【Unity3D】 Blender2.9+二足角色FPS（TPS）手臂的IK骨骼绑定经验总结

1. IK骨骼绑定
- 1.1 如何给骨骼设置Custom Object
- 1.2 如何将左手的Vertex Group镜像给右手（在不改变mesh的情况下）
- 1.3 骨骼权重镜像的方法
- - 1.3.1 骨骼命名规范
  - 1.3.2 骨骼权重镜像流程
- 1.4 关于自动权重（Auto Weights）的注意事项
- 1.5 使用Bone Groups更高效地管理骨骼
- 1.6 如何用Armature Layers（骨架层）将骨骼在视图中分开
- 1.7 如何避免拖动武器时，双手紧握枪而不发生除位移之外的其他变化
2. 感想
3. Next Step
资源 & 参考文献

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再过几天就全面进入考试周了，估计大半个月都不会碰blender了，所以是时候把这一周的实践所学好好总结一下，以供以后的自己和大家参考。

笔者用的blender版本是2.93.6，做IK骨骼绑定的目的是制作角色手持武器的动画，包括射击、换装弹匣等，作为Unity3D TPS Multiplayer游戏项目的骨骼动画素材，最终目标是实现人物重定向动画和武器切换功能（尽管现在还不是很清楚该怎么做）。因此也可以把本篇视为笔者TPS网络游戏开发日志中的一部分，之后笔者会陆续分享其余工作流的实践记录。

本次实践选用官方公开的原神可莉作为角色模型，它是面向MMD的，因此导入blender时需要通过CATS插件对模型作适当转换，具体操作见此链接的pmx转fbx小节；武器模型是在Unity3D的Asset Store中免费下载的，即Modern Weapons Pack；另外，武器的fbx文件导入时可能有编码问题，解决方法参考此链接。

1. IK骨骼绑定

IK骨骼绑定时最好找一个比较好的项目作为参考，观察人家怎么做的，并结合具体情况进行变通。

笔者由于要给Humanoid角色制作射击动画，于是参考FPS手臂的骨骼绑定 —— Leather Gloves，对自己之前绑定的IK手臂进行了修改。

下面将实践过程中学到的东西分享给大家，其中的很多问题已经有了很不错的解答，笔者也在相应地方以链接形式给出，就不赘述了。

1.1 如何给骨骼设置Custom Object

给骨骼设置Custom Object主要是为了方便操纵手的IK骨，实现流程见Blender绑定模块：为骨骼设置自定义物体(Custom Object)。

设置Custom Object前、后的骨骼如下图所示：

(a) 使用Custom Object前的骨骼显示

(b) 使用Custom Object前的骨骼显示

1.2 如何将左手的Vertex Group镜像给右手（在不改变mesh的情况下）

由于顶点选择通常比较麻烦耗时，所以考虑能否把左（右）手的顶点组镜像给右（左）手。

关于这个我找了很久，首先是在Vertex Group面板那里做文章，但它的Mirror Vertex Group似乎不能正常工作，具体的错误有人也同样遇到过（见链接)），似乎没有好的解决办法。

然而，在不断的摸索中，我找到了解决方案，该方法正常工作的前提是确保源对象和镜像对象的Mesh是完全镜像的，具体操作如下：

选中角色的Mesh，进入EditMode，选择Properties面板下的绿色三角形（Object Data Properties），展开Vertex Groups，并找到要镜像的顶点组，点击Select选择对应的网格，如下图示：
找到3D ViewPort面板的左上角（有的可能是左下角）的Select按钮，点选Select Mirror，即可发现镜像位置的顶点被选中了
接着在Vertex Groups的中新增一个顶点组，重命名为镜像的名称（Left改为Right，L改为R等等），然后点击Assign即可把选择的顶点作为新顶点组。

其余的部分都可以按照上面的步骤进行，不过说明的是此方法不会将权重镜像，1.3节的方法能镜像骨骼权重，不过代价是可能不会获得对称的顶点组，各有优劣，视具体情况来选择方式，但通常1.3节对于不爱刷权重的小伙伴是更棒的选择。

最后再提醒一下：Remove是作顶点集合的差，因此要清空顶点组，Remove前顶点组的网格应该是当前所选网格的子集；Assign是作顶点集合的并，而不是替换，所以Assign新顶点集之前要用Remove清空顶点组。

