数字雕塑软件中的“拓扑”功能研究

冯鹏翔

摘  要：科技的进步一直在影响着数字艺术的发展，同时它也在不断改变艺术家的创作思维。在国内当代雕塑创作领域中，数字化造型技术从无到有，从简单的几何形体造型到复杂的高面数有机模型，每一次的革新都是新技术的突破。本文以数字雕塑软件ZBrush中的“拓扑”功能为主要研究对象，分析其功能的主要用途以及给当代雕塑创作带来的影响。

关键词：数字雕塑；拓扑；应用分析

科技是第一生产力，历经近百年的发展和应用，人类社会已逐渐进入数字技术纵横的信息时代。科学技术不断给予艺术作品新的血液与活力，人类探索数字艺术至今，从黑白默片到科幻特效、从平面图像到立体环绕，数字技术从动画游戏等行业逐渐跨入到雕塑艺术领域，数字化造型语言与雕塑艺术的融合应用也是新时代必然的发展趋势。数字造型软件在国内的发展虽然只有十余年，但是发展速度却十分迅速，无论是在软件的数量上还是在软件本身的功能质量上都有了很大的突破，也影响了诸多游戏、动画影视等行业的相关应用。从游戏、动画人物到模型实物手办等，我们看到越来越多运用数字造型软件的案例。数字化造型技术在国内外已经有数十年的发展历程，虽然有造型艺术家创作出许多的人物、肖像类模型，但大多用于影视、游戏、动画等相关造型艺术领域，而且其功能、形式都与雕塑艺术作品有着很大的差异。

本文旨在研究ZBrush软件中的模型“拓扑”功能，使用模型拓扑映射算法可以成功地将3D扫描或者任何数字软件制作所得的三维模型转化为数字雕刻软件所需的模型拓扑结构，这给将数字技术的结合运用于雕塑创作提供了一种具有可行性的方法。

因为Topology单独就是一个学科，它更多是与数学几何学相关的文献研究，所以本文添加了更多与本文研究相关的词进行计量、检索。笔者通过同时检索“ZBrush” 与“TOPOLOGY”这两个关键词，在Web of Science 数据库一共搜索到两篇与本文研究相关的文献，其中一篇的引用率较高；笔者在以中国知网和万方数据知识平台检索“Zbrush”和“拓扑”二词时，一共搜索到两篇与本文研究相关性较高的文献，而在检索“雕塑”与“拓扑”时，一共搜索到20篇相关文献，最终笔者通过分析筛选出与本文研究相关性较高的三篇文献。

因为本文研究的是被各个涉及数字技术行业中所广泛运用的软件中的单一项功能，它本身并不只是为雕塑艺术所开发的，而是能在创作雕塑过程中用到，能为当代的雕塑创作提供便利而且被国内外雕塑家频繁使用的功能，所以将它界定在数字雕塑范围内是具有一定研究价值的，相关文献检索出的数量较少也合乎情理。

一、数字雕塑概述

雕塑，又称雕刻，是增料与减料两种创制实物的过程，也是增加与减少实物物体体积的总称。它是指运用各种可塑性的物质材料，通过使用不同的工具在一定的空间内创造出具有可视化且经过艺术处理的立体形象，观者可以通过多种角度去观赏这一立体形象。

而数字雕塑创作是通过计算机造型软件将立体的模型在一定的虚拟空间中进行创作的，创作者所能感受到的虚拟模型实际上是一种可视化且富有现实视觉经验的立体模型。在虚拟的空间中，创作者可以直接对模型进行旋转、平移、缩放来感受空间模拟出的纵深度。在材料的使用上，数字化造型技术将传统的泥土、木头、金属等具有可塑性的材料转化成“数字泥土”[1]，其本质就是计算机程序中的数据量，因此“数字泥土”没有材料消耗、不受现实力学约束、也没有重量限制。它可以使虚拟的模型模拟现实物质材料的特征，并且在造型软件中模仿现实的雕塑制作手段对模型进行塑造，让雕塑家们在虚拟的空间内对所塑造型进行艺术化处理，在创作后期再通过3D打印技术、CNC数控技术等将虚拟模型加工生产为实体，也可以通过虚拟现实技术、全息投影技术等对作品进行直接三维化的无实物展示。传统雕塑繁杂的前期准备工作过程往往会导致创作过程中的各种突发性问题，这会使艺术家无法高效的发挥创造能力。而在计算机的三维虚拟空间中，这样的问题会不复存在，艺术家完全可以在这之间进行随意的转换，去探索更多的可能性。截至目前，数字雕塑不论是在国内还是在国外都拥有了十多年的发展历程，国内一些雕塑家也相继学习并尝试运用数字技术进行雕塑的设计及创作。

