ZBrush数字雕刻软件在电脑首饰设计中的应用
ZBrush数字雕刻软件在电脑首饰设计中的应用
李园;文海;张雪
【摘 要】As a digital software that truly imitates the manual sculpture, the ZBrush has been gradually applied to the 3D modeling in all sectors.The authors summarized the modeling features of the software, and then made use of the jewelry made by the software to carry out empirical analysis and concluded its advantages in applying to the computer jewelry design.Firstly, ZBrush is compatible with the first-version software like JewelCAD, Rhino, etc.Secondly, it's professional and convenient to sculpture the jewelry, such as flowers, birds, fishes, insects, animals and plants.Thirdly, it is able to shape the real and natural surface texture of specific metals.Besides, it can combine the 3D metal printing and the CNC carved technology to make the version for the jewelry.Additionly, it can also complete the reversed engineering of computer jewelry modeling by combining 3D scanning technology.The authors also outlined the detailed elements that should be considered in the application of ZBrush into the jewelry modeling.%ZBrush作为一款真实仿手工雕塑的数字雕
刻软件,逐渐被应用于各个行业的三维建模中.归纳该软件的建模特点并结合实际使用其制作的首饰作品的实例分析,总结出其应用于电脑首饰设计的优势:(1)ZBrush与常用珠宝类起版软件如JewelCAD,Rhino等具有较好的兼容性;(2)对于动植物造型类首饰雕刻造型专业快捷;(3)对于塑造特有的金属表面肌理真实自然;(4)可结合3D金属打印和数控精雕技术制作出首饰用版;(5)可结合3D扫描技术,完成电脑首饰建模的逆向工程.最后,提出ZBrush运用于珠宝建模应考虑的细节要素.
【期刊名称】《宝石和宝石学杂志》
【年(卷),期】2017(019)001
【总页数】6页(P49-54)
豌豆荚守护精灵【关键词】Zbrush;数字雕刻;电脑建模;首饰设计
【作 者】李园;文海;张雪
【作者单位】华南理工大学广州学院,广东 广州 510800;华南理工大学广州学院,广东 广州 510800;广州玩客态度珠宝首饰设计有限公司,广东 广州 511400
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【正文语种】中 文
【中图分类】TS93
