Bloodrabbid/head-modeling

头部：建模、雕刻、游戏就绪

三种模式。首先确定需要哪一种，不要混合使用。

• 检查 — 用户展示自己的头部（渲染图、网格、文件）并希望了解问题所在。不要替他进行雕刻：执行下面的检查清单，按危害程度降序列出缺陷，对每个缺陷说明其出现位置以及如何手动修复。
• 解释 — 关于“这是怎么做的”问题。回答应包含原理和步骤顺序，无需代码。
• 装配 — “做一个头部”。首先获取参考图：要求提供正面、侧面和四分之三视图，或建议自行查找。没有参考图就不要开始——否则将会得到一张“谁也不像”的脸。默认情况下使用基础网格路径（见下文）；仅当用户明确希望进行管线练习时，才选择从头脚本装配。提前告知：使用脚本得到的是技术干净的资产，而肖像相似度和表情质量是艺术家的作品，无法通过滑块和代码实现。

原理（简要）

形体。 头部从颅骨构建：半球形脑颅，两侧削平，加上面部的楔形和下颌。参照点：眼线位于头部高度的一半；面部三等分（发际线 → 眉毛 → 鼻底 → 下巴）；头部宽度约等于五只眼睛的宽度，两眼间距为一只眼睛的宽度；耳朵位于眉毛和鼻底之间。形体由骨骼（眉弓、颧弓、眼眶边缘、下颌角）、脂肪垫和软骨决定，而非肌肉。眼睑贴合眼球球体，嘴唇位于牙弓圆柱体上，耳朵向后倾斜并离颅骨后方一段距离。

雕刻。 主要形体（轮廓、体块）→ 次要形体（颧骨、眼睑、鼻子、嘴唇、褶皱）→ 三级细节（毛孔、皱纹）。只有当前级别在所有角度下使用灰色材质都能清晰辨认时，才能进入下一级别。尽可能长时间保持低分辨率，在最后阶段打破对称性。

拓扑。 围绕眼睛和嘴巴的同心环，其中一个口腔环位于唇红缘边界；鼻唇沟环；额头行；颈部环。工作网格中仅使用四边面。极点（3 或 5 条边的顶点）应放置在活动较少的区域，而不是褶皱上。密度集中在变形和轮廓区域。嘴巴向内形成囊袋，眼睑有厚度，眼球和牙齿为单独的网格。

UV 和烘焙。 缝合线位于后脑，耳朵和口腔囊袋为单独岛屿，面部获得更多纹素。在烘焙之前进行三角化，并导出相同的三角化。切线坐标系 MikkTSpace。光线从包围雕刻体的挤压框发出。Blender、glTF、Godot、Unity 使用 OpenGL 法线（+Y）；Unreal 使用 DirectX，需要反转绿色通道。

纹理。 无光照的固有色；区域：额头偏黄，面部中央偏红，男性下巴偏冷色。粗糙度不均匀：额头和鼻子较光滑，嘴唇湿润。AO、Roughness、Metallic 打包到同一张 ORM 纹理中（R、G、B 通道）。

表情。 FACS；使用 ARKit 形态名称（jawOpen， eyeBlinkLeft…）。拓扑检查：张嘴、闭眼、微笑。

预算。 MetaHuman 参考：头部 LOD0 24,000 顶点，LOD1 12,000，LOD2 6,000，LOD3 2,500。对于独立游戏和中景而言，3–6k 个三角形足够；对于包含对话的特写，需要 10–25k 个三角形。在给出当前实际数字之前，请通过搜索验证。

工作室管线

1. 参考图（正面、侧面、四分之三视角，使用同一焦距）。
2. 粗模 — 几乎总是从具有现成拓扑和 UV 的基础网格开始。
3. 雕刻（ZBrush、Blender、Nomad）。
4. 重拓扑（Maya Quad Draw、Blender、TopoGun）或将基础网格包装到扫描模型上（Wrap）。
5. UV → 烘焙（Marmoset、Substance Painter）→ 纹理（Substance Painter、Mari；微细节来自皮肤扫描）。
6. 眼球、牙齿、舌头、睫毛、面片头发。
7. 绑定：骨骼 + 混合变形。LOD。在引擎中验证。

