Porsche — Underwater road
3d award

Моделирование головы. Часть 1

 diablo_ 388.03587.2 18 мая 2006 в 00:00

Моделирование головы

Голова и лицо имеют очень сложную структуру, которая с трудом подвергается моделированию, не говоря уже об анимации. Скульпторы годами изучают эти части человеческого тела. Компьютерное конструирование данных объектов также требует большой практики. Цифровая модель должна быть не только правдоподобной, но и легко поддаваться анимации. Сделать простую модель лица - это одна задача; создание модели для последующей анимации - совсем другая. Человеческое лицо способно выражать широкий спектр эмоций при тончайших изменениях черт.

Создать абсолютно правдоподобную копию лица при помощи компьютера не всегда удается даже самым умелым художникам. При конструировании данного объекта применяются те же методы, что и при моделировании других частей тела, независимо от того, насколько реалистичным или стилизованным должно быть изображение. Имея в своем распоряжении базовую модель головы, вы можете модифицировать ее и приспособить для практически любого персонажа.

Анатомическое строение головы и лица

Прежде чем приступать к созданию цифровых моделей головы и лица, необходимо изучить их анатомическое строение. Из этих двух объектов более важным, безусловно, является лицо, поскольку именно его черты постоянно изменяются. Остальная часть головы обычно играет для него роль жесткой рамки, которая, как правило, малоподвижна.

Голова состоит из двух основных частей: черепа и нижней челюсти (рис. 5.1). Мелкие кости черепа скреплены хрящами. Его можно рассматривать как массивный объект на верхушке позвоночника, способный совершать некоторые движения. Положение нижней челюсти - костной основы нижнего отдела лица - влияет на его вид. Чем ниже опускается челюсть, тем шире открывается рот. Хотя ни череп, ни челюсть не видны внешнему наблюдателю, они определяют состояние мышц лица и, соответственно, мимику персонажа.


Рис. 5.1. Костная основа головы

Лицевые мышцы

На лице располагается множество мышц, сокращение и растяжение которых приводит кожу в движение. Знакомство с их строением и функциями поможет вам при конструировании моделей. Рассмотрим основные мышцы лица (пункты приведенного ниже списка соответствуют обозначениям на рис. 5.2).

A. Levator labii superioris (Мышца, поднимающая верхнюю губу). Начинается у основания носа и соединяется с серединой верхней губы. С ее помощью верхняя губа приподнимается в презрительной усмешке.

B. Zygomatic major (Большая скуловая мышца). Эта. мышца проходит вдоль щеки и соединяется с углом рта. Она приподнимает уголки рта при улыбке.

C. Risorius (Мышца смеха). Идет вдоль челюсти и прикреплена к углу рта. Благодаря ей рот может растягиваться в стороны и вниз, как при плаче.

D. Triangularis (Мышца, опускающая угол рта, или треугольная мышца). Проходит вдоль нижней стороны челюсти и позволяет опускать угол рта. Если она задействована, то лицо приобретает хмурое, насупленное выражение.

E. Depressor labii inferioris (Мышца, опускающая нижнюю губу). Соединяет нижнюю губу с подбородком. При разговоре отводит нижнюю губу вертикально вниз.

F. Mentalis (Подбородочная мышца). Эта мышца прикреплена к коже подбородка. При ее сокращении подбородок приподнимается, и нижняя губа выпячивается в гримасе недовольства.

G. Orbicularis oris (Круговая мышца рта). Прикреплена к уголкам рта, позволяет кривить или плотно сжимать губы.

Н. Orbicularis oculi (Круговая мышца глаза). Эта мышца соединяет щеку с областью, прилегающей к глазу. При ее сокращении прищуриваются глаза.

I. Levator palpebrae (Поднимающая веко мышца). Прикреплена к верхнему веку и приподнимает его, если лицо выражает удивление.

J. Corrugator (Мышца, сморщивающая бровь). Она идет от переносицы к середине бровей; позволяет хмурить брови, изображая озабоченность или недовольство.

К. Frontalis (Лобная мышца). Проходит по лбу и соединена с бровями; позволяет поднимать брови вверх.

Чтобы применить эти знания при конструировании и анимации цифровых моделей, необходимо хорошо представлять себе, как движение перечисленных мышц влияет на выражение лица. Фактически все мышцы делятся на две группы: нижней части лица, управляющие движением рта и челюсти, и верхней - управляющие глазами и бровями.


