基于ZBrush的數(shù)字雕塑綜合實(shí)驗(yàn)研究

于 偉， 紀(jì) 芳

(大連理工大學(xué) 文科綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 遼寧 大連 116024)

基于ZBrush的數(shù)字雕塑綜合實(shí)驗(yàn)研究

于 偉， 紀(jì) 芳

(大連理工大學(xué) 文科綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 遼寧 大連 116024)

介紹了大連理工大學(xué)文科綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在雕塑專業(yè)教學(xué)中引入數(shù)字雕塑軟件—ZBrush，進(jìn)行數(shù)字雕塑綜合實(shí)驗(yàn)的研究。以數(shù)字雕塑人體模型為例，說明利用ZBrush軟件進(jìn)行數(shù)字雕塑的工藝過程。數(shù)字雕塑為實(shí)驗(yàn)操作者提供了多種實(shí)現(xiàn)造型設(shè)計(jì)的手段。在高校中推廣數(shù)字虛擬教學(xué)，能夠促進(jìn)不同藝術(shù)專業(yè)之間的交流與互動，提高高校雕塑及其他藝術(shù)類專業(yè)的教學(xué)水平與教學(xué)質(zhì)量。

數(shù)字虛擬實(shí)驗(yàn)； 數(shù)字雕塑； ZBrush

數(shù)字雕塑是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行雕塑作品創(chuàng)作與應(yīng)用的新興雕塑門類，是將數(shù)字造型藝術(shù)與傳統(tǒng)雕塑藝術(shù)相結(jié)合，也是計(jì)算機(jī)美術(shù)的分支。這種結(jié)合對于傳統(tǒng)雕塑的教學(xué)有很現(xiàn)實(shí)的意義和發(fā)展空間。

數(shù)字雕塑的概念最初是在20世紀(jì)末美國雕塑家協(xié)會的雙年會上提出并進(jìn)行了討論，同一時(shí)期第一個(gè)以數(shù)字雕塑為主題的“數(shù)碼雕塑95”大型國際展覽在法國舉辦[1]，從而開創(chuàng)了數(shù)字虛擬技術(shù)在雕塑中運(yùn)用的先河，奠定了數(shù)字雕塑概念的基礎(chǔ)。

近年來，在我國數(shù)字雕塑也取得了一定的發(fā)展。2008年10月，由美國AUTODESK公司贊助的“數(shù)碼石雕展”先后在北京今日美術(shù)館、上海多倫現(xiàn)代美術(shù)館和重慶錦瑟美術(shù)館進(jìn)行了長時(shí)間的巡展，所展出的作品均使用了數(shù)字技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作與加工。2010年7月，我國首家數(shù)碼雕塑畫廊“北京明日藝術(shù)畫廊”正式開幕，數(shù)字虛擬技術(shù)在雕塑中的運(yùn)用已經(jīng)逐漸興起。

1 數(shù)字雕塑——雕塑發(fā)展的新形式

雕塑不同于繪畫，雕塑是對對象形體的塑造。現(xiàn)實(shí)中物體的形體是一個(gè)很難量化的元素，傳統(tǒng)建模軟件中的參數(shù)化建模只能生成規(guī)則的模型，并不符合雕塑的審美要求[2]。多邊形建模技術(shù)雖然比較靈活，但是其形體的表現(xiàn)力仍然存在很大缺陷。雕塑要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，在造型方法上就必須有所突破，能夠?qū)?shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)的手工方法相結(jié)合。

ZBrush的出現(xiàn)解決了雕塑數(shù)字化的難題。ZBrush忽略了多邊形點(diǎn)、線、面的特性，將模型當(dāng)作一個(gè)整體，在進(jìn)行塑造時(shí)，筆刷可以對局部區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，且通過筆刷的移動，受到影響的區(qū)域也是隨時(shí)變化的。這種操作模式在低精度下雖不能帶來流暢、自然的雕刻感受；而一旦提高了模型的精度，當(dāng)觀察不到個(gè)體的點(diǎn)、線、面變化時(shí)，便會產(chǎn)生泥塑變形的視覺效果。