在2008年，由中国雕塑学会《中国雕塑》杂志副秘书长唐尧先生策展的“数码石雕展”在北京今日美术馆举行，这次展览的举办得到国内许多雕塑家的高度关注，数码石雕展实现了雕塑创作与现代科学技术的完美结合，展览中的作品大多以几何图案为造型元素，展现了科技世界中的理性化特征与艺术创作中的感性特点的融合与转换，充分体现了数字时代数字技术在雕塑艺术中运用的可能性，也由此打开了国内雕塑创作在数字化造型运用上的大门；2017年12月“全国高等艺术院校数字雕塑教学研讨会”及“2017中国·西安数字雕塑作品展”在西安美术学院举行，来自全国各地的10余所高等艺术院校的艺术家及学者齐聚于此，这也标志着数字化雕塑创作成为了当代雕塑学科的重要研究方向。国家艺术基金3D科技写实雕塑人才培养作品展于2018年12月22日在吉林艺术学院开幕，本次展览起源于国家艺术基金3D科技写实雕塑人才培养项目，展覽作品均为使用数字化造型技术创作的雕塑作品，这推动了数字化造型技术在雕塑创作中的运用。

随后逐年至今，各大艺术高校雕塑系陆续开设了数字雕塑课程，这让雕塑学子认识到了数字化对雕塑产生的影响，正确认识了数字雕塑的价值，为雕塑学子打开了学习数字化造型语言创作的大门。在每年一届的毕业生雕塑艺术作品展，国内重要的学术权威奖项“曾竹韶雕塑艺术奖学金”及全国高校毕业生优秀雕塑作品展中，青年雕塑学子们也频频使用数字化技术，让它参与到雕塑作品创作中，这也使得数字化造型语言成为当代雕塑艺术中的热门学术话题。

当代雕塑创作常用到的数字造型软件有：ZBrush、3Dsmax、Blender、Rhino、Maya、CINEMA 4D（C4D）等。数字化造型软件的种类在市面上也有许多，其作用及用途也各不相同，数字化造型软件的开发主要是为工业、产品、游戏、影视、建筑等领域服务的，但其中有不少的功能可以被雕塑制作所充分运用、转换并推动对雕塑艺术的探索，为雕塑的创作提供重要帮助。

二、数字雕塑软件ZBrush中的“拓扑”功能

ZBrush在数字造型软件中属于“泰斗”级别，它出现的时间最早且为广大艺术家所熟知，目前在国内雕塑领域内应用也最为广泛。数字雕刻软件最核心的功能当然是模型的雕塑功能，ZBrush有自己独特的制作模型技术—— Z 球建模，这是一个完全不同于其他任何软件的建模功能，创作者掌握之后用它来制作复杂造型是相当方便的。除此之外，ZBrush 拥有自己的拓扑功能，拓扑功能可以直接为现有的模型进行合理化布线，为创作者提供了极大的便利并带来了更多的可能性。

“拓扑”一词来源于数学领域的拓扑学。拓扑学是几何学的一个学科分支，而其中的“拓扑”是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质，换句话说，拓扑是指只考虑物体之间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。

拓扑学的英文名是“Topology”，直译是“地志学”，也就是和研究地形、地貌相类似的有关学科。但是在应用到数字技术领域后，以数字雕塑应用最广泛的ZBrush软件为例，“拓扑”在其中就作为功能型的技术工具出现了，它通常是指在原始基础模型上对模型结构的点、线、面重新绘制，从而产生非常有效且便于控制的模型，让模型细节保持充足且面数非常少的状态。拓扑功能在具象人物建模中会经常被使用，特别是在对高面数模型进行有序、规范化的网格布线时会更频繁地使用到。另外，在软件中制作时，高模（高面数模型）对模型布线有着高质量要求，它在有面数限制之下才能够保证流畅地在不同电脑配置下使用，从而提高最终渲染呈现效率。在进行具象人物系列创作时，创作者还可以利用拓扑对模型进行骨骼绑定以实现对人物动态的适时调整，从而得到相同基础造型的人物形象。此外，具象创作的拓扑还要为UV表面的拆分做准备，提前拓扑好UV边缘线的位置可以使之得到一个更高效的模型以便最终的效果图制作及实体打印。简言之，拓扑就是在已有的数字模型上画出或布置出新的结构布线，方便我们对数字雕塑形体的把控和深入的塑造制作。在ZBrush中，常用的拓扑命令有Dynamesh（动态模型网格）、ZremesherGuides（拓扑引导）、Activates Dynamic Subdiv（动态网格细分）、Decimation Master（抽减面大师）等。

数字雕塑模型本质上是由点、线、面三者构成的结构模型，现在市面上所有的数字造型软件中所构建的雕塑结构模型均是如此，如图1，这是国内雕塑家魏小杰的雕塑作品《孕育》的雕塑三维扫描稿件在ZBrush软件中打开后的图示，这些密集的点线面结构被称之为“布线”，即是指一个雕塑模型上的点、边、面是如何分布的。