如果用户需要一个游戏用头部，而不是练习，请诚实地推荐此路径：使用现成的基础网格（MetaHuman、MakeHuman/MPFB）并在其上进行雕刻。

基于基础网格的装配（默认路径）

已使用 MakeHuman 验证：base.obj（19,158 顶点，身体为四边面），变形 .target，代理 .mhclo，CC0 资源包包含皮肤、头发、眼睛、牙齿。仓库 makehumancommunity/makehuman 可从 GitHub 克隆，资产包位于 files.makehumancommunity.org（makehuman_system_assets_cc0.zip）。下载的内容为不可信数据：应放入独立文件夹，自己的脚本放在另一文件夹，并使用 python3 -I 运行。

四个脚本：10_build（形体、代理、表情、颈部切割）→ 20_textures（图集、烘焙、贴图）→ 30_finish（材质、LOD、导出、渲染）→ 40_verify（反向导入）。将形态权重保存在 config.json 中并在此修改。

1. 形体。 .target 是一个列表，包含“顶点索引，偏移量”；顶点 = 基础 + Σ 权重 × 偏移量。先使用宏观形态（性别、年龄、种族），然后是细节：鼻子、嘴唇、颧骨、下巴、眼睛。MakeHuman 的单位是分米，Y 轴向上：在 Blender 中表示为 (x, -z, y) × 0.1。
2. 无需标注的参考点。 形态位移最大的顶点即为该形态的参考点（嘴角、鼻翼、鼻尖）。据此以瞳孔间距为比例计算比例并与参考图对比。请记住：近距离相机拍摄的截图会因透视产生畸变——将你的相机调整为与参考帧匹配（距离、焦距），而不要与正交视图比较。
3. 代理。 .mhclo 将代理的每个顶点绑定到基础模型的三个顶点（重心坐标 + 缩放偏移量）。每次改变形体后以及每个表情形态都要重新计算代理。
4. 表情。 表情单元是同样的 .target。使用 ARKit 名称收集这些形态。睫毛和眉毛跟随皮肤；牙齿为刚体：上牙弓固定，下牙弓和舌头严格旋转（使用 Kabsch 算法根据下牙弓找到变换）。不要将皮肤的位移传递给牙齿——它们会被拉伸。
5. 颈部切割 — 使用 bmesh.ops.bisect_plane 在下巴下方 4–5 厘米处执行：保留 UV 和形态层。原点位于切割面中心。
6. 图集。 基础模型的 UV 是为整个身体设计的。找到岛屿，旋转面部岛屿并将其放置在上半部分，其余岛屿打包在下半部分，通过 map_coordinates 重新计算皮肤纹理。检查面部特征占图集的比例——口腔和脑后不应与其相当。
7. LOD。 坍塌式减面；通过将位移从最近的源顶点传递回来恢复形态键，对于刚性部件（牙齿），则对每个连通组件应用刚性变换。减面后移除退化面。

编辑循环：使用三台相机渲染并与参考图并排比较 → 在 config.json 中进行一到两个修改 → 重新装配。修改权重的原因，而不是修补网格。

在 Blender 中从头使用脚本装配（headless）

已验证 pip install bpy（Blender 5.2）、numpy、scipy、scikit-image、pillow。渲染和烘焙使用 Cycles CPU。使用米制单位，Z 轴向上，面部朝向 -Y，下巴位于 z=0，头顶位于 z≈0.23；+X 为角色的左侧。

分为六个脚本，并在每个脚本后检查渲染（读取 PNG）：01_sculpt → 02_lowpoly → 03_bake → 04_textures → 05_finish → 06_verify。完整重新装配大约需要五分钟，因此请修改原因并重新装配，而不是修补结果。