其實(shí)這種筆刷雕刻在3ds MAX、Maya中早已存在，只是傳統(tǒng)三維軟件都很難支持如此高精度的模型，且對筆刷樣式的調(diào)節(jié)也相對單一，因此在傳統(tǒng)建模軟件中筆刷雕刻的方法一直沒有被進(jìn)一步利用。而ZBrush能夠支持足夠多的面數(shù)，對于高面數(shù)模型，筆刷雕刻過程很像捏塑泥巴的過程，且ZBrush提供了大量的雕刻筆刷，可以模擬出足夠多的泥塑筆觸，有些甚至是傳統(tǒng)泥塑都無法實(shí)現(xiàn)的。圖1為ZBrush中利用筆刷雕刻的效果。

圖1 ZBrush的各種筆刷雕刻效果

但是，ZBrush只是提供了更先進(jìn)的、更接近傳統(tǒng)泥塑的創(chuàng)作感受；其他三維造型軟件對數(shù)字雕塑同樣重要，甚至?xí)浹a(bǔ)ZBrush在造型方面的弱點(diǎn)。ZBrush同樣也無法替代手工造型，因?yàn)榛谶壿嬤\(yùn)算定制的筆刷，無論如何也不會超越手工造型所帶來的隨機(jī)性與靈活性。但是我們可以確信，ZBrush的出現(xiàn)使數(shù)字雕塑發(fā)展到了一個(gè)前所未有的新高度。

2 數(shù)字雕塑虛擬教學(xué)的優(yōu)越性

傳統(tǒng)的雕塑教學(xué)比數(shù)字雕塑教學(xué)確有一些不足之處。對于藝術(shù)類雕塑專業(yè)的學(xué)生而言，主要課程都是傳統(tǒng)的泥塑課程。一般來說，這些課程的周期都比較長，很多學(xué)生不能保持最初對雕塑的感覺，時(shí)間一長，就會覺得課程乏味，不利于他們學(xué)習(xí)積極性的發(fā)揮。

然而現(xiàn)在雕塑教學(xué)中引入了數(shù)字虛擬技術(shù)，使雕塑課程活躍起來。

首先，計(jì)算機(jī)帶來的方便條件優(yōu)化了傳統(tǒng)雕塑教學(xué)的方式，使得數(shù)字雕塑不僅具有傳統(tǒng)雕塑的藝術(shù)表現(xiàn)力，甚至超越了傳統(tǒng)雕塑在雕塑造型和表現(xiàn)手法上的束縛[3]。在傳統(tǒng)雕塑教學(xué)中引入數(shù)字雕塑概念有助于學(xué)生利用數(shù)字雕塑特有的全角度觀察方式更好地理解雕塑空間、結(jié)構(gòu)及形體，數(shù)字雕塑與傳統(tǒng)雕塑相比更加方便、靈活，其獨(dú)特的創(chuàng)作方式能夠激發(fā)學(xué)生的研究興趣和創(chuàng)作靈感，提高學(xué)生的創(chuàng)造力[4]。

其次，課堂上利用數(shù)字虛擬教學(xué)有助于學(xué)生和教師的互動交流。雕塑課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，教學(xué)內(nèi)容的難點(diǎn)和重點(diǎn)難以即時(shí)表述，數(shù)字技術(shù)可以模擬教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，使教師講解起來非常透徹、易懂。

數(shù)字雕塑具有以上諸多優(yōu)勢，應(yīng)該注重將這些優(yōu)勢充分運(yùn)用到數(shù)字雕塑實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際操作中。

(1) 在制作數(shù)字雕塑的進(jìn)程中可以隨時(shí)調(diào)整造型，相當(dāng)于在泥塑過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、調(diào)整形體。學(xué)生在建模期間如有重大調(diào)整，可以通過重新打開存盤的文件或者一步步撤銷命令回到原來的狀態(tài)，并可以隨時(shí)將制作過程保存在文件中，這對于獲得雕塑創(chuàng)作過程中的實(shí)驗(yàn)性感受有重要的作用。

(2) 在數(shù)字雕塑中，復(fù)制和鏡像功能最能體現(xiàn)出數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢，這意味著不再需要做重復(fù)性的工作。一件數(shù)字雕塑作品往往不需要從零開始，完全可以從修改一個(gè)已有的雕塑模型開始。對于雕塑細(xì)節(jié)性的刻畫，數(shù)字雕塑在這方面有著很明顯的優(yōu)勢[5]。

(3) 在實(shí)際的雕塑工作現(xiàn)場很難有全面、完美的雕塑觀察角度，而在虛擬環(huán)境中，觀察數(shù)字模型是非常方便的，可以很輕松地切換視角、設(shè)置照明、觀察整體和細(xì)節(jié)[6]。