Рис. 5.2. Мышцы лица

В области рта мышцы выполняют три основных типа движения: мышцы, проходящие вдоль щек и челюстей, растягивают губы в радиальном направлении от восьми основных точек, к которым они прикреплены; мышцы, расположенные вокруг губ, позволяют сжимать их и выдвигать вперед; наконец, может опускаться челюсть (рис. 5.3).

В области глаз мышцы выполняют три основных вида движения: с их помощью поднимаются и опускаются веки; мышцы лба позволяют поднимать и опускать брови; мышца, сморщивающая бровь, сдвигает брови к переносице, в результате чего появляются морщины (рис. 5.4).

Если вы сможете создать модель лица, допускающую движения вдоль тех направлений, по которым растягиваются и сокращаются мышцы, при анимации она будет выглядеть достаточно убедительно.


Рис. 5.3. Мышцы, окружающие рот


Рис. 5.4. Мышцы, расположенные в области глаз

Основные методы моделирования головы

Прежде чем приступить к разработке цифровой модели головы, ознакомьтесь с возможностями имеющихся у вас инструментов анимации. Имеется множество способов создания и анимации моделей лица, но кто знает, может, вы сумеете придумать новые, более эффективные методы.

«Наклеивание» черт лица

Проще всего строить модель методом «наклеивания» или вставки деталей. Этот способ позаимствован из кукольной анимации. Вспомните Гамби (Gumby) или мистера Картофельная Голова. Эти персонажи имеют головы простой формы, к которым прикреплены имитирующие черты лица детали. Данный прием был использован в рождественских фильмах студии Rankin-Bass в 60-е годы («Rudolph the Red-Nosed Reindeer» - «Рудольф, северный олень с красным носом» и «Santa Claus Is Coming to Town» - «Санта-Клаус приходит в город») при анимации кукол. Аналогичные принципы применимы и в цифровой анимации.

В методе вставки большинство черт лица персонажа - отдельные объекты, поэтому нет необходимости в построении и анимации сложной модели.

Отдельные компоненты модели можно создать из элементарных фигур. Для глаз подойдут сферы, рот формируется из тора, нос также может быть сферическим. При анимации рта используются методы обновления. Анимацию простых объектов, которые показаны на рис. 5.5-5.8, несложно выполнить в большинстве пакетов.

Еще один метод моделирования заключается в том, что черты лица накладываются в виде текстуры, которая также участвует в анимации. В результате задача моделирования становится тривиальной - в качестве модели головы можно задействовать даже элементарную сферу, поскольку все детали находятся на карте (рис. 5.9). Черты лица наносятся на карту и «оживляются» вручную или при помощи пакета двумерного рисования


Рис. 5.5. У этого персонажа незамысловатое лицо


Рис. 5.6. Детали лица, включая нос, были просто прикреплены к голове


Рис. 5.7. Это еще один персонаж со вставленными деталями морды


Рис. 5.8. Все компоненты, кроме рта, представляют собой отдельные объекты

и анимации. Однако подобный подход может оказаться громоздким, так как для объединения двумерной анимации лица и трехмерной анимации тела необходима совместимость используемого программного обеспечения. Лучше использовать метод обновления; в этом случае динамично меняется прозрачность карты текстуры или видимость геометрического объекта, на который она наложена, благодаря чему одни детали замещаются другими.

Модель лица с эластичной кожей

Чтобы персонаж выглядел реалистично, необходимо построить модель головы и лица с подвижными участками кожи. Для этого придется использовать сложные методы конструирования. Потребуется также пакет, имеющий инструменты анимации для объектов сложной формы и позволяющий воспроизводить различные выражения лица и положения головы.

Полигональная модель головы

Применение многоугольников позволяет построить весьма реалистичную модель лица. Преимущество данного метода заключается в том, что разработчик имеет возможность тщательно контролировать процесс формирования поверхности лица. В полигональной модели несложно вырезать отверстия для глаз и ноздрей.

