数字人(Digital Human)技术梳理
本报告按照"先行为后结构、从宏观到细节"的方法,用 UML 图逐层拆解数字人的技术体系:先讲清数字人系统"能做什么"(用例 → 制作流程 → 交互流程),再拆解它"由什么组成"(整体架构 → 形象 → 动作 → 语音 → 大脑 → 交互),最后落到产业链与厂商。
1. 数字人概述
1.1 定义
数字人(Digital Human),又称虚拟数字人(Virtual Digital Human),指以数字化形式存在于虚拟空间、具有人类外貌特征与行为能力的计算机生成人物。它综合运用计算机图形学(CG)、动作捕捉(Motion Capture)、人工智能(AI)、语音合成(TTS)、实时渲染(Real-time Rendering)等技术,可模拟人类的样貌、声音、表情、动作乃至思维方式。
与静态的"虚拟形象"不同,数字人的核心特征是可驱动、可交互、可批量生成:形象可以动起来说话,内容可以随输入实时变化,且成本远低于真人拍摄。
1.2 发展历程
| 阶段 | 时间 | 代表事件 | 技术特征 |
|---|---|---|---|
| 萌芽期 | 1980s-2000s | 电影 CG 角色(《指环王》咕噜等) | 离线 CG 渲染,人工逐帧制作,成本极高 |
| 探索期 | 2000s-2015 | 初音未来、虚拟偶像 | 3D 建模 + 动作绑定 + 光学动捕 |
| 产业化期 | 2016-2021 | 新华社 AI 合成主播、央视虚拟主持 | 2D 图像驱动、语音合成 + 口型同步 |
| 爆发期 | 2022-至今 | LLM 大模型 + 实时交互数字人 | 大模型认知 + 实时渲染 + 云端化 |
1.3 为什么数字人值得关注
- 供给侧革命:大模型(LLM)让数字人第一次拥有接近人类的"大脑",可从"工具"升级为"数字员工"。
- 成本革命:2D 图像驱动技术将视频制作成本从"影视级"降到"分钟级、近乎免费",视频内容生产成本骤降 90% 以上。
- 规模革命:同一形象可同时服务全球用户,7×24 小时在线,边际成本趋近于零。
据 MarketsandMarkets 2025 年 5 月报告,全球 AI Avatar(AI 虚拟形象)市场预计从 2025 年的约 8 亿美元增长至 2032 年的约 59.3 亿美元,复合年增长率(CAGR)约 33.1%。主要玩家包括 Synthesia、HeyGen、D-ID、Akool、NVIDIA、AWS、Meta、Soul Machines 等。
2. 概念辨析与分类
2.1 相关概念辨析
| 概念 | 英文 | 区别 |
|---|---|---|
| 虚拟人 | Virtual Human | 泛指虚拟世界中的人物形象,范围最广(含游戏角色、动画角色) |
| 数字人 | Digital Human | 强调以"数字资产"形式存在、可被计算机驱动的人形形象,偏技术产物 |
| 虚拟偶像 / VTuber | Virtual Idol / VTuber | 以真人运营(中之人)驱动的娱乐化数字人,强调人设与粉丝运营 |
| AI 数字员工 / AI Avatar | Digital Worker | 面向企业岗位的数字人,强调"能干活"(客服、主播、销售)而非"长得像人" |
| 数字孪生人 | Digital Twin Human | 特定真人(如患者、名人)的数字化镜像,用于仿真,强调"还原特定个体" |
| Deepfake / 换脸 | Face Swap | 不完整数字人技术,仅替换人脸,存在滥用风险 |
2.2 数字人分类体系
| 分类维度 | 类别 | 说明 |
|---|---|---|
| 呈现形式 | 2D 数字人 | 基于单张照片/视频生成,成本低、快(D-ID、HeyGen 为代表),适合视频内容 |
| 3D 数字人 | 三维建模 + 实时渲染,可自由运镜、全方位交互(MetaHuman、捏脸系统),适合实时交互 | |
| 驱动方式 | 真人驱动 | 通过动作捕捉(动捕服/摄像头/面部捕捉)驱动,实时性与真人动作一致,成本高 |
| 智能驱动 | AI 自动生成动作与表情(语音驱动口型、文本驱动表情),可批量、无人值守 | |
| 交互能力 | 非交互式(视频类) | 预先生成视频,固定内容,用于批量内容生产 |
| 交互式(Agent 类) | 实时对话、实时响应,具备"数字员工"能力(Soul Machines、D-ID Visual Agent) | |
| 写实程度 | 超写实 | 接近真人照片级,易触发"恐怖谷"效应,技术门槛最高 |
