编者荐语：

数字化技术正在飞速发展，3D虚拟数字人已经成为数字娱乐、虚拟现实和人机交互等领域中不可或缺的角色。本文以3D虚拟数字人设计探索和落地实践为主题，介绍了虚拟数字人设计的基础知识和制作流程，可为数字人设计师、动画制作人、游戏开发者和虚拟现实从业者提供重要参考。

3D虚拟数字人设计探索和落地实践（上）

亚信科技（中国）有限公司

摘要：虚拟数字人已经广泛应用于电影、游戏、虚拟现实等领域。本文介绍了3D虚拟数字人的设计和实践，深入探讨了数字人设计过程中的关键技术，包括数字人形象的定义、人体建模技术、展UV，并详细讲述了角色建模的方法及步骤，旨在帮助读者更好地理解和应用3D虚拟数字人的设计和制作技术，为数字人的落地实践提供有益参考。

一

引言

2021被认为是元宇宙元年，元宇宙概念大热，但目前仍在布局阶段。相比之下，元宇宙未来的重要组成部分-虚拟数字人，已走进人们的生活。

一个3D虚拟数字人角色的制作流程，可以分为概念设定-3D建模-贴图-蒙皮-动画-引擎测试六个步骤，涉及到的岗位有原画师、模型师、动画师等。角色概念设定、贴图绘制一般是由原画师来完成。建模、装配（绑定蒙皮）、角色动画，是由3D设计师来制作完成。本文主要讲述3D虚拟数字人从0到1的设计过程，让大家对虚拟数字人角色制作有更深的了解。

二

数字人形象

（一）风格探索

基础人物形象风格是至关重要的一环。在确定风格前，需要进行漫长的探索。通过提炼角色风格、兼顾不同需求，进而寻找到具备普适性和拓展性的基础角色形象。决定一个角色的六要素：种族、性别、年龄、时代背景、职业、性格。前期需要建立情绪版，做大量分析，确保角色风格的差异性和可识别性。

图1：情绪版参考-图片来源于网络

以小雅为例，对于大部分二次元用户来说，对日漫有着明显的倾向，但考虑到放到场景里面显夸张，跟企业气质和相关业务线违和。倾向性明显的人设，稍有不慎就会显得幼稚或夸张。我们知道数字虚拟人从美术风格上可以分为3D高保真、3D写实、3D卡通、2D真人、2D卡通等，从元宇宙的应用场景考虑，先排除了2D的形式，最终从性能及美观度两方面考虑，设定小雅为3D卡通的美术风格。

为了突出人物性格的同时，兼顾企业的品牌基因，在服装设计中加入企业元素，结合现代时尚元素以保持时尚感。

图2：服装参考-图片来源于网络

（二）角色三视图

小雅最终设定为年轻干练的职场精英女性，性格沉着冷静，衣着轻熟干练。由视觉设计师输出人物三视图，三视图将虚无抽象的文字描述转化为看得见的形象，为建模提供了重要的参考。

图3：角色三视图

图4：角色模型

三

3D角色建模

3D建模为构建虚拟人形象的基础，重点在于实现细节的精细还原。blender作为一款开源的三维软件，提供了非常全面的3D图形创作套件。它拥有用于建模、贴图、着色、动画、合成、渲染、视频编辑等各种工具，对于角色创作非常方便，基本一款软件就能搞定大部分的工作。blender最大的优势就是开源，不用担心版权问题。其次结合blender丰富的插件，能大大提升建模效率。

（一）常用的3个建模方法

3D卡通角色的建模的方式有许多种，最终使用何种建模方式，取决于哪一种更适合自己，和取决于要建什么模型，以下列举三种常用的建模方式，多边形建模、雕刻建模+拓扑、逐面建模。

●多边形建模：从最基础的几何体开始建模，基于基本形状，一点一点地往上面添加细节，对于新手建模师而言，多边形建模更容易入门，且能够提升对人体结构和布线的理解。

●一雕刻+拓扑（次世代建模）：雕刻+拓扑对于人体结构需要一定的了解，对于细节把控更加到位，为后续高模烘低模提供基础，这也是我们常说的次世代建模，耗时相对较长，对细节的把控更加到位。

●逐面建模：这种方法也叫poly2poly，逐面建模法是指使用点、线、面的形式，通过挤压、合并、环切等方式，将形体搭建出来，其过程类似于用一块块的砖头砌起一面墙那样。

当然技术是相通的，由于身体的建模以体现体块结构为主，所以往往多边形建模的效率更高，而对于头部的精细化建模使用雕刻更能体现造型细节，对于人体不同的部位，也可以结合使用多边形+雕刻+拓扑的形式。没有最佳的建模方法，合适才是最重要的，每个人都有自己的建模习惯，对于经验老道的建模师而言，他们会在多种建模方法之间按需切换。

