Aula 06 - Modelagem poligonal de personagens 3D

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Modelagem para jogos digitais
Aula 6: Modelagem poligonal de personagens 3D
Apresentação
A modelagem poligonal de subdivisão se tornou a forma padrão com que a modelagem de personagens está sendo
tratada na maioria dos ambientes de vídeo e �lme. O Maya/ 3DsMax e outros softwares de modelagem poligonal
implementaram uma maneira poderosa e amigável de usar superfícies de subdivisão.
O objetivo desta aula é mostrar ao usuário um método comprovado para criar um personagem complexo usando
superfícies de subdivisão. Nesse caso, o exemplo será o rosto de um personagem.
Objetivos
Analisar processos de modelagem de personagens 3D;
Examinar técnicas de modelagem poligonal;
Identi�car edge loops e sua importância para animação.
Modelagem poligonal de personagens 3D
Quando um artista pode focar no rosto humano, ele está focando no que possivelmente poderia ser a forma 3D mais
facilmente reconhecível, familiar e expressiva conhecida pela humanidade. Essa forma também é notoriamente difícil de
acertar. Existem nuances e detalhes sutis que todos veem várias vezes ao dia e podem ser identi�cados facilmente por
qualquer pessoa.
Saiba mais
O exercício de criar um rosto humano a partir de um esboço conceitual dará ao artista 3D a habilidade e as ferramentas para
lidar com qualquer modelo que use formas e formas orgânicas.
Concept art
Em vez de criar um modelo 3D do zero, um desenho é quase sempre usado para ilustrar como um modelo seria criado em um
ambiente pro�ssional. Muito raramente um artista receberá um projeto para trabalhar no qual ele tenha total controle
criativo.
Quando é mostrado a um artista como modelar a partir de um desenho/concept, ele pode facilmente usar essa técnica em
uma situação pro�ssional em que será solicitado a criar modelos a partir da arte conceitual. Uma vez que você domine o
work�ow de modelagem, vai poder aplicar a diferentes estilos.
São necessárias no mínimo duas visualizações para criar
um modelo tridimensional preciso a partir de uma arte
bidimensional. Essas vistas, chamadas de vistas
ortográ�cas (ou ortogonais, model sheet), precisam ter as
dimensões gerais alinhadas entre os desenhos. O
comprimento e a largura gerais e a colocação dos detalhes,
como olhos, nariz e boca, precisam ser alinhados entre os
dois desenhos.
 Model sheet de personagem 3D com 3 vistas ortogonais / Fonte : IGN.com
Antes que a modelagem possa começar, é importante saber algo sobre modelagem em geral. Existem certas práticas e
diretrizes que devem ser entendidas antes que as primeiras ferramentas de modelagem sejam usadas. Esses conceitos, uma
vez pensados de antemão, guiarão o modelador pelo processo de modelagem de maneira mais fácil e rápida.
 Conceitos de modelagem
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Conceitos de modelagem
Esses conceitos são conceitos universais que podem ser aplicados a qualquer modelo. A maneira como um modelo
será deformado, animado e renderizado dependerá de como o modelo foi construído. O �uxo da geometria requer
planejamento, e o planejamento do modelo começa antes que a primeira curva seja desenhada.
Diferentes modeladores e estúdios usam diferentes processos para criar modelos poligonais. Qualquer processo
especí�co criará resultados diferentes. Muitos tutoriais de modelagem irão sugerir uma abordagem em que o
modelador usará primitivas para iniciar um modelo e preencher os detalhes posteriormente. Alguns estúdios usarão
modelos escaneados para iniciar a modelagem.
A abordagem que mostraremos aqui usa linhas de polígonos cuidadosamente colocadas para criar uma gaiola
poligonal muito fácil de editar. Essa técnica é chamada de "modelagem poly por poly". Esta gaiola poligonal é a base
para o modelo de subdivisão.
Se a geometria �ui naturalmente ao longo da superfície do modelo, isso tornará a texturização, a iluminação, o
rigging e a animação muito mais fáceis posteriormente no processo de produção.