| 半写实 | 美型风格(次时代游戏风格),商业应用最广 | |
| 卡通风格 | Q 版/二次元,亲和力强,实现成本最低 |
- 2D 图像驱动路线:用一张照片 + 一段音频,通过深度学习生成"开口说话"的视频。优点是成本极低、生成极快,缺点是画面自由度低、难以多角度展示。
- 3D 实时渲染路线:在游戏引擎(Unreal / Unity)中构建三维人体,由 AI 或动捕实时驱动,配合 WebRTC 推流。优点是自由交互、沉浸感强,缺点是需要 GPU 算力、成本高。
3. 行为视角:系统做什么
行为视角回答"数字人系统能为用户提供什么"。下图是数字人系统的整体用例图(用例图——系统整体行为):
3.1 专有名词解释
- 数字人形象克隆(Avatar Cloning):根据真人照片/视频或 AI 生成图,创建可被驱动的数字人形象资产,即"身体的复制"。
- 口播视频(Talking-head Video):数字人面对镜头"说话"的视频形态,是 2D 数字人最主要的输出形式。
- RAG(检索增强生成,Retrieval-Augmented Generation):先检索企业知识库再交给大模型生成回答,避免大模型"胡编",是数字人"懂业务"的关键。
3.2 主流程一:非交互式数字人视频制作(活动图)
这是目前最成熟、商业化最广的流程——企业用它批量生产口播视频、营销素材、培训课程。核心是把"拍摄+剪辑"变成"输入文字即出片"。
上述流程对应 D-ID Creative Reality™ Studio、HeyGen、Synthesia 等平台的典型交互:文字进、视频出,单个 5 分钟视频通常只需几分钟生成,成本较真人拍摄降低 90% 以上。以 D-ID 风格 API 为例,整个流程实际就是一次接口调用:
# 生成一段数字人口播视频(D-ID API 风格示例)
POST https://api.d-id.com/talks
Authorization: Bearer {api_key}
Content-Type: application/json
{
"source_url": "https://cdn.example.com/presenter.png", // 数字人形象
"script": {
"type": "text",
"input": "大家好,我是你们的 AI 同事……",
"provider": { "type": "microsoft", "voice_id": "zh-CN-XiaoxiaoNeural" }
}
}
→ 返回 talk_id,轮询 GET /talks/{id} 至 status=done,取 result_url 即成品 MP4
3.3 主流程二:交互式数字人实时对话(时序图)
这是下一代数字人形态——数字员工 / Visual AI Agent。数字人不再只是"说话的视频",而是能实时听懂、思考、回答甚至执行任务的智能体。
图中可见,交互式数字人的实时性由全链路延迟决定:ASR → LLM → TTS → 驱动渲染,任一环节过慢都会让对话"卡顿"。行业目标是把端到端延迟压到 1~2 秒以内,达到"真人对话感"。接入方拿到的是封装好的流式接口:
# 实时交互数字人(WebRTC 流式接入,D-ID API 风格示例)
POST https://api.d-id.com/agents
Authorization: Bearer {api_key}
{
"presenter": "https://cdn.example.com/presenter.mp4", // 数字人形象视频源
"llm": { "provider": "openai", "model": "gpt-4o",
"system_prompt": "你是某银行的首席客服助手小招……" },
"tts": { "type": "microsoft", "voice_id": "zh-CN-XiaoyiNeural" },
"stt": { "provider": "deepgram" },
"retriever": { "provider": "vdb", "collection": "bank_faq" } // RAG 知识库
}
→ 返回 session,前端用 WebRTC 连接,即可与数字人实时语音对话
3.4 专有名词解释
- ASR(自动语音识别,Automatic Speech Recognition):把用户的语音转成文字,是数字人的"耳朵"。
- TTS(文本转语音,Text-to-Speech):把回复文本转成自然语音,是数字人的"嘴"。