Чтобы поверхность головы выглядела гладкой, каркас должен быть достаточно плотным. Однако с анимацией, сопровождаемой деформированием сложных геометрических объектов, не всегда справится даже очень мощный компьютер. Обойти проблему можно так: выполнить анимацию модели с низким разрешением, а затем увеличить количество элементов каркаса. Если это сделать нельзя, формирование модели с высоким разрешением переносится на этап визуализации. Эффективная анимация полигональных моделей лица возможна и в хороших анимационных пакетах, если конструкция тщательно продумана и аккуратно построена.

Модель головы, построенная на основе патчей

Другой замечательный способ сконструировать «плоть» - строить модели на основе патчей. В этом случае разработчик может создать лицо, с большой точностью воспроизводящее выражения прообраза. Поскольку подобная конструкция изначально имеет гладкую поверхность и небольшое количество вершин, управлять чертами такого лица очень легко.


Рис. 5.9. Персонаж, лицо которого создано при помощи текстуры

Моделирование при помощи патчей похоже на упражнение в стиле «Баухауза». Чем меньше деталей, тем лучше: конструкция должна отражать соответствующую функцию. Ключ к успеху - максимально простая модель. Аналогично, чем проще структура модели, тем легче включить ее в анимацию. Прежде чем добавлять к каркасу новую управляющую вершину, просто вершину или сплайн, подумайте, какова функция данного элемента. Если вы сомневаетесь в необходимости детали, не включайте ее в модель.

Многие пакеты патч-моделирования не позволяют конструировать поверхности с дырами или разрывами. Чтобы обойти данное ограничение, необходима программа NURBS-моделирования, обладающая инструментом Trim и позволяющая прорезать отверстия в поверхностях. Без подобного инструмента создать отверстия для глаз или рта трудно. Существует множество способов построения патч-моделей головы, и практически в любом пакете можно подобрать подходящие для этого инструменты.

Топология и моделирование лица

При моделировании лица необходимо помнить о том; как оно двигается. В приведенном описании лицевых мышц говорилось о том, что круговые мышцы рта растягивают губы в радиальных направлениях, а брови в основном смещаются по горизонтали. Эти сведения пригодятся в процессе конструирования.

Необходимо также учитывать внешний вид персонажа в целом. К реалистичным и стилизованным героям предъявляются различные требования, например, у мультипликационной собаки может быть очень длинный нос. Если голова персонажа должна быть бесшовно состыкована с телом, возможно, придется воспользоваться комбинацией методов. Как всегда,

Баухауз - высшая школа строительства и художественного конструирования, основанная в Германии в 1919 г. Основные направления - эстетика функционализма, принципы современного формообразования в архитектуре и дизайне, формирование материально-бытовой среды средствами пластических искусств (Советский энциклопедический словарь. - М.: Сов. энциклопедия, 1989). - Прим. перев. наилучшим решением является компромиссное; конструкция головы может быть не идеальной, зато легко достигается управление телом.

Топологически голова представляет собой деформированную сферу. Ориентацию координатной сетки сферы можно выбрать тремя различными способами: расположить «северный полюс» на макушке, на лице (в области рта) или сбоку (в области уха). От ориентации координатной сетки сферы зависит, как станет выглядеть голова и лицо в процессе анимации.

Методы, описываемые в следующих разделах, ориентированы прежде всего на модели, созданные при помощи патчей и NURBS, но ими можно воспользоваться и при работе с полигональными конструкциями. Конечно, программы полигонального моделирования позволяют более свободно управлять топологией объектов.

Размещение полюса модели на макушке

Первое, что приходит в голову большинству разработчиков, - расположить полюс на макушке, и многие качественные модели устроены именно так. Данный подход обладает двумя преимуществами. Во-первых, сплайны располагаются горизонтально, что облегчает управление движением глаз и бровей (рис. 5.10). Во-вторых, нижнюю часть конструкции можно оставить открытой, что -позволит бесшовно состыковать голову с телом (рис. 5.11). Это особенно важно при использовании программ NURBS-конструирования, когда необходимо ограничить количество сопряжений в модели.


Рис. 5.10. Горизонтальное расположение сплайнов


Рис. 5.11. Открытая область шеи

Самый серьезный недостаток рассматриваемого способа связан с областью вокруг рта (рис. 5.12). Горизонтальные сплайны идеально подходят для глаз, но не для рта. Чтобы сформировать ротовую полость, приходится размещать несколько сплайнов пучком в углах рта. В результате при анимации появляются складки. Однако, если персонаж не разговаривает, такое решение вполне приемлемо.


