教程：如何制作一个可控制的人体骨骼模型

经过一段时间的研究实现了如何将骨架放到目前的跟踪系统上来，将骨架模型移植到系统上，替代原来的棍状模型，也在网上看到有些人在尝试做这个东西(好像都是d3d的骨骼动画，基于opengl的没有)，我把自己的制作方法简单介绍一下，希望能对正在做这方面的人有所帮助。

如何制作一个可控制的人体骨骼模型

描述：本文提供一种将骨架动作矢量映射到人体骨架模型的一种方法，通过输入各个骨骼的当前方向，反馈给骨架模型，这样就实现了动画的效果。
实验开发工具是VC6.0在OpenGL平台上开发完成。

阅读对象：

假定读者已经熟悉OpenGL编程，就算不熟悉，只要了解基本的旋转，平移，堆栈操作就好。
假定读者已经了解基本的c++编程,其中需要了解递归的算法，递归的方法请参考一下数据结构吧。

制作过程：

第一步，3D模型准备

这一步骤的目的是提供分解的骨骼模型，它需要导出多个组成身体结构的文件，模型可以不用自己制作，只要到网上找找吧，应该很多，最好是是人体模型，如果用动物的模型也可以，不过需要自己定义映射骨架了，比如图中的骷髅模型是我从人体动画软件poser 5.0找到的。然后使用3d max 将身体的各个部位导出为3ds文件，这个步骤很简单，也不需要有什么3d max的基础。这里有一个小的技巧就是可以选中多个部分作为一个3ds模型导出，比如我需要将左右肩胛骨与脊椎骨肋骨作为同一个部分导出，这样可以将它命名为身体躯干(body)。这样我们就准备了各个3ds文件了，分别是:

身体躯干 BODY.3DS
头部     HEAD.3DS
左臂     LSHOULDER.3DS
右臂     RSHOULDER.3DS
左小臂   LELBOW.3DS
右小臂   RELBOW.3DS
左大腿   LTHIGH.3DS
右大腿   RTHIGH.3DS
左小腿   LFEET.3DS
右小腿   RFEET.3DS

这样这些组成部分就可以灵活的拼接出一个人体来了。

第二步，定义相关的核心数据结构

为了得到运动的各个身体部分数据信息，我们需要存储一些运动信息，主要有：
骨骼ID
骨骼关节的当前位置；r_x,r_y,r_z
骨骼之间的关系，例如手臂是躯干的延伸，而左小臂是左臂的延伸；PID,CID

我们可以通过下图来了解骨骼之间的结构关系

存放3ds文件位置；file_name_3ds
3ds模型的初始化方向；这个是比较抽象一点的概念，它是指从父节点指向子节点的方向，例如左小臂的初始位置是平放向下，那么对应的矢量就是 (-0.2,-1,0)

以下是数据结构部分:
class bone
{
public:
int y;
int x;
int r_z; //现实世界z坐标
int r_y;
int r_x;
int rotated_X; //旋转后的坐标
int rotated_Y;
int is_marked; //是否已经标记
int PID;   //父节点
int CID;   //子节点，目前针对轴关节和膝盖有效
float start_arc_x,end_arc_x; //相对父节点的x 左右方向转动角度限制
float start_arc_y,end_arc_y; //相对父节点的y 上下方向转动角度限制
float start_arc_z,end_arc_z; //相对父节点的z 前后方向转动角度限制
double LengthRatio;
char name[80]; //名称
char file_name_3ds[180]; //3ds文件名称
int ID;
bone(int ID,char *name,int PID);
virtual ~bone();
float bone_init_x,bone_init_y,bone_init_z; //初始化骨骼的矢量方向,3d max 模型
};

