Моделирование в Fusion 360, Blender и ZBrush: штурмовая винтовка Sabre

В интервью сайту 80LVL, художник Мориц Майер (Moritz Mayer) поделился деталями своего рабочего процесса, лежащего в основе проекта Sabre Assault Rifle. Он рассказал о специфике моделирования в CAD, ретопологии, процессе текстурирования в Substance Painter и многом другом.

Здравствуйте, меня зовут Мориц Майер (Moritz Mayer). В настоящее время я работаю в FlowFire Games (Берлин, Германия) в качестве Hard-Surface Artist'а. До этого я проходил практику в студии Elite3D, создавая модели оружия и различных объектов для Call of Duty: WWII и Call of Duty:Black Ops 4 в рамках изучения медиа-информатики в Миттвайде.

Моё увлечение 3D моделированием началось с того, что в 2013 году я открыл для себя Blender и начал возиться в нём с симуляцией жидкостей. Вскоре я начал создавать различные модели для модов, особенно для Fallout: New Vegas. В последнее время я начал учиться создавать свои собственные модели транспортных средств и оружия. Для меня это более интересно, чем просто брать и переделывать уже существующие концепты. Эти два направления интересны мне, потому что они объединяют в себе моё увлечение технологиями и дизайном.

Во время работы над этим проектом, у меня были следующие цели:

Как не трудно догадаться, основной программой для моделирования был Fusion 360. Blender использовался для более мелких деталей, создания Low Poly и рендеринга High Poly. Также для High Poly использовался ZBrush. Текстуры были созданы в Substance Painter. Запекание и рендеринг были выполнены в Marmoset Toolbag.

Я начинаю с создания эскизов, чтобы найти хороший силуэт и уточнить детали дизайна после появления общей идеи. В данном случае это должна быть научно-фантастическая штурмовая винтовка с необычным магазином.

Для меня большим источником вдохновения стали современные и эффективные методы производства, такие как обработка металлов на станках с ЧПУ и литье пластмассы под давлением.

Для создания реалистичного дизайна важна правдоподобная функциональность, именно поэтому я старался не делать винтовку слишком нереалистичной. С другой стороны, такой подход является более ограничивающим и трудоёмким. Я попытался найти определенный компромисс между этими двумя подходами.

Для примера, возьмём механизм подачи патронов — поскольку здесь нет возможности выталкивать патроны из магазина, это та деталь, которая не будет работать в реальной жизни.

Однако он не очень заметен, поэтому я сосредоточился на более заметных частях, которые игрок будет видеть постоянно.

В итоге, я использовал самый последний силуэт, но изменил его пропорции на этапе блокаута. Кроме того, я добавил прицел и ремешок, чтобы скомпенсировать вес прицела ещё на этапе блокаута.

После создания силуэтного эскиза дизайн был доработан в Fusion 360.

Как вы уже могли догадаться, моделирование блокаута было выполнено в Fusion 360 с последующей полировкой модели в ZBrush для добавления определенных деталей на магазине и получения правильного High Poly. Некоторые детали, такие как ремешок, электрический провод и кнопки, были традиционно смоделированы с помощью Blender.

В отличии от полигонального моделирования, CAD моделирование работает несколько иначе. Традиционное полигональное моделирование более абстрактно, и в нём вы начинаете с создания непосредственно трёхмерных объектов, а не с технических 2D чертежей. Несмотря на то что Fusion 360 имеет довольно специфичный набор инструментов, в нём довольно много инструментов, свойственных пакетам полигонального моделирования.

Как и в случае с полигональным моделированием, лучше всего начинать работу с основных форм и прорабатывать детали. От общего к частному.

Я подробно рассмотрю процесс моделирования некоторых деталей.

