Моделирование реалистичного лица человека

Референсы:

Книги и DVD:

- "ESSENCE: TheFace Modeling and Texturing" - Ballistic Publishing 2007

- "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005

- Gnomon Workshop tutorial DVD: " Head Modeling in Maya"

Артисты:

- SoaLee

- Max Kor

- Steven Stahlberg

- Maxwagyudi

- Francisco A.Cortina

Вэбсайты:

- www.cgsociety.org

- www.3dvn.com

1. Введение:

Создание реалистичного лица – это одна из вершин мастерства любого 3D артиста. Процесс создания обычного человеческого лица вовсе не нов, однако, для того, чтобы получить модель, имеющую реалистичный и естественный вид, мы должны сделать каждый шаг как можно лучше: начиная со сбора референсов, планирования перед началом моделирования, текстурирования, рендера … и т.д. В этой статье я остановлюсь только на процессе моделирования, я пропущу объяснения обычных вещей таких, как использование инструментов в Maya или пошаговая инструкция, но уделю внимание вещам более высокого уровня, а именно: процесс работы, различные методы моделирования, топология, распространенные ошибки… и т.д. все, что вы должны держать в уме в процессе моделирования, для создания реалистичной модели головы.

2. Предварительные шаги.

Перед тем, как преступить к моделированию, я расскажу, как установить референсы и концепты, так как от этого процесса непосредственно зависит то, как будет выглядеть наша модель позднее. Самое важное в этой части это аккуратность и качество фотореференсов или концептов, если мы недооценим этот процесс или допустим в нем ошибку, мы возможно столкнемся с ошибками в моделировании, когда поймем, что модель соответствует референсу в фронтальном виде, но не соответствует в боковом виде, или, возможно, наша модель будет хорошо выглядеть в ортографической проекции, но в перспективе не похожа на человека на референсе и придется потратить много времени для внесения изменений, как только мы начнем моделирование.

Если мы собираемся использовать фотографии реального человека для референсов, важно найти фотографии с нужного угла, иначе наша модель будет выглядеть неправильно и нам придется уделить время для ее исправления. Так же надо уделить внимание фокусному расстоянию до камеры. Чем больше фокусное расстояние, тем лучший референс мы получим. Так как чем больше фокусное расстояние, тем ближе угол обзора к ортографическому (фронтальному, боковому, которые послужат основой для моделирования). Однако, теоретически, мы никогда не получим ортографический фотореференс из-за искажения угла зрения, поэтому модели в 3D всегда выглядят немного толще, чем реальный человек, но это решается дополнительным редактированием в окне перспективы. К тому же, надо использовать достаточное количество света, иначе все детали сотрутся или станут невидимыми из-за сильно яркого или слишком тусклого света.

Подготовка референсов для Майя:

Мы не можем перенести фотографии в Maya прямо с камеры на image plane для моделирования из-за расхождений в процессе фотографирования, мы должны проверить хотя бы соответствуют ли они друг другу или нет. Мы должны откорректировать наши референсы в фотошопе или любой другой программе, предназначенной для обработки изображений.

(референсное изображение из книги "ESSENCE: TheFace Modeling and Texturing" - Ballistic Publishing 2007 )

3. Планирование расположения ребер и топология:

(референсное изображение из "ESSENCE: TheFace Modeling and Texturing" - Ballistic Publishing 2007 )

Мы всегда должны составить план перед началом моделирования, иначе мы потеряемся в лабиринте из петель ребер или получим много ненужных граней, треугольники или вершины, из которых исходит более 4-х ребер. Прежде всего, мы должны нарисовать основную форму головы, потом распланировать нашу структуру ребер. Иметь хорошую топологию для нашей модели лица даже важнее, чем для других 3D объектов.

Почему?