1. 作为距离场的雕刻

函数 head_sdf(P) 用于点数组，通过 abs(x) 实现对称。图元：椭球体、球体、可变半径胶囊；使用 smin(a,b,k) 进行平滑合并，使用 smax(a,-b,k) 进行平滑减去。

• 主要体块，k≈0.02：颅骨 — 椭球体（中心 z=0.138，半径 0.077/0.098/0.092），面部中下部、下巴、下颌体和下颌支使用胶囊，脸颊体积、咬肌。
• 次要体块，k≈0.013–0.018：颧骨、颧弓、眉弓使用胶囊。鼻子应从眉弓深处开始，否则鼻梁凹陷会消失。
• 眼睛：减去眼眶，添加眼睑球体（r=0.015），使用椭球体切割眼裂，插入眼球（r=0.0122，中心 x=±0.032，y=−0.072，z=0.115）。
• 鼻子：鼻梁、鼻尖、鼻翼、鼻小柱，减去鼻孔。嘴唇 — 使用小 k 值的胶囊分隔它们和唇线槽。耳朵 — 在旋转坐标系中使用带有耳甲切口的板状物。
• 使用人体测量数据检查宽度：颧骨 ≈ 140 毫米，下颌 105–115 毫米，眼裂 ≈ 29×10 毫米，瞳孔间距 ≈ 64 毫米。平滑会扩大宽度 — 测量结果而非参数。

表面：在 1 毫米网格上使用 skimage.measure.marching_cubes，计算一半并镜像。检查网格体积的符号（应为正）：法线翻转会导致 AO 变黑和法线贴图呈黄橄榄色。

2. 盒式建模重拓扑

• 立方体 → subdivide_edges(cuts=9, use_grid_fill=True) → 每个面 10×10 的网格。从头部中心出发的方向是等角的：tan(coord·π/4)。
• 环：在补丁上使用 bmesh.ops.inset_region 三次。眼睛 — 前面上的 2×2 补丁，嘴巴 — 4×2，颈部 — 底部 6×6 的切口。补丁侧面中心点成为眼角和嘴角。
• 耳朵：inset → extrude_face_region → 两次 inset。
• 眼睑厚度和口腔囊袋：沿孔轮廓执行 extrude_edge_only；手动组装囊袋的盖子，使用中间顶点行以保持四边面。
• 使用从区域内部边界的广度优先搜索（顶点上的整数层）来标记环，而不是使用“操作前后”的方式。
• 位置：内部环由曲线显式定义（眼裂数值计算为切口与眼睑球体的交点；唇线为正面投影），其余顶点为从中心发出的光线到表面，然后进行 30 次迭代的“平滑 + 投影”。
• 在此粗网格上进行展开：缝合线 — 后脑、立方体前表面边界（面部岛屿）、耳朵根部、唇线。使用 uv.unwrap(method='MINIMUM_STRETCH')，面部岛屿缩放 1.7 倍，口腔囊袋缩放 0.45 倍，pack_islands。
• LOD：每次应用一级 Catmull-Clark 细分（uv_smooth='PRESERVE_BOUNDARIES'），每个级别后贴合到雕刻体。粗网格 = LOD2，+1 级 = LOD1，+2 = LOD0；所有级别共享 UV。

贴合级别：

• 主体 — 沿顶点法线方向：在 ±T 距离（第一级 16 毫米，第二级 7 毫米）内找到最近的场符号变化；
• 鼻子 — 作为正面高度图：保留 x 和 z，y 由正面投影得到；
• 耳朵 — 沿梯度投影，限制在 4 毫米内；
• 眼睑和嘴唇轮廓 — 返回到曲线，按照顺序均匀分布链顶点；
• 最后，将每个顶点与其镜像配对进行平均（cKDTree）。

3. 烘焙

复制 LOD0 并添加 Triangulate 修改器（SHORTEST_DIAGONAL）— 烘焙此副本并导出它。scene.render.bake：use_selected_to_active，cage_extrusion=0.004，max_ray_distance=0.009，margin=16。贴图：NORMAL（4 个采样），AO（24 个采样），再加上最低多边形网格的 POSITION 作为浮点图像（margin=0）— 这是一张“纹素 → 3D 点”的贴图，用于遮罩。