Создании рукоятки

Сначала её силуэт был прорисован с помощью инструмента Sketch, а затем выдавлен (инструмент Extrude) чтобы придать эскизу необходимую толщину. После этого. были добавлены крупные скругления (инструмент Fillet), чтобы сгладить рукоятку. Вырезы для пальцев были вычтены с помощью цилиндров (инструмент Combine, режим Cut). Вставки для рукоятки были созданы с помощью инструмента Sketch и последующего вырезания с помощью инструмента булевых операций Combine, в режиме Intersect и активной опцией New Component. Это позволяет вырезать вам только нужную часть и не удалять саму деталь. Также для этих целей подойдёт инструмент Split Body. В качестве последнего шага были добавлены небольшие скругления по краям (инструмент Fillet).

Основной корпус

Основной корпус винтовки я создал по тому же принципу что и рукоятку. Сначала, с помощью инструмента Sketch была нарисована грубая форма, а затем экструдирована. Форма была доработана путём вычитания из нее кубиков. При работе над направляющей Пикатинни (Picatinny rail) я импортировал уже готовую модель, созданную в Blender. Полигональные меши можно импортировать во Fusion 360 только в качестве референса, так что мне пришлось переделать её.

После этого, внутренности корпуса были удалены с помощью вычитания его же уменьшенной копии. Силуэты отверстий были нарисованы с помощью инструмента Sketch и вычтены из основной формы. Затем мелкие детали, такие как цилиндры вокруг винтов, крепление для ремня и другие подобные элементы, были смоделированы и соединены (при помощи булевых операций) вместе с основной формой.

В качестве последнего шага, я добавил небольшие скругления по краям, но на этот раз с меньшим радиусом, чем у резиновой рукоятки, чтобы создать заметную разницу между материалами.

Моделирование прицела происходило с применением тех же самых принципов. В этот раз у меня не было эскиза с силуэтом, поэтому я разработал его непосредственно в Fusion 360. Заниматься проектированием во Fusion 360, мне нравится намного больше чем в программах, работающих с полигонами. Всё потому, что подобный подход к работе, позволяет мне легко корректировать модель множеством новых полезных способов.

После завершения этапа блокаута модель была экспортирована из Fusion 360 в формат .stl и импортирована через Blender в ZBrush. Модель была разделена на саб-тулы, после чего каждый саб-тул был обработан с помощью Dynamesh и отполирован, чтобы сгладить модель. Здесь же была добавлена линия вокруг магазина, которая имитирует литьевой шов (получающийся при литье под давлением). Более мелкие детали магазина, такие как маркировка штифта экстрактора и маркировка даты на пресс-форме, были созданы в Photoshop в виде карты высот и применены в ZBrush.

После ещё одной небольшой полировки мешей и применения к ним операции Decimate, все элементы модели были импортированы обратно в Blender.

На следующем рисунке видна разница между блокаут-мешем, до и после обработки в ZBrush. Эффект сглаживания едва заметен, но он значительно повышает реалистичность, а также устраняет небольшие ошибки в шейдинге.

Уже в самом конце данного этапа я сделал первые грубые наброски материалов, состоящих только из сплошных (однородных) цветов с соответствующими значениями Roughness и Metallic. Также, на основе этих материалов была создана ID-карта, которую я запёк на следующем этапе.

Самой сложной частью этапа моделирования, для меня была адаптация к новым подходам и методам работы. Процесс работы в Fusion 360, сильно отличается от традиционного процесса работы с полигонами. Другой проблемой было создание сбалансированного и функционального дизайна.

Для ретопологии блокаут-меша из Fusion 360, я планировал использовать MoI3D. Однако, я допустил ошибку и поспешил добавить большое количество мелких скругления. Это очень затрудняет процесс создания чистых и оптимизированных мешей.

Ещё один подход, который я хотел испробовать, заключался в ретопологии модели с помощью ZRemesher в Zbrush. Однако, для получения хороших результатов (при работе с объектами типа hard-surface) необходимо наличие полигональных групп (polygroups). Полигруппы позволяют определять поверхности между жесткими рёбрами. Настроить их с использованием автоматизированного подхода оказалось невозможно, и снова из-за мелких скруглений на рёбрах.

