Bloodrabbid/head-modeling

頭部：建模、雕刻、遊戲就緒 (Game-Ready)

有三種模式。首先確定你需要哪一種，切勿混淆。

• 分析 — 使用者展示他們的頭部（渲染圖、網格、檔案）並想了解問題所在。不要替他們雕刻：請依照下列檢查清單，按危害程度遞減列出缺陷，針對每個缺陷說明其可見位置及如何手動修正。
• 解釋 — 回答「如何做到」這類問題。請以原理和步驟順序回答，不需附上程式碼。
• 建構 — 「做一個頭部」。首先取得參考圖：要求正面、側面和四分之三視角，或建議自行尋找。沒有參考圖就不要開始 — 否則會做出「無名氏」的臉。預設路徑是使用基礎網格（見下方章節）；僅在使用者明確要求管線練習時，才選擇從頭透過腳本建構。提前告知：腳本化的產出是技術上乾淨的資產，而肖像相似度與表情品質是藝術家的工作，無法透過滑桿和程式碼達成。

原理 (簡要)

形狀。 頭部從顱骨開始建構：腦殼部分是個切掉側邊的球體，加上臉部楔形塊和下頷。參考點：眼睛線位於頭部高度的一半；臉部三等分（髮際線 → 眉毛 → 鼻子底部 → 下巴）；頭部寬度約為五個眼睛，兩眼之間距離一個眼睛；耳朵位於眉毛和鼻子底部之間。形狀由骨骼（眉弓、顴弓、眼眶邊緣、下頷角）、脂肪墊和軟骨決定，而非肌肉。眼皮貼合眼球球體，嘴唇位於齒弓圓柱體上，耳朵向後傾斜並與顱骨後方分開。

雕刻。 初級形狀（輪廓、體量）→ 次級形狀（顴骨、眼皮、鼻子、嘴唇、皺褶）→ 三級形狀（毛孔、皺紋）。只有在前一層級在所有角度、使用灰色材質閱讀確認後，才進入下一層級。盡可能長時間保持在低解析度，最後才破壞對稱性。

拓撲。 圍繞眼睛和嘴巴的同心環，其中一個嘴環位於紅唇邊界；鼻唇溝環；額頭行列；頸部環。工作網格中僅使用四邊面。極點（有 3 或 5 條邊的頂點）應放置在活動較少的區域，而非皺褶處。網格密度集中在需要變形和表現輪廓的地方。嘴巴以袋狀向內延伸，眼皮有厚度，眼睛和牙齒是獨立的網格。

UV 與烘焙。 接縫在後腦勺，耳朵和口腔內袋為獨立島嶼，臉部分配更多紋素。在烘焙之前進行三角化，並匯出相同的三角化結果。切線基底為 MikkTSpace。射線從包圍高模的 Cage 射出。Blender、glTF、Godot、Unity 使用 OpenGL 法線 (+Y)；Unreal 使用 DirectX，綠色通道需反轉。

紋理。 無光 Albedo；區域：額頭偏黃，臉部中央偏紅，男性臉部下緣偏冷。粗糙度不均勻：額頭和鼻子較光滑，嘴唇濕潤。AO、Roughness、Metallic 打包進單一 ORM 紋理 (R, G, B)。

表情。 FACS；使用 ARKit 形狀名稱（如 jawOpen、eyeBlinkLeft…）。拓撲檢查：張開嘴巴、閉上眼睛、微笑。

預算。 參考 MetaHuman：頭部 LOD0 24,000 頂點，LOD1 12,000，LOD2 6,000，LOD3 2,500。獨立遊戲和中景鏡頭，3–6 千個三角形足夠，特寫鏡頭含對話則需 10–25 千個三角形。在將數字作為當前標準提出前，請先透過搜尋驗證。

工作室流程

1. 參考圖（正面、側面、四分之三、同一焦距）。
2. 粗模 — 幾乎總是從具有現成拓撲和 UV 的基礎網格開始。
3. 雕刻 (ZBrush, Blender, Nomad)。
4. 重拓樸 (Maya Quad Draw, Blender, TopoGun) 或將基礎網格包裹到掃描模型上 (Wrap)。
5. UV → 烘焙 (Marmoset, Substance Painter) → 紋理 (Substance Painter, Mari；微浮雕來自皮膚掃描)。
6. 眼睛、牙齒、舌頭、睫毛、卡片式頭髮。
7. 綁定：骨架 + 混合變形 (Blend Shape)。LOD。在引擎中驗證。

