5000字干货！3D卡通虚拟数字人角色设计完整流程（上）

张志舟：2021 它被认为是“元宇宙的第一年”。元宇宙的概念很热，但仍处于布局阶段。相比之下，虚拟数字人是元宇宙未来的重要组成部分，已经进入了人们的生活。

一个 3D 虚拟数字人角色的制作过程可分为概念设置-3D 建模-地图-蒙皮-动画-引擎测试六个步骤，包括原画家、模型师、动画师等。角色概念设置和地图绘制一般由视觉设计师完成；建模和组装（骨绑定）、渲染动画是由3D设计师制作的。这里主要讲的是建模、贴图、骨架绑定、渲染动画的3D范畴。本文主要从 0 到 1 创建虚拟数字人物形象的制作过程，希望能让大家对虚拟数字人物的制作有更深的了解。

关于数字人的基本知识：

第一，定义基本角色

1. 风格探索

基本人物形象风格是一个至关重要的环节。我们需要完善角色风格，并考虑到大多数业务线的需求。因此，基本的角色形象需要具有普遍性和扩展性，这是一个漫长的探索过程。决定一个角色的六个要素：种族、性别、年龄、时代背景、职业和个性。在早期阶段，我们需要建立一个情感版本，并进行大量的分析，以确保角色风格的差异和可识别性。

情感版参考-图片来源于网络

小雅的人性化设计经历了几个转折点。对于大多数二级用户来说，他们有明显的日本漫画倾向，但在场景中被夸大了。他们违背了企业气质和相关业务线。如果他们粗心大意，他们会显得幼稚或夸张。我们知道数字虚拟人可以从艺术风格上分为 3D 高保真、3D 写实、3D 卡通、2D 真人、2D 考虑到元宇宙的应用场景，卡通首先排除在外 2D 最后，从性能和美学两个方面考虑形式，将小雅设定为 3D 卡通的艺术风格。

为突出人物性格，兼顾企业品牌基因，在服装设计中加入企业元素，结合现代时尚元素，保持时尚感。

服装参考-图片来源于网络

2. 角色三视图

小雅最终被设定为年轻能干的职场精英女性，性格沉着冷静，衣着轻盈熟练。视觉设计师输出人物三视图，将虚无抽象的文字描述转化为可见形象，为建模提供了重要参考。

角色三视图

角色模型

二、3D 角色建模

3D 建模是构建虚拟人形象的基础，重点是细节的精细还原。blender 三维软件作为开源软件，提供了非常全面的服务 3D 图形创建套件。它有各种工具，如建模、地图、着色、动画、合成、渲染、视频编辑等，非常方便角色创建。基本上，一个软件可以完成大部分工作。blender 最大的优点是开源，不用担心版权问题。二是结合 blender 插件丰富，可大大提高建模效率。

1. 常用的 3 个建模方法

3d 卡通人物的建模方法有很多种。最终使用的建模方法取决于哪一种更适合你，以及建立什么模型。多边形建模、雕刻建模+拓扑、逐面建模三种常用的建模方法。

① 多边形建模

从最基本的几何开始建模，根据基本形状，一点一点地添加细节，对于新手建模师来说，多边形建模更容易开始，可以提高对人体结构和布线的理解。

② 雕刻+拓扑(次世代建模)

雕刻+拓扑需要对人体结构有一定的了解，更好地控制细节，为后续高模烘低模提供基础。这也是我们常说的第二代建模，耗时相对较长，对细节的控制更到位。

③ 逐面建模

这种方法也叫 poly2poly，逐面施工方法是指利用点、线、面的形式，通过挤压、合并、环切等方式构建形状，其过程类似于用砖砌墙。

当然，技术是相互关联的，因为身体建模主要反映块结构，所以往往多边形建模效率更高，对于头部精细建模使用雕刻可以反映建模细节，对于人体的不同部位，也可以结合使用多边形+雕刻+拓扑形式，最好的方法似乎不存在，每个人都有自己的建模习惯，对于经验丰富的建模师，他们将在各种建模方法之间按需切换。

2. 高质量模型的特点

在建模开始之前，我们需要了解一个好的角色模型的特点。

准确的形状：形状的准确性直接决定了角色的形象。三个视图为角色建模提供了最直观的参考，因此尤为重要。合理的网格布线：合理的网格布线不仅需要准确反映形状，还需要考虑后续网格动画的变形，并尽可能使用四边构建模型。尽可能低的面数：无论是多边形建模还是次代建模，最终都是低模型。考虑到性能问题，模型网格需要在满足形状的前提下尽可能简化面数。