(4) 為雕塑設(shè)計(jì)模擬一個(gè)真實(shí)的環(huán)境，包括周圍景觀環(huán)境、時(shí)間、氣候等，有利于對雕塑效果的把握。模型在制作過程中或完成以后均可以方便地更換雕塑材料[7]，甚至可以模擬傳統(tǒng)雕塑不可能用到的材料，如光、水、霧、火等。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)、身臨其境地體驗(yàn)雕塑帶來的真實(shí)感受，這一點(diǎn)尤其對設(shè)計(jì)公共藝術(shù)品具有現(xiàn)實(shí)意義。

3 人物造型數(shù)字雕塑實(shí)驗(yàn)實(shí)例

ZBrush人物雕塑建模通常需先建立骨骼，然后在骨骼上建立肌肉，在人體上實(shí)現(xiàn)著衣，通過改變姿態(tài)體現(xiàn)人物的運(yùn)動[8]，或者運(yùn)用體塊關(guān)系原則，以伯里曼解剖理論為根據(jù)，構(gòu)建多邊形模型，然后調(diào)整大關(guān)系并添加細(xì)節(jié)，直到完成雕塑作品[9]。

實(shí)例中需要搭建一個(gè)具有對稱特征的人體骨架。例如Z球初始模型所要表現(xiàn)的就是人物基本的比例以及肢體的轉(zhuǎn)折等(見圖2)，然后將Z球模型轉(zhuǎn)換成Zsketch編輯模式。在Zsketch模式下，可以選擇不同的筆刷創(chuàng)建和編輯模型(見圖3)。

圖2 ZBrush Z球初始骨架模型

利用Zsketch筆刷繪制形體沒有絕對標(biāo)準(zhǔn)的方法，這需要創(chuàng)作者根據(jù)對模型形體的理解進(jìn)行自主的繪制和塑造。

在Zsketch模型完成以后，需要使用Rotate工具，在計(jì)算機(jī)虛擬的三維空間里進(jìn)行三維的姿態(tài)調(diào)整。這要比繪制平面草圖考慮更多的動態(tài)效果，使每個(gè)角度看上去都很自然(見圖4)。

圖4 動態(tài)調(diào)整

經(jīng)過以上的調(diào)整，人體雕塑的身體姿態(tài)基本可以確定，然后就可以進(jìn)入多邊形網(wǎng)格模式進(jìn)行雕刻(見圖5)。

圖5 多邊形網(wǎng)格模式雕刻

4 數(shù)字虛擬雕塑實(shí)例化驗(yàn)證

將雕塑的創(chuàng)作過程數(shù)字化和虛擬化，可為作品放大提供科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。數(shù)字成型的雕塑作品可以直接通過與電腦連接的數(shù)控雕塑設(shè)備輸出，從而完成實(shí)體化雕塑。目前數(shù)控雕塑設(shè)備有兩種基本類型：一種是電腦數(shù)字控制雕刻機(jī)(computer numerical control milling，CNC)，另一種是快速原型制作機(jī)(rapid prototyping，RP)。前者是在三維空間中對一塊材料進(jìn)行類似傳統(tǒng)的雕刻，后者通常被稱作三維打印機(jī)，是通過一層一層粘接的方式疊加，最終完成立體雕塑模型。用后一種方法，可以完成非常復(fù)雜、手工難以完成的多層空間形態(tài)。

以下以CNC三維雕刻為例，說明基于ZBrush的數(shù)字雕塑過程。

首先需要用ZBrush建立一個(gè)參數(shù)化數(shù)字模型(見圖6)。

圖6 數(shù)字模型

這個(gè)參數(shù)化模型完成以后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CNC數(shù)控雕刻機(jī)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。在本實(shí)驗(yàn)中，筆者以泡沫苯板為原材料進(jìn)行雕刻，由于受CNC設(shè)備工作半徑的限制，尚不能按照數(shù)字雕塑的等大規(guī)格輸出，于是采用了分組雕刻(見圖7)、最后組裝(見圖8)的工作方法。