（二） 优质模型的特性

在建模开始之前，我们需要了解一个好的角色模型有哪些特性。

●准确的造型：造型的准确性直接决定了角色的形象，三视图为角色建模提供了最直观的参考，因此显得尤为重要。

●合理的网格布线：合理的网格布线不仅需要准确体现造型，也需要考虑后续网格动画的形变，尽可能使用四边面搭建模型。

●尽可能低的面数：无论是多边形建模还是次世代建模，最终到引擎里面都是低模，考虑到性能问题，需要让模型的网格在满足造型的前提下，尽可能精简面数。

图5：图片来源于blender官方

（三） 卡通角色建模步骤

卡通角色模建大致可以归纳为七个核心步骤，分别是：规划和搭建身体以及四肢的大体形状结构、为身体添加体积、手和脚的建模、雕刻头部、重新拓扑头部、多边形头发建模、服装建模。

1.规划和搭建身体和四肢的体块造型

拿到三视图，我们首先要做的第一件事就是在blender里面设定参考图，基于三视图，快速规划身体和四肢的体块，这里暂时不需要过于纠结细节部位，需要注意的是在搭建体块造型的时候，需提前考虑好体块的穿插走位，以便后续深入塑造身体各部分的体积。

图6：body体块-图片来源于网络

图7：body网格-图片来源于网络

2.为身体添加体积

此步骤主要处理身体各个关节处的网格，为手臂和躯干添加更多的细节，对关节周围的网格进行合理的布线，确保关节处弯曲时，网格也会做出合理的变化。

图8：关节处布线-图片来源于网络

3.手和脚的建模

1）手部建模

在手和脚的建模中，对于手部脚部的比例及结构掌握是必不可少的，从外形上看，手是由手掌和手指构成，而手掌可以理解成由三块肉垫构成，手指由近节、中节、远节三部分构成，其中拇指没有中节指骨。手掌侧的手指较短，手掌上的折痕不与手指和手部的连接线重合。

成年人手的长度和脸相等（下巴到发际线），青年是从下巴到前额中部的距离，婴儿是从下巴到眉毛的距离。手掌和手指的理想比例是1：1。指节的长度计算方式，近节（近节）、近节75%（中节）、中节75%（远节）。

图9：手部结构图1

图10：手部结构图2

图11：手部布线

2）脚部建模

脚部主要还是以整体的概括为主，可以先把脚分为踝关节、脚掌和脚趾三个部分。虽然脚的结构并不简单，但其中依然也是有一些比率可以让我们牢记的。比如脚掌和脚趾的比例大致为4∶1，而脚的整体长度和脚踝的比例则为3∶1。

图12：脚部肌肉结构-图片来源于网络

图13：脚部比例

图14：脚部布线

4.雕刻头部

使用blender雕刻头部，分三个阶段，主要是初创形状阶段、主要造型阶段、精细刻画阶段。其中涉及到三种工作流，多边形建模工作流、重构网格工作流、多级细分工作流。随着模型的细节增多，工作流也会相应变化。

1）初创形状阶段：多边形建模+重构网格，一开始使用多边形建模方式，创建初步的几何体，然后使用重构网格完成头部几何造型，雕刻大体轮廓，一切都是大刀阔斧的进行，这里也需要保证网格颗粒度比较大，然后慢慢变化，直到中等形状开始出现。

2）主要造型阶段：重构网格，这个阶段的模型主要基本形态已经定型，需要添加局部的形状，我们会在一个相对长的时间里，去逐个细化对象的每一个局部，但这些都不是最细分的部分。

3）精细刻画阶段：多级细分工作流，这个阶段的模型形状细节基本都具备了，我们只在其基础之上增加或强调某些转折边，细化勾勒褶皱和纹理，譬如皮肤上的褶皱和纹理。

5.头部拓扑

在3D建模中，术语拓扑是指3D模型的边缘分布和结构。渲染时看起来相同的两个模型可能具有非常不同的拓扑，拓扑影响3D建模和渲染的许多方面，包括：光线对模型表面的影响、模型网格的复杂程度、UV映射的关系、模型绑定和动画、渲染性能的影响。

对头部进行拓扑，可以按照眼框>嘴巴>鼻子>脸颊>额头>耳朵>头顶>后脑勺>下巴>颈部的顺序进行，当然这也不是绝对的，拓扑也是不断观察完善造型的过程。需要注意的是脸部的每个转折点。