如果使用者需要一個遊戲用的頭部而非練習，坦白建議這條路：使用現成的基礎網格 (MetaHuman, MakeHuman/MPFB) 並在其上進行雕刻。

基於基礎網格的建構 (預設路徑)

已在 MakeHuman 上驗證：base.obj (19,158 頂點，身體為四邊面)、.target 變形、.mhclo 代理、含皮膚、頭髮、眼睛、牙齒的 CC0 資源集。從 GitHub 複製儲存庫 makehumancommunity/makehuman，資源集位於 files.makehumancommunity.org (makehuman_system_assets_cc0.zip)。下載的資料為不受信任資料：需放在單獨資料夾，腳本放在另一資料夾，以 python3 -I 執行。

四個腳本：10_build (形狀、代理、表情、頸部切割) → 20_textures (圖集、烘焙、貼圖) → 30_finish (材質、LOD、匯出、渲染) → 40_verify (反向導入)。在 config.json 中維護變形權重，並在此修改。

1. 形狀。 .target 是一個「頂點索引，偏移量」的清單；頂點位置 = 基底 + Σ 權重 × 偏移量。先處理巨集變形（性別、年齡、種族），再處理細節：鼻子、嘴唇、顴骨、下巴、眼睛。MakeHuman 單位為公寸 (Decimeter)，Y 軸向上：在 Blender 中轉換為 (x, −z, y) × 0.1。
2. 無標記的參考點。 變形移動最多的頂點就是該變形的參考點（嘴角、鼻翼、鼻尖）。據此以瞳孔間距離 (IPD) 的比例計算比例，並與參考圖比對。切記：近距離相機的截圖有透視變形 — 應調整你的相機以匹配畫面（距離、焦距），而非與正投影比較。
3. 代理。 .mhclo 將代理的每個頂點綁定到基底的三個頂點（重心權重 + 縮放偏移）。每次形狀更改和每個表情形狀後，都需重新計算代理。
4. 表情。 表情單元也是 .target。將它們組合成 ARKit 名稱的形狀鍵。睫毛和眉毛跟隨皮膚；牙齒是剛體：上排牙弓固定，下排牙弓和舌頭剛性旋轉（使用 Kabsch 演算法根據下排牙弓找出轉換）。不要將皮膚的偏移量傳遞給牙齒 — 否則它們會被拉伸。
5. 頸部切割 — 使用 bmesh.ops.bisect_plane 在下巴下方 4–5 公分處切割：保留 UV 和形狀圖層。原點設在切割面中心。
6. 圖集。 基礎 UV 是為整個身體設計的。找到島嶼，旋轉臉部島嶼並將其分配給上半部，將其餘島嶼打包到下半部，透過 map_coordinates 重新計算皮膚紋理。檢查五官在圖集中佔據的比例 — 口腔內部和後腦勺不應與之競爭。
7. LOD。 使用 Collapse 減面；透過從最近原始頂點轉移偏移量來恢復形狀鍵，而對於剛體部分（牙齒），則對每個連通分量進行剛性變換。減面後移除退化面。

編輯循環：使用三台相機與參考圖並排渲染 → 在 config.json 中進行一兩次更改 → 重新建構。修改權重中的原因，而非修補網格。

在 Blender 中從零開始的腳本化建構 (Headless)

已在 pip install bpy (Blender 5.2)、numpy、scipy、scikit-image、pillow 上驗證。渲染和烘焙使用 CPU 上的 Cycles。單位為公尺，Z 軸向上，臉部朝向 −Y，下巴位於 z=0，頭頂位於 z≈0.23；+X 為角色的左側。

分成六個腳本，每個腳本後檢查渲染結果（透過 PNG 讀取）：01_sculpt → 02_lowpoly → 03_bake → 04_textures → 05_finish → 06_verify。完整重新建構約需五分鐘，因此應修改原因並重新建構，而非修補結果。