Рис. 5.12 Проблемные участки

Размещение полюса модели в области рта

Модель, полюс которой размещен в области рта, называется радиальной. Данный метод конструирования достаточно эффективен. Он позволяет создать оптимальные модели ротовых полостей: сплайны расходятся по тем же радиальным направлениям, что и лицевые мускулы (рис. 5.13). Анимация движений рта не вызывает затруднений и выглядит правдоподобно (рис. 5.14). Неприятности могут возникнуть только при конструировании глазных впадин, поскольку их ориентация не совпадает с расположением сплайнов.

Решить эту проблему можно, направив продольные сплайны к макушке. Тогда поперечные линии на уровне бровей станут почти горизонтальными, и конструировать глаза будет гораздо удобнее (рис. 5.15).

Однако при подобном расположении сплайнов возникает другое ограничение, связанное с областью, где голова переходит в шею. При стыковке головы с шеей без шва не обойтись. Обычно это не имеет никакого значения, но если шов все-таки нежелателен, сплайны от подбородка следует направить не вверх, а вниз и пожертвовать удобством конструирования области глаз. Решайте сами, какая деталь важнее для создаваемого персонажа.

Например, если брови и глаза героя формируются как отдельные объекты, расположение сплайнов на данных участках не имеет значения, и, следовательно, можно создать бесшовное соединение с шеей (рис. 5.16).


Рис. 5.13. Радиальная модель головы


Рис. 5.14. Размещение полюса координатной сетки в области рта


Рис. 5.15. Модель со сплайнами, направленными к макушке


Рис. 5.16. Расположение сплайнов для бесшовного соединения моделей головы и туловища

Размещение полюса модели в области уха

Конструкция с расположением полюса в области уха наименее популярна, поскольку не дает особых преимуществ. Такое размещение сплайнов лишь незначительно облегчает моделирование глазных впадин: ориентация сплайнов совпадает с расположением бровей и носа (рис. 5.17). Как и в первом примере, область рта остается проблемной, поскольку в его уголках сплайны собираются в пучок (рис. 5.18). Неизбежно возникает шов при стыковке с шеей. Однако высококачественная программа и в этом случае позволит создать убедительную модель.


Рис. 5.17. Расположение полюса координатной сетки в области уха


Рис. 5.18. Пучки сплайнов, образовавшиеся в уголках рта

Выбор топологии

Оптимальный способ конструирования головы из сферы определяется внешним видом персонажа и его назначением.

Если герой будет говорить или просто двигать губами, размещайте полюс координатной сетки в области рта. Это позволит более точно управлять его движением, хотя могут возникнуть трудности при стыковке головы с телом. Но возникшую проблему решить проще, чем работать со ртом неудобной конструкции.

Если герой не говорит и не двигает губами, используйте другие методы. Можно расположить полюс на макушке, поскольку это обеспечит бесшовный переход к шее и упростит стыковку головы с телом.

Размещение полюса в области уха дает минимальные преимущества, а вот трудности возникнут как при анимации рта, так и при стыковке с шеей.

В следующем упражнении показано, как создать базовую модель головы из сферы. Предполагается, что наш герой будет говорить, поэтому полюс координатной сетки расположен в области рта. За счет радиального расположения сплайнов упрощается процесс анимации.

Рассматриваемая модель была создана на основе NURBS-патчей, но те же методы подойдут и для конструирования полигональной модели головы. Готовый объект выглядит достаточно натурально (рис. 5.19). Однако не cдepживaйте свое воображение. Базовая структура может стать основой для множества вариантов, как реалистичных, так и стилизованных.


Рис. 5.19. Модель головы, построенная на основе NURBS-патчей

Упражнение 1. Конструирование базовой модели головы

1. Начните с элементарной сферы, имеющей по 8 координатных линий в каждом направлении. Разместите полюс координатной сетки на передней поверхности.

2. Выделите вершины на передней части сферы.

3. Вдаеите эти точки внутрь сферы, чтобы образовалась выемка для полости рта внутри будущей модели головы.

4. Выделите вершины вокруг губ и выполните масштабирование по вертикали с уменьшением размера. Итак, основа для рта персонажа сформирована.

