張志舟：2021 被認為是“元宇宙元年”，元宇宙概念大熱，但目前仍在布局階段。相比之下，元宇宙未來的重要組成部分虛擬數(shù)字人，已走進入人們的生活。

一個 3D 虛擬數(shù)字人角色的制作流程，可以分為概念設(shè)定-3D 建模-貼圖-蒙皮-動畫-引擎測試六個步驟，涉及到的崗位有原畫師、模型師、動畫師等。角色概念設(shè)定、貼圖繪制一般是由視覺設(shè)計師來完成；而建模、裝配（骨骼綁定）、渲染動畫是由三維設(shè)計師來制作完成。這里主要講的是建模、貼圖、骨骼綁定、渲染動畫三維范疇。本文主要講述從 0 到 1 打造一個虛擬數(shù)字人角色形象的制作過程，希望能讓大家對虛擬數(shù)字人角色制作有更深的了解。

關(guān)于數(shù)字人的基礎(chǔ)知識：

一、基礎(chǔ)角色定義

1. 風(fēng)格探索

基礎(chǔ)人物形象風(fēng)格是至關(guān)重要的一環(huán)，我們需要提煉角色風(fēng)格，同時要兼顧龐大多業(yè)務(wù)線的需求，因此基礎(chǔ)角色形象需要具備普適性和拓展性，這是一個漫長的探索過程。決定一個角色的六要素：種族、性別、年齡、時代背景、職業(yè)、性格。前期需要建立情緒版，做大量分析，確保角色風(fēng)格的差異性和可識別性。

情緒版參考-圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

小雅的人設(shè)幾經(jīng)轉(zhuǎn)折，對于大部分二次元用戶來說，對日漫有著明顯的傾向，但放到場景里面顯夸張，跟企業(yè)氣質(zhì)和相關(guān)業(yè)務(wù)線違和，傾向性明顯的人設(shè)，稍有不慎就會顯得幼稚或夸張。我們知道數(shù)字虛擬人從美術(shù)風(fēng)格上可以分為 3D 高保真、3D 寫實、3D 卡通、2D 真人、2D 卡通等，從元宇宙的應(yīng)用場景考慮，先排除了 2D 的形式，最終從性能及美觀度兩方面考慮，設(shè)定小雅為 3D 卡通的美術(shù)風(fēng)格。

為了突出人物性格的同時，兼顧企業(yè)的品牌基因，在服裝設(shè)計中加入企業(yè)元素，結(jié)合現(xiàn)代時尚元素以保持時尚感。

服裝參考-圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

2. 角色三視圖

小雅最終設(shè)定為年輕干練的職場精英女性，性格沉著冷靜，衣著輕熟干練。由視覺設(shè)計師輸出人物三視圖，三視圖將虛無抽象的文字描述轉(zhuǎn)化為看得見的形象，為建模提供了重要的參考。

角色三視圖

角色模型

二、3D 角色建模

3D 建模為構(gòu)建虛擬人形象的基礎(chǔ)，重點在于實現(xiàn)細節(jié)的精細還原。blender 作為一款開源的三維軟件，提供了非常全面的 3D 圖形創(chuàng)作套件。它擁有用于建模、貼圖、著色、動畫、合成、渲染、視頻編輯等等各種工具，對于角色創(chuàng)作非常方便，基本一款軟件就能搞定大部分的工作。blender 最大的優(yōu)勢就是開源，不用擔(dān)心版權(quán)問題。其次結(jié)合 blender 豐富的插件，能大大提升建模效率。

1. 常用的 3 個建模方法

3d 卡通角色的建模的方式有許多種，最終使用何種建模方式，取決于哪一種更適合自己，和取決于要建什么模型，以下列舉三種常用的建模方式，多邊形建模、雕刻建模+拓撲、逐面建模。

① 多邊形建模

從最基礎(chǔ)的幾何體開始建模，基于基本形狀，一點一點地往上面添加細節(jié)，對于新手建模師而言，多邊形建模更容易入門，且能夠提升對人體結(jié)構(gòu)和布線的理解。

② 一雕刻+拓撲（次世代建模）

雕刻+拓撲對于人體結(jié)構(gòu)需要一定的了解，對于細節(jié)把控更加到位，為后續(xù)高模烘低模提供基礎(chǔ)，這也是我們常說的次世代建模，耗時相對較長，對細節(jié)的把控更加到位。