图15：头部拓扑-图片来源于网络

完成头部网格拓扑后，由于眼睛、牙齿&牙龈、舌头、眉毛、睫毛是独立于头部网格，所以这些需要单独建模，其中牙齿&牙龈、舌头、眉毛、睫毛的通用性较强，往往可以找到相似的替代品，无需单独手动建模。眼睛的结构相对复杂，当然对于卡通风格化角色我们也可以概况一下，只需体现眼球的可视部分结构和质感即可，如此我们可以将眼球概括为眼球（eyeball）、瞳孔（pupil）、虹膜（iris）、角膜（cornea），要求不是特别高的话，也可以将虹膜合并到最外层的角膜。

图16：眼睛结构

6.多边形头发建模

相较于毛发系统生成的头发，使用多边形搭建头发模型，在面数上更可控，当我们赋予pbr材质后，同样可以模拟出发丝般的效果。使用贝塞尔曲线转网格的方法来塑造头发，需要根据原画设定好的发型归纳好头发的走向以及发块的形状。

以下是头发制作的具体步骤：

1)新建贝塞尔曲线，此路径决定发块的走向。

2)新建圆环曲线，此圆环决定了发块的横截面。

3)将步骤2新建的圆环添加为步骤1贝塞尔曲线的倒角物体。

4)调整圆环曲线的形状，以及贝塞尔曲线的顶线缩放（快捷键：alt+s），调整到适合原画角色发型的发块为止。

5)以上方式多制作几种发块，增加头发的层次。

最后复制相应的发块，摆放到角色头上，对造型满意后，将曲线转换成网格。

7.Marvelous Designer服装建模

完成角色基础模型后，需要将角色调整为A-pose，这样对于布料模拟时更贴合角色，给角色设计衣服，这里我们结合软件Marvelous Designer来给角色进行服装建模。

图17：Marvelous Designer服装建模

1）导入虚拟模特

在blender中导出obj格式的角色模型，然后在Marvelous Designer打开从blender导出的虚拟模特。

2）设计服装版式

服装打版也叫服装结构设计，可以分为五个步骤：

●根据角色虚拟模特确定服装的风格造型，这是最重要的一步，在此基础上面进行下面的操作。

●根据第一步确定好虚拟模特相符合的基础版型，比如裙装就使用裙子的基型，是上装就使用上装基型。

●分析款式有什么样的要求，根据服装款式的要求在基础型上进行调整，最后达到新款式的要求。

●添加缝纫、剪口、布纹、尺码、粘合衬等细节。

●最后做出版式后，一定要检查版式的准确性和全面性。

3）网格拓扑

确定好服装版式之后，先对服装进行重置网格，将三角面转为四边面。MD生成3D服装模型后，虽然我们进行了重置网格，但缝纫线周边无法避免的还是会出现三角面，后续增加细节会比较困难，所以需要对网格进行重新拓扑，这里有两种方法，一种是直接在MD中拓扑，另一种是在Blneder中借助插件进行拓扑，当然两者也可以结合使用。

MD拓扑：MD拓扑的逻辑是在板片上创建拓扑线并创建新的网格。3D/2D 窗口工具栏▶ 创建拓扑工具，当选择拓扑工具时，板片将会显示为透明状态。在2D及3D窗口中均可创建拓扑，当创建拓扑线时，如果形成一个封闭的图形，就会创建一个拓扑面。

图18：Marvelous Designer 拓扑

Blneder+Textool：将MD制作好的的服装模型导入到blender，借助Textool-Create UV Mesh将模型网格按照UV进行展平，这样相对于在3D网格上进行拓扑效率会大大提升，而且在拓扑时更直观。

图19：Textool Create UV Mesh

4）导出模型

将服装模型导出，这里一般只需要导出所选板片的obj模型即可，导出参数勾选上统一的UV坐标-法线贴图，法线贴图可以精细的模拟折痕的细节，最后在blender或者Substance Painter中制作服装的材质。

（四）DAZ Studio辅助建模方案

利用DAZ3D的基础素材制作模型（尽量选用G8素材）。

1）使用G8或更高版本的素材，一般身体不需要改。只需调整面部特征。

2）将调整好的素材导入到blender做更细致的调整，由于直接导出fbx会有一些问题，这里需要用到DAZ to Blender或者DAZ Importer插件，同时将形态键一起导出到blender。