Antes de a modelagem ocorrer, é importante entender o modelo que você criará. Como isso vai se mover? Que tipo de
detalhe será necessário neste modelo? Onde o detalhe vai estar? Como será texturizado? Que tipo de iluminação
será aplicada a ele?
Os requisitos de produção para um modelo podem ser muito consideráveis e podem mudar durante o tempo em que
o modelo está sendo criado e usado na produção. Pode ser impossível saber exatamente o que será exigido do
modelo antes de ele ser criado, mas um bom modelador tentará fazer suposições fundamentadas sobre esses
requisitos.
Um modelador experiente sabe que há duas coisas que provavelmente acontecerão quando receber um modelo para
construir para um projeto. Quando eles ouvem que o modelo não precisa ser muito detalhado, é quase certo que o
modelo aparecerá em tela inteira em algum momento.
E, quando o modelo foi detalhado para suportar qualquer quantidade de exame minucioso, os prazos de
renderização exigirão que o nível de detalhe do modelo seja reduzido aos níveis mais baixos absolutos para acelerar
a produção.
Felizmente, a modelagem de subdivisão oferece suporte a esses dois cenários. Quando o modelo é cuidadosamente
planejado e executado usando níveis de detalhe na subdivisão, o modelo pode suportar um exame cuidadoso e ter os
detalhes reduzidos para renderizar de forma rápida e fácil.
Padrões de modelagem
Os padrões de modelagem mudam de estúdio para estúdio. Em alguns casos, não há problema em ter um modelo com
muitos triângulos e, em outros, é estritamente proibido. Geralmente, se parece bom em animação e iluminação, há alguma
liberdade permitida no processo usado para criar o modelo.
Comentário
É importante observar que os processos de modelagem mudaram com o tempo, e o que era considerado uma boa prática
alguns anos atrás agora não é permitido. Dois casos especí�cos são o uso de triângulos em um modelo de subdivisão e a
ocorrência de uma condição chamada “estrela”.
Uma “estrela” é um lugar em que cinco arestas se juntam em um canto de cinco lados. Essa condição pode causar muitos
problemas na animação e iluminação. Eles causam lampejos e torções irregulares quando o objeto é usado na produção. O
modelo mostrado aqui foi construído de acordo com os padrões especi�cados e produzido usando apenas polígonos de
quatro lados.
"Estrelas", por outro lado, são mais difíceis de evitar porque
são causadas pelo cruzamento dos loops de borda. As
“estrelas” podem ser controladas e devem ser colocadas
em locais onde haja pouca ou nenhuma deformação.
Quando for impossível evitar uma condição de cinco
cantos, evite sempre colocar em um local com muito
movimento.
 Malha 3D com formação estrela / Fonte: polycount
Um ponto importante a se ter em mente é que os modelos de subdivisão funcionam muito melhor com polígonos de quatro
lados do que com polígonos de três lados. No exemplo desta aula, este modelo não terá triângulo algum. Com a colocação
cuidadosa das arestas e usando as ferramentas explicadas aqui de forma e�caz é possível criar modelos de alta qualidade
sem triângulos.
Linhas de movimento para animação
O primeiro conceito a entender ao planejar o �uxo da geometria em um modelo é o �uxo de animação.
Saiba mais
Fluxo de animação é uma ideia que basicamente a�rma que o �uxo da geometria deve suportar a maneira como o modelo se
moverá. Um modelo deve ter uma geometria que possa ser movida ao longo das linhas que o modelo deverá mover.
As áreas que precisam se mover neste modelo são os
olhos, a boca e a mandíbula. O �uxo de animação nessas
áreas as circundará. Delineando a vizinhança geral em
torno das áreas de movimento, podemos visualizar como a
geometria precisará �uir ao longo do modelo.
 Áreas animáveis do modelo / Fonte: polycount
Este �uxo de geometria é simples de entender. A geometria deve �uir radialmente para longe das áreas de movimento. O
arranjo cuidadoso das linhas poligonais radiais colocadas ao longo dos caminhos de movimento permitirá que o modelo seja
fácil de manipular e animar.
