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21901-3D 人脸建模简介
在 3D 建模中创建逼真的人脸一直是许多艺术家的终极目标之一。创建普通人脸并不是什么新鲜事，甚至是一个古老的话题。然而，为了实现尽可能真实自然的效果，我们必须充分利用我们所做的每一步：收集参考资料、建模前规划、拓扑、纹理、渲染……等等。
本研究仅关注建模的高级方面，例如工作流程、多种方法、拓扑和头部建模中的常见错误。我将跳过基本内容，例如如何使用 Maya/Max 等特定软件中的工具或分步说明，而更多地关注上层内容，例如整体工作流程、不同的建模方法、拓扑、常见错误等。以及在创建逼真的头部模型时应该注意的其他事项。
2- 预 3D 人脸建模
在深入研究任何实际的 3D 面部建模工作之前，始终要优先进行研究和规划。这对几乎所有事情都至关重要，而不仅仅是逼真的头部建模。
虽然有些经验丰富的艺术家在创作时不会参考，但参考对于实际和生产来说都至关重要。使用概念图或照片会极大地影响模型。高质量的参考是关键。这里的错误可能会导致以后出现问题，例如模型适合正面视图，但不适合侧面视图。此外，模型可能与正交视图匹配，但与透视图中的人不匹配，如果参考图像没有预期的那么有用，则会导致耗时的调整和沮丧。
例子
为了获得准确的参考，请从正确的角度拍摄人物。不正确的角度将需要进行大量调整。考虑相机的焦距；焦距越长，参考照片越好。
焦距越长，视角越窄，类似于 3D 人脸建模所必需的正交视图。然而，由于视角失真，无法获得精确的正交参考照片，导致 3D 模型看起来比实际略宽。这可以通过在透视图中进行额外编辑来纠正。此外，一致且均匀的照明对于防止因照明过强或过弱而导致细节褪色或隐藏至关重要。
将参考图像导入 3D 应用程序
我们不应该将原始照片图像直接从相机导入我们的 3D 软件，但是，由于拍摄过程中的偏差，我们必须检查这些图像是否彼此精确匹配。我们应该在 Photoshop 中校正我们的参考图像（使用镜头配置文件校正来消除镜头失真）或任何其他图像处理应用程序中。
在眼睛、鼻子、嘴巴和眉毛等关键元素上画水平线，以检查我们的参考图像是否一致且缩放正确。
3- 3D 人脸建模中的边缘规划和拓扑
我们应该在进行面部 3D 建模之前规划好拓扑结构，否则我们会迷失在边缘环路的迷宫中，或者失去对多边形数量的控制，最终将多边形浪费在不必要的部分上。我们必须勾勒出头部的主要形状，然后在此基础上规划边缘结构。拓扑是一般 3D 建模（尤其是人脸建模）的关键元素之一。
这是为什么？
拓扑和边缘环在构建头部体积、面部特征以及确定头部模型在动画中可以做什么/变形方面起着重要作用。与角色的其他部位不同，头部的屏幕时间更多，有许多特写镜头，涉及复杂的面部表情动画，如微笑、悲伤、愤怒等，所有这些都会带来面部的不同形状和变形阶段。
有了合理而智能的拓扑结构，我们的头部模型可以很好地变形为任何逼真的表情。如果拓扑结构混乱，我们的头部模型就无法制作单个面部动画。即使可以，表情看起来也会不自然，严重扭曲，或者需要大量蒙皮/变形装配工作。Flint 的另一个优点是，良好的拓扑结构使得可以用更少的几何图形构建模型，但仍然看起来逼真、准确，而且易于编辑和维护。
3.1 人脸拓扑结构
什么是好的磁头拓扑结构？我们如何知道它是好是坏？基于什么裕度？
要回答这个问题，我们应该回到解剖学书籍和参考资料中，了解人类面部解剖学。人类头部的形状、皱纹和表情都是由肌肉、头骨的形状和皮下脂肪量形成和构建的。我们需要记住的在形成一个人的面部特征（鼻唇沟）方面发挥重要作用的肌肉是：
