虚拟数字人技术与应用

党的二十大报告强调，加快发展数字经济，促进数字经济和实体经济深度融合，打造
具有国际竞争力的数字产业集群。数字人技术作为数字经济的重要支撑，具有广泛的应用
前景，既可促进传统产业转型升级，提升生产效率和竞争力，又可创造新的应用场景，推
动行业应用创新，为数字经济提供更广阔的应用场景和市场，同时也能带动实体经济的
发展。
本人有幸参与了2020 年普通高等学校本科虚拟现实技术专业的申报工作，并
负责起草了信息技术新工科产学研联盟虚拟现实教育工作委员会编制的《虚拟现实技术专
业建设方案（建议稿）》，深感教材对人才培养的重要性，因此以虚拟现实技术专业的核心
内容虚拟数字人技术为选题，尝试编写教材（本教材提到的数字人即虚拟数字人），旨在
抛砖引玉，期望能吸引更多同仁参与虚拟现实技术专业教材的编写工作。
本书主要包含以下内容。
第1 章简要介绍数字人的发展历史、不同的分类方式、产业应用情况及基本的制作
流程。
第2 章围绕数字人制作流程，从建模、驱动和渲染三个方面，介绍数字人制作的通用
支撑技术。
第3 章从零基础起步，结合数字人基础模型的制作实践，有针对性地介绍几种常用的
数字人模型生成与处理工具。
第4 章以人物模型的头发为例，系统学习可迁移的眉毛、胡须、睫毛等数字人毛发制
作流程和方法。
第5 章介绍数字人服装建模的流程和方法，包括创建布料模型、绘制服装3D 纹理贴图、
模拟服装动态效果等。
第6 章介绍数字人骨骼绑定的原理和作用，从骨骼的创建、骨骼和皮肤的关联、权重
调整介绍身体骨骼绑定的流程和方法；从形态键与数字人脸部网格对应关系，介绍面部绑
定的流程和方法。
第7 章介绍数字人实时运动驱动的原理，介绍通过体感设备和深度摄像头，捕获运动
数据、驱动数字人的肢体和面部实时产生动画的方法与流程。
第8 章从数字人的皮肤材质、头发与服装动力学、画面整体效果把控和调整等方面介
绍数字人项目效果优化的方法。
第9 章以互联网的虚拟主持人、文旅场景的互动式讲解员为例，介绍数字人综合应用
的设计开发流程和方法。
第10 章从数字人面临问题、影响技术、发展趋势等几个方面展望数字人的未来，引
发学习者对数字人的思考。
前　言
虚拟数字人技术与应用
IV
本书具有以下特点。
一是将课程目标定位于虚拟现实技术、数字媒体技术、数字媒体艺术专业应用型人才
培养，突出应用性、实用性原则，重点加强实际操作教学内容，强调学生实际动手能力的
培养。
二是按照数字人应用开发的实际工作流程组织和安排学习内容，使得学习的流程与工
作实践的流程一致，以期使学习者能快速适应行业的应用需求。
三是在强调专业实践能力培养的同时，注重对数字人技术理论知识的系统性学习，使
学习者具备涵盖从数字人的发展历史到未来发展趋势的开阔视野。
另外，本书在编写过程中，参考了许多有关数字人技术的文章和视频资料，吸收了许
多专家同仁的观点，但为了行文方便，不便一一注明。书后所附参考文献是本书重点参考
的资料。在此，特向在本书中引用和参考的文章、视频、网页的编著者与作者表示诚挚的
谢意。
工作室研究生徐乐怡、贺采、张钰坤参与了本书的编写工作，设计实现了书中的应用
案例，在此表示诚挚的感谢。
由于编写时间仓促，编者水平有限，书中不足之处在所难免，敬请各位专家、同行、
读者批评指正。
吴伟和
2024 年1 月
图书素材源代码

本书面向虚拟数字人技术和数字人应用设计的初学者，通过对数字人建模、骨骼生成、权重设定、实时驱动、视效渲染等技术的讲解，培养学习者从事虚拟数字人应用开放的专业实践能力，并让学习者对虚拟数字人技术相关知识及其发展趋势和应用前景有较全面深入的认识。
本书适合作为高等院校虚拟现实技术、数字媒体技术、数字媒体艺术、动画等相关专业的教材，也可作为高职院校虚拟现实技术应用专业参考教材，同时可供对数字人技术和设计应用感兴趣的开发人员参考。
本书封面贴有清华大学出版社防伪标签，无标签者不得销售。

吴伟和，男，博士，北京工业大学教授，北京师范大学本科、硕士，北京航空航天大学博士。中国虚拟现实技术与产业创新平台常务理事和专家委员会委员，工信部电子科技委基础电子组专家，中国仿真学会医疗仿真专委会委员，国家虚拟仿真实验教学创新联盟技术工作委员会委员，信息技术新工科产学研联盟虚拟现实教育工作委员会委员，国家普通高中教科书《三维设计与创意》分册主编，国家级虚拟仿真实验教学中心评审专家，北京市科委文化与科技融合项目评审专家，北京市计算机学会理事。