Linhas de polígonos que circundam as áreas de animação
criarão um movimento uniforme no modelo, de�nirãomelhor as formas anatômicas e permitirão que o modelo
também seja renderizado corretamente.
 Diagrama de flow das animações / Fonte: polycount
Edge loops
Uma ideia mais complexa relacionada à construção é o conceito de edge loops, ou loops de borda. Os loops de borda estão
relacionados ao �uxo da animação porque seguem a construção muscular do rosto real, e o rosto se moverá naturalmente
ao longo do caminho desses músculos.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
Mas o conceito de loop de borda pega a ideia de �uxo de animação e a expande para cobrir a construção de grupos de
músculos, áreas ósseas e áreas de gordura ao longo da superfície do rosto.
Dica
As alças das bordas dos músculos são colocadas em torno das áreas do rosto que se moverão. Esses locais são as pálpebras,
os lábios, a sobrancelha e a linha da mandíbula. As áreas musculares devem ser cuidadosamente modeladas para evitar
interseções e triângulos desajeitados. Essas áreas exigirão um exame minucioso durante a animação e terão mais problemas
se não forem modeladas corretamente.
É importante, ao de�nir as alças das bordas dos músculos, tentar integrar os diferentes músculos, de�nindo linhas que não
só se irradiam paralelas às áreas de movimento, mas também de�nem as linhas perpendiculares ao movimento em que os
diferentes músculos se conectarão.
A imagem seguir mostra que as linhas �uem ao redor dos
lábios e através deles. Essas linhas permitem que o �uxo
da geometria dos lábios se alinhe com o �uxo da geometria
dos músculos da bochecha e da mandíbula.
 Edge loops musculares / Fonte: Polycount
Os loops de bordas grossas de�nem as áreas do rosto em que o movimento ocorre, mas é um movimento passivo que não é
conduzido por uma força direta. Esse movimento é causado pelos músculos. As áreas de gordura devem ser modeladas com
tanto cuidado quanto as áreas de músculos, pois se moverão quase na mesma quantidade.
 Loops de gordura / Fonte: Polycount
As áreas de gordura não precisam interagir com outras
áreas de gordura. As áreas de gordura existem como
pequenas ilhas de carne passiva que permitem que os
músculos se movam livremente.
Os laços da borda do osso são as áreas duras da face em
que o osso �ca mais próximo da superfície. Essas áreas
não têm muita �exibilidade e não terão muito movimento
dentro dessas áreas. Por esse motivo, é conveniente usá-
los como locais em que o modelo pode ter áreas de
transição como cinco interseções com cantos.
Como essas áreas não se movem muito, algumas falhas
geométricas podem passar despercebidas se construídas
com cuidado.
 Edge loops de ossos / Fonte: Polycount
Todo o layout do loop de aresta é usado para planejar o posicionamento da geometria durante a construção. Usando um
planejamento cuidadoso e posicionamento de geometria, um modelo pode ser construído para ser fácil de editar e animar.
Comentário
Mesmo que o modelo não seja usado para animação, um bom layout de edge-loop pode ajudar seu modelo a ter uma boa
de�nição dos detalhes anatômicos, justamente porque os loops de ossos, gordura e músculo fazem parte do mesmo volume
principal.
 Layout completo dos edge loops faciais / Fonte: Polycount
Utilizando o mesmo pensamento do rosto, os edge loops são necessários por todo o corpo do personagem 3D.
 
 Edge loops do rosto e corpo / Fonte: Treybor
Feito o planejamento dos edge loops baseado na anatomia do modelo, especi�camente para personagens, existem dois
approachs de modelagem: O box modeling e o edge extrusion modeling.
Saiba mais
O box modeling, como o nome já diz, trata-se de iniciarmos a modelagem 3D do modelo com uma primitiva de caixa e ir
adicionando edges e vértices ao modelo até que este alcance os edge loops necessários para animação 3D previamente
planejados.
 
 Processo de modelagem box modeling / Fonte: Glen Southern
A Escala Geológica de Tempo
Já o processo de edge extrusion faz bom uso do planejamento dos edge loops ao segui-los à risca colocando as imagens de
referência ortogonais na viewport do software de modelagem, extrudando cada polígono a parte das edges desenhadas do
modelo.