第三步，初始化骨架结构
在定义了bone的结构以后，我们定义一个skeleton类来在第一次初始化时加载这些结构，

obone = bone (2,"head",1); //定义一个bone
strcpy(obone.file_name_3ds,"head.3DS"); //设置它的3ds文件名
obone.bone_init_x = 0; //初始化骨骼的矢量方向
obone.bone_init_y = 1;
obone.bone_init_z = 0;
bonevec.push_back (obone); //放入vector结构,这里用到了STL编程技术中的vector

以下是实现的部分代码：
skelecton::skelecton()
{
float fy = 0.56f ;
float ftx = 0.19f;
float ffx = 0.08f;
bone obone = bone (1,"neck",0);
bonevec.push_back (obone);

obone = bone (2,"head",1);
strcpy(obone.file_name_3ds,"head.3DS");
obone.bone_init_x = 0;
obone.bone_init_y = 1;
obone.bone_init_z = 0;
bonevec.push_back (obone);

obone = bone (3,"rShoulder",1);
bonevec.push_back (obone);

obone = bone (4,"lShoulder",1);
bonevec.push_back (obone);

obone = bone (5,"rElbow",3);
strcpy(obone.file_name_3ds,"rShoulder.3DS");
obone.bone_init_x = fy;
obone.bone_init_y = -1;
obone.bone_init_z = 0;
obone.CID = 7;
bonevec.push_back (obone);

obone = bone (6,"lElbow",4);
strcpy(obone.file_name_3ds,"lShoulder.3DS");
obone.bone_init_x = -fy;
obone.bone_init_y = -1;
obone.bone_init_z = 0;
obone.CID = 8;
bonevec.push_back (obone);

//.............太长只给出部分的代码..........................

}

第四步，学习3ds公共的类CLoad3DS，可以用来载入显示模型

这个类是公用一个类，详细的类CLoad3DS的接口信息可以到一个open source项目里参考。http://scourge.sourceforge.net
http://scourge.sourceforge.net/api/3ds_8h-source.html
实际上在使用这个类时候，我做了一些修改，加了得到最大顶点的方法。这个在第五步会说明。

我们定义一个OpenGL的类来做模型控制类，负责载入模型，

CLoad3DS* m_3ds;

int OpenGL::Load3DS(int ID, char *filename)
{
if(m_3ds!=NULL) m_3ds->Init(filename,ID);
return 0;
}

然后在显示时候调用

int OpenGL::show3ds(int ID)
{
m_3ds->show3ds(ID,0,0,0,2);
return 0;
}

第五步，使用递归方法分层次载入模型

这里是重点的内容了，让我们思考一些问题，实现骨骼会随着输入的方向而改变方向，需要做那些事情呢？
首先针对一块骨骼来考虑：
第一，我们需要让骨骼绕着它的节点旋转到输入的方向上

第二，我们需要知道骨骼目前节点的位置，才能旋转。可是我们知道骨骼会跟着它的父骨骼转动的，例如左小臂会跟着左臂转动，当身体转动时左臂也会跟着身体转动的，这里看起来像是有一个父子连动的关系，所以当前节点的位置会与它的父骨骼有关，父骨骼转动的角度，子骨骼也必须转动，所以这里自然想到了递归模型了，至于如何存储这些转动过程呢，还好openGL提供了glPushMatrix();glPopMatrix();那么所有的子骨骼必须包含在父骨骼的glPushMatrix();glPopMatrix();好了，这个变成

//递归实现3d现实
int skelecton::Render_skeleton_3D(int ID)
{

glPushMatrix(); //开始记录堆栈
joint_point = pgl->get_joint_point(ID); //找到节点位置
glTranslatef(joint_point.x,joint_point.y,joint_point.z); //坐标移到节点位置
pgl->rotate_bone (vt1,vt2,vto); //旋转骨骼到指定的方向
glTranslatef(-joint_point.x,-joint_point.y,-joint_point.z);//坐标移回来
pgl->show3ds(ID); //显示模型