5. В данном упражнении предлагается направить сплайны к макушке, чтобы один полюс расположился там, а второй - в глотке. Выделяйте по очереди каждый ряд вершин, а затем сдвигайте их и поворачивайте, чтобы сплайны шли вверх и к задней части модели. При необходимости изменяйте форму головы.

6. После того, как будет готова основа модели головы, добавьте необходимые элементы каркаса. Начните с нескольких рядов вершин в окрестности губ.

7. Придайте губам реалистичную форму, выбрав подходящее место для размещения их уголков.

8. Добавьте несколько рядов вершин в области бровей.

9. Придайте форму бровям. То, насколько они станут выступать на поверхности лба, зависит от задуманного вида персонажа, но их базовые сплайны должны быть горизонтальными.

10. Теперь займитесь конструированием носа. Добавьте два сплайна слева и справа от центрального.

11. Выдвиньте наружу вершины, расположенные над верхней губой, и сформируйте нос. (При помощи вершин сплайнов, добавленных в п. 10, можно также сделать более полной верхнюю губу.) Очертания носа зависят от предполагаемого облика персонажа. Для более сложной модели могут потребоваться дополнительные элементы каркаса.

12. Половина работы выполнена. Осталось подкорректировать очертания лица и, если нужно, добавить новые элементы каркаса. Для получения качественной модели необходимы время, терпение и острый глаз. Добавляйте новые детали постепенно, чтобы поверхность объекта оставалась гладкой.

Сложные модели головы

Модели головы, полученные при помощи деформирования сферы, весьма пластичны и могут служить основой для создания множества вариантов. Однако у таких объектов есть и недостатки. Чтобы приладить к ним глаза или шею, приходится вносить изменения в расположение сплайнов вокруг рта.

В подобных случаях следует строить более сложные модели. Удобнее всего воспользоваться многоугольниками, а затем применить к ним операцию дробления, чтобы поверхность объекта стала гладкой.

Можно также скомпоновать модель из нескольких отдельных поверхностей. Например, создать глазные впадины и состыковать их с моделью головы при помощи сопряжений. Подобный подход позволяет снять некоторые топологические ограничения, свойственные сферической модели головы.

Лицо можно сшивать из нескольких патчей. Метод моделирования выбирается в зависимости от используемого программного обеспечения, но базовая конструкция аналогична полигональной модели головы.

Полигональная модель головы

Полигональные модели головы могут иметь различный уровень сложности, но все обладают преимуществом свободного топологического размещения - в каждой отдельной области каркаса допускается располагать его элементы в любом порядке. В отличие от моделей, построенных из сферы, здесь не приходится искать компромисс между конструированием глаз или шеи и размещением каркаса в области рта.

Это свойство полигональных моделей иллюстрируется в следующем упражнении. В области рта ребра каркаса имеют радиальные направления, как и в предыдущем примере. Глаза и брови конструируются независимо от этого. Ребра каркаса в области глазных впадин также имеют радиальные направления, а брови расположены горизонтально, поэтому несложно придать им соответствующую форму и имитировать их движение.

Упражнение 2. Конструирование полигональной модели головы

1. Начните с элементарного куба. Куб, показанный на данном рисунке, имеет семь горизонтальных и девять вертикальных рядов вершин, а также четыре ряда вершин в глубину.

2. Процесс конструирования в данном случае сводится к перемещению элементов каркаса. Для этого объект должен иметь плоские поверхности, поэтому при добавлении деталей не следует менять кубическую форму модели. Выделите два ряда вершин на любой грани, прилегающей к центральному ряду, и передвиньте их друг к другу.

3. Придвиньте друг к другу контуры, расположенные слева от центра.

4. На грани поверхности лица выделите два горизонтальных ряда вершин с каждой стороны от центра и придвиньте их друг к другу.

5. Добавьте несколько элементов, необходимых для конструирования глаз. Выделите многоугольники, лежащие примерно там, где должны находиться глаза, и выполните команду Inset. Если в используемом пакете такой команды нет, примените инструменты Bevel или Extrude, а затем задвиньте полученные грани назад, чтобы они лежали в плоскости исходной грани куба.

6. Повторите эту операцию несколько раз, чтобы создать достаточное количество элементов каркаса для формирования глаз.