③ 逐面建模

這種方法也叫 poly2poly，逐面建模法是指使用點、線、面的形式，通過擠壓、合并、環(huán)切等方式，將形體搭建出來，其過程類似于用一塊塊的磚頭砌起一面墻那樣。

當(dāng)然技術(shù)是相通的，由于身體的建模以體現(xiàn)體塊結(jié)構(gòu)為主，所以往往多邊形建模的效率更高，而對于頭部的精細化建模使用雕刻更能體現(xiàn)造型細節(jié)，對于人體不同的部位，也可以結(jié)合使用多邊形+雕刻+拓撲的形式，最佳的方法貌似不存在，每個人都有自己的建模習(xí)慣，對于經(jīng)驗老道的建模師而言，他們會在多種建模方法之間按需切換。

2. 優(yōu)質(zhì)模型的特性

在建模開始之前，我們需要了解一個好的角色模型有哪些特性。

1. 準(zhǔn)確的造型：造型的準(zhǔn)確性直接決定了角色的形象，三視圖為角色建模提供了最直觀的參考，因此顯得尤為重要。
2. 合理的網(wǎng)格布線：合理的網(wǎng)格布線不僅需要準(zhǔn)確體現(xiàn)造型，也需要考慮后續(xù)網(wǎng)格動畫的形變，盡可能使用四邊面搭建模型。
3. 盡可能低的面數(shù)：無論是多邊形建模還是次世代建模，最終到引擎里面都是低模，考慮到性能問題，需要讓模型的網(wǎng)格在滿足造型的前提下，盡可能精簡面數(shù)。

圖片來源于 blender 官方

3. 卡通角色建模步驟

卡通角色模建大致可以歸納為 7 個核心步驟，分別是：

1. 規(guī)劃和搭建身體和四肢的大體形狀結(jié)構(gòu)
2. 為身體添加體積
3. 手和腳的建模
4. 雕刻頭部
5. 重新拓撲頭部
6. 多邊形頭發(fā)建模
7. 服裝建模

step1：規(guī)劃和搭建身體和四肢的體塊造型

拿到三視圖，我們首先要做的第一件事就是在 blender 里面設(shè)定參考圖，基于三視圖，快速規(guī)劃身體和四肢的體塊，這里暫時不需要過于糾結(jié)細節(jié)部位，需要注意的是在搭建體塊造型的時候，需提前考慮好體塊的穿插走位，以便后續(xù)深入塑造身體各部分的體積。

body 體塊-圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

body 網(wǎng)格-圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

step2：為身體添加體積

此步驟主要處理身體各部分關(guān)節(jié)處的網(wǎng)格，為手臂和軀干添加更多的細節(jié)，對關(guān)節(jié)周圍的網(wǎng)格進行合理的布線，確保關(guān)節(jié)處彎曲時，網(wǎng)格也會做出合理的變化。

關(guān)節(jié)處布線-圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

step3：手和腳的建模

① 手部建模

在手和腳的建模中，對于手部腳部的比例及結(jié)構(gòu)掌握是必不可少的，從外形上看，手的是由手掌和手指構(gòu)成，而手掌可以理解成由三塊肉墊構(gòu)成，手指由近節(jié)、中節(jié)、遠節(jié)三部分構(gòu)成，其中拇指沒有中節(jié)指骨。手掌側(cè)的手指較短，手掌上的折痕不與手指和手部的連接線重合。

成年人手的長度和臉相等（下巴到發(fā)際線），青年是從下巴到前額中部的距離，嬰兒是從下巴到眉毛的距離。手掌和手指的理想比例是 1：1。指節(jié)的長度計算方式，近節(jié)（近節(jié)）、近節(jié) 75%（中節(jié)）、中節(jié) 75%（遠節(jié)）。

手部結(jié)構(gòu)圖 1

手部結(jié)構(gòu)圖 2

手部布線

② 腳部建模

腳部主要還是以整體的概括為主，我們可以先把腳分為踝關(guān)節(jié)、腳掌和腳趾三個部分。雖然腳的結(jié)構(gòu)并不簡單，但其中依然也是有一些比率可以讓我們牢記的。比如腳掌和腳趾的比例大致為 4∶1，而腳的整體長度和腳踝的比例則為3∶1。