ZBrush是一个数字雕刻和绘画软件[1]，一直以来被广泛运用到计算机图形学(CG)行业中，辅助3D、MAYA软件成为影视、动漫、游戏软件的重要雕刻工具。电脑起版是珠宝制造业现代化生产链中的必要环节，我国目前以JewelCAD、Rhino、Matrix应用软件为主，采用软件特性制作首饰以商业款式居多，对于造型繁复、费时费力且不易掌控的首饰建模，仍需要手工蜡雕完成。ZBrush数字雕刻软件填补了此类首饰建模的空白，它的绘图方式是在电脑中进行“雕塑”，鼠标或数位笔变成了“雕刻刀”[2]，可以对绘图区的首饰模型进行“去料”“补料”“刻画”等一系列的操作，让艺术家直观的创建形象，避免复杂的数字程序代码表述，易于有丰富想象力的表达。ZBrush数字雕刻软件使用成本低，普及性强，可根据不同设计制作出浮雕、圆雕、镂空雕刻等多种门类的数字雕刻。
1.1 建模简单快速，修改方便
传统的雕塑从一把泥开始，传统的蜡雕从一块蜡开始。而ZBrush雕塑的开始可以基于灯箱
模型库里一个模型，它可以是球体、立方体、面、环形，也可以是之前存储的模型。ZBrush通常使用ZSphere(Z球)建模技术来完成模型的创建，在模型基础上进行雕刻修改，完成新模型制作。
1.2 雕塑直观，操作自由
ZBrush艺术家大多会选择使用手绘板与数位笔绘图，虽然利用鼠标也能够进行模型的雕刻操作，但数位笔在手绘板上滑动的感受更加接近真实手工作业的体验。数位笔就像艺术家的手，可以自由塑造所需要的形体。形体塑造的背后是软件复杂的数字运算[3]，每一笔在手绘板上滑过的操作会立即呈现在绘图模型上，在雕塑过程中可以对整体比例进行修改，也可以对局部区域进行调整。对操作者来说每一步操作都是直接的、自由的。
1.3 模型精度高，可细分
祝福语朋友ZBrush模型表面由许多多边形组合而成，随着创作模型由简单到复杂，模型表面多边形细分逐渐增加，这些增加的多边形使模型像素与分辨率不断提高，使得绘制的模型精度越来越高，可塑造细节越来越多。随着绘图者在这些多边形模型上用画笔堆料或去料，这些多
边形的大小、形状、数量被编辑，从而改变模型的造型，成为最终作品。在ZBrush中可以编辑多边形很多细分网格，高达到十亿面的模型[4]。
2.1 与其他主流首饰起版软件的兼容性
珠宝首饰制作常用起版软件有JewelCAD、Rhino等，他们与ZBrush可以实现文件互转再创作，Rhino输出的obj格式文件可导入ZBrush直接重建细分，并进行再次雕刻。JewelCAD输出的stl格式也可以直接导入ZBrush，对于导入的模型三角面过多则可以通过ZRemesher均匀重建四边面，细分雕刻。同样，ZBrush建模的图形也可以导入JewelCAD中做变形、布尔运算等操作。
ZBrush具有较好的兼容性，使得艺术家可以利用不同电脑绘图工具以发挥各自优势，提升建模速度，节省建模时间。例如，电脑绘图中，ZBrush可以进行造型比较复杂首饰的建模雕刻，而上面一些排石、镶口制作等任务可以转换到较有优势的Rhino上；在Rhino上首饰建模时，也可以直接导出需要复杂雕刻的模型到ZBrush上，完成细节雕刻后再导回Rhino。
2.2 动植物造型类首饰雕刻专业快捷
未妨惆怅是清狂主流的珠宝建模软件如JewelCAD，Rhino受到程序与参数的限制，建模绘制必须按指定的曲面命令生成模型，需要先绘制曲线再生成体，对于后期成体的模型需要调整的部位只能微调，因此对于动植物造型复杂的首饰建模费时耗力，且建模时真实感与立体感不够直观。
ZBrush运用Z球建模方法能轻松打下基础大形，并能立体多角度的调整、挤压、添料、去料，不用担心传统参数化建模中曲线位置是否影响最后的模型，对于首饰设计中常运用的花鸟鱼虫动植物元素首饰制作快捷。
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美人鱼珍珠胸针(图1)为一款以人物造型为主但拥有鱼尾的珍珠首饰，由笔者联合玩客态度珠宝首饰设计工作室通过ZBrush设计完成。首先利用Z球工具，从一个红的双调根Z球(Root Sphere)开始，进入编辑模式的根Z球可以向任意方向拖拽出新的Z球，这些连接的球体形成Z球链，中间的任何Z球又可以作为一个节点形成无数分支，以形成美人鱼的上肢、尾巴、头部及头发。Z球模型就好像雕塑里“上大泥，堆大形”，是决定整个模型形态与动态的基础。在这个建模环节，可对相应Z球实时修改，确定大形后便可对Z球模型蒙皮，得到可控的拓扑结构，并逐渐细分对模型进行雕刻。人物头发、身体及面部通过细节刻画完成。