7. Переходите к моделированию рта. На грани поверхности лица выделите два горизонтальных ряда вершин ниже глаз и выполните команду Inset (либо используйте инструменты Bevel или Extrude), задвиньте полученные грани назад - они должны находиться в плоскости исходной грани куба.

8. Повторите операцию несколько раз, чтобы создать достаточное количество элементов каркаса для формирования рта.

9. Чтобы ротовая полость имела плавные очертания, выделите уголки рта и выполните их масштабирование с уменьшением размера. (Обратите внимание: конструкция рта в данной модели очень похожа на радиальное строение этого же участка лица в предыдущей модели.) Аналогичным образом округлите контуры глаз.

10. До сих пор модель головы имела форму куба, что облегчало добавление новых элементов каркаса. Теперь, когда все необходимые детали размещены, придайте объекту более реалистичные очертания, например, при помощи инструмента Lattice или других инструментов. Можно сделать это и по старинке, путем перетаскивания вершин.

11. Сформируйте профиль лица. Сделайте выпуклыми щеки и губы (указаны стрелкой).

12. Переходите к конструированию глаз. Сместите вверх элементы каркаса, расположенные вдоль верхнего края глаз, чтобы создать выпуклую область для формирования бровей. Подберите разрез глаз, соответствующий характеру персонажа.

13. Создайте глазные впадины, выделив внутренние многоугольники век и экструдировав их внутрь модели. Вдавленные многоугольники можно удалить (модель справа), чтобы получились отверстия для глаз.

14. Выделяя внутренние многоугольники губ и экструдируя их внутрь модели, сформируйте полость рта.

15. Создайте нос. Для этого выделяйте многоугольники, расположенные над губами, и экструдируйте их наружу.

16. Придайте носу желаемую форму. Подкорректируйте черты лица в соответствии с характером персонажа.

17. Работа над моделью закончена, теперь можно уплотнить каркас и визуализировать модель с высоким разрешением.

Комментарии (Всего: 4)

Online|Offline botir 0.0 0.0 29 августа 2007 в 15:39 #0

Аватар botir
Спасибо за урок!!!

Online|Offline TaZzZmAn 0.0 1.0 29 июля 2008 в 22:13 #0

Аватар TaZzZmAn

Online|Offline Drogan 0.0 0.0 24 ноября 2008 в 19:56 #0

Аватар Drogan
+1

Online|Offline Ringov 30.0 39.1 8 января 2009 в 21:39 #0

Аватар Ringov
уоу! рожа игрушки вудо! с vanson2 полностью согласен, да и в таком виде не известно для каких целей будет эта голова пригодна... но если не обращать внимания на то, что ты делаешь голову, то способы создания расширяют кругозор)))
Что бы оставить комментарий вам необходимо войти или зарегистрироваться!

Советуем почитать

Hair and Fur от Averkin

Всем привет! Недавно я закончил свою новую работу «Мечты уличной кошки» и с большим удовольствием покажу вам не большой урок, как я делал шерсть.

Комментарии 25 Рейтинг 7 Просмотры 72 110 Автор: Averkin 28 августа 2009 в 00:00

Создание произвольно растущей травы

Один из способов, создание произвольно растущей травы.

Комментарии 9 Рейтинг 2 Просмотры 42 784 Автор: diablo_ 19 января 2006 в 00:00

Цветной прожектор и Volume Light (Объемный свет)

Один из способов применения эффекта Volume Light (Объемный свет).

Комментарии 14 Рейтинг 1 Просмотры 38 684 Автор: diablo_ 3 июня 2006 в 00:00

Моделирование и визуализация Mercedes S600

Это не полный пошаговый урок полигонального моделирования автомобиля, это скорее обзор процесса, который я использовал и некоторые подсказки, которые могут помочь Вам избежать проблем.

Комментарии 19 Рейтинг 4 Просмотры 131 171 Автор: seaman 14 июля 2008 в 00:00

Моделирование простого карандаша

Данный урок, рассказывает обо всех стадиях создания простого карандаша, начиная от моделинга и заканчивай визуализацией.

Комментарии 18 Рейтинг 0 Просмотры 85 646 Автор: diablo_ 29 января 2007 в 00:00

3D моделиприслатьещё

Форумещё

Блогиещё

Популярные урокиещё

Реклама

3dmir.ru - Вся компьютерная графика
      www.megastock.ru