Потому что топология и петли ребер играют важную роль в построении объема головы, характеристик так же как и поведении модели в анимации, более того, в отличии от других частей персонажа, голова гораздо больше времени находится близко к камере и задействована в анимации выражения лица. С хорошей топологией, можно создать для нашего лица более реалистичное выражение, чем для модели с ошибками в топологии, наша модель головы не может отображать только одно выражение, а если может, то это будет выглядеть неестественно. К тому же хорошая топология дает возможность построить модель с меньшим количеством полигонов, но все равно выглядящую реалистично и аккуратно.

(Сверху-Европа СаоЛи (SoaLee)

Снизу: "Ночной эльф" Макса Кора (Max Kor))

Это пример того, как плохая топология воздействует на анимационную деформацию. Из-за плохого скиннинга и топологии, полигоны возле уголка рта растягиваются так сильно, как только могут.

http://www.phungdinhdung.org/Studies_paper...ages/face04.gif

При правильной топологии мы можем получить намного лучший результат, при меньшем количестве полигонов.

http://www.phungdinhdung.org/Studies_paper...ages/open_1.gif

3.1. Топология лица человека

«Так какая же топология головы правильная? Как мы можем узнать плохая топология или хорошая?»

Для ответа на этот вопрос, мы должны вернуться назад и посмотреть на анатомию лица человека. Как вы можете увидеть, форма головы человека, так же как и морщинки и выражение лица формируется мышцами и формой черепа, на рисунке показаны мышцы, формирующие носогубную складку:

- большая и малая скуловая мышцы (Zygomaticus major and minor)

- мышца, поднимающая угол рта (Levator anguli oris)

- мышца, опускающая угол рта (Depressor anguli oris)

-мышца, поднимающая верхнюю губу (Levator Labii)

- мышца смеха (Risorius)

(референс из "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005 )

Но эти мышцы не помогут в определении формы или топологии поверхности носогубной складки, но мы должны знать о них, так как они источник выражения эмоций.

«Как работают мышцы лица:

Представьте тонкий лист резины, лежащий на столе, с прикрепленной к ее концам веревкой. Когда один из концов веревки тянут, часть листа резины перемещается и образуются складки. Мы не видим веревку- все что мы видим, это складки на поверхности. Чтобы отразить процесс абсолютно правильно, мы должны изучить внешний вид листа резины, возможно так же стол, но не саму веревку.»

Steven Stahlberg - "D'artiste: Character Modeling" Ballistic Publishing 2005

Референс из "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005

Лист резины – это поверхность кожи которой и является наша модель, и веревка-это мышцы, а стол-это череп. Тоесть мы должны изучить движения и форму кожи, но не мышцы.

Итак, мы решили, что топология базируется на основных морщинках, формируемых лицевыми мышцами. Так что хорошие знания анатомии весьма желательны, но наша модель может не выглядеть реалистично, если мы попытаемся спланировать структуру ребер исключительно по каждой мышце и морщинке, это тупиковый путь. Нам лучше принять во внимание только крупные морщины на референсе и строить нашу топологию по ним.

( референс Стивена Шталберга (Steven Stahlberg) с www.cgsociety.org )

3.2. Топология

Это типичный пример того, как мы должны рисовать нашу топологию на референсном изображении. Мы начнем с самых общих морщин и потом построим пересекающие их ребра.

(Референс из "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005 )

Так как большинство лиц людей на 99% подобны друг другу по анатомии, топология не будет сильно меняться. Вот некоторые найденные мной примеры хорошей и плохой топологии:

Однако, можно заметить, что примеры хорошей топологии для каждой модели несколько отличаются, но все же они глобально основаны на одном методе.

«Люди в основном подобны на 99,97 процента или около того. Да, линии лица выглядят по разному, но у всех у нас одна топология, основанная на этих линиях. Это похоже на рисунки на ладонях, все немного различаются, но в целом очень похожи – например, вы не встретите человека, с линиями направленными в другую сторону, от большого пальца к мизинцу.»