1.3 骨骼权重镜像的方法

1.2介绍了顶点组的镜像方法，但由此方法生成的权重是均一的，要实现权重的镜像，首先确保镜像源对象的权重是已经刷均匀（根据具体情况选择手动或自动分配权重）。

1.3.1 骨骼命名规范

对称骨骼的命名规范见官方文档。

经笔者验证，要确保权重对称命令的正常执行，骨骼命名必须严格符合规范，以ForeTwist.001为例，合法的对称骨骼命名如下（部分）：

后缀：ForeTwist.L.001 ↔\leftrightarrow↔ ForeTwist.R.001 ororor ForeTwist.001.L ↔\leftrightarrow↔ ForeTwist.001.R
前缀：L_ForeTwist.001 ↔\leftrightarrow↔ R_ForeTwist.001
前/后缀：LEFT ForeTwist.001 ↔\leftrightarrow↔ RIGHT ForeTwist.001

注：left、right大小写敏感，可大写可小写，但对称骨骼必须保持大小写一致，三种合法情况分别为：全小写，全大写和首字母大写。

另外，笔者从github上找了个重命名插件——Simple Renaming Panel，安装该插件后，就可以根据骨骼名称的Pattern批量修改骨骼命名了。

以将_L后缀改为.L为例，使用流程如下：

按N打开边栏，切换至Rename选项卡，展开Simple Renaming Panel，Target栏选择Bone，即对骨骼操作，注意最好切换至Pose Mode，确保正常工作；
取消Only Selected以对所有骨骼进行修改，勾选Use Regex开启正则匹配；
Search栏键入_L，Replace栏键入.L，然后点击Search And Replace按钮即可重命名；
_R →\rightarrow→ .R同理。

面板参数和操作结果如下图所示：

有时不同的模型的骨骼命名规范不一样，这时候把Search栏的搜索串改为对应Pattern即可，举个例子，如果要把前缀L_去掉，并在名称末尾加.L，可以首先搜索所有前缀为L_的骨骼，用插件的Add suffix功能在这些骨骼后面加上.L，最后再将L_替换为空串即可。

由于骨骼命名一般很短，不会有复杂的情况，因此简单的正则表达式即可满足需求。

1.3.2 骨骼权重镜像流程

操作前请确保完成了1.3.1节的骨骼命名规范化，这里以将骨骼Right arm的权重镜像至Left arm为例。

将Left arm的顶点组修改好，尽量不要和Right arm的顶点组有交集，且不要越过X=0，对称骨骼的顶点组和权重如图所示：
打开3D Viewport编辑板块，进入Weight Mode，找到右上角（或右下角）的镜像栏（如下图），点亮X（非常重要），这样才能保证对称和同步；
现在将Right arm的顶点组和权重复制到Left arm上，首先切换至绿色倒三角选项卡→\rightarrow→Vertex Groups→\rightarrow→点选Left shoulder，然后点击右边的下箭头按钮，在弹出的菜单中点选Copy Vertex Group，如下图所示：

接着点亮左上角的Vertex Selection，依次Select Left arm和Right arm的顶点组（选择顺序很重要，总之确保当前选择的是待镜像的权重），如下图所示：
点击Vertex Groups右边的下箭头，在弹出的菜单栏中点选Mirror Vertex Group，即可发现权重翻转了，但顶点组也发生了变化，如下图所示：
之后删除顶点组Right arm，将Right arm_copy重命名为Right arm即可。

注：

操作的顶点组不要上锁；
对于不太对称的顶点组，骨骼的权重镜像时也不是完全对称，而且可能会修改顶点组，但一般来说影响不大，只要保证异常顶点的权重为0即可；
效果不太好时，选择1.2节的方法，保证顶点组完全对称，然后手动刷权重。

1.4 关于自动权重（Auto Weights）的注意事项

自动权重操作前最好保存一个副本，以供出现不可逆错误时可以回溯；
自动权重的顺序：先选择Mesh，然后是其骨骼；
自动权重时界面左下角会弹出Make Parent选项卡，注意不要勾选X Mirror，否则会将锁定的顶点组的网格和权重改变；

1.5 使用Bone Groups更高效地管理骨骼

本次实践的对象是手臂骨骼，可以把手臂骨骼按左右手分为Left Hand和Right Hand两部分，方法和Vertex Group几乎一致，只不过Vertex Group是在网格对象（Mesh）的Edit Mode中进行Assign、Remove、Add、Delete等操作，而Bone Groups是在PoseMode中进行这些操作。