– 颧大肌和颧小肌
– 提口角肌
– 降口角肌
-提唇肌
搞笑
但这些肌肉对决定面部形状、表面拓扑结构或鼻唇沟没有帮助。尽管如此，我们应该了解它们，因为它们是情绪的根源，也是面部肌肉在皮肤下运作的方式：
“想象一下，一张厚厚的泡沫橡胶片放在桌子上，底部系着绳子。当拉动一根或另一根绳子时，部分泡沫橡胶片会滑动并起皱。绳子对我们来说是看不见的——我们只能看到表面的皱纹。为了准确测量，我们必须研究泡沫橡胶片的外形，可能还要研究桌子，但不能研究绳子本身”
Steven Stahlberg – “D'artiste：角色建模” – Ballistic Publishing 2005
泡沫橡胶是我们模型的皮肤表面，绳子是肌肉，桌子是头骨。关注外皮的运动和形态，而不是肌肉，可以指导我们根据突出的面部肌肉形成的皱纹做出拓扑决策。虽然了解肌肉和面部解剖结构是有利的，但过于详细地规划每块肌肉和皱纹的边缘结构可能会妨碍头部模型的真实感，导致死胡同。我们应该夸大参考图上的皱纹并构建我们的拓扑。
这是在参考图像上勾勒出拓扑结构的基本示例。我们从最相似的皱纹开始，然后建立相交的边缘流。由于大多数人脸在解剖学上大约有 99% 相似，因此拓扑结构不会发生显着变化。以下是面部拓扑的一些好例子和坏例子：
通过查看这些良好的拓扑示例，您可以看到每个模型的拓扑略有不同，但仍然基于相同的边缘流和规划概念。“人类的基因相似度达到 99.97% 左右。是的，脸上的线条看起来不同，但我们都具有相同的底层拓扑，这些线条的潜力。这就像我们手掌中的线条，略有不同但基本非常相似 - 例如，您永远不会看到有人的线条从拇指到小指朝相反的方向延伸。”
Steven Stahlberg – “D'artiste：角色建模” Ballistic Publishing 2005
“在男性身上，鼻唇沟在延伸至下巴时会形成典型的双分号形状，下一条皱纹与之平行。几乎世界上每个人都有类似的情况。（少数人的鼻唇沟在下巴处稍微向下弯曲。”
史蒂文·斯塔尔伯格 (Steven Stahlberg)，网址：www.cgociety.com
最好知道我们的人脸中没有这样的环状结构。正如我们在这些参考资料中看到的，将我们的脸部结构分解为边缘环只是为了充分简化多边形拓扑。因此，3D 技术术语中的脸部拓扑是近似的，并且头部没有绝对完美的拓扑；这取决于我们的参考资料和 3D 建模的目的。
“在男性身上，鼻唇沟在延伸至下巴时会形成典型的双分号形状，下一条皱纹与之平行。几乎世界上每个人都有类似的情况。（少数人的鼻唇沟在下巴处稍微向下弯曲。”
史蒂文·斯塔尔伯格 (Steven Stahlberg)，网址：www.cgociety.com
最好知道我们的人脸中没有这样的环状结构。正如我们在这些参考资料中看到的，将我们的脸部结构分解为边缘环只是为了充分简化多边形拓扑。因此，3D 技术术语中的脸部拓扑是近似的，并且头部没有绝对完美的拓扑；这取决于我们的参考资料和 3D 建模的目的。
3.2 3D 人脸建模规则
人脸建模的规则与其他物体相同：
– 保持合适的三角形数量（不要太高以便于编辑，也不要太低以便获得更好的 3D 面部建模定义）。
– 尽可能多地使用四边形，必要时使用三角形，不推荐使用三角形，但使用几个三角形来终止我们的边缘循环以避免添加额外的不必要的循环并没有什么坏处，但请记住，在动画和平滑时模型可能不会很好地变形。不过，这将为我们节省不必要的边缘循环和面。