Steven Stahlberg - "D'artiste: Character Modeling" Ballistic Publishing 2005

(референс Стивена Шталберга (Steven Stahlberg ) на http://www.cgsociety.com/)

«У парня типичная сдвоено-полу-запятая образная форма (эт он сам такое придумал - прим. переводчика), образованная носогубной складкой, которая идет к подбородку, вместе с другими параллельными ей морщинами. Почти у всех людей на планете подобные морщины. (Однако, у некоторых носогубная складка искривлена вверх несколько ниже к подбородку.)»

Стивен Штайлберг (Steven Stahlberg ) на http://www.cgsociety.com/

Так же следует иметь в виду, что нет определенной структуры петель ребер на лице человека, как можно заметить на этом референсе, разбивание нашего лица на петли ребер служит для упрощения полигональной топологии. Тоесть топология лица в 3D, говоря техническими терминами, это аппроксимация и нет абсолютно идеальной топологии для головы, она зависит от референса и предназначения модели.

3.3 Правила моделирования:

Правила моделирования лица человека такие же как для других объектов:

- Как можно меньше полигонов,

- Использовать по возможности только квадратные полигоны и использовать треугольные по необходимости, не надо совсем избегать треугольников, так как это усложняет сетку, несмотря на то, что модель может неправильно деформироваться во время анимации, но это поможет избежать ненужных петель ребер и полигонов.

- Избегайте вершин из которых выходят более 4-х ребер, невозможно совсем избежать подобных вершин в нашей модели, но мы должны их спрятать в тех частях модели, которые меньше видны, т.к. такие области неправильно сглаживаются. На изображении показаны некоторые области, в которых обычно есть подобные вершины и тут они позволительны.

- Полигон должен всегда быть округлым или квадратным, не длинным или звездообразным (некоторые такие полигоны допускаются для создания морщинок)

- Направление ребер не должно пересекать форму поверхности или выражения. Самый плохой случай – это когда ребра идут под 45 градусов к кривой поверхности.

(Референс из "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005 )

Еще один важный момент:

«наиболее тяжелая часть – это найти баланс между достаточным количеством деталей и построением как можно более легкой модели»

(Франческо А. Кортина (Francisco A. Cortina) - "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005 )

Чем больше у нас ребер и полигонов, тем более аккуратная и реалистичная наша модель, но в то же время тем труднее ее редактировать. Это справедливо как для статичных моделей, так и для анимации. В случае статического изображения иногда проблем не возникает, но все же это правило хорошего тона - делать модель как можно более легкой и низкополигональной. Если нам нужны мелкие детали, то лучше всего будет добавить их на этапе текстурирования: особенно с помощью карт нормалей и дисплейсмента.

4. Моделирование

Не так строго как правила моделирования, есть несколько способов моделирования лица человека, каждый найдет свой собственный наиболее комфортный способ моделирования. Вот несколько известных мне методов:

4.1. Полигональное моделирование:

Это из наиболее популярных, основных, первичных и прямых способов. И он подразделяется на несколько типов:

(референс из видеоурока Gnomon Workshop: " Head Modeling in Maya")

- Начинать из примитива (куба или сферы … и т.д.): некоторые люди начинают с изменения стандартного примитива такого как куб или сфера. Мы вначале подгоняем форму под общую форму головы, а затем удаляем некоторые ненужные полигоны и петли ребер для получения основной топологии. После этого мы начинаем детализировать модель, добавляя ребра и полигоны вокруг таких областей как глаза, нос, рот … и т.д.

(референс из Nnso'n: урок по моделированию головы http://www.3dvn.com/)

- Начинаем из кривой/линии: некоторые предпочитают нарисовать кривую, которая проходит по наиболее характерным линиям референсного изображения, потом редактируют эти линии для получения основной формы головы. После экструдируют линии и начинают строить отдельные части лица, а потом соединяют их между собой по мере готовности частей и редактируют эти дырки для завершения лица.

- Из плоскости: этот метод можно рассматривать как первый, упомянутый мной, метод, мы начинаем с плоскости и рисуем ею грубую топологию, используя инструменты полигонального моделирования или любые инструменты рисования ребер, инструмент cut face. Как только мы создадим базовую топологию, мы сможем начать перемещать вершины, чтобы модель совпадала с боковым референсом.

