游戏引擎架构----动画

1.角色动画类型

赛璐璐动画(cel animation)：基于帧的，电子版本为精灵动画(sprite animation)，可以设计成循环动画(looping animation)

刚性层阶式动画(rigid hierarchical animation)：可能在关节处产生裂缝

每顶点动画(per-vertex animation)：网格添加动画，数据密集

变形目标动画(morph target animation)：极端的网格姿势+混合

蒙皮动画(skinned animation):骨骼+皮肤

2.骨骼：

刚性关节(joint)的树形层级结构构成。骨骼只是关节间的空位，关节是动画师控制的

内存中存储：关节名字，父关节索引，关节绑定姿势的逆变换矩阵（蒙皮绑定时关节的姿势）

3. 姿势：

关节相对模型参考系的位置、定向和缩放。用矩阵或者 SQT数据结构表示(缩放scale、四元数旋转quaternion、平移translation)

绑定姿势：参考姿势、放松姿势、T姿势

局部姿势：相对父关节的姿势，SQT表示。每个关节定义了一个坐标空间。把关节姿势变换Pj施于关节j坐标系表示的点时，得到的是父关节空间表示该点。即从子关节空间变换到父关节空间。Pj=P(j->parent(j))

全局姿势:在模型空间的姿势。从关节到根关节，乘以局部姿势得到。P2->m = P2->1*P1->0*P0->m

4. 动画片段（animation clip）

互动：动画

非互动：游戏内置电影（in-game cinematics IGC）、非交互连续镜头（non interactive sequence NIS）、全动视频(full motion video FMV)

半互动： 快速反应事件(quick time event QTE)

动画片段的采样定义了连续函数。动画片段是 SQT组成的通道函数(channel funciton)，通道函数是连续的。游戏引擎使用分段线性逼近的方法插值。

4.1 局部时间线:

时间：0-T

关键姿势(key pose)、关键帧+插值。t是实数，不一定是整数

时间比例(time scale)：负值则动画倒转

帧：有时指一段时间，有时指一个时间点

采样(sample)：代表时间点，那相应的时间可以指帧了。非循环动画：N帧有N+1个采样、循环动画：N帧有N个采样

相位(phase)：归一化的时间，0表示开始，1表示结束

4.2 全局时间线：

播放动画：局部时间映射到全局时间。循环就使用模除。起始时间、播放速率/时间比例、循环次数、持续时间

同步动画时，由于通信系统的时间延迟，造成动画不同步。使用全局时钟可以同步动画，将动画的全局开始时间匹配即可。

4.3 动画重订目标（retarget）：

动画通常只兼容特定骨骼，此技术可以让动画适用于不同骨骼

4.4 元通道(metachannel):

非关节通道，如事件触发器通道，定位器通道。

定位器用于记录游戏中物体的位置和方向，也是一个仿射变换。可以设置摄像机的位置和角度

5. 蒙皮

网格每个顶点可以绑定至一个或者多个关节，再加权平均

蒙皮矩阵(skinning matrix)：把网格顶点从绑定姿势的位置变换至骨骼的当前姿势的位置。蒙皮顶点的位置在模型空间定义的，所以变换前后的位置都在模型空间。

顶点在绑定至关节的位置时，在关节空间是不变的：顶点在模型空间的位置->顶点在关节空间的位置->关节变换->顶点回到模型空间

假设只有一个关节：则绑定姿势的网格位置VmB, 关节在模型空间中的绑定姿势B，关节在模型空间中的当前姿势C可得到：VmB * B^-1 * C = VmC ==> 蒙皮矩阵：B^-1 * C：绑定姿势的逆矩阵*目标姿势的变换矩阵

矩阵调色板(matrix palette): 一系列矩阵，每个矩阵对应了关节j的蒙皮矩阵。将网格顶点关联的蒙皮矩阵取出，加权求和后，将顶点从绑定姿势位置变成目标姿势位置，由于C是每帧变化的，B^-1会缓存起来

将模型空间变化到世界空间：乘以矩阵Mm->w，可以预处理将B^-1*Mm->w缓存

动画实例(animation instancing)：多个角色同时播放单个动画。此时不应该将B^-1*Mm->w缓存

6.动画混合(animation blending)

将多个动画片段混合，对角色最终姿势起作用

6.0 无需混合

核心姿势：站立、蹲下

确保每个动画片段都以某个核心姿势开始核心姿势结束，就无需混合

6.1 线性插值混合

linear interpolation(LERP)，混合百分比、混合因子=[0,1]