В итоге, большую часть своей low poly я смоделировал в Blender, потому что для меня это был самый быстрый вариант. В следующий раз я планирую скорректировать свой рабочий процесс и сохранить готовую модель перед добавлением мелких скруглений. Без них получить хороший low poly на основе имеющегося блокаута будет довольно просто. В новых версиях Fusion 360 есть довольно удобные инструменты, позволяющие быстро удалить скругления и другие элементы дизайна.

Поскольку данная модель делалась исключительно для моего портфолио, я не стал тратить слишком много времени на создание низкополигональной модели. Финальный поликаунт составляет около 80 тысяч треугольников — это больше чем требуется для типовой модели оружия в игре жанра FPS.

После создания low poly, я отметил необходимые острые рёбра (sharp edges), чтобы получить правильный шейдинг поверхности. Размещение их в труднодоступных местах минимизирует видимые швы. Далее, я использовал эти же рёбра в качестве швов необходимых для создания UV развертки (плюс дополнительные разрезы, там, где это необходимо).

Цветовая индикация областей растяжения (area stretching) в Blender, помогает обнаружить «перетянутые» места на UV карте и неправильно развернутые элементы.

Модель была разделена на несколько частей с учётом равномерной плотности текселей.

Чтобы убедится в равномерной плотности развёртки я использовал обычный чекерборд (текстура с шахматным узором).

Поскольку эта модель используется только в портфолио, она имеет максимально равномерную плотность текселей. При разработке для FPS игр, те части модели, которые расположены к камере ближе всего, как правило, имеют более высокое разрешение, чем остальные её части.

Упаковка UV была выполнена с помощью плагина UVPackmaster для Blender. Он способен автоматически упаковывать UV-шеллы с очень хорошими результатами. Это позволило сэкономить довольно много времени.

В самом начале данного этапа, я запёк несколько карт из high poly на low poly. Обычно я запекаю следующие карты:

Я использовал Marmoset Toolbag, потому что он позволяет удобно настраивать группы запекания и быстро корректировать перекошенные детали. Первое полезно для чистого запекания деталей, которые почти пересекаются друг с другом, например, глушители и различные каркасы/обвесы.

В качестве первого шага я собрал как можно больше референсных изображений различных материалов, чтобы они помогали мне в процессе текстурирования. PureRef — это отличный способ создать коллаж из нужных изображений для облегчения обзора.

Обычно, процесс текстурирование начинается с настройки базовых материалов. В данном случае я продолжил настраивать значения цвета и шероховатости, в своих «черновых» материалах, созданных мною на предыдущем этапе.

Затем я приступил к добавлению дополнительных деталей. Сюда входят макро- и микрозернистость материалов, пятна, отпечатки пальцев, мелкие царапины, градиенты. На этом этапе очень помогает изучение и анализ референсов.

После того как базовые материалы верхнего слоя настроены, можно приступать к добавлению повреждений. Для этого, сперва, нужно создать нижний слой, который будет виден в месте повреждения. В случае с основным корпусом винтовки верхний слой — это анодирование. Второй слой — оксидная плёнка для имитации старых повреждений, а третий слой — голый алюминиевый металл.

Инструмент Anchor Point (анкерные точки или точки привязки) в Substance Painter является отличным помощником для создания более реалистичных многослойных (металлических) повреждений. С помощью одной маски можно одновременно маскировать различные материалы. Поскольку мы можем изменять контраст каждой под-маски отдельно, маскирование начинается с разных значений яркости (brightness). В данном случае, это был верхний анодированный слой, слой оксидной плёнки и слой основного металла. Это позволяет нам имитировать повреждения разного возраста. Только что содранное анодирование обнажает голый металл, в то время как застарелый износ уже покрыт слоем оксидной плёнки. Эффект довольно тонкий и не совсем очевидный, но он делает материал более интересным и живым.

При работе над маской повреждений (damage mask) я не ограничиваюсь только лишь смарт-масками. Многие, дополнительные повреждения я рисую вручную. В качестве отправной точки я использовал один из пресетов смарт-маски для соответствующего типа материала. Я настроил его, таким образом, чтобы он больше соответствовал референсу.