//遍历子节点
for (theIterator = bonevec.begin(); theIterator != bonevec.end();
         theIterator++)
   {
    pbone = theIterator;
    if((pbone->PID == ID) )
    {
     Render_skeleton_3D(pbone->ID); //递归调用
    }
}

glPopMatrix(); //退出记录堆栈

}

剩下需要解决的问题就是如何找到节点位置。
寻找节点位置，
我们看到上面代码 get_joint_point(ID)就是找到节点了，其实如果不追求高的准确度，我们可以假设每个模型的最高的点即为骨骼的节点，当然这个假设前提是人体模型是正面站立的，手臂自然垂下，这样可以近似认为每个模型的最高的点即为骨骼的节点,这样函数就很简单了，这个方法是修改了Cload3ds类的方法，如下：

Vector3f CLoad3DS::get_joint_point(int j0)
{
CVector3 LastPoint;
Vector3f vect;
LastPoint.y = -1000 ;
if(j0==2) LastPoint.y = 1000 ;//头部节点朝下

// 遍历模型中所有的对象
for(int l = 0; l < g_3DModel[j0].numOfObjects; l++)
{if(g_3DModel[j0].pObject.size() <= 0) break;// 如果对象的大小小于0，则退出
t3DObject *pObject = &g_3DModel[j0].pObject[l];// 获得当前显示的对象

for(int j = 0; j < pObject->numOfFaces; j++)  // 遍历所有的面
{
   for(int tex = 0; tex < 3; tex++)     // 遍历三角形的所有点
  {
   int index = pObject->pFaces[j].vertIndex[tex]; // 获得面对每个点的索引

if(j0==2)
   {
    if(pObject->pVerts[index].y < LastPoint.y )
    LastPoint = pObject->pVerts[index];
   }
   else
   {
    if(pObject->pVerts[index].y > LastPoint.y )
    LastPoint = pObject->pVerts[index];
   }
  }
}

}
vect.x = LastPoint.x ;
vect.y = LastPoint.y ;
vect.z = LastPoint.z ;
return vect;

}

比较特殊的是头部节点是通过脖子连接的，所以它是取最低的点。

现在解决最后的问题了，如何旋转了，具体来讲就是骨骼从原来自然的状态旋转到目前的方向，例如手臂从自然垂下变成抬起，垂下和抬起两个状态的矢量是不同的方向的，如何旋转呢? 这里就要用到了空间几何里的点积和叉积的概念了，简单来讲就是利用点积来求矢量夹角余弦,利用叉积来求两个矢量的法向量，如果你忘记了这些概念，可以回去参考一下高等数学书，这个连接也提供了一些资料，可以帮助理解http://www.gameres.com/Articles/Program/Visual/Other/shiliang.htm
然后呢，我们知道了两个矢量的夹角与它们的法向量，下面的事情就变得简单了，我们让骨骼原来的矢量以法向量为旋转轴，旋转一定角度，这个角度就是两个矢量的夹角，这样问题就解决了，所以这里的代码如下：

int OpenGL::rotate_bone(Vector3f vVector1, Vector3f vVector2, Vector3f vVectorOrgin)
{
Vector3f vt1 = Vector3f(vVector1.x,vVector1.y,vVector1.z);
Vector3f vt2 = Vector3f(vVector2.x,vVector2.y,vVector2.z);
Vector3f vt4 = vt2-vt1;

double arc12 = AngleBetweenVectors(vVectorOrgin,vt4);
double rarc12 = 180*arc12/pi;
float len= Distance(vt1,vt2);
Vector3f vt3 = Cross(vVectorOrgin,vt4);
glRotatef ((float)rarc12,vt3.x,vt3.y,vt3.z);

return 0;

}

好了所有问题解决了，我们可以松一口气了。这里我提供一个参考的代码，因为这个模型的运行需要输入矢量方向，我目前还不能把它从我的其他系统程序完整提取出来，只是提供所有的代码，供读者参考。

下载源代码

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