姿势混合通常在局部进行

应用：

时间混合

动作连续性（淡入淡出）：混合因子随时间按三次函数变化：缓出曲线(ease out curve)、缓入曲线(ease in curve)

圆滑过渡：两个片段的混合因子都同时变换，同时播放

冻结过渡：一个片段冻结，另一个片段一遍播放一遍增加混合因子

方向性运动：

轴转移动(pivotal movement)：按轴旋转

靶向移动(targeted movement)：面朝着一个方向，身体朝不同地方移动。制作三个基本动画：朝前、朝左、朝右做一个半圆，按照移动方向和靶向的角度选择混合因子

复杂的线性插值混合：

一维线性插值混合：多个片段的一维混合

二维线性插值混合：三个一维混合可得：x轴方向两个，求出中间姿势，y轴方向使用前面的两个中间结果得到。

三角形的二维线性插值混合：a，b, 1-a-b的加权混合

泛化的二维插值混合：利用Delaunay三角剖分求出一组三角形，再找到对应的姿势所在的三角形，最后用三角形的二维线插值混合得到结果

6.2 骨骼分部混合：

达到一只手做A一只手做B的效果

通过允许不同关节有不同的混合百分比实现。

混合因子为0，1时可以实现 混合遮罩(blend mask)

6.3 加法混合(additive blending)：

区别片段(difference clip)

来源片段(source clip) + 区别片段 = 参考片段

目标片段 : 任何动画，+ 区别片段 = 其他片段，也是加法混合的意义

来源于矩阵的乘法，除法

加法混合的应用

移动噪声

瞄准及注释：对最左最上最右制作区别动画，混合至向前动画就可以得到其他的瞄准动画。（可以利用时间轴lerp）

7. 后期处理

布娃娃

逆运动学（inverse kinematics IK）: 输入是全局姿势，称为末端受动器，根据误差最小化求出局部姿势

正向运动学（forward kinematics FK）:输入是一组局部姿势，输出是一个全局姿势以及每个关节的蒙皮矩阵。

8. 压缩技术

通道省略：移除平移通道，减少存储姿势

量化：减少存储为数。浮点数转化为n整数表示

采样频率减少

选择性载入

9. 动画系统

9.1 动画系统架构

动画管道(animation pipeline)：动画片段和混合因子作为输入局部骨骼姿势作为输出

动作状态机(action state machine ASM)

动画控制器(animation controller):每个控制器通常父子一个类型的角色行为，如掩护、跑步。能提供高层次的动画管理接口

9.2 动画管道

片段解压以及姿势提取->姿势混合->全局姿势生成->后期处理->重新计算全局姿势->矩阵调色板生成

数据结构：

共享资源数据（shared resource data）：骨骼、蒙皮网格、动画片段。骨骼是中心，蒙皮绑定至骨骼，动画应用于骨骼

每实体状态信息(per-instance data structure)：动画片段的状态(局部时钟、播放速率)、混合方法、混合权重、局部姿势、全局姿势、矩阵调色板

混合方法：

加权平均法

混合树：将6变成树的结构，就是加法混和必须为一个叶子节点，而其他的混合可以而且是叶子节点和内节点。

淡入淡出：

加权平均法：调整片段权重、将片段逻辑分组，调节组权重

混合树：加入一个二叉混合节点，混合原来的树和新的树

9.3 动作状态机

每个状态对应一个任意复杂的动画片段集合，在混合树架构中状态对应一棵树、加权平均法中状态对应一系列权重何一组片段

过渡：定义状态间的过渡矩阵

过渡方法：跳转、淡入淡出（引入过渡状态节点 transitional state）

状态层：

预备动作(anticipation)：由一个部位引领其他部位的动作，即要独立操控不同部位，同时有多个状态出现

引入状态层：每层在某一刻只有一个状态，不同层之间状态是独立的

9.4 约束

依附：依附点/ 定位器(locator)：特殊的关节，仅仅为依附中的父子关系加入额外的变换

对准：多个角色参与一个动画

利用定位器，使多个角色的动画中的定位器在世界空间内重合

解决滑步的方法：

动作提取：从动画中提取出每帧角色重心到局部空间原点的距离（利用元通道），作为速度参数来移动角色。同时将局部空间原点移动到此帧的角色重心处

2. 脚步IK：脚接触地面时，记下其在世界空间的位置，我们用IK去调整腿的姿势，令脚能固定于正确位置

注视

掩护对准

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