Полигональное моделирование дает нам полный контроль над ребрами, полигонами и вершинами, позволяет быстро и легко контролировать процесс моделирования, однако, этот метод требует длительной работы по редактированию и иногда он не работает достаточно эффективно с поверхностями, для которых нужна высокая гладкость и аккуратность.

4.2. Сабдивижн моделирование.

Сабдивижин: этот метод так же можно назвать полигональным моделированием. Не многие люди выбирают его для работы. Вначале, поступаем так же как при полигональном моделировании, как только получим базовую модель головы, можем начинать ее детализировать, увеличив уровень сабдивов, чтобы получить больше вершин для редактирования. Мы можем так же вернуться на более низкий уровень в процессе моделирования, чтобы отредактировать вершины на разных уровнях. Преимущество такого метода состоит в том, что иерархия рабочего процесса позволяет нам легко редактировать вершины на уровне сабдивов 0, если нам надо изменить общую форму головы, не изменяя деталей, находящихся на верхнем уровне сабдивов. Другим преимуществом является то, что низкополигональная версия модели не требует усложнения топологии, когда мы переходим на более высокий уровень, все N-угольники будут квадратными и сгалжеными без потери деталей.

4.3. NURB моделирование:

NURB (Неоднородный рациональный B-сплайн): NURB прекрасны для моделирования автомобилей, симметричных объектов и аккуратных поверхностей, но они могут использоваться для моделирования головы так же, как и для других органических объектов. Порядок работы зависит от нашего опыта работы с NURB, можно создать всю модель с начала и до конца с NURB, однако тяжело работать со всеми деталями модели, нам придется распланировать каждый кусочек поверхности для деталей, которые мы хотим добавить модели. Обычный процесс работы состоит в создании основной модели при помощи NURB, потом конвертирования ее в полигоны, и мы можем выбрать метод сабдивижина или полигонального моделирования для продолжения работы.

4.4 Моделирование при помощи скульптинга в ZBrush/Mudbox

- ZBrush/Mudbox: альтернативный путь моделирования головы человека-это использование программ скульптинга типа ZBrush/Mudbox, мы можем начать с ZSphere (зсфер) или грубой модели головы, потом мы приступаем к скульптингу и добавлению деталей модели. После того, как модель станет достаточно детализированной, мы можем использовать инструменты ретопологии в ZBrush или провести ретопологию в Maya для создания более легкой модели, но выглядящей так же, как наша высокополигональная модель в ZBrush.

Преимуществом данного метода является то, что мы можем детализировать модель с миллионами полигонов, так же процесс моделирования и создания топологии разделен, так что мы можем сконцентрироваться только на одном процессе в одно время, они говорят: «Моделируй сначала, а потом ретопология!». Более того, мы можем снять с высокополигональной модели карты нормалей, неровностей, дисплейсмента и т.д. что поможет в процессе дальнейшего текстурирования.

Недостатком является то, что метод забирает много времени, надо создать и супервысокополигональную и низкополигональную модель. К тому же надо иметь хорошие навыки скульптинга для создания хорошей высокополигональной детализированной модели. Но это только несколько недостатков, которые я могу найти в данном методе, в целом, это хороший метод и используется сегодня многими.

Среди всех перечисленных выше методов, я нашел для себя удобным метод полигонального моделирования, который я использую для создания болванки в Maya и потом я переношу ее в ZBrush для скульптинга и ретопологии. В конце я экспортирую нижний уровень сабдивов из ZBrush-а назад в Maya и применяю карты дисплейсмента и нормалей, сгенерированные в ZBrush-е для создания вида высокополигональной модели.

5. Основные ошибки и удобности

Однако, какой бы метод моделирования мы не выбрали, есть несколько общих ошибок и участков лица, на которые следует обратить особое внимание.