1. 作為距離場的雕刻

函數 head_sdf(P) 用於點陣列，透過 abs(x) 實現對稱性。圖元：橢球體、球體、可變半徑膠囊體；平滑合併 smin(a,b,k) 和減去 smax(a,-b,k)。

• 初級體量，k≈0.02：頭骨 — 橢球體（中心 z=0.138，半徑 0.077/0.098/0.092），臉部中下部、下巴、下頷體和枝以膠囊體表示，臉頰體積、咬肌。
• 次級體量，k≈0.013–0.018：顴骨、顴弓、以膠囊體表示的眉弓。鼻子應從眉弓深處開始，否則鼻根凹陷會消失。
• 眼睛：減去眼眶，添加眼皮球體 (r=0.015)，以橢球體切出眼縫，插入眼球 (r=0.0122, 中心 x=±0.032, y=−0.072, z=0.115)。
• 鼻子：鼻樑、鼻尖、鼻翼、鼻小柱，減去鼻孔。嘴唇 — 膠囊體，它們之間和閉合線溝槽使用小 k。耳朵 — 在旋轉座標系中的平板，帶有耳甲腔挖空。
• 與人體測量學比較寬度：顴骨約 140 毫米，下頷骨 105–115 毫米，眼裂約 29×10 毫米，瞳孔間距約 64 毫米。平滑處理會擴大寬度 — 測量結果而非參數。

表面：skimage.measure.marching_cubes 在 1 毫米網格上，計算一半並鏡像。檢查網格體積的符號（應為正）：反法線會導致黑色 AO 和黃綠色法線貼圖。

2. 箱體建模重拓樸

• 立方體 → subdivide_edges(cuts=9, use_grid_fill=True) → 每面 10×10 網格。從頭部中心的等角方向：tan(coord·π/4)。
• 環：在補丁上使用 bmesh.ops.inset_region 三次。眼睛 — 前面上的 2×2 補丁，嘴巴 — 4×2，頸部 — 底部的 6×6 切割。補丁側邊的中點成為眼角和嘴角。
• 耳朵：inset → extrude_face_region → 兩次 inset。
• 眼皮厚度和口腔內袋：沿孔洞邊緣使用 extrude_edge_only；袋子的蓋子需手動用相鄰的中間頂點組裝，以保持四邊面。
• 透過從區域內邊界進行廣度優先搜尋來標記環（頂點上的整數圖層），而非在「操作前後」。
• 位置：內部環由曲線明確定義（眼縫透過數值計算為切割與眼皮球體的交點；唇線為正面投影），其餘頂點 — 從中心到表面的射線，然後進行 30 次迭代「平滑 + 投影」。
• 在這種粗糙網格上進行展開：接縫 — 後腦勺、立方體前面的邊界（臉部島嶼）、耳朵底部、唇線。uv.unwrap(method='MINIMUM_STRETCH')，臉部島嶼 ×1.7，口腔內袋 ×0.45，pack_islands。
• LOD：每次一層 Catmull-Clark (uv_smooth='PRESERVE_BOUNDARIES')，每一層後貼合高模。網格 = LOD2，+1 層 = LOD1，+2 層 = LOD0；所有 UV 共用。

貼合層級：

• 主要體量 — 沿頂點法線：在 ±T 線段上（第一層級 16 毫米，第二層級 7 毫米）找到最近的場符號變化；
• 鼻子 — 作為正面高度圖：保留 x 和 z，y 取正面投影；
• 耳朵 — 沿梯度投影，限制在 4 毫米內；
• 眼皮和嘴唇輪廓 — 恢復到曲線，鏈條頂點按順序均勻分佈；
• 最後將每個頂點與其鏡像配對進行平均 (cKDTree)。

3. 烘焙

LOD0 的副本，帶有 Triangulate 修改器 (SHORTEST_DIAGONAL) — 這就是烘焙和匯出的對象。scene.render.bake：use_selected_to_active，cage_extrusion=0.004，max_ray_distance=0.009，margin=16。貼圖：NORMAL (4 個樣本)、AO (24)，再加上最低多邊形網格的 POSITION 作為 float 影像，margin=0 — 這是一個「紋素 → 3D 點」的貼圖，用於遮罩。