图片来源于 blender 官方

3. 卡通人物建模步骤

卡通人物模型建设大致可以概括为 7 一个核心步骤是：

规划和构建身体和四肢的一般形状结构，为身体增加体积、手脚的建模和雕刻，重新拓扑头部多边形头发建模服装建模

step1：规划和构建身体和四肢的体积形状

拿到三视图，首先要做的就是 blender 设置参考图，基于三个视图，快速规划身体和四肢的块，这里暂时不需要太纠结细节，需要注意的是，在构建块形状时，需要提前考虑块的穿插位置，以便进一步塑造身体各部位的体积。

body 图片来源于网络

body 网格-图片来源于网络

step2：为身体增加体积

本步骤主要处理身体各部位关节处的网格，为手臂和躯干添加更多细节，并在关节周围添加网格网格合理布线，确保关节弯曲时，网格也会做出合理的变化。

关节布线-图片来源于网络

step3：建模手脚

① 手部建模

在手脚的建模中，掌握手脚的比例和结构是必不可少的。从外观上看，手是由手掌和手指组成的，手掌可以理解为由三块肉垫组成，手指由近节、中节和远节组成，拇指没有中节指骨。手掌侧面的手指很短，手掌上的折痕与手指和手的连接线不一致。

成年人的长度等于面部（从下巴到发际线），年轻人从下巴到前额中间，婴儿从下巴到眉毛。手掌和手指的理想比例是 1：1.指节长度计算方法，近节(近节)、近节 75%（中节）、中节 75%(远节)。

手部结构图 1

手部结构图 2

手部布线

② 脚部建模

脚主要是整体概括。我们可以先把脚分为踝关节、脚底和脚趾。虽然脚的结构不简单，但还是有一些比例可以记住。比如脚底和脚趾的比例大致是 4∶1.脚的整体长度与脚踝的比例为3∶1。

脚部肌肉结构-图片来源于网络

脚部比例

脚部布线

step4：雕刻头部

使用 blender 雕刻头，主要分为三个阶段，主要是初始形状、主要形状阶段、精细描绘阶段。它涉及三种工作流、多边形建模工作流、网格重建工作流和多级细分工作流。随着模型细节的增加，工作流也会发生相应的变化。

初始形状阶段：多边形建模+重建网格，首先使用多边形建模，创建初始几何，然后使用重建网格完成头部几何形状，雕刻一般轮廓一切都是大胆的，这里也需要确保网格粒度较大，然后慢慢改变，直到中等形状开始出现。主要建模阶段：重建网格，主要基本形式已确定，我们需要添加局部形状，我们将在相对较长的时间内逐一细化对象的每个局部，但这些不是最细分的部分。精细描述阶段：多层次细分工作流，这一阶段的模型形状细节基本上都有，我们只在此基础上增加一些转折点，细化和勾勒出皱纹和纹理，如皮肤上的皱纹和纹理。

step5：头部拓扑

在 3D 在建模中，术语拓扑是指 3D 模型的边缘分布和结构。两个看起来相同的模型在渲染时可能会有非常不同的拓扑，拓扑会影响它们。 3D 建模和渲染的许多方面包括：

如何对模型做出反应？编辑模型的形状有多容易应用或编辑映射。使用四边形拓扑更容易管理 UV组装和动画模型有多容易。四边形拓扑使组装和动画更容易。

对头部进行拓扑，可按眼框进行拓扑>嘴巴>鼻子>脸颊>额头>耳朵>头顶>后脑勺>下巴>颈部的顺序，当然，这不是绝对的，拓扑也是一个不断观察和改善形状的过程。需要注意的是面部的每个转折点。

头部拓扑-图片来源于网络

头部网格拓扑完成后，因为眼睛和牙齿&牙龈、舌头、眉毛和睫毛是独立于头部网格的，因此需要单独建模。因为牙齿&牙龈、舌头、眉毛、睫毛通用性强，往往可以找到类似的替代品，无需单独手动建模。眼睛的结构比较复杂。当然，我们也可以概括卡通风格的角色，只需要反映眼睛的视觉结构和纹理，这样我们就可以把眼睛概括为眼睛（eyeball）、瞳孔（pupil）、虹膜（iris）、角膜（cornea），如果要求不是特别高，虹膜也可以合并到最外层的角膜。

