基于角色和场景的细节刻画
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摘 要：《淮南子・原道》中有云：“事之成败，皆有小生。”目前CG动画中的角色和场景的细节，在视觉表现上越显细腻真实，这样的刻画和表达不仅丰富了创造对象，也能更好地烘托出表现的内容和画面的氛围。同时，细节表达过多显得矫揉造作，过少则又空洞乏味、了无生趣。完美的细节制作，即使没有气势恢宏的场景和个性特征鲜明的人物造型，却也能十分耐人寻味。如今，计算机硬件设施频繁得更新换代，而在使用数字平台创作角色和场景时，细节手法的运用却依然如故――是次时代游戏中主流的法线贴图和影视CG制作中经常使用的置换贴图。
关键词：法线贴图；置换贴图；细节表现
追溯CG制作的历史，从初期的Bump Map灰度图应用开始，到之后Normal Map的使用，一方面由于硬件技术的不断升级，另一方面则是画面细节表现的优势所趋。Bump Map灰度图在使用的初期，我们将一张带有颜色的图片处理成灰色调或者去色，新生成的图片只有黑白灰的层次显示，视觉所能识别的只是画面不同的灰阶所表示出的凹凸的高低，而不能再确切地代表画面的色彩所表达的原有高低层次的关系。即使这样，我们现在仍有在沿用这样的技术。
法线贴图（Normal Map），作为凹凸贴图技术的延伸代，也是本文探讨技术应用的重点之一。然而，什么是法线贴图呢？法线是垂直于物体表面轴向的线，当我们在绘制出物体表面的凹凸细节时，如何才能将细节转换到贴图上面呢？大家都知道的是，一个三维的向量有X、Y、Z三个分量组成，我们所能模拟的是使用这三个分量当作RGB三原色的储存数值，这样的话就可以将物体表面的凹凸数值借助于RGB三原色和UV布局生成法线贴图。
从图像分析层面看：首先，法线贴图的细节展现比凹凸灰色贴图纹理显示更加精细。原因在于传统的凹凸贴图只能利用灰色调单通道来表现图像，法线贴图则利用RGB三种颜色多通道来表达图像信息；其次，传统的凹凸贴图只能表达出法线向量的大小，而法线贴图在表达法线向量大小的同时还能正确的表达出法线的方向。
从实际应用效果层面来讲：法线贴图在灯光位置角度和模型查看角度改变的情况下，仍然可以得到正确的着色和阴影显示。值得注意的是，在理论角度分析上法线的表达有世界坐标和切线坐标的两种分类，而在实际使用中，切线坐标的效果是最为常见的一类。
置换贴图（Displacement`Map），同样是基于计算机数字平台对角色和场景的细节表达。置换贴图是有别于凹凸贴图和法线贴图的细节表达形式的，因为置换贴图的获取是通过一个高精度的模型烘培出物体细节的具体坐标位置，再将得到的细节转换到低面数或是中等面数的模型上进行表现。置换贴图在获取表达细节的时候，可以让原有几何体的点按照贴图中定义的细节坐标位置去表达。遵循这样的图像计算方式，渲染输出的模型效果要与计算前的中低面数的模型效果有着很大的形体差异，在拥有这样的数字刻画方式之后，我们可以清晰的感觉到置换贴图技术在表现细节的深度上有着不可替代的地位。然而，这样的技术，在应用中要花费大量的时间，用以计算几何体原有的细节位置。但值得庆幸的是，这样的计算和应用却比我们直接使用高精度模型要带来很多操控上的便利和时间资源等各方面的节省。
我们在CG制作过程中，进行角色和场景的细节刻画，通常可以在模型的创建过程中添加细节，通过点线面的拉伸挤压，实现我们要创作的效果。这样的制作对于一些道具部件细节，例如：铆钉和块面的修饰细节塑造上有很好的效果，类似这样的制作方式一直以来都有在行业的制作中使用，并且经久不衰。但是这样的塑造，既需要有虚拟空间的角色塑造能力又需要有很扎实的美术基础，且效率的空间却很小。
数字雕刻软件面市之后，对于细节的制作方式有了很大的改观，尤其是在制作效率上，以Zbrush和Mudbox为例，这样的雕刻软件没有直接的点线面的操控，而是通过在细分之后的高精模型下，使用笔刷来进行雕刻处理，模型的细节可以自定义塑造。大大增强了细节塑造的创新性和便捷性。
我们在创作中，经常会涉及人物角色和其他的一些生物角色，这样的模型在制作中有很多随机的变化细节特征，例如：面部的伤口，类似鳄鱼蜥蜴的皮肤纹理等皱褶起伏较大且比较细腻的纹理。此时如果使用传统的点线面的模型创建的话，那么在实际的创作中很多细腻的肌理效果是难以体现出来的。而数字雕刻例如Zbrush，Mudbox这样的应用软件，操作形式如同传统的泥塑的制作，则可以在表达上做到淋漓尽致。与此同时，此类软件在绘制完角色之后，还可以输出颜色贴图（Color Map），闭塞环境贴图（AO贴图）等应用，来满足各方面制作的需要。无论是Zbrush，Mudbox 这样的雕刻软件还是像Maya，3dsMax，XSI为主创的三维综合软件，在绘制好细节后，均是在软件内用面片构造数目较低的模型包裹细节较多的高面数模型，烘焙获取纹理细节。相比较而言，在模型相对复杂的情况下，综合制作软件Maya，Max，XSI对法线贴图和置换贴图的输出时间比较长。当然，像Xnormal这样直接为游戏制作而设计的贴图烘焙软件也是拥有极大使用价值，因为这样不仅可以相对高效的输出各种纹理贴图，还可以赋予低面数模型，进行实时查看的功能，以便及时对贴图的瑕疵作出修改。
当下，在各类游戏引擎中，例如Unity3D，UDK，CryEngine，法线贴图在其中使用时不仅拥有高品质模拟的细节信息，同时还可以随着环境的影响在光影效果上有着正确的实时表达，再配有上等的硬件设备，显示效果很是逼真。如果要模拟原始高精度模型的凹凸细节，这样的技法可以适用于现在众多的次时代游戏制作，以及一些影视制作中。然而，在对于部分近距离特写镜头的表现上，却很容易造成穿帮，或是显得细节表达很粗糙。这就好比一张高清像素的照片，当你放大一定的倍数之后，最终还是会呈现出许多像素点。而我们介绍的置换贴图却是对原始图像细节的真实还原，模型的面数不需要高精细腻，方便动画的制作和特效的设计，同时可以在渲染的时候拥有出色的真实细节的效果，所以在影视中尤其是写实刻画的镜头中会经常使用这样的技术。法线贴图的效果模拟在影视制作中需要适当的画面细节效果，却不需要过于细腻的表达的时候，也会经常用到，例如近景、中景的内容刻画。
纵观CG制作的表达需求，法线贴图和置换贴图在众多的使用中，都有各自的计算优势和独树一帜的表达技巧。我们在设计创作之前，一定要综合所设计的画面效果和硬件设施的使用情况，计划安排好制作的贴图应用类型，使作品的创作省时、高效。
参考文献：
[1]王以斌.Maya材质、贴图与渲染精粹[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]吴伟.角色设计全书（卷一）：巅峰游戏造型艺术与技术[M].北京：清华大学出版社，2013.
（作者单位 江苏省南京三江学院）