- WebRTC(网页实时通信):浏览器间实时传输音视频的开源协议,交互式数字人推流与收音的通用通道。
- 端到端延迟(End-to-end Latency):从用户开口到数字人回应画面到达的时间,是交互体验的核心指标。
4. 结构视角:系统由什么组成
行为视角讲清了"做什么",下面拆解"由什么组成"。数字人系统按"人"的隐喻分为五层:形象层(身体)→ 动作层(肌肉)→ 语音层(嘴)→ 大脑层(脑)→ 交互层(手脚与通道)。
下面按"从下到上"的顺序逐层展开:先看身体(形象层),再看肌肉(动作层)、嘴(语音层)、脑(大脑层),最后是手脚(交互层)。
5. 形象层:建模与渲染
5.1 2D 数字人:从照片到会说话的脸
2D 数字人技术路线是当前成本最低、应用最广的方向,核心是 图像驱动(Image-driven Animation):给定一张人脸照片 + 一段音频,用深度网络生成"开口说话"的视频。
核心技术点:
- 面部重演(Face Reenactment):把参考脸的姿态、口型迁移到目标脸,代表技术如 LivePortrait、SadTalker。
- Wav2Lip 类口型同步:输入音频频谱,生成与发音匹配的嘴部区域,再融合回原图。
- 生成式补全:用 Diffusion / GAN 补全嘴部、皮肤细节,保证连贯不闪烁。
- 风格化与超分:提升最终视频清晰度与真实感。
5.2 3D 数字人:建模与资产管线
3D 数字人需要构建三维模型资产,主要建模方式:
| 方式 | 说明 | 优缺点 |
|---|---|---|
| 手工雕刻 + 绑定 | 美术在 Maya/Blender 中建模、展 UV、蒙皮、骨骼绑定 | 可控性高;耗时数周,依赖美术人力 |
| 三维扫描(Photogrammetry) | 多相机阵列拍摄真人,重建高精度网格与 PBR 贴图 | 还原度高;设备贵,动捕棚投入大 |
| 参数化模板捏脸 | 基于基础模型 + 滑条调节五官(如 MetaHuman Creator、ZEGO 捏脸) | 快、易批量;风格受限 |
| 单目重建(AI 建模) | 从一段自拍视频用深度学习重建头部/全身模型(AI 数字人 SaaS 主流) | 成本低;细节与精度不如扫描 |
5.3 渲染引擎
- 游戏引擎:Unreal Engine(代表方案 MetaHuman,可实时渲染照片级 3D 数字人)、Unity,用于高保真 3D 数字人与大型应用。
- Web 端实时渲染:WebGL / WebGPU / Three.js,无需安装即可在浏览器跑 3D 数字人,是当前交互式数字人主流承载方式。
- 云端渲染 + 推流:GPU 服务器渲染画面,通过 WebRTC 把视频流推给用户端,绕开终端性能瓶颈(D-ID、腾讯云、阿里云数字人普遍采用)。
5.4 专有名词解释
- UV / PBR:UV 是把 3D 网格展开成 2D 贴图坐标;PBR(基于物理的渲染)用金属度/粗糙度等贴图实现真实光影。
- 骨骼绑定与蒙皮(Rigging & Skinning):为模型建立骨骼并让网格跟随骨骼形变,是"能动的身体"的前提。
- MetaHuman:Epic Games 提供的免费 3D 数字人制作方案,可在 Unreal 中创建照片级写实角色。
- 恐怖谷(Uncanny Valley):当仿真度接近真人但仍有细微不自然时,观感会急剧反感,是超写实数字人的经典难题。
6. 动作层:驱动与动画
动作层负责让数字人"活起来"——嘴型、表情、眼神、肢体都要自然。驱动信号来源有三:语音(音频驱动)、文本(语义驱动)、真人(动捕驱动)。
6.1 口型同步(Lip Sync)
- 音频驱动:从音频波形提取音素/韵律特征,映射为嘴型。2D 用 Wav2Lip 类网络直接生成嘴部,3D 用 ARKit 混合形状(BlendShape)或骨骼驱动。
- 文本驱动:直接用文本的发音序列(如国际音标 IPA)驱动,省去音频预处理。
6.2 表情与情感
- 混合形状(BlendShape / Morph Target):预置多组"表情基"(笑、怒、皱眉等 52 个 ARKit 表情基),运行时加权混合,是 3D 数字人表情的标准做法。
- AI 情绪映射:大模型回复中带情感标签(
愉悦、歉意),自动映射到对应表情参数,让数字人"有情绪地说话"。 - 眼神与微表情:近年方案加入注视目标跟踪、眨眼、微表情抖动,提升真实感(Soul Machines 的 Experiential AI 即强调此类"生物感"细节)。
6.3 动作驱动方式
| 方式 | 原理 | 适用 |
