张志舟：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，已走进入人们的生活。
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、贴图绘制一般是由视觉设计师来完成；而建模、装配（骨骼绑定）、渲染动画是由三维设计师来制作完成。这里主要讲的是建模、贴图、骨骼绑定、渲染动画三维范畴。本文主要讲述从 0 到 1 打造一个虚拟数字人角色形象的制作过程，希望能让大家对虚拟数字人角色制作有更深的了解。
关于数字人的基础知识：
1. 风格探索
基础人物形象风格是至关重要的一环，我们需要提炼角色风格，同时要兼顾庞大多业务线的需求，因此基础角色形象需要具备普适性和拓展性，这是一个漫长的探索过程。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。
情绪版参考-图片来源于网络
小雅的人设几经转折，对于大部分二次元用户来说，对日漫有着明显的倾向，但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。
服装参考-图片来源于网络
2. 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。
角色三视图
角色模型
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。
1. 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。
① 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。
② 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。
③ 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，最佳的方法貌似不存在，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。
2. 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。
图片来源于 blender 官方
3. 卡通角色建模步骤
卡通角色模建大致可以归纳为 7 个核心步骤，分别是：
- 规划和搭建身体和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
step1：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。
body 体块-图片来源于网络
body 网格-图片来源于网络
step2：为身体添加体积
此步骤主要处理身体各部分关节处的网格，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。
关节处布线-图片来源于网络
step3：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，手的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）。
手部结构图 1
手部结构图 2
手部布线
② 脚部建模
脚部主要还是以整体的概括为主，我们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。
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 雕刻头部，主要分三个阶段，主要是初创形状、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。
- 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。
- 主要造型阶段：重构网格，主要基本形态已经定型，我们要去添加局部的形状，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。
- 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。
step5：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
- 应用或编辑映射是多么容易。使用四边形拓扑更容易管理展开的 UV
- 装配和动画模型是多么容易。四边形拓扑使装配和动画变得更加容易
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。
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，由于牙齿&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。
眼睛结构
step6：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，这里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。
- 新建贝塞尔曲线，此路径决定发块的走向。
- 新建圆环曲线，此圆环决定了发块的横截面。
- 将“step 二”新建的圆环添加为“step 一”贝塞尔曲线的倒角物体。
- 调整圆环曲线的形状，以及贝塞尔曲线的顶线缩放（alt+s），调整到适合原画角色发型的发块为止。
- 以此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。
step7：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 MD 来给角色进行服装建模。
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，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，服装打版可以分为五个步骤：
- 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。
- 根据第一步确定和虚拟模特相符合的基础版型，比如是做裙就使用裙子的基型，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。
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。
Textool Create UV Mesh
④ 材质着色
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 sp 中制作服装的材质。
4. 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）。
- 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。
- 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 或者 DAZ importer 插件，同时将形态健一起导出到 blender。
- 使用 MD 为角色制作服装，步骤同上。
本章节主要讲述了卡通虚拟数字人角色从风格定义到建模的工作流程及方法，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角色设计的三分之一部分，在下一篇中，我们继续分享着色和烘焙部分的知识。
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