腳部肌肉結(jié)構(gòu)-圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

腳部比例

腳部布線

step4：雕刻頭部

使用 blender 雕刻頭部，主要分三個階段，主要是初創(chuàng)形狀、主要造型階段、精細刻畫階段。其中涉及到三種工作流，多邊形建模工作流、重構(gòu)網(wǎng)格工作流、多級細分工作流。隨著模型的細節(jié)增多，工作流也會相應(yīng)變化。

1. 初創(chuàng)形狀階段：多邊形建模+重構(gòu)網(wǎng)格，一開始使用多邊形建模方式，創(chuàng)建初步的幾何體，然后使用重構(gòu)網(wǎng)格完成頭部幾何造型，雕刻大體輪廓一切都是大刀闊斧的進行，這里也需要保證網(wǎng)格顆粒度比較大，然后慢慢變化，直到中等形狀開始出現(xiàn)。
2. 主要造型階段：重構(gòu)網(wǎng)格，主要基本形態(tài)已經(jīng)定型，我們要去添加局部的形狀，我們會在一個相對長的時間里，去逐個細化對象的每一個局部，但這些都不是最細分的部分。
3. 精細刻畫階段：多級細分工作流，這個階段的模型形狀細節(jié)基本都具備了，我們只在其基礎(chǔ)之上增加強調(diào)某些轉(zhuǎn)折邊，細化勾勒褶皺和紋理，譬如皮膚上的褶皺和紋理。

step5：頭部拓撲

在 3D 建模中，術(shù)語拓撲是指 3D 模型的邊緣分布和結(jié)構(gòu)。渲染時看起來相同的兩個模型可能具有非常不同的拓撲，拓撲影響 3D 建模和渲染的許多方面，包括：

1. 光線如何對模型做出反應(yīng)
2. 編輯模型的形狀有多容易
3. 應(yīng)用或編輯映射是多么容易。使用四邊形拓撲更容易管理展開的 UV
4. 裝配和動畫模型是多么容易。四邊形拓撲使裝配和動畫變得更加容易

對頭部進行拓撲，可以按照眼框>嘴巴>鼻子>臉頰>額頭>耳朵>頭頂>后腦勺>下巴>頸部的順序進行，當(dāng)然這也不是絕對的，拓撲也是不斷觀察完善造型的過程。需要注意的是臉部的每個轉(zhuǎn)折點。

頭部拓撲-圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

完成頭部網(wǎng)格拓撲后，由于眼睛、牙齒&牙齦、舌頭、眉毛、睫毛是獨立于頭部網(wǎng)格，所以這些需要單獨建模，由于牙齒&牙齦、舌頭、眉毛、睫毛的通用性較強，往往可以找到相似的替代品，無需單獨手動建模。眼睛的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，當(dāng)然對于卡通風(fēng)格化角色我們也可以概況一下，只需體現(xiàn)眼球的可視部分結(jié)構(gòu)和質(zhì)感即可，如此我們可以將眼球概括為眼球（eyeball）、瞳孔（pupil）、虹膜（iris）、角膜（cornea），要求不是特別高的話，也可以將虹膜合并到最外層的角膜。

眼睛結(jié)構(gòu)

step6：多邊形頭發(fā)建模

相較于毛發(fā)系統(tǒng)生成的頭發(fā)，使用多邊形搭建頭發(fā)模型，在面數(shù)上更可控，當(dāng)我們賦予 pbr 材質(zhì)后，同樣可以模擬出發(fā)絲般的效果。使用貝塞爾曲線轉(zhuǎn)網(wǎng)格的方法來塑造頭發(fā)，這里需要根據(jù)原畫設(shè)定好的發(fā)型歸納好頭發(fā)的走向，以及發(fā)塊的形狀。

1. 新建貝塞爾曲線，此路徑?jīng)Q定發(fā)塊的走向。
2. 新建圓環(huán)曲線，此圓環(huán)決定了發(fā)塊的橫截面。
3. 將“step 二”新建的圓環(huán)添加為“step 一”貝塞爾曲線的倒角物體。
4. 調(diào)整圓環(huán)曲線的形狀，以及貝塞爾曲線的頂線縮放（alt+s），調(diào)整到適合原畫角色發(fā)型的發(fā)塊為止。
5. 以此方式多制作幾種發(fā)塊，增加頭發(fā)的層次。
6. 最后復(fù)制相應(yīng)的發(fā)塊，擺放到角色頭上，對造型滿意后，將曲線轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格。

step7：Marvelous Designer 服裝建模

完成角色基礎(chǔ)模型后，需要將角色調(diào)整為 A-pose，這樣對于布料模擬時更貼合角色，給角色設(shè)計衣服，這里我們結(jié)合 MD 來給角色進行服裝建模。