 
 Edge extrusion com referência fotográfica / Fonte: Andrew Klein
 Escultura digital
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Escultura digital
Entende-se como escultura digital os personagens, cenários, veículos ou acessórios construídos através de
programas que simulam as técnicas milenares de escultura tradicional em barro e/ou pedra. Dentre os programas
mais usados, encontram-se o ZBrush, da empresa Pixologic, e o Mudbox, da Autodesk.
Escultura 3D (também chamada de escultura digital) é quando um artista esculpe um objeto 3D em um computador
com material semelhante à argila digitalizada. Softwares com pincéis e ferramentas que empurram, puxam,
beliscam e suavizam facilitam a criação de esculturas detalhadas que imitam texturas e objetos da vida real.
Existem vários programas que permitem aos artistas esculpir criações a partir de um modelo básico ou do zero. Eles
usam cálculos complicados para criar malhas poligonais detalhadas que agem como argila real. Um artista começa
com manipulações amplas - como um escultor tradicional - e então passa para um trabalho mais detalhado,
aumentando a contagem de polígonos.
Um escultor digital pode levar de 30 minutos a centenas de horas em um projeto. O tempo gasto esculpindo depende
da complexidade do projeto e da habilidade do artista. Assim como esculpir com argila real, a escultura digital é um
processo de várias camadas. Os artistas podem começar com um modelo básico concluído em um aplicativo de
modelagem 3D ou com uma forma simples como uma esfera.
Eles iniciam o processo usando ferramentas que manipulam a geometria da escultura. Essas ferramentas podem
empurrar, puxar e torcer a geometria. Você pode até adicionar geometria extra, se necessário. A primeira camada
de�nirá características básicas como a forma de um nariz ou a curva de um tríceps. Esta etapa é chamada de
blocagem.
Assim que o artista estiver satisfeito com a forma e a silhueta básicas, ele subdividirá a geometria para adicionar
mais detalhes. A escultura digital usa muitos recursos do computador e requer um poder de processamento
signi�cativo. Com cada subdivisão, o projeto �cará cada vez mais lento à medida que as necessidades de
processamento aumentam.
É por isso que o processo de blocagem que trabalha camada por camada é crucial.
Continuando com as seguintes camadas de subdivisão, um escultor digital adicionará mais e mais detalhes ao
longo do tempo. Nesta etapa, pequenas imperfeições, como cicatrizes ou espinhas, podem ser adicionadas aos
personagens, tornando a escultura 3D mais realista. Na última subdivisão - a camada com mais detalhes -, o artista
adicionará pequenos detalhes de textura, como poros.
 Anjo esculpido digitalmente da blocagem ao refinamento / Fonte: Giovanni Caramello.
Muito parecido com um escultor de argila, usará materiais como folhas secas ou restos de algodão para criar
textura. Um escultor digital pode personalizar a textura do pincel que está usando para atender às suas
necessidades. Essas texturas �nas são usadas para criar superfícies realistas e detalhadas que aumentam o
realismo da escultura �nal.
Aplicações da escultura digital
As esculturas digitais são usadas em �lmes e programas de TV que dependem fortemente de efeitos visuais ou animação
3D. Um escultor digital também é necessário em vários pontos do processo criativo. Na fase de concepção, um escultor
retrabalha os desenhos conceituais em esculturas 3D. Isso ajuda o diretor a ter uma noção do personagem e fazer alterações
antes de de�nir sua aparência.
Saiba mais
Assim que o conceito for �nalizado, um escultor digital receberá um modelo detalhado. Esta etapa é vital na criação de
ambientes e personagens 3D realistas. A textura da escultura será aplicada ao modelo �nal e renderizada para um resultado
realista. Este é um fator para fazer as criaturas digitaisparecerem reais.