– 避免极点（顶点共享超过 4 条边，在我们的模型中不可能避免极点，但我们应该将它们隐藏在模型中不太明显的区域，因为有极点的区域没有得到适当的平滑处理）
– 这些区域通常有杆子，是可以接受的。
多边形应始终为圆胖或方形，而不是细长或菱形（有些可以形成皱纹）。方形和圆胖的多边形在变形时保持得更好。
– 边缘方向不应跨越表面的曲率线。
– 最糟糕的情况是拓扑与表面形状的曲率线成 45 度角，导致菱形变形，这在之后的渲染和平滑时会看起来很糟糕。
“最具挑战性的部分是找到平衡点，既要有足够多的细节来满足需要，又要构建尽可能轻巧的模型”
Francisco A.Cortina“D'artiste：角色建模”-Ballistic Publishing 2005。
我们拥有的边缘和多边形越多，我们的模型就越准确和逼真，但我们编辑和维护它的复杂程度也越高。这适用于静态图像和动画。对于静态图像来说，有时这样做是可以的，但最好尽可能保持模型的亮度和低分辨率。如果我们想要额外的细节，关键在于纹理部分——尤其是典型和位移贴图。
3D头部造型中的主要拓扑线条：
绿线主要是帮助多边形流根据表面曲率形成身体部位的形状，而红线则会在特定的极端表达时发挥作用。
注意：根据动画要求，不同头部模型的红线环会有所不同；脸部的表情和皱纹越极端，就必须在脸部添加越多的额外红线才能正确构建变形。
4- 执行 3D 人脸建模的不同方法
塑造人体头部的方法有很多种，每个人都有自己舒服的塑造方式。以下是我总结的一些主要方法：
4.1 多边形建模
多边形建模是最流行、最基本、最直接的 3D 人脸建模方法。在多边形建模中，它有不同的方式：
– 从早期形状开始（立方体或球体等）：有些人从修改立方体或球体等基本网格开始。我们首先勾勒出头部的整体形状，并删除一些不必要的面和边缘环以形成基本拓扑。然后我们开始进行详细建模，在眼睛、鼻子、嘴巴等区域周围添加更多边缘和面。
从曲线/直线和分离部分开始：有些人喜欢绘制曲线（上面提到的绿线），这些曲线沿着参考图中身体部位的表面曲率延伸；这些线一起将形成一个基本的头部形状。毕竟，围绕线条挤出多边形并开始构建面部的分离部分，完成后将它们连接在一起，并继续编辑这些间隙（添加红线）以形成完整的面部。
多边形建模让我们可以直接控制边、面和顶点；它可以快速轻松地跟踪 3D 人脸建模过程，但它需要大量的编辑工作，有时对于需要高平滑度和准确性的表面效果不佳。不过，在我看来，对于人体头部 3D 建模，它效果最好。
4.2- Sub-D 建模
SUB-D：这也可以称为多边形建模。很少有人选择这种方法。
一开始，它与多边形建模相同。一旦我们有了基本的头部模型，我们就可以通过向细节更多（需要更多边缘/顶点）的区域添加边缘流来进一步完善细节，例如眼睛、鼻子和嘴唇等其他区域。基础网格允许 N-gone 和未终止的边缘循环，因为我们必须平滑整个模型才能将所有多边形转换为四边形。
这种方法的优点是层次结构工作流程，如果我们想改变头部的整体形状，它允许我们轻松地在基础级别编辑顶点，同时不必担心这些细节区域创建的细节/额外边缘环。另一个优点是，当我们进入更高级别时，低分辨率版本的模型不需要在拓扑上完美，所有这些 N-gone 都将是四边形且平滑的，不会丢失任何细节。
4.3- Zbrush/Mudbox 雕刻建模
雕刻：另一种建模人类头部的方法是使用 3D 雕刻软件，如 Zbrush 或 Mudbox。我们可以从最基本的初级基础网格开始，然后雕刻并为模型添加细节。
这种方法的优点是我们可以用数百万个多边形来细化我们的头部模型，从好的方面来说：建模和拓扑的过程是分开的，所以我们可以一次专注于一件事，先建模，然后再拓扑！从高分辨率模型中，我们可以生成法线贴图、腔体贴图、位移贴图等。这些纹理将对我们以后的纹理工作有很大帮助。