3）使用MD为角色制作服装，步骤同上。

四

展UV

（一）什么是UV

在Blender中，可以为一个面关联一个独立的图像。UV用于定义二维纹理坐标系，称为UV 纹理空间。UV 纹理空间使用字母U和V来指示二维空间中的轴。UV 纹理空间有助于将图像纹理贴图放置在 3D 曲面上，然后图像可以用于渲染或实时显示。在3D视图中选择面选择模式，才能指定图像或修改活动网格物体对应的UV坐标。这样一个面可以有多张UV贴图。默认情况下，网格是没有UV的。首先得映射面，然后才能编辑它们 。展开模型的过程是在3D视图编辑器的编辑模式下进行的，过程中会在 UV编辑器创建一个或多个UV孤岛。

（二）UV映射

UV映射是将三维表面转换为平面位图图像的二维坐标系。原始曲面的每个顶点在 UV 贴图上都有一个坐标，中间的像素值在平面多边形曲面上进行插值，以实现高精度的纹理控制（特别选择U轴和V轴名称，以免与实际模型的 X、Y 和 Z 轴重名）。UV 贴图坐标值被组织成一个网格系统，其中图像本身出现在网格的 0-1 区域中，而该图像之外的区域只是向外重复图像。因此，传统上只真正使用了UV0-1空间。

图20：UV映射-图片来源于网络

（三）UV通道

在网格标签页的UVMaps面板有一个列出所有为网格创建的UV映射的列表视图。被选中的映射会在UV/图像编辑器显示。单击相机图标，启用渲染该UV贴图。

（四）UV展开

展UV前先重置模型：快捷键Ctrl+A，选择【全部变换】。这是为了避免UV有拉伸。和缝纫一样，缝合线是图像/布拼接的位置。展开时，只要选中边，然后按下快捷键Ctrl-E，选择【标记缝合边】，即可将一条边标记为缝合线；使用快捷键Ctrl-E，选择【清除缝合边】即可清除标记。

工作流程如下：Create seams-展开-反复调整缝合线-手动调整UV，角色模型的UV展开方式有很多，具体如何拆分，需要综合考虑角色的风格、性能、精细度等。

在展开对称物体时，比如身体，沿对称轴标记缝合线，在展开时，可以把两个半边重叠到同一个纹理空间，这样右手和左手可以共用图像像素；左脚匹配右脚等等。

图21：展UV-图片来源于Blender官方

（五）UDIM Workflow

UDIM是对UV贴图和纹理工作流程的增强，它使UV贴图的生成和分配纹理变得更加简单。

从本质上讲，UDIM只是一个自动UV偏移系统，它将图像分配到特定的UV平铺上，它允许你对相邻表面使用多个较低分辨率的纹理贴图，从而产生更高分辨率的结果，而不必求助于使用单个、超高分辨率图像。为了理解UDIM工作流的好处，需要对UV贴图的工作原理有一个基本的了解。

使用UDIM工作流程，0-1、1-2、2-3等每个完整的图块部分都可以分配给它自己的独立图像映射，所有这些都在同一个表面内。每个图像也可以有自己的分辨率。UDIM工作流程只是一种相应命名图像的符号格式，因此它们会自动分配给特定的UV平铺。编号从UV原点开始，沿正方向向外移动十个图块（到 1010），然后重复堆叠在一起的行，向上移动9999行。

图22：UV图块

使用UDIM工作流程从实际几何体的UV映射开始。在此阶段决定如何划分模型，通常基于项目所需的分辨率程度。对于一个普通的角色项目，可以分成头部一个图块，身体一个图块。如果想要更高的分辨率，还可以将手和脚分配到单独的图块上。

如何在Blender中使用UDIM分块？

1）先选中角色模型，在UV编辑器中新建图像，注意图像选择平铺。

2）在右侧【图像】菜单，源选项下选择【UDIM分块】。

3）在UDIM分块下【添加分块】，设置所需的分块数量。

4）将模型的UV孤岛分配到各个UDIM分块。

五

总结

本文主要介绍了3D卡通虚拟数字人角色从风格定义到建模拆分UV的工作流程及方法，前期风格定义了角色性格及形象，通过3D建模技术还原最初的构想，前期的风格定义及三视图起到了非常重要的作用，为后续建模提供参考的同时，也避免了不必要的返工。角色建模是一个综合性非常强的工作，除了要熟练软件操作，还需要了解人体的结构、比例、动作等方面的知识。当我们终于将角色模型搭建完成，这些也仅仅完成了整个虚拟数字人角色设计的二分之一，在下一篇中，我们继续分享着色和驱动部分的知识。

参考文献

[1]从元宇宙元年开始的思考·https://yuanyuzhouneican.com/article-111622.html

[2]Learning Blender：A Hands-On Guide to Creating 3D Animated Characters，Second Edition.

[3]Blender 3.2 参考手册：https://superlove.cc/