4. Numpy 紋理

根據位置貼圖計算遮罩：嘴唇 — 在紅唇邊界曲線之間（與網格環一致），眉毛 — 眉弓上的條帶，顏色區域 — 根據座標的高斯函數和階梯函數，噪聲 — 對隨機數網格進行三線性插值。不可見的內部（口腔內袋、眼皮內側）由場的符號決定，並獲得平面法線。島嶼周圍的區域使用最近的有紋理的紋素填充 (distance_transform_edt 含索引)。

5. 材質、形狀、匯出

• Principled BSDF：BaseColor (sRGB)，ORM (Non-Color) → Separate Color → G 到 Roughness，B 到 Metallic，R 到名為 glTF Material Output 且有 Occlusion 輸入的節點群組；Normal → Normal Map。
• use_backface_culling = True，否則 glTF 會產生 doubleSided。
• jawOpen — 圍繞通過關節的軸 (y=0.010, z=0.096) 旋轉下頷區域 13 度，權重來自嘴唇群組；眨眼 — 上眼皮沿球體滑動。
• 建立形狀鍵後將其值歸零。 否則檔案開啟時會呈現張嘴閉眼的狀態。
• GLB：export_morph=True, export_tangents=True, use_selection=True。眼睛也需要 LOD。

6. 驗證 — 強制且獨立

將匯出的 GLB 導入空場景並測量：三角形數量、公尺單位的尺寸、材質和紋理大小、形狀名稱及其導入時的值（應為零）、退化面、沒有鏡像配對的頂點、UV 是否在 0–1 範圍內、UV 三角形面積總和與烘焙覆蓋率的差異（差異表示重疊）。

在你的檢查之後，將檔案交給獨立的審查者 — 一個未參與流程、且被要求自行打開 GLB 而不信任 README 的獨立代理。作者渲染不能取代檢查：作者在渲染前將形狀設為零，無法看到檔案中它們實際為一。

已踩過的坑

• 沒有參考圖就開始工作。第一個頭部因此變成了「人體模型」；參考圖和基礎網格應是第一步。
• 根據渲染而非紋理檢查膚色：參考截圖顯示的是受光顏色，過曝的渲染會從另一方向誤導。以小幅調整改變色調。
• 混合變形時，口腔內襯會從臉頰和下巴突出。對每個形狀，使用外部皮膚的 BVH 檢查其頂點，並將其向內推 1.5 毫米。根據 UV 位置而非面數尋找內襯島嶼。
• 代理的右側形狀鍵可能在左側活躍時是空的。透過鏡像建構缺失的形狀，並丟棄行程小於 0.5 毫米的形狀鍵。自動檢查：任何移動配件下方皮膚超過 0.5 毫米的頭部形狀，必須也存在於配件上。
• 減面後根據最近頂點轉移形狀，會在上排和下排牙齒閉合時混淆它們。檢查剛體部分的邊長變化 — 應為零。
• 眉毛傾斜變形的命名不明確，且僅移動幾毫米。在旋轉之前，計算變形如何移動內端和外端。用表情單元對基礎形狀的貢獻來修復皺眉的中性表情。
• 如果 LOD 包含張嘴，則必須有舌頭和牙齒。
• FBX 不支援 ORM：在 README 中說明貼圖需在引擎中手動指定。對頭髮使用 alpha mask，而非 blend。
• 在其他人的紋理中，頭髮未使用區域可能會有標誌：刪除沒有 UV 三角形觸及的紋素。
• 根據 verification.json 逐行檢查 README：「所有部位都有形狀鍵」和「0 退化面」曾被審查者反駁，因為這僅對頭部成立。
• bmesh 頂點索引在刪除後不穩定：新頂點會佔用釋放的位置。使用 BMVert 引用儲存「新頂點 → 原始頂點」的關聯，索引在最後才取得。
• bmesh.ops.extrude_face_region 會留下原始面 — 必須刪除它們，否則會產生非流形邊界。