越凹進(jìn)去。

如果按功能來分類，貼圖基本可以分成三大類。第一類，改變對象顏色的貼圖；第二類，改變對象形狀的貼圖；第三類，能改變?nèi)魏蝿赢嫚顟B(tài)的貼圖。

完成貼圖的繪制后，還需要理解貼圖與材質(zhì)球之間的相互關(guān)系。貼圖相對于材質(zhì)所體現(xiàn)的意義，是以平面圖像的像素信息取代整片相同的像素信息。模擬真實(shí)人物皮膚用到的技術(shù)，并不只是簡單的將模型點(diǎn)立體坐標(biāo)均勻拓?fù)湓谝粡埰矫?D坐標(biāo)上進(jìn)行顏色信息采樣（復(fù)雜的Sub-surface Scattering膚色質(zhì)感模擬），更是需要讓原始模型的每一個(gè)幾何表面都均作法線，并以RGB三個(gè)不同的參數(shù)通道進(jìn)行標(biāo)記。改變照明范圍（Normal map），卻不會影響渲染輸出的Alpha遮罩范圍。然后通過模型點(diǎn)在三維坐標(biāo)上沿面法線灰度值定義一個(gè)距離，拓展整個(gè)模型實(shí)際渲染遮罩外形，以更能體現(xiàn)美觀細(xì)節(jié)的范圍（Displayment map）。

以Maya的材質(zhì)著色系統(tǒng)為例，能通過渲染窗口顯示出來的模型都已被賦予了材質(zhì)，反之卻未必。當(dāng)用戶隨便建立一個(gè)被賦予材質(zhì)的幾何模型的時(shí)候，無論是否有光照，都能夠在渲染輸出的結(jié)果中帶有自己的Alpha通道，以此能推斷出Maya材質(zhì)是否被賦予在模型上，也決定了模型能否正確地在渲染器中輸出。那么，新建立的幾何模型他們沒再賦予任何材質(zhì)，何以能夠完成渲染輸出？其實(shí)是因?yàn)榻⑷魏文Ｐ偷臅r(shí)候，Hypershader窗口里面的Lambert1已經(jīng)默認(rèn)和他們完成了材質(zhì)交互，當(dāng)斷開模型和材質(zhì)之間節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，再次渲染便沒有了任何的Alpha遮罩信息。

Maya三維動畫的制作流程中，紋理表面著色必須通過材質(zhì)（Materail）賦予來完成完整逼真的立體視覺效果。由于著色器（Shader）采用實(shí)時(shí)的非明暗著色算法，因此硬件要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其反饋真實(shí)效果的需要。在常規(guī)的工作流程中，采取的成像方案始終是把具有物理照明的復(fù)雜3D場景逐幀刪格成2D序列，這便是真正意義上的渲染輸出（Render Output），為具有真實(shí)照明邏輯的影視作品提供在著色層面上準(zhǔn)確無誤的素材。

五、渲染與后期合成

測試完材質(zhì)渲染以后，需要渲染輸出8個(gè)圖層，RGB COLOR固有色圖層， DIFFUSE漫反射圖層，SPECULAR高光圖層，REFLECT 反射圖層，SSS皮膚圖層，NORMALS法線圖層，LIGHTING燈光圖層，ZDEPTH Z通道圖層。

三維動畫分層渲染輸出之后，得到的素材需要進(jìn)行有邏輯地合成。一般渲染層可以有角色層，場景層，燈光層，天光層、直接光照層，間接光照層，紅綠藍(lán)通道，環(huán)境光遮擋層，深度層，法線層和動態(tài)模糊層等等。進(jìn)行分層的時(shí)候先按物體來分，再劃分附加的效果層。比如在室內(nèi)的場景中，角色常為單獨(dú)的一層，場景也同樣。而深度、通道等層就要包含兩者在其中。

合成的思路常見的是先把所有物體的固有色層統(tǒng)一合并，并且各自套于自身的通道遮罩中，先確保畫面的合理邏輯性，再將遮罩加減所產(chǎn)生的縫隙處理干凈。其實(shí)在所有物體固有色合并好的情況下，已經(jīng)具有了一定的畫面完整度。然后制作人需要做的便是調(diào)整畫面的美感和藝術(shù)成分。 顏色調(diào)節(jié)需要常年的積累和敏銳的藝術(shù)觸覺，是最重要的CG制作環(huán)節(jié)之一，對于CG制作者來說要求異?？量?，當(dāng)中的色階、色相、對比度、飽和度...等等參數(shù)都要進(jìn)行有效的有機(jī)整合，否則單靠渲染輸出來的圖像會相當(dāng)不協(xié)調(diào)。

結(jié)語

本次對CG寫實(shí)角色研究，有溫故知新的意義，主要是探討和研究CG角色的整個(gè)制作流程，在制作的過程當(dāng)中如何理解和解決遇到的技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)，通過本次的研究探討對于CG角色制作有了更深層次的理解，為國內(nèi)高等教育的CG動畫教學(xué)提供一些借鑒和參考。

鑒于現(xiàn)在數(shù)字科技的發(fā)展日新月異，CG的制作方式也多種多樣，但制作的原理和思路不變，只有深入地理解其中的原理，才能不論運(yùn)用什么軟件也能制作出逼真的CG角色，正如筆者一直秉承的教學(xué)理念，授人予魚，不如授人予漁。

〔1〕（美）班克羅夫特.動畫角色設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社，2014（2）；

〔2〕（美）約翰卡尼梅克.動畫人的生存手冊.中國青年出版社，2013（5）；

〔3〕（美）特雷西.米勒.功夫熊貓3電影藝術(shù)畫冊設(shè)定.新星出版社，2015（12）；

〔4〕（美） Jeremy Vickery.高效電影級燈光照明理論及實(shí)例.教學(xué)視頻，2011；

〔5〕（美）Hardy Fowler.光線與色彩視覺藝術(shù)訓(xùn)練.視頻教程，2014；

〔6〕（美）詹姆斯格爾尼 (James Gurney).色彩與光線:寫實(shí)主義繪畫指南.人民郵電出版社，2013。

葉梓琪（1987--），男，碩士，助教，研究方向：視覺藝術(shù)與科技影像專業(yè)，本科與研究生畢業(yè)于法國巴黎第八大學(xué)——視覺藝術(shù)與科技影像專業(yè)。研究生畢業(yè)于希臘雅典美術(shù)學(xué)院---視覺藝術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)。現(xiàn)任廣州美術(shù)學(xué)院教師。