2.3 塑造特有的金属表面肌理
在国内首饰产品设计中，对于金属表面肌理的表现，多集中于磨砂、钉沙、拉丝、压光等工艺手法。ZBrush特有的笔刷以及遮罩工具，能快速模拟经过捶打、錾刻的再造肌理。金属肌理戒指(图2)，笔者使用了不同笔刷做出了常规手工工艺比较难达到的表面肌理。
ZBrush还可以模拟金属融化的构成肌理，制作出如液态蜡流动瞬间凝固的表面肌理，制作出褶皱、树皮纹、岩石纹、叶脉、动物毛发、鳞片等，这些铸造肌理在其他珠宝首饰建模软件中并不能轻松达到。图3a为笔者提取的指纹作为设计元素；图3b则是将印在纸张上的指纹提取，通过ZBrush做成Alpha笔刷，再运用到戒指表面并制作成电脑模型。图3c则是完成建模后喷出蓝蜡并倒模得到的指纹戒指。从实验结果可以看出，利用二维灰度图片制作出的Alpha笔刷应用到首饰金属表面并倒模后，实物表面仍然可以得到清晰的绘图肌理。
2.4 结合3D金属打印，立体数控雕刻技术制作出首饰成品
核能
随着快速成型技术的发展，金、银、铜、钛等金属材料逐渐可以作为3D金属打印技术的材料，3D打印技术也广泛运用于首饰生产。2016年7月，笔者前往广州市荔湾区旭平首饰进
行3D金属打印考察，其建模部门软件技术人员提出：金属打印机Sisma对JewelCAD建模的首饰进行打印，识别文件为直接输出的stl格式，而非传统蓝蜡打印的切片slc输出。而对于JewelCAD软件输出的stl格式，并不是所有金属打印机均能识别使用，容易出现格式不能完全兼容的现象。而对于ZBrush模型输出的stl格式，则可完美地运用于3D金属打印，实现由设计到机器首饰成品生产，整个过程大大地减少了后续加工导致的产品外观变形和尺寸误差。
ZBrush建模同样也可以用于CNC数控雕刻技术。作品祥云瑞峰(图4)，是笔者为云峰珠宝设计的玉雕首饰，获得外观设计专利，利用ZBrush建模，并通过电脑数控雕刻完成，图4a为经过反复的建模修改，利用平底尖刀数控雕刻完成的绿蜡模型，图4b为玉雕机根据确定的模型雕刻出的玉石版。
2.5 结合3D扫描技术完成电脑首饰建模的逆向工程
传统的珠宝首饰建模软件JewelCAD，Rhino等，不能对3D扫描技术得到的模型过多编辑修改。然而当前3D扫描技术得到的模型，或多或少存在破面或不完整的现象，需要进行修复，如进
行再设计则必然需要有一定的改动。ZBrush结合3D扫描技术完成电脑首饰建模的逆向工程，可达到扫描件的修复与再创作。
图5a为笔者使用逆向工程对实体进行3D扫描得到的stl格式文件，从图中观察，扫描后模型一些细节不能清晰展示，并且会存在一些破面现象。图5b为利用ZBrush修复之后的模型。将扫描后的模型利用专业软件补洞后导入ZBrush，复制模型并运用DynaMesh重新对面进行布线，多次细分后映射，保留细节得到更清晰的模型，并可以以此为基础进行二次设计。
3.1 首饰设计的严谨性
ZBrush带给操作者自由的绘图体验，可以使设计师易于运用艺术表现手法。然而，ZBrush应用在珠宝行业与其他行业来说还是有所不同。大多数字艺术家挥洒画笔雕刻出的模型一般较珠宝首饰尺寸大，并且多为视觉表现艺术。
珠宝首饰设计是融合材料和科技,艺术理论与表达手段所进行的设计，设计时要考虑到人们佩戴时的生理感受及心理感受，即舒适性，装饰性，实用性，健康性甚至娱乐性[5]。在运
用ZBrush绘制首饰时，界面并不像一般的珠宝绘图软件有精确的坐标做参考。这时我们需要在建模时掌握好制图技能，绘图时严谨对待，控制首饰各视图结构标准化，模型比例的美观与合理性，如手寸大小的精确性，戒圈、花头及镶石的比例等。
3.2 首饰成品后期工艺

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