眼睛结构

step6：多边形头发建模

与毛发系统生成的头发相比，使用多边形头发模型在面部数量上更可控，当我们给它时 pbr 材料制成后，还可以模拟起始丝般的效果。使用贝塞尔曲线到网格的方法来塑造头发。在这里，我们需要根据原始绘画设置的发型总结头发的方向和发块的形状。

新建贝塞尔曲线，这条路径决定了发块的方向。新建的环曲线决定了发块的横截面。”step “二”新建的环添加到“step 一个“贝塞尔曲线的倒角物体。调整环形曲线的形状，以及贝塞尔曲线的顶部收缩（alt+s），调整到适合原画人物发型的发块。通过这种方式，制作更多的发块，以增加头发的水平。最后，复制相应的发块并将其放在角色的头上。对形状感到满意后，将曲线转换为网格。

step7：Marvelous Designer 服装建模

完成角色基本模型后，需要将角色调整为 A-pose，这样，布料模拟更适合角色，为角色设计衣服。在这里，我们将其结合起来 MD 对角色进行服装建模。

Marvelous Designer 服装建模

① 导入虚拟模型

在 blender 中导出 obj 角色模型的格式，在 Marvelous Designer 打开从 blender 虚拟模型的导出。

② 服装布局的设计

服装打版又称服装结构设计，服装打版可分为五个步骤：

根据角色虚拟模型确定服装的风格和形状是最重要的一步。在此基础上进行以下操作。根据第一步，确定与虚拟模型一致的基本版本。例如，裙子的基本类型用于制作裙子，上衣的基本类型用于上衣。分析风格的要求，根据服装风格的要求调整基本类型，最终满足新风格的要求。添加缝纫、剪切、布纹、尺寸、粘合衬里等细节。最后，制作布局后，必须检查布局的准确性和全面性。

③ 网格拓扑

确定服装布局后，首先重置服装网格，将三角面转换为四边面。MD 生成 3D 在服装模型之后，虽然我们重置了网格，但缝纫线周围不可避免地会出现三角形，后续的细节将很难增加，所以我们需要重新扩展网格。这里有两种方法，一种是直接的 MD 另一种是中拓扑 Blneder 借助插件进行拓扑，当然两者也可以结合使用。

MD 拓扑：MD 拓扑的逻辑是在板上创建拓扑线和新网格。3D/2D 窗口工具栏▶ 创建拓扑工具，当选择拓扑工具时，板将显示为透明状态。拓扑可以在2D和3D窗口中创建。当创建拓扑线时，如果形成一个封闭的图形，它将创建一个拓扑面。

Marvelous Designer 拓扑

Blneder+Textool：将 MD 导入制作好的服装模型 blender，借助 Textool-Create UV Mesh 按模型网格 UV 展平相对于 3D 拓扑效率在网格上会大大提高，拓扑时会更直观。

Textool Create UV Mesh

④ 材质着色

导出服装模型，这里通常只需要导出所选板 obj 模型可以在导出参数的勾选上统一 UV 坐标-法线贴图，法线贴图可以模拟折痕的细节，最后在 blender 或者 sp 制作服装的材料。

4. DAZ Studio 辅助建模方案

利用 DAZ3D 基础材料制作模型(尽量选择 G8 素材）。

使用 G8 或者更高版本的材料，一般身体不需要改变。只需调整面部特征。将调整后的材料引入 blender 由于直接导出，做出更详细的调整 fbx 这里会有一些问题需要使用 DAZ to Blender 或者 DAZ Importer 插件同时将形态健一起导出 blender。使用 MD 为角色制作服装，步骤相同。

三、结语

本章主要讲述了卡通虚拟数字人物从风格定义到建模的工作流程和方法。通过 3D 建模技术恢复了最初的概念，早期的风格定义和三个视图发挥了非常重要的作用，为后续的建模提供了参考，但也避免了不必要的返工。角色建模是一项非常全面的工作，除了熟练的软件操作外，还需要了解人体的结构、比例、动作等知识。当我们最终完成角色模型时，这些只是整个角色设计的三分之一。在下一篇文章中，我们将继续分享着色和烘焙的知识。

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