5.1 Область глаз

Часто говорят, что глаза - зеркало души, они крайне важный элемент как в 2D, так и в 3 D графике. Зрители всегда смотрят вначале в глаза персонажу. Именно глаза определяют большинство характеристик лица нашего персонажа. Так что дополнительное внимание, уделяемое глазам, никогда не бывает избыточным.

Лучше всего использовать сферы как референс для модели века или иначе оно будет выглядеть не естественно, и пересекаться с глазным яблоком. Веко рассматривается в основном как две кривые, формирующие нижнее и верхнее веко. Нам так же понадобятся дополнительные петли ребер внутри, для создания толщины века.

Угол глазной щели так же должен быть смоделирован, или иначе наш глаз не будет подходить к глазной впадине, некоторые люди делают угол глазной щели отдельно от лица, но это создает впечатление грязи в углу глаза, так что лучше все сделать одним объектом.

Верхнее веко так же надо моделировать. Некоторые часто допускают ошибку, делая одну петлю ребер вокруг области глаз, вместо этого имеет смысл делать линию, исходящую из внешнего угла глаза.

Эта маленькая деталь кажется незаметной для большого расстояния, но для при близком расстоянии, она делает глаза гораздо более реалистичными и одухотворенными.

5.2 Глазное яблоко

Пример плохих 3D глаз

Фотография настоящих глаз

Многие люди недооценивают эту часть и используют простую сферу для глазного яблока, это делает глаз кукольным. Посмотрите на реалистичное глазное яблоко, мы можем увидеть, что глазное яблоко глубже и более блестящее. Ключом является имитация реальной анатомии глазного яблока человека. На сегодняшний день, наиболее часто метод используемый для моделирования реалистичных глаз – это разделение глазного яблока на две отдельные части:

- роговая оболочка и глазное яблоко

Роговая оболочка похожа на сферу, но более вытянутая в центре, и она прозрачна только с бликами, отражением и даже преломлением.

- Глазное яблоко сфера, но вогнутая вовнутрь в центре радужной оболочки.

Моделирование этих деталей позволит сделать нашу модель глаза более реалистичной.

( Референс Nnso'n: урок по моделированию головы на http://www.3dvn.com) ( Референс Maxwagyudi : Мэйк оф Ingrid Bergman )

Влага между веком и глазным яблоком так де должна быть смоделирована для придания более реалистичного вида глазам.

5.3 Ресницы и слезы
Важна естественная форма разреза глаз. Затенение зависит от многих элементов разреза глаз.

«Важно помнить, что надо задать корректное количество групп и неравномерность как по длине, так и по размещению. Реснички нижнего века имеют тенденцию к группированию в небольшие группы, в то время как реснички верхнего веки группируются в большие группы. Небольшое пленка на нижнем углу века, или «слезное мясцо» («caruncula lacrimalis») это один из важных элементов глаза» - Francisco A.Cortina - "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005.

Я наблюдаю, как многие люди используют плоскость с текстурой ресниц. Но это делает глаза плоскими, и не достаточно хорошо для близкого расстояния. Я провел небольшое исследование разных методов создания ресниц. Некоторые используют Hair & fur в Майя или плагины для создания волос, но в действительности этого не достаточно для близкого расстояния. Я понял, что лучшим методом для создания ресниц является полигональное моделирование ресниц! Несмотря на используемый для моделирования метод на выходе мы в любом случае получаем полигоны. Смоделированные полигонами ресницы выглядят лучше, создают чувство глубины и отбрасывают тень.

Мы можем использовать Maya paintFX или внешний плагин для создания ресниц и потом конвертировать их в полигоны. Мне удобно работать методом использования Maya paintFX hair для моделирования ресниц и последующего конвертирования их в полигоны, так я могу рендерить ресницы как полигоны, и в тоже время используя историю paintFX, я могу менять неоднородность, толщину так же как количество ресниц.

К тому же так как количество ресничек малое (около 350 штук на обе половины лица), конвертирование их в полигоны не является большой проблемой. Если мы хотим быстро сделать анимацию, можно просто сделать их невидимыми так как это небольшая часть анимации.