|---|---|---|
| 光学动捕(Marker-based) | 穿戴反光标记点 + 多红外相机,高精度捕捉肢体 | 影视、3D 真人驱动 |
| 惯性动捕(IMU) | 穿戴 IMU 传感器服,无线便携,精度略低 | 直播、虚拟偶像 |
| 视觉动捕(Markerless) | 普通摄像头用 AI 估计人体关键点(如 MediaPipe),零穿戴 | 低门槛实时驱动 |
| AI 动作生成 | 文本/音乐直接生成动作序列(Motion Diffusion 类模型) | 智能驱动,无需真人 |
6.4 专有名词解释
- 动作捕捉(Motion Capture):记录真人运动数据并映射到数字角色的技术,分光学、惯性、视觉三类。
- 动捕棚(Motion Capture Studio):布设多台红外相机的场地,用于影视级动捕。
7. 语音层:语音技术
语音层决定数字人"声音好不好听、像不像人"。它包含"听"(ASR)和"说"(TTS)两个方向,"说"是数字人语音的核心。
7.1 语音合成(TTS)
- 声学模型 + 声码器:经典两段式(如 Tacotron + HiFi-GAN / VITS 端到端),文本 → 频谱 → 波形。
- 韵律与情感:现代 TTS 支持情感控制、停顿、语气词,接近真人朗读。
- 流式合成:边生成边播放(流式 TTS),把首字延迟压到 100~300ms,是实时交互的前提。
7.2 声音克隆(Voice Cloning)
上传数秒~数分钟真人录音,即可克隆其音色(零样本/少样本声音克隆,如 ElevenLabs、微软 Custom Neural Voice)。应用场景:企业为创始人/主播克隆专属声音,批量生成"本人出镜"的内容。
7.3 语音识别(ASR)
实时交互场景用流式 ASR(如 Whisper、讯飞、阿里/腾讯 ASR),边说话边出字,支持中英文与方言,是对话链路第一环。
7.4 专有名词解释
- 声码器(Vocoder):把声学特征还原为语音波形的模块,HiFi-GAN 是常用高质量声码器。
- 首字延迟(Time to First Byte, TTFB):发出请求到第一段音频到达的时间,直接影响对话流畅感。
8. 大脑层:AI 大模型与对话
大脑层是 2022 年后数字人升级的最大变量。过去数字人只会"照着稿子念",现在可以"听懂、想清楚、说人话、办成事"。
8.1 对话引擎(LLM)
- 接入通用大模型(GPT、Claude、Qwen、DeepSeek 等)获得开放对话能力,摆脱剧本限制。
- 通过 System Prompt(系统提示词)设定数字人"人设"——名字、性格、语气、角色边界。
- 支持多轮上下文,记忆用户说过的话,实现有连贯性的对话。
8.2 知识库(RAG)
企业数字人"懂业务"靠 RAG:把产品手册、FAQ、合同条款等切块存入向量库,回答时先检索再生成,并支持引用溯源、控制"不确定就转人工"。这是数字人从"玩具"走向"数字员工"的关键能力。
8.3 Agent 能力(工具调用与任务执行)
新一代数字人具备 Agent(智能体)能力:不仅回答,还能调用工具——查订单、发起退款、订会议、查库存,把对话变成"干活"。Soul Machines 的 Digital Workforce(数字员工)即此类代表:与 OpenAI、Salesforce、ServiceNow 等平台打通,落地客服、HR、运营等岗位。
8.4 多模态能力
结合视觉大模型(VLM),数字人可"看见"用户上传的图片、识别用户情绪、理解现场画面,实现更完整的感知闭环。
8.5 专有名词解释
- LLM(大语言模型,Large Language Model):基于海量文本训练、具备对话与推理能力的深度学习模型。
- 向量数据库(Vector Database):存储文本向量、支持相似度检索的数据库,RAG 的基础设施。
- Agent(智能体):能感知环境、自主决策、调用工具完成目标任务的 AI 程序。
- VLM(视觉语言模型,Vision-Language Model):同时理解图像与文本的多模态大模型。
9. 交互层:部署与集成
交互层决定数字人"以什么形态出现在哪里、如何被调用"。主要包括三个层面。
9.1 承载形态
- 视频文件:离线生成 MP4,投放到网站、App、广告屏——最轻,但不可交互。
- 网页/App 实时对话:通过 SDK/WebRTC 内嵌到页面,用户在浏览器直接与数字人对话。
- 大屏/一体机/线下终端:政务大厅、银行网点、景区导览等线下场景的数字人终端。
- MR/VR 空间:在元宇宙/虚拟展厅中以 3D 形态出现。