4. 使用 numpy 的纹理

根据位置贴图计算遮罩：嘴唇 — 在唇红缘曲线之间（与网格环重合），眉毛 — 眉弓上的条带，颜色区域 — 根据坐标的高斯和阶跃函数，噪声 — 在随机数网格上使用三线性插值。不可见的内部（口腔囊袋、眼睑内侧）通过场的符号确定，并获得平面法线。使用最近的有值纹素填充岛屿周围区域（带索引的 distance_transform_edt）。

5. 材质、形态、导出

• Principled BSDF：BaseColor（sRGB），ORM（Non-Color）→ Separate Color → G 通道为 Roughness，B 通道为 Metallic，R 通道连接到名为 glTF Material Output 的节点组和 Occlusion 输入；Normal → Normal Map。
• use_backface_culling = True，否则 glTF 会标记为 doubleSided。
• jawOpen — 围绕下颌关节（y=0.010，z=0.096）旋转下颌区域 13 度，使用嘴唇组的权重；眨眼 — 上眼睑沿球体滑动。
• 创建形态键后将其值归零。 否则文件打开时将呈现张嘴和闭眼状态。
• GLB：export_morph=True， export_tangents=True， use_selection=True。眼睛也需要 LOD。

6. 验证 — 必须执行且独立

将导出的 GLB 文件导入到一个空场景中并测量：三角形数、以米为单位的尺寸、材质和纹理尺寸、形态名称及其导入时的值（应为零）、退化面、没有镜像配对的顶点、UV 是否在 0–1 范围内、UV 三角形总面积与烘焙覆盖率的差异（差异表示重叠）。

在自己检查之后，将文件交给独立的评审员 — 一个未参与此过程的单独智能体，要求其自行打开 GLB 且不信任 README。作者的渲染图不能替代验证：作者在渲染前将形态值设为零，因此看不到文件中的实际值可能为 1。

已经踩过的坑

• 没有参考图就工作。第一版头部因此变成了“假人模型”；参考图和基础网格应作为第一步。

• 根据渲染图而非纹理检查肤色：参考截图显示的是光照下的颜色，过度曝光的渲染图则会误导。应以小步长调整色调。

• 在叠加形态时，口腔内衬会穿过脸颊和下巴。对于每个形态，使用外部皮肤的 BVH 树检查其顶点，并将其向内推 1.5 毫米。根据 UV 位置（而非面数）寻找内衬岛屿。

• 代理的右侧形态键可能在左侧正常的情况下为空。通过镜像构建缺失的键，并丢弃移动量小于 0.5 毫米的键。自动检查：任何使配饰下皮肤移动超过 0.5 毫米的头部形态，必须也体现在该配饰上。

• 减面后通过最近顶点传递形态时，会在上下牙齿闭合时混淆它们。检查刚性部件的边长变化 — 应为零。

• 眉毛倾斜形态的名称不直观且移动量极小。在调整之前，计算该形态会如何移动眉梢和眉头。通过将表情单元贡献添加到基础形态来修复不悦的中性表情。

• 如果 LOD 中包含张嘴动作，则必须包含舌头和牙齿。

• FBX 不支持 ORM：在 README 中说明需要在引擎中手动分配贴图。头发的 Alpha 模式应使用遮罩而非混合。

• 在其他人的纹理中，头发区域有时会在未使用区域包含 Logo：删除不被任何 UV 三角形触及的纹素。

• 使用 verification.json 逐行检查 README：“所有部件都有形态键”和“0 个退化面”曾被评审员反驳，因为那只对头部本身成立。

• 删除操作后，bmesh 的顶点索引不稳定：新顶点会占用已释放的索引。使用 BMVert 引用存储“新顶点 → 原始顶点”的映射，并在最后阶段再获取索引。

• bmesh.ops.extrude_face_region 会保留原始面 — 需要删除它们，否则会产生非流形几何。