5.4. Нос и губы

(Референс из "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005 )

«Как нос, так и губы наиболее легко различимые части лица. При рисовании и скульптинге лиц, важно понять плоскости и углы, под которыми они расположены, основываясь на скрытых кожей костях и мышцах».
- Francisco A.Cortina - "D'artiste: Character Modeling" - Ballistic Publishing 2005.

Проведя исследование, я нашел некоторые примеры хорошей топологии для этих участков:

Ребра вокруг области носа формируют гладкие кривые, начинающиеся вверху носа и идущие вдоль впадины и заканчиваются на участке, где подносовой желобок соединяется с ноздрями. Частой ошибкой является то, что ребра не обходят нос, вместо этого мы наблюдаем сеткоподобные петли ребер, это делает нос квадратным и большим.
В области губ, у нас есть по меньшей мере 2 петли ребер, идущие от уголков рта, иначе рот модели будет выглядеть обрезанным. Так же, чтобы подчеркнуть губы, мы должны добавить дополнительные ребра вокруг области губ, потому, что без этих петель ребер, после сглаживания или добавления уровня сабдивов, форма губ просто сгладятся.
И еще, мы моделируем голову с закрытым ртом, но было бы лучше иметь дополнительные полигоны внутри рта, просто для того, чтобы спрятать границу ребер, когда рот будет открытым.

5.5. Подбородок

В области подбородка мы должны закончить петли ребер, идущие из более высоких участков четырехугольными полигонами. Такая топология позволит нам легче редактировать подбородок или просто в том случае, когда персонаж имеет двойной подбородок. Так же у нас есть петля ребер, которая начинается на подбородке и оканчивается в ухе, это позволит лучше сформировать челюсть персонажа.

5.6 Ухо

Ухо-это очень сложная часть головы, его спиральная структура содержит много деталей, если мы не будем осторожными, мы можем сделать слишком большое количество полигонов для него. Что люди делают чаще всего: это моделируют ухо отдельно и потом редактируют его для совпадения с топологией головы, после всего они сшивают модель уха с моделью головы, у нас могут быть треугольники вокруг уха, но так как область возле уха трудно заметна, в этом нет ничего страшного. Это ухо можно так же использовать повторно для любой другой модели.

6. Оптимизация

Очень важно понимать во время моделирования, будет ли применяться модель в каких-то других процессах или нет. Мы всегда рассматриваем нашу топологию еще раз до того, как продолжить работу для проверки на наличие ненужных ребер, треугольников и т.д. Это облегчит нашу работу на последующих этапах.

Развертка:

Важно поддерживать симметричность топологии модели так долго, как это возможно, иначе мы получим модель персонажа с измененной половиной лица. Это поможет нам в развертке и текстурировании, где бы мы их не делали в Майя или стороннем приложении.

Анимация:
- Просмотрите нашу топологию для проверки будет ли лицо персонажа нормально деформироваться, когда вы захотите придать ему выражение или нет.
- Если наш персонаж будет говорить или открывать рот, надо спрятать открытые ребра внутри губ и смоделировать ротовую полость.
- Так же надо добавить дополнительную петлю ребер на верхнее веко, чтобы иметь достаточно полигонов для создания морщинок. Но это не очень важно, если нам не нужны реалистичные деформации, удаление этой петли поможет сделать нашу модель легче.

6. Заключение

Моделирование лица человека это основная тема в 3d графике. Возможно, кому-то покажется, что моделирование лица – это простое задание, но наиболее сложная часть заключается в гармоничном соотношении деталей и формы, которое создает уникальные характеристики естественного лица. Небольшое изменение может привести к большому различию, иногда, трудно просчитать, почему лицо выглядит правильно или неправильно, если оно выглядит неправильно, какую часть надо редактировать? Реалистичная и замечательная модель лица сильно зависит от текстурирования, настройки материала и освещения, однако эти части могут никогда не быть удовлетворительными, если нет основной части- самой модели.

Источник