引言

在计算机图形学（CG）领域，角色建模是创建虚拟角色的核心环节。多边形建模作为最主流的建模技术之一，因其直观、灵活且兼容性强而被广泛应用于游戏、影视、动画等行业。本文将深入探讨CG角色多边形建模的核心技巧，并解析常见问题，帮助初学者和中级建模师提升技能。

一、多边形建模基础

1.1 多边形建模概述

多边形建模是通过组合顶点（Vertex）、边（Edge）和面（Face）来构建三维模型的过程。与NURBS建模相比，多边形建模更适合有机生物体（如角色）和硬表面物体，因为它能更好地控制拓扑结构。

1.2 基本工具与工作流程

  • 常用软件：Maya、3ds Max、Blender、ZBrush（用于高模雕刻，但常与多边形建模结合）。
  • 核心工具：
    • 挤出（Extrude）：沿法线方向拉伸面。
    • 环切（Loop Cut）：添加新的边环以增加细节。
    • 桥接（Bridge）：连接两个开放的边环。
    • 焊接（Weld）：合并顶点。
    • 平滑（Smooth）：通过细分曲面平滑模型。

1.3 拓扑结构的重要性

拓扑结构决定了模型的变形能力（如骨骼绑定后的动画效果）。良好的拓扑应遵循以下原则：

  • 四边面为主：避免三角面和N-gon（多于四边的面），因为四边面在细分和变形时更稳定。
  • 均匀分布：细节区域（如关节、面部）需要更密集的边环。
  • 避免极点：极点（五边或更多边交汇的顶点）会导致变形异常，应尽量减少。

二、角色建模核心技巧

2.1 从基础形状开始

不要从零开始创建每个顶点，而是从基本几何体（如立方体、球体）出发，逐步塑造角色轮廓。

示例：创建头部基础

  1. 创建一个立方体，调整分段数（如3x3x3）。
  2. 进入编辑模式，使用挤出工具拉出鼻梁、下巴和额头。
  3. 使用环切工具在眼睛和嘴巴位置添加边环。
  4. 通过镜像对称（Symmetry）工具快速创建对称模型，节省时间。

2.2 使用参考图

参考图是角色建模的基石。建议使用三视图（前视图、侧视图、顶视图）作为参考。

示例：在Blender中设置参考图

# Blender Python脚本示例：添加参考图
import bpy

# 添加前视图参考图
bpy.ops.image.open(filepath="path/to/front_reference.png")
front_img = bpy.data.images["front_reference.png"]
front_img.name = "Front_Reference"

# 创建平面并附着参考图
bpy.ops.mesh.primitive_plane_add(size=2)
plane = bpy.context.object
plane.name = "Front_Ref_Plane"
plane.data.uv_textures.new(name="Ref_UV")
plane.data.materials.new(name="Ref_Mat")
mat = plane.data.materials[0]
mat.use_nodes = True
nodes = mat.node_tree.nodes
nodes.clear()

# 创建纹理节点
tex_node = nodes.new(type='ShaderNodeTexImage')
tex_node.image = front_img
tex_node.location = (0, 0)

# 连接节点
output_node = nodes.new(type='ShaderNodeOutputMaterial')
mat.node_tree.links.new(tex_node.outputs['Color'], output_node.inputs['Surface'])

# 调整平面位置和旋转
plane.location = (0, 0, 0)
plane.rotation_euler = (0, 0, 0)

2.3 细节雕刻与优化

在基础模型完成后，使用ZBrush等工具进行高模雕刻，然后通过拓扑重布线（Retopology）生成低模。

示例：拓扑重布线流程

  1. 将高模导入Blender。
  2. 使用“Shrinkwrap”修改器将低模包裹在高模表面。
  3. 使用“Multiresolution”修改器逐步细分，同时保持四边面结构。
  4. 导出低模用于动画绑定。

2.4 UV展开与纹理贴图

UV展开是将三维模型表面映射到二维平面的过程，直接影响纹理贴图的准确性。

示例：自动UV展开与手动调整

# Blender Python脚本：自动UV展开
import bpy

obj = bpy.context.active_object
bpy.ops.object.mode_set(mode='EDIT')
bpy.ops.mesh.select_all(action='SELECT')
bpy.ops.uv.smart_project(angle_limit=66, island_margin=0.02)
bpy.ops.object.mode_set(mode='OBJECT')