A escultura também é usada no design de jogos de ponta. A maioria dos objetos do jogo precisa ser otimizada para ter o
mínimo possível de polígonos para reduzir o tamanho total do jogo por meio da compressão. Ao usar um mapa de textura de
uma escultura digital, os designers de jogos podem manter a contagem de polígonos baixa enquanto estudam o máximo de
detalhes possível.
Comentário
A escultura permite ao artista atingir níveis incríveis de detalhes na textura do objeto. Como a malha é complexa, as esculturas
precisam de uma retopologia antes de serem usadas em outro programa. Nos últimos anos, esse processo tem se tornado
cada vez mais automatizado, então é mais fácil para iniciantes assimilarem.
A modelagem e a escultura 3D andam de mãos dadas. Se a criação estiver sendo usada para animação, ela será modelada
primeiro. O modelo será enviado a um escultor para detalhamento, enquanto um animador trabalha usando um modelo
básico de baixa resolução.
No �nal desse processo, a escultura será colocada sobre a animação e renderizada, atingindo a aparência �nal com o
mínimo de poder de computação.
O software de escultura mais popular e amplamente utilizado é o
ZBrush. Por causa de seu conjunto de ferramentas intuitivo e fácil
integração com o software 3D, é um dos favoritos na indústria 3D.
Mudbox é um concorrente próximo e é mais popular entre os
iniciantes. A curva de aprendizado é mais suave do que ZBrush, mas
não oferece os mesmos pincéis e conjunto de ferramentas.
O Mudbox funciona bem com outros softwares Autodesk, como Maya e 3DsMax. A empresa por trás do ZBrush criou um
programa de escultura gratuito chamado Sculptris. É super intuitivo e fácil de usar, mesmo para um iniciante sem experiência
3D. O conjunto de ferramentas é básico, então, quando você atingir um determinado nível, vai querer um programa mais
complexo. Há muitas opções para escolher.
Muito parecido com um escultor tradicional, um escultor digital habilidoso pode usar ferramentas baseadas em pincel para
manipular a geometria digital (basicamente argila falsa) que imita estruturas orgânicas. Qualquer bom programa de
escultura permitirá que você faça isso.
Usando essas técnicas, é possível alcançar níveis incríveis de detalhes que seriam impossíveis somente com a modelagem
3D.
Atividades
1. Sobre os edge loops, podemos a�rmar que:
a) São extremamente necessários para a texturização 3D.
b) Permitem que o modelo 3D seja animado da melhor forma possível.
c) São feitos de forma automatizada.
d) Não seguem a musculatura, mas somente os ossos do modelo.
e) Não auxiliam o rigging.
2. Sobre Modelagem box modeling, é correto a�rmar que:
a) É uma técnica de modelagem 3D voltada para cenários virtuais.
b) Permite a criação de modelos orgânicos a partir de uma primitiva.
c) É uma técnica de fácil uso e domínio.
d) É uma técnica que não necessita de edge loops.
e) É uma técnica não mais utilizada no workflow de jogos.
3. Sobre a escultura digital é possível declararmos que:
a) Trata-se de um conjunto de ferramentas que simulam o funcionamento da escultura tradicional dentro de um software.
b) Trata-se de uma ferramenta automatizada de escultura feita pelo computador.
c) Permite a criação de detalhes micros que vão direto para os modelos 3D dos jogos.
d) Trata-se de uma nova técnica de modelagem que permite animar as esculturas 3D.
e) Trata-se de uma técnica de computação voltada somente para jogos.
Notas
Título modal 1
Lorem Ipsum é simplesmente uma simulação de texto da indústria tipográ�ca e de impressos. Lorem Ipsum é simplesmente
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Referências
DELAVIER, F. Guia dos Movimentos de Musculação: Abordagem Anatômica. 4.ed. São Paulo: Manole, 2006;
OSIPA, J. Stop Staring: Facial Modeling and Animation Done Right. 2.ed. Indianapolis: Sybex, 2007.
SIMBLET, S. Anatomy for the Artist. New York: DK, 2001.
Próxima aula
Escultura digital em detalhes;
Mapeamento da escultura e texturização de personagens.
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Leia mais sobre escultura digital no site Zclassroom, da pixologic:https://pixologic.com/zclassroom/.
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