第1 章　数字人概述  1
11　数字人的发展历史 1
111 数字人发展历程  1
112　数字人概念的变迁  5
12　数字人的分类 6
121　按表征人物数据资源
和人物形象风格分类  6
122　按应用分类  7
123　按交互模块分类  8
13　数字人的产业应用 9
第2 章　数字人通用技术架构  11
21　建模模块 12
211　皮肤网格建模  12
212　骨骼建模  13
22　驱动技术 13
221　真人驱动  13
222　算法驱动  14
23　渲染技术 15
231　渲染方式  15
232　渲染技术对比  16
第3 章　数字人模型生成与处理  18
31　人物建模工具介绍 18
311　简易人物建模工具  18
312　模型处理工具  21
32　数字人基础建模 25
321　头部建模  26
322　身体建模  34
323　头部关联部分的网格
　　　分布  44
33　数字人的UV 网格拆分与
　　 纹理绘制 45
331　C4D 中UV 网格拆分  45
332　纹理导出与绘制  54
第4 章　数字人毛发制作  62
41　毛发制作插件——XGen 62
42　案例练习——创建一组头发 63
421　管线创建  63
422　绘制头发生长范围的
　　　贴图蒙版  66
423　毛发形状调整  68
424　管线转面片  74
425　最终效果呈现  76
第5 章　数字人服装制作  78
51　服装模型制作软件——
　　 Marvelous Designer 78
511　软件介绍  78
512　案例练习——制作一
　　　套简易服装  81
虚拟数字人技术与应用
VI
52　服装贴图绘制软件——
　　 Substance Painter 88
521　软件介绍  88
522　服装贴图的制作流程  92
523　案例练习——绘制一套
　　　服装贴图  95
第6 章　数字人骨骼绑定  99
61　简易绑定与蒙皮工具 99
611　工具简介  99
612　绑定步骤  100
62　面部绑定插件——Faceit 103
621　Faceit 插件简介  103
622　案例练习——绑定
　　　一张脸  105
63　C4D 骨骼系统与绑定 113
631　C4D 骨骼系统简介  113
632　案例练习——绑定
　　　一个头部  115
633　案例练习——使用
　　　模板绑定一个角色  123
第7 章 数字人动画生成  135
71　数字人模型导入Unity 135
711　Unity 界面初识  135
712　导入模型  136
713　显示材质  137
714　创建新材质  137
715　导入骨骼  137
716　定义预制体  139
72　数字人面部动画生成 139
721　ARKit Face Tracking
简介  140
722　Live Capture 简介  140
723　移动设备应用程序：
Unity Face Capture  141
724　案例练习——驱动
　　　一张脸  141
73　数字人肢体动画生成 148
731　Kinect 简介  148
732　Unity 与Kinect V2
　　　连接  149
74　数字人交互作品发布 154
第8 章 数字人项目效果优化  160
81　数字人皮肤材质设定 160
811　SSS 材质的概念  160
812　SSS 材质获取  161
813　Subsurface Scattering
　　　Shader 皮肤SSS 材质
的使用  163
814　URP-Skin Shaders
　　　皮肤SSS 材质的
　　　使用  164
82　数字人头发与服装的动力
　　 学实现—— Magica Cloth 167
821　插件介绍  167
822　基于骨骼模拟案例
　　　演示  169
823　基于顶点模拟案例
　　　演示  172
83　Unity 后处理插件
　　 Post Processing 176
831　后处理插件简介  176
832　安装设置  177
833　常用效果简介（以
　　　默认管线为例）  181
第9 章 数字人综合应用案例  191
91　虚拟主持人、虚拟主播应用
　　 案例 191
目 录
VII
911　应用场景分析  191
912 　应用对象分析  192
913　应用目标分析  192
914　应用策划设计与制作
实现  192
92　文旅场景应用案例 202
921　应用场景分析  202
922　应用对象和现状
分析  202
923　单人应答式应用——
《魂系秦俑情》语
音和面部驱动互动
游戏  203
924　数字人驱动脚本  217
第10 章 数字人的发展与未来  228
101　数字人相关问题及对其
思考 228
1011　数字人与技术高度
相关性  228
1012　数字人情感化表达  229
1013　数字人的恐怖谷
效应  229
1014　数字人的法律风险  230
1015　数字人的伦理问题  230
1016　数字人的社会认同  230
1017　数字人的滥用现象  231
102　数字人未来展望 231
1021　数字人应用发展
趋势  231
1022　AIGC 对数字人未
来的影响  233
附录　快捷键表  236
参考文献  238

本书面向虚拟数字人技术和数字人应用设计的初学者，通过对数字人建模、骨骼生成、权重设定、实时驱动、视效渲染等技术的讲解，培养学习者从事虚拟数字人应用开放的专业实践能力，并让学习者对虚拟数字人技术相关知识及其发展趋势和应用前景有较全面深入的认识。
本书适合作为高等院校虚拟现实技术、数字媒体技术、数字媒体艺术、动画等相关专业的教材，也可作为高职院校虚拟现实技术应用专业参考教材，同时可供对数字人技术和设计应用感兴趣的开发人员参考。
本书封面贴有清华大学出版社防伪标签，无标签者不得销售。

吴伟和，男，博士，北京工业大学教授，北京师范大学本科、硕士，北京航空航天大学博士。中国虚拟现实技术与产业创新平台常务理事和专家委员会委员，工信部电子科技委基础电子组专家，中国仿真学会医疗仿真专委会委员，国家虚拟仿真实验教学创新联盟技术工作委员会委员，信息技术新工科产学研联盟虚拟现实教育工作委员会委员，国家普通高中教科书《三维设计与创意》分册主编，国家级虚拟仿真实验教学中心评审专家，北京市科委文化与科技融合项目评审专家，北京市计算机学会理事。