手动调整技巧：

  • 使用“UV Squares”插件将UV拉直。
  • 确保UV岛之间有足够的间距，避免纹理拉伸。

三、常见问题解析

3.1 模型变形异常

问题：在骨骼绑定后，模型在关节处出现扭曲或撕裂。 原因：拓扑结构不合理，关节处边环不足或存在极点。 解决方案：

  1. 在关节处添加至少3-4条边环（如肘部、膝盖）。
  2. 避免在关节处使用三角面或N-gon。
  3. 使用“Smooth Bind”后调整权重绘制（Weight Painting）。

示例：肘部拓扑优化

  • 不良拓扑：肘部只有1-2条边环，导致弯曲时拉伸。
  • 优化后：肘部有4条边环，形成“蜂窝”结构，确保平滑变形。

3.2 模型面数过高或过低

问题：游戏模型面数过高影响性能，影视模型面数过低导致细节不足。 解决方案：

  • 游戏模型：通常控制在10,000-50,000三角面（根据平台调整）。
  • 影视模型：可使用数百万三角面，但需通过LOD（Level of Detail）分级。
  • 优化技巧：
    • 使用“Decimate”修改器减少面数。
    • 合并不必要的顶点（如焊接距离过近的顶点）。

3.3 纹理拉伸与接缝问题

问题：UV展开后，纹理在模型表面出现拉伸或接缝明显。 原因：UV岛布局不合理或拉伸比例不一致。 解决方案：

  1. 使用“Minimize Stretch”工具减少拉伸。
  2. 将接缝隐藏在模型不可见区域（如腋下、后脑）。
  3. 使用“UDIM”多象限UV布局，为不同区域分配独立纹理。

示例：UDIM UV布局

  • 将角色头部、身体、四肢分别映射到不同的UV象限（如1001、1002）。
  • 在纹理软件（如Substance Painter）中为每个象限分配独立纹理。

3.4 模型比例失调

问题：角色比例不协调，如头过大或四肢过短。 解决方案：

  1. 使用“人体比例参考”（如8头身比例）。
  2. 在建模初期设置单位系统（如1单位=1米）。
  3. 使用“Measure”工具检查关键尺寸（如肩宽、腿长）。

示例：Blender中测量工具

# Blender Python脚本：测量两点距离
import bpy
from mathutils import Vector

# 获取两个顶点的位置
v1 = Vector((0, 0, 0))  # 示例顶点1
v2 = Vector((1, 0, 0))  # 示例顶点2
distance = (v2 - v1).length
print(f"距离: {distance} 单位")

四、高级技巧与最佳实践

4.1 使用修改器堆栈

在Blender中，修改器堆栈可以非破坏性地调整模型。例如：

  • 细分曲面（Subdivision Surface）：平滑模型，但需注意拓扑。
  • 镜像（Mirror）：对称建模，节省时间。
  • 实体化（Solidify）：为薄片添加厚度。

4.2 脚本自动化

使用Python脚本自动化重复任务，如批量处理UV或生成基础形状。

示例：批量生成基础形状

import bpy

def create_base_shape(shape_type, location):
    if shape_type == "cube":
        bpy.ops.mesh.primitive_cube_add(location=location)
    elif shape_type == "sphere":
        bpy.ops.mesh.primitive_uv_sphere_add(location=location)
    # 可扩展其他形状

# 生成多个基础形状
shapes = [("cube", (0, 0, 0)), ("sphere", (2, 0, 0))]
for shape_type, loc in shapes:
    create_base_shape(shape_type, loc)

4.3 性能优化

  • LOD系统：为游戏模型创建多个细节级别。
  • 纹理压缩：使用BC7或ASTC格式减少内存占用。
  • 实例化：对于重复元素（如头发、毛发），使用实例化技术。

五、总结

CG角色多边形建模是一个结合艺术与技术的过程。掌握基础工具、理解拓扑结构、善用参考图和脚本自动化，能显著提升效率和质量。常见问题如变形异常、纹理拉伸等，均可通过优化拓扑和UV布局解决。持续练习并参考行业标准（如游戏引擎的面数限制），将帮助你成为更专业的建模师。

通过本文的技巧和示例，希望你能更自信地应对角色建模挑战，创作出更生动、更真实的虚拟角色。