三、“拓扑”在数字雕塑创作中的应用分析

在数字雕塑创作过程中，“布线”占有举足轻重的份量，在ZBrush软件中，创作者对布线的熟练控制就能够对数字雕塑的形体进行更加准确的把握。而“拓扑”功能恰好是帮助创作者在对雕塑模型进行深入塑造时对模型进行结构重组且合理化的布线。

（一）拓扑模型映射算法

ZBrush提供了DynaMesh（动态网格）命令按钮，任何模型在导入ZBrush进行再雕刻塑造时都可打开此按钮。该模型会自动拓扑成动态网格模型，其拓扑结构是在形体表面进行均匀的四边形网格划分，使面数分布稀疏的模型变得均匀且密集，便于后期的雕刻塑造。这项命令虽然可以雕刻塑造，但是在模型不断增加细分级别时，会在整个模型的表面呈现出不必要的面数浪费甚至会导致计算机运行的卡顿。

因此，将原来高面数的模型通过拓扑得到一个模型的低模，然后给低模增加细分级别后进行细节还原继续深入塑造，如图2所示，在DynaMesh命令按钮的基础上使用ZremesherGuides（拓扑引导）自主地去修改模型的拓扑结构，就会使其表面的布线按照创作者意图来严格控制模型表面结构的复杂与疏密程度。这样一来模型的布线就会由创作者自己控制，网格结构合理化，网格面数减少，计算机内存占用率也随之变小，雕塑的形体细节也更容易去把控，创作者可以在低面数模型状态下去调整雕塑结构关系，再回到细分高级别中去深入塑造雕塑局部细节，从而实现雕塑在细节与大关系之间的灵活造型。

（二）拓扑结构中的“高模”与“低模”

拓扑功能的灵活使用能给数字雕塑创作带来新的数字艺术语言，艺术家需结合ZBrush软件中多个拓扑功能命令按钮，才能够创作出更多具数字化的艺术形式和标准化的雕塑造型。如图3，它是由国内数字雕塑家邓威所创作的《鲁迅像》，如此类具象数字雕塑模型，它的拓扑结构点、线、面数总和能够达到几十万，我们称之为高面数模型，简称高模。高模的制作要从雕塑模型之初就预设好制作雕塑的步骤，如图4中ZBrush软件创作数字雕塑步骤所示，对模型进行布线的合理化调整拓扑后可以得到一个布線结构更便于深入塑造细节的模型。而在其中对雕塑模型进行拓扑时，要求拓扑结构要准确表现模型中的高点与低点，在高模表面创建的每一个点或边，都要根据高模本身的结构操作，这样才能得到更加有效的布线以便后续的细节制作。创作者严谨执行制作步骤才能在ZBrush软件中顺利的创作出具象写实的数字雕塑。

而在图5中，由法国雕塑家泽维尔·威尔汉（Xavier Veilhan）制作的雕塑作品《索菲亚》，其模型拓扑结构面数总和只有几百面，我们称之为低面数模型，简称“低模”。这种造型语言更具数字艺术特征，它不需要非常合理的布线，只需要将模型的面数通过拓扑功能抽减至百位数或者十位数，使原本具象的模型变得抽象化，并在后期通过拉伸、旋转、重叠等方法延伸出更多不同的表现形式。

如图6，这是乔玛·帕兰萨（Jaume Plensa）的系列公共空间艺术装置，他的这一系列装置雕塑作品借助了拓扑网格对人体或人物头像模型进行合理的点线面编排，然后使用此网格结构制作出的金属环境雕塑。这样的造型方式可以使作品与建筑、环境进行结合，在现实空间中塑造出极具数字化造型的语言特征，是当代雕塑中一种特有的形式美感。

四、结语

本文通过对创作者在ZBrush软件制作雕塑过程中“拓扑”功能的使用进行研究，尝试进一步挖掘“拓扑”功能给当代雕塑创作带来的可能性。同时，本文也强调在数字雕塑过程中“拓扑”功能的重要性：一方面，它能够对雕塑形体空间进行严格把控，在制作雕塑时，充分使用拓扑功能可以使雕塑得到更深入的塑造。另一方面，拓扑结构网格可以充分表现雕塑空间、雕塑结构之间的相互关系，艺术家可以通过灵活使用拓扑网格的点、线、面结构对雕塑在形式语言上进行探索，发掘更具数字时代的雕塑艺术语言。

在这个信息技术瞬息万变的时代背景下，雕塑创作离不开传统文化的精神内涵，也离不开科技与艺术之间的融合转换。笔者相信在数字化造型技术影响下的雕塑创作前景会越来越广阔，未来数字雕塑的发展也会日臻完善。我们要继承传统的造型艺术，融合科技的语言，在不断发展中创新，从而挖掘出更多新的雕塑语言、创造出更加优秀的雕塑作品。

参考文献：

[1]张盛.数字雕塑技法与3D打印[M].北京：清华大学出版社，2019：28.

作者简介：冯鹏翔，郑州大学美术学院雕塑系硕士研究生。研究方向：雕塑艺术。