游戏引擎的动画系统及骨骼动画原理

2024-05-18 21:35:22

一、《游戏引擎架构》动画系统

动画的几种分类

《游戏引擎架构》中简单介绍了几种动画种类、用途以及优劣，在《计算机动画算法与技术》中详细介绍了各种动画的算法原理；
1. 精灵动画
2. Spine动画
  
  针对游戏开发的2D骨骼动画，其蒙皮由网格变为sprite；
3. 刚性层阶式动画
4. 变形目标动画
  
  存储好关键帧数据，根据插值得到动画
5. 蒙皮骨骼动画
逐帧动画与关键帧动画
1. 逐帧动画
  
  主要是精灵动画，需要准备好每一帧的资源
2. 关键帧动画
  
  源于原画绘制时，主动画师只绘制关键帧，中间帧由学徒绘制，又称中割；
  
  降低了美术成本，程序拥有了更强的扩展性；

相关术语

蒙皮，每个顶点都会保存其蒙皮信息，即绑定的骨骼及其相应的权重；
骨架与关节其在内存中的数据结构

整个骨架的结构是一个树结构，每个关节都有一个唯一的父节点，所以只要每个关节存储父节点的索引就可以表达整个结构；最终一个关节的数据一般包括，关节名称，关节索引，关节的SQT局部姿势数据；

Pelvis(骨盘)索引一般为0，

Max中通常由两种骨骼，bip和bone；
姿势

骨架是关节的集合，骨架的姿势为其所有关节的姿势的集合，而姿势的数据结构通常简单地以SQT数组表示（Q为四元数表示的角度），那么绑定姿势的数据结构为所有关节姿势组成的SQT数组；

动画片段，用于表现角色的个别动作（粒度较小），使用关键帧技术对姿势进行插值计算，每个关键帧所保存的数据就是每个关节在该时间点的姿势数据；
动画系统架构
- 动画管道
共享资源数据：明确各资源数据结构之间的关系，骨架是统合各方的元素，蒙皮绑定至骨骼，动画驱动骨骼，但蒙皮和动画片段没有直接关系；
- 动画状态机
- 动画控制器

二、骨骼动画原理

三维模型/网格数据

三维模型通常在DCC工具如Max、Maya中制作，必须编写相应的导出器Exporter获取数据并存储为引擎可读的格式才行；DCC软件会提供一些标准或半标准的导出格式，比如导出为FBX格式，但是这些格式基本上都不完全适合游戏使用（要明白游戏运行的CPU以及内存资源都是很宝贵的），所以往往要建立自定义格式以及编写专门的导出器，或者在资源导入时创建专门的导入器(Importer)，如Unity会为所有支持的资源编写导入器(如Unity的Texture Importer、Model Importer等)，
骨架与关节其在内存中的数据结构

整个骨架的结构是一个树结构，每个关节都有一个唯一的父节点，所以只要每个关节存储父节点的索引就可以表达整个结构；最终一个关节的数据一般包括，关节名称，关节索引，关节的SQT局部姿势数据；

Pelvis(骨盘)索引一般为0，

Max中通常由两种骨骼，bip和bone
骨骼动画数据
骨骼网格是一种特殊网格，为关节动画而绑定到骨骼层次结构上（因为关节动画驱动骨骼运动，骨骼驱动所绑定的的网格运动）。骨骼网格在看不见的骨骼上形成皮肤，因此，骨骼网格又称皮肤，网格顶点绑定到骨骼的操作也称为蒙皮，骨骼网格每个顶点都会包含其蒙皮信息，即一组关节索引和权重信息；

游戏引擎需要三种数据渲染骨骼动画
- 网格本身，网格的位置信息、蒙皮信息等等，Unity中一个顶点最多允许绑定4个骨骼，其BoneWeight结构体也正是对应了四个关节索引和权重值；
- 骨架结构，包含关节的名字、父子关系、网格绑定到骨骼时的姿势，也就是标准姿势T-Pose，一般使用全局姿势，Unity的Mesh类中会有一个BindPose变量，它是一个Matrix4x4[]数组，大小为关节数量；
- 一个至多个动画片段，指定关节如何随时间而动；
蒙皮信息计算

关节的姿势以及网格的顶点都是在同一坐标系下的，最终无论保存的是局部姿势还是全局姿势，都是要根据全局姿势来计算，因为只有全局姿势才是和网格顶点在同一坐标系下，才能够进行计算；顶点绑定到关节，意味着关节和顶点的相对位置是不变的，所以我们只需要将顶点从模型坐标系下转换到关节坐标系下，然后通过当前的姿势矩阵变换关节的位置，最后再将顶点转换回模型坐标系下即可；从上可知，我们进行动画的计算需要知道的信息有，模型的顶点信息（模型坐标系），骨架中各关节的标准姿势，当前帧的骨架关节的姿势；这些信息，也就是一个游戏引擎需要读入的所有信息；

三、动画混合

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