Marvelous Designer 服裝建模

① 導(dǎo)入虛擬模特

在 blender 中導(dǎo)出 obj 格式的角色模型，在 Marvelous Designer 打開從 blender 導(dǎo)出的虛擬模特。

② 設(shè)計服裝版式

服裝打版也叫服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，服裝打版可以分為五個步驟：

1. 根據(jù)角色虛擬模特確定服裝的風(fēng)格造型，這是最重要的一步，在此基礎(chǔ)上面進行下面的操作。
2. 根據(jù)第一步確定和虛擬模特相符合的基礎(chǔ)版型，比如是做裙就使用裙子的基型，是上裝就使用上裝基型。
3. 分析款式有什么樣的要求，根據(jù)服裝款式的要求在基礎(chǔ)型上進行調(diào)整，最后達到新款式的要求。
4. 添加縫紉、剪口、布紋、尺碼、粘合襯等細節(jié)。
5. 最后做出版式后，一定要檢查版式的準(zhǔn)確性和全面性。

③ 網(wǎng)格拓撲

確定好服裝版式之后，先對服裝進行重置網(wǎng)格，將三角面轉(zhuǎn)為四邊面。MD 生成 3D 服裝模型后，雖然我們進行了重置網(wǎng)格，但縫紉線周邊無法避免的還是會出現(xiàn)三角面，后續(xù)增加細節(jié)會比較困難，所以需要對網(wǎng)格進行重新拓撲，這里有兩種方法，一種是直接在 MD 中拓撲，另一種是在 Blneder 中借助插件進行拓撲，當(dāng)然兩者也可以結(jié)合使用。

MD 拓撲：MD 拓撲的邏輯是在板片上創(chuàng)建拓撲線并創(chuàng)建新的網(wǎng)格。3D/2D 窗口工具欄? 創(chuàng)建拓撲工具，當(dāng)選擇拓撲工具時，板片將會顯示為透明狀態(tài)。在2D及3D窗口中均可創(chuàng)建拓撲，當(dāng)創(chuàng)建拓撲線時，如果形成一個封閉的圖形，就會創(chuàng)建一個拓撲面。

Marvelous Designer 拓撲

Blneder+Textool：將 MD 制作好的的服裝模型導(dǎo)入到 blender，借助 Textool-Create UV Mesh 將模型網(wǎng)格按照 UV 進行展平，這樣相對于在 3D 網(wǎng)格上進行拓撲效率會大大提升，而且在拓撲時更直觀。

Textool Create UV Mesh

④ 材質(zhì)著色

將服裝模型導(dǎo)出，這里一般只需要導(dǎo)出所選板片的 obj 模型即可，導(dǎo)出參數(shù)勾選上統(tǒng)一的 UV 坐標(biāo)-法線貼圖，法線貼圖可以精細的模擬折痕的細節(jié)，最后在 blender 或者 sp 中制作服裝的材質(zhì)。

4. DAZ Studio 輔助建模方案

利用 DAZ3D 的基礎(chǔ)素材制作模型（盡量選用 G8 素材）。

1. 使用 G8 或更高版本的素材，一般身體不需要改。只需調(diào)整面部特征。
2. 將調(diào)整好的素材導(dǎo)入到 blender 做更細致的調(diào)整，由于直接導(dǎo)出 fbx 會有一些問題，這里需要用到 DAZ to Blender 或者 DAZ Importer 插件，同時將形態(tài)健一起導(dǎo)出到 blender。
3. 使用 MD 為角色制作服裝，步驟同上。

三、結(jié)語

本章節(jié)主要講述了卡通虛擬數(shù)字人角色從風(fēng)格定義到建模的工作流程及方法，前期風(fēng)格定義了角色性格及形象，通過 3D 建模技術(shù)還原最初的構(gòu)想，前期的風(fēng)格定義及三視圖起到了非常重要的作用，為后續(xù)建模提供參考的同時，也避免了不必要的返工。角色建模是一個綜合性非常強的工作，除了要熟練軟件操作，還需要了解人體的結(jié)構(gòu)、比例、動作等方面的知識。當(dāng)我們終于將角色模型搭建完成，這些也僅僅完成了整個角色設(shè)計的三分之一部分，在下一篇中，我們繼續(xù)分享著色和烘焙部分的知識。

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