В случае с повреждениями, которые выходят за рёбра со швами, то тут будет полезно выбрать для карты повреждений (damage map) трипланарный режим наложения. Smart Material → выпадающее меню Texture → Triplanar.

Это поможет свести к минимуму появление странно выглядящих срезов с повреждениями на швах. Для использования этой функции необходима карта Position. Для получения более естественных повреждений полезно сложить (stack) два редактора масок (mask editors), при этом верхняя маска должна вычитать (subtract) нижнюю. После этого, дополнительные царапины рисуются вручную, а лишние убираются с помощью слоя краски поверх генераторов. При рисовании повреждений, в качестве трафаретной маски (stencil mask) я использовал черно-белую текстуру с царапинами.

Мне нравится добавлять металлам тонкие цветовые вариации, нарисованные вручную или накладываемые в виде тайловой текстуры. Это имитирует маслянистую плёнку и помогает немного разбавить однородность текстуры, делая её более интересной. Точно так же, вручную рисуются вариации rough/glossy, чтобы добавить вариативности блеску, создаваемому текстурами и текстурами со смарт-масками. Эти дополнительные глянцевитые детали, такие как отпечатки пальцев и жировые пятна, появляются на поверхностях, когда к ним прикасаются. Тонкий слой пыли, скопившейся в щелях, также был добавлен с помощью обычной смарт-маски.

Магазин был затекстурирован точно так же, как и ресивер — он состоит из верхнего зернистого слоя и более светлого, нижнего слоя, но уже без зернистости. Опять же, здесь я попытался воссоздать макро- и микроструктуру материала на основе референсных фото. Я взял подходящую Smart Mask'у и немного настроил её.

Цель — создать маску с более мягкими краями и без металлической стружки. Здесь очень помогает фильтр размытия (Blur filter). В самом конце я добавил более глубокие повреждения по краям, чтобы дополнительно подчеркнуть отличие от металла.

Обычно, при моделировании я стараюсь добавить, как можно больше «высотных деталей» в High Poly, чтобы в процессе запекания они тоже попали на карты Cavity и AO. В Substance Painter на карту высоты были добавлены только очень мелкие детали, такие как «зерно» пластика, треугольный узор на рукоятке и различные элементы маркировки.

Рендеринг Low Poly был выполнен в Marmoset Toolbag, а High Poly — в Blender Cycles. Сама сцена была собрана в Blender и импортирована в Marmoset Toolbag.

Для основного рендера была использована текстура бетонного пола, взятая из библиотеки Quixel Megascans. Однако в следующий раз я бы выбрал менее отвлекающий фон, чтобы сфокусировать взгляд зрителя на самом оружии, а не на отверстиях в бетонных плитках.

Для того чтобы сделать тонкие части магазина полупрозрачными я воспользовался функцией подповерхностного рассеивания. Функции GI и локального отражения очень помогли мне в создании более реалистичных металлов, а также взаимодействия света с поверхностью земли.

Для общего освещения я использовал обычный уличный скайбокс. Кроме того, чтобы выделить интересные части модели я добавил в сцену дополнительные, направленные источники света (directional light). На частных/близких шотах модель освещает дополнительный направленный источник света, расположенный позади неё. Это сделано специально, чтобы сильнее подчеркнуть эффект подповерхностного рассеивания на магазине. Для тон-мапппинга использовалась модель Hejl. Усиление резкости изображения (Sharpening) и едва заметный эффект блума (Bloom) тоже были добавлены прямо в Marmoset.

В самом конце работы, при помощи в Adobe Photoshop была выполнена окончательная корректировка яркости, насыщенности и контраста. Для детализированного рендера был добавлен низко-контрастный фон, который не отвлекает взгляд от оружия.

Автор работы: Мориц Майер (Moritz Mayer)

Текст перевёл и подготовил: Константин Пономарёв

Ключевые слова: моделирование во Fusion 360, CAD, Blender, ZBrush, Substance Painter