它可以帮助我们迅速选择对应的骨骼，并进行一些操作，还可以给不同骨骼组上不同的色，增加区分度。

Bone Groups详情见官方文档。

1.6 如何用Armature Layers（骨架层）将骨骼在视图中分开

本次实践中，骨架层的作用在于将手臂相关的骨骼移动至另一个层中，这样可以避免操作手臂骨骼时对其余骨骼进行误操作，视图也会更干净，提高编辑效率。

笔者大致将骨骼划分至四个层中，分别为手臂骨骼层、武器骨骼层，前臂骨骼层（主要是一些不便于选中但又不太需要选择的骨骼，）和其余骨骼层（避免误操作，所以与手臂分开）。

注：给骨骼分层只是改变了视图的显示，并不会对骨骼的属性或父子关系产生影响。

有关骨架层的介绍，详见此链接

1.7 如何避免拖动武器时，双手紧握枪而不发生除位移之外的其他变化

一般来说会给手腕的骨骼添加一个Copy Rotation Constraints，以复制手IK骨的旋转，但注意这里要用World Space →\rightarrow→ World Space，因为我们不希望在移动武器主骨时，紧握的双手还会受到反向动力学的作用而发生旋转（在IK作用下，世界坐标系下的位移是可能影响局部坐标系下的旋转的）。

这里通过动图展示一下Local Space →\rightarrow→ Local Space 和 World Space →\rightarrow→ World Space的区别：

(a) Local Space to Local Space，此时手掌有旋转，运动不正常

(b) World Space to World Space，此时手掌只有位移，运动正常

2. 感想

笔者不懂美术，之前也从未接触过3D模型动画制作，更不用说骨骼绑定了，学习过程中也在网上找了很多资料，甚至跟着教学视频一步步地照着操作，然而一系列意料之外的问题一次又一次地挫败了我的兴致和信心，尤其是绑定IK、FK骨时，我发现复杂的约束关系会让手的运动十分诡异，于是经历很多次的推倒重来。。。好在都坚持了下来，终于是对IK骨骼绑定有了些感觉，同时熟练了blender的基本操作。

从结果来看，我的7天实践中可能只有最后2天是有效的，然而这个无效过程正是笔者摸索的过程，有时是不可避免的。这一周中我最深刻的感悟如下：

学习新事物时，首先是了解它的基本原理和操作，在此基础上一定要找一些既有的实例去参考，思考其中的设计，并灵活地用在自己的项目中；这样之后才是拓展和创新。如果笔者能尽早参考一个绑好IK骨骼的手臂模型，可能就不至于浪费那么多时间了。
简单有时往往效果更好。笔者一开始是IK、FK骨一并采用，并且给很多骨骼都加了约束，以模拟真实情况，然而手臂的运动非常奇怪（就是1.3节介绍的问题）。当然主要原因是笔者当时不知道是什么原因导致的问题，因此折腾了半天。之后笔者把FK骨及很多不必要的约束去掉，才慢慢发现了问题所在。
做大动作前一定要备份一下，以供发生不可解决的问题时可以回溯。
必要时可以去外网的社区寻找答案（比如Blender Stack Exchange），往往能满足你的需求（国内对blender的讨论比较少，难以找到解决方案）。

3. Next Step

修正一些不正常的顶点组和权值，至少现在发现蝴蝶结是分离的；
制作换弹、射击、走（跑）动等动画；
导入Unity3D，设计角色控制器。

资源 & 参考文献

官方可莉模型资源
Leather Gloves FPS手臂blender资源
Modern Weapons Pack
Blender add-ons - Simple Renaming Panel

【游戏开发实战】下载原神模型，PMX转FBX，导入到Unity中，卡通渲染，绑定人形动画（附Demo工程）
Blender fbx从ascii格式导入 | 经验摘录
How to rig fps arms and gun in blender 2.8 - YouTube
How to make FPS Animations in Blender 2.8+ - YouTube
Blender绑定模块：为骨骼设置自定义物体(Custom Object)
Blender官方文档-Bone Groups
Blender官方文档-骨骼命名规则

以上是我的实践总结，如有不对的地方，欢迎各位大佬批评指正，如果有更好的解决方案，也在评论区中分享~