缺点是：这种方法需要花费大量时间，而且我们必须同时创建超高分辨率模型和低分辨率模型。此外，我们需要有良好的雕刻技巧才能雕刻出具有细节的出色高分辨率模型。但这些只是我能找到的这种方法的几个缺点。它确实很好，现在很多艺术家都在使用。雕刻正日益成为主流。
在我上面提到的所有 3D 面部建模方法中，我最熟悉的是基本多边形建模，我将使用它在 Maya 中创建基础网格。然后，我将把它带入 Zbrush 进行雕刻和重新拓扑。然后，我可以将 Zbrush 中最低级别的网格导出回 Maya，并应用在 Zbrush 中生成的位移图和法线图，使其看起来像原始的高分辨率模型。
尽管如此，我们可以使用头部的重新拓扑（无论是在 Zbrush/Mudbox 还是 3D 软件包中完成）来创建更轻/拓扑正确的模型，但仍然保持与我们的高分辨率雕塑模型相似的外观。
5- 3D 人脸建模工作的细节和技巧
然而，尽管我们使用的是 3D 建模方法，以下是一些我们应该注意的技巧和细节。
5.1- 眼部区域
“眼睛是心灵之窗，”他们说。眼睛是绘画和 3D 中至关重要的元素。观众总是首先看角色的眼睛。眼睛是角色面部最有特色的部分。因此，我们在眼睛上花费额外的时间永远不会是多余的。
最好使用球体作为参考来制作眼睑模型，否则它们看起来会不自然，并与眼球相交。眼睑主要由上下眼睑形成的两条曲线决定。我们还应该向内添加一个额外的边缘环来增加眼睑的厚度。眼睑厚度的角度也要注意，这样它们才能更好地捕捉光线。
眼角应该用真实的多边形建模（即，不仅仅是纹理/凹凸贴图），否则我们的眼球将无法容纳在眼窝中。有些人将眼角与脸部分开制作，但这会使它看起来像眼角的污垢，因此最好将所有东西都作为一个联合网格对象。
在眼睛周围制作绝对圆形边缘环时不建议这样做。相反，我们应该从外眼角向外画一条线，以帮助增加上眼睑的体积。这些小细节从远处看并不明显，但在特写场景中，它们使眼睛看起来更加真实和有灵魂。
5.2 眼球
许多人都低估了这一部分，他们只使用一个简单的球体来制作眼球。这使得眼睛看起来像机器人和娃娃。看着逼真的眼球，我们可以看到眼球看起来更深邃、更有光泽。
关键是我们必须模仿人类眼球的真实解剖结构。目前建模真实眼睛最常用的方法是将眼球分成两个独立的部分：角膜和眼球。
– 角膜就像一个球体，但在中心处向前弯曲，其透明度只能捕捉镜面反射、反射甚至折射。
– 眼球是球形的，但中心向内凹陷形成虹膜。
这种详细的3D建模可以使我们的模型看起来可信。
并且眼睑和眼球之间的水部分也应该建模为单独的网格对象，以便在眼睛周围形成逼真的水环。
5.3- 睫毛和泪水
让睫毛呈现出自然的正确形状至关重要。睫毛的很多特征决定了睫毛的形状。
“要记住的一件重要事情是纠正长度和位置的聚集和随机性。下眼睑的睫毛往往聚集在一起，数量较少，而上眼睑的睫毛聚集在一起的数量较多。眼睑内角的小膜，或“泪痕”，是眼睛最重要的元素之一。”
Francisco A.Cortina——“D'artiste：角色建模”——Ballistic Publishing 2005。
许多人使用带有睫毛纹理的图像平面。但这会使睫毛看起来很平，在特写镜头中效果不佳。我对制作睫毛的不同方法做了一些额外的研究。有些人使用 Maya 中的 Hair & fur 或 Hair 插件来制作睫毛，但这仍然不适合特写镜头。我发现制作睫毛的最佳方法是：多边形睫毛！无论我们使用什么方法，输出都应该是多边形。多边形睫毛看起来更好，更有深度感，投射出更出色的阴影。