9.2 开放方式(平台化)
| 开放方式 | 说明 | 代表 |
|---|---|---|
| Web Studio(低代码) | 网页上选形象、传文案、一键生成,无需开发 | D-ID Creative Reality Studio、HeyGen |
| API / SDK | 把数字人能力嵌入自有系统,支持流式推流 | D-ID API、腾讯云智影、阿里云 |
| PaaS / 私有化部署 | 大企业数据不出内网,本地/专属云运行 | 银行、央企项目 |
9.3 关键工程问题
- 算力调度:GPU 集群承载渲染与模型推理,按量扩缩容(Cloud Rendering)。
- 延迟控制:内容分发走 CDN,推流走边缘节点,全球就近接入。
- 安全合规:AI 生成内容需标识(AIGC 标识)、声音与肖像需授权、内容需审核,我国有《生成式人工智能服务管理暂行办法》等法规约束。
9.4 专有名词解释
- CDN(内容分发网络):把视频等静态资源缓存到全球边缘节点,就近加速访问。
- 云渲染(Cloud Rendering):在云端 GPU 完成渲染、以视频流输出,终端无需高性能显卡。
10. 产业链与应用
10.1 产业链分工(包图)
10.2 主要厂商格局
| 地区 | 代表厂商 | 定位 |
|---|---|---|
| 海外 | HeyGen、Synthesia、D-ID | 2D 数字人视频生成 SaaS 三巨头,主打口播视频、多语言本地化 |
| Soul Machines | 3D 交互式数字员工,主打 Experiential AI(类人认知与情感) | |
| ElevenLabs | 语音克隆与合成细分龙头,是多家数字人平台的"声音供应商" | |
| 国内 | 腾讯智影、百度曦灵、阿里云 | 云厂商数字人平台,2D/3D 均有,与企业云生态绑定 |
| 硅基智能、商汤如影、科大讯飞 | 数字人直播、数字员工,讯飞强在语音与教育场景 | |
| 魔珐科技、凌云光 | 3D 高保真数字人与动捕/虚拟制作,偏向影视级 |
10.3 核心价值与应用场景
- 营销与内容:批量口播视频、多语言出海内容(Synthesia/HeyGen 核心场景),成本为真人拍摄的 5%~10%。
- 直播电商:7×24 小时虚拟主播,可同时开多路直播间,无档期无加班。
- 客户服务:数字员工处理 80% 高频重复问题,人工专注复杂问题(Soul Machines、银行/政务案例)。
- 教育与培训:虚拟教师 1 对 1 辅导、企业培训课程批量生成。
- 文娱与社交:虚拟偶像、VTuber、陪伴型数字人。
10.4 价值链分布
数字人产业链的价值分布呈"哑铃型":两端(底座算力/大模型、下游应用与内容)占据主要利润,中间的平台层竞争激烈、同质化高、单价不断下降。随着 2D 生成技术门槛降低,价值正从"形象生成"向"大脑与业务落地"转移——能帮企业真正干活的数字员工,议价能力远高于"会说话的视频"。
11. 挑战与趋势
11.1 当前主要挑战
| 挑战 | 说明 |
|---|---|
| 恐怖谷与真实感 | 超写实 3D 数字人表情/微表情仍难达"完全自然" |
| 实时性 | 多链路延迟难以稳定压到 1 秒内,网络波动影响体验 |
| 成本 | 3D 高保真数字人制作与实时渲染仍需高算力 |
| 合规与伦理 | 肖像权/声音授权、AIGC 内容标识、深度伪造滥用、"中之人"权益 |
| 同质化 | 平台层技术趋同,比拼转向价格与场景深度 |
11.2 技术趋势
- 端到端生成:Diffusion 视频模型直接生成"数字人出镜"视频,2D 路线持续降本。
- 多模态智能体:数字人从"说话"进化为"看得见、记得住、能干活"的数字员工。
- 个性化实时生成:单张照片秒级创建可交互数字人,人人可用。
- 大模型驱动的动作与叙事:文本直接生成完整肢体动作,叙事由 AI 编排。
- 软硬件一体终端:数字人一体机、AI 眼镜/机器人上搭载数字人形象。
参考来源
- MarketsandMarkets:AI Avatar Market Global Forecast to 2032(2025)
- Soul Machines 官网产品与技术资料(Experiential AI / Digital Workforce)
- D-ID 官网产品与 API 文档(Creative Reality Studio / Visual Agents / V4 技术规格)
- Epic Games MetaHuman 官方文档
- 腾讯云、阿里云等云厂商数字人产品公开资料