圖7 分組雕刻模型

圖8 實(shí)物模型

虛擬的數(shù)字模型通過CNC設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)例驗(yàn)證以后，對比數(shù)字模型和實(shí)物模型，不難發(fā)現(xiàn)兩者的整體感覺是相同的，而在數(shù)字雕塑制作過程中，卻可以省掉傳統(tǒng)泥塑所要投入的大量人力和物力，只需要在ZBrush中推敲好數(shù)字模型就可以了。因此，也可以將基于ZBrush技術(shù)的數(shù)字雕塑引入傳統(tǒng)的雕塑教學(xué)中。但是，作為教學(xué)層次上的實(shí)例化，還是存在一些問題需要進(jìn)一步研究，其中最明顯的是數(shù)字模型實(shí)例化以后數(shù)字的特征會有一部分流失[10]。如何使數(shù)字雕塑在給人帶來真實(shí)的感受的同時(shí)，又能保持完整的數(shù)字化特征，還有待于硬件技術(shù)的突破。

數(shù)字雕塑虛擬訓(xùn)練和傳統(tǒng)泥塑訓(xùn)練相結(jié)合，將對雕塑藝術(shù)教學(xué)起到相輔相成的作用，能夠培養(yǎng)基本功全面的雕塑藝術(shù)人才[11]。數(shù)字雕塑雖是新生事物，但它植根于現(xiàn)代技術(shù)與藝術(shù)的土壤；作為一門全新的造型藝術(shù)，它有其獨(dú)特的工具和方法，因而對很多傳統(tǒng)雕塑家而言存在一定的難度[12]。雕塑家不需要像電腦工程師那樣熟練掌握編程等計(jì)算機(jī)方面的知識，但了解一些必要的理性思維、數(shù)學(xué)、邏輯的概念以及數(shù)字模型的基本原理并不困難。

5 結(jié)束語

從三維虛擬數(shù)碼設(shè)計(jì)軟件到三維數(shù)碼成型設(shè)備，數(shù)字虛擬技術(shù)已經(jīng)形成了一條完整的造型鏈，它正在為雕塑家提供全新的技術(shù)通道和巨大的發(fā)展空間，使他們在傳統(tǒng)的雕塑創(chuàng)作方式上得以創(chuàng)新，提高雕塑作品的藝術(shù)性和創(chuàng)作效率。所以在藝術(shù)類高校的基礎(chǔ)課教學(xué)中積極推廣計(jì)算機(jī)藝術(shù)教育是時(shí)代和市場的需求。藝術(shù)類學(xué)科中很多專業(yè)都已經(jīng)將數(shù)字藝術(shù)作為基礎(chǔ)課，雕塑專業(yè)更應(yīng)首當(dāng)其沖，而且要設(shè)置有雕塑專業(yè)特點(diǎn)的數(shù)字藝術(shù)課程。數(shù)字藝術(shù)課程的設(shè)置也必將帶來教學(xué)手段的新發(fā)展。

References)

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[3] 沈濤.論數(shù)字雕塑技術(shù)對傳統(tǒng)雕塑藝術(shù)的沖擊與滲透[J].美術(shù)觀察,2013(6)：33-34.

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[12] 廖忠祥.數(shù)字藝術(shù)論[M].北京：中國廣播電視出版社,2006.

Comprehensive experimental study of digitalsculpture based on ZBrush

Yu Wei， Ji Fang

(United Laboratory for Social Sciences and Humanities，Dalian Universityof Technology，Dalian 116024，China)

This article elaborates on the leaded into digital sculpture virtualization software-ZBrush in sculpture professional teaching at the United Laboratory of Humanities and Social Sciences, and the study of digital sculpture comprehensive experiment. Taking the digital sculpture human model as an example, this article explains the process using ZBrush to complete the digital sculpture. It offers some means in design for experimenters. The digital virtual teaching in colleges and universities is promoted to advance communication and interaction in different arts，and improve the teaching level and quality at other art professional teaching.

digital virtual experiment; digital sculpture; ZBrush

2014- 12- 02

遼寧省2014年普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(UPRP20140836)；大連理工大學(xué)2014年教育教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)項(xiàng)目(ZX2014014)；2014年高等學(xué)校本科教學(xué)改革與教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)專業(yè)綜合改革項(xiàng)目“廣播電視新聞學(xué)本科專業(yè)綜合改革研究”

于偉(1986—)，男，山東濰坊， 文學(xué)碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榈袼芩囆g(shù).

E-mail：yuwei_mold@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)5- 0180- 04