我们可以使用 Maya paintFX 或第三方插件来制作眼睫毛并将其转换为多边形。我习惯使用 Maya paintFX 头发来为睫毛建模，然后将其转换为多边形。我仍然可以以多边形形式正确渲染睫毛，同时保留 PaintFX 的构造历史，我可以修改随机性、厚度和股数）。
5.4- 鼻子和嘴唇
“鼻子和嘴唇都包含面部形状的一些最微妙的变化。与绘制和雕刻面部一样，关键在于根据底层骨骼和肌肉了解它们流动的平面和角度。”
Francisco A. Cortina——“D'artiste：角色建模”——Ballistic Publishing 2005。
通过研究，我发现了这些区域的一些优秀的拓扑布局：
鼻子周围的边缘形成一个圆弧，从鼻尖开始，沿着鼻翼延伸，终止于人中与鼻孔交界的地方。我们经常犯的错误是边缘环没有绕鼻子，而是像网格一样绕，这会让鼻子看起来又方又大。
在嘴唇区域，我们应该至少有 2 个边缘环从嘴角伸出，否则模型的嘴看起来就像被切开一样。此外，为了强调嘴唇的形状，我们应该在嘴唇区域周围添加一个额外的边缘环，因为如果没有这个边缘环，当我们平滑或细分一个级别时，lib 形状将被平滑。
此外，我们为头部建模时嘴巴是闭合的，但最好在鼠标内部添加一些额外的脸部环，以便在角色张开嘴巴时隐藏边界边缘。
5.5 下巴
在下巴区域，我们应该用一个方形多边形区域从上方终止边缘。这种拓扑结构将使我们能够更有效地调整下巴的形状，或者以防我们的角色有双下巴。我们还应该有一个从下巴开始到耳朵终止的边缘环，这将更好地形成我们角色的下颌骨。
5.6 耳朵
耳朵是脸部非常棘手的区域。它具有螺旋结构，细节丰富。如果我们不小心，可能会在它上面花费太多多边形。最简单的方法是单独建模耳朵，同时考虑到其边缘流需要满足头部拓扑。最后，我们可以将耳朵缝合到头部模型上，缝合区域周围可能会有一些三角形，但它们在动画时几乎不会变形，因此很安全。这个分离的耳朵模型将来可以重复用于任何其他模型。
6- 3D 人脸建模优化
我们必须考虑我们的 3D 脸部建模是否足够好，可以进入下一个阶段，例如 UV 或雕刻。在进入下一步之前，我们应该不断检查我们的拓扑结构，以检查是否有不必要的边缘环、三角形、严重变形的脸部等。这将使我们以后的工作变得容易得多。
– UV 映射：除非我们必须改变角色的半边脸，否则必须尽可能保持模型拓扑的对称性。这将极大地帮助我们进行 UV 和纹理处理，无论是在 Maya 还是其他软件中。
– 动画清单
– 审查我们的拓扑结构，以检查我们的角色的脸部在表达时是否会出现出色的畸形。
– 如果我们的角色说话或张开嘴，我们必须隐藏嘴唇内侧区域的开口边缘或模拟嘴巴的内部结构。
– 在上眼睑区域放置一个额外的边环，这样当角色闭上眼睛时，眼睑就有足够的多边形来覆盖眼球。
– 如果角色有皱眉或怒视的表情，额头区域会形成一些皱纹。除非我们想通过纹理来实现，否则我们应该在额头区域周围添加一些额外的边缘环，以便有足够的多边形来使这些皱纹变形。但如果我们不想要这种逼真的变形，这并不总是必要的。
7 – 关于 3D 人脸建模工作的最终想法
人脸建模是 3D 图形中的常见主题。人脸建模是一项简单的任务，但最困难的事情在于构成人脸独特特征和性质的细节和形状的和谐。一个小小的变化可能会导致巨大的差异。有时很难评估脸部看起来是对还是错。如果看起来不对，应该编辑哪个部分？逼真且成功的脸部模型在很大程度上取决于纹理、着色器和灯光。然而，如果没有坚实、稳定的基础——模型本身，这些部分就永远不会成功。