unity游戲之骨骼動畫.doc

最近有人問我怎樣實現(xiàn)骨骼動畫，于是我就想起了我以前寫的這篇文章，貼上來給大家看看。 一、文章編寫目的 寫這篇文章，是給程序員看的。目的在于給程序員介紹骨骼動畫的原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序?qū)崿F(xiàn)的粗略方法。 骨骼動畫的應(yīng)用面很多，主要用在3D角色動畫，不過現(xiàn)在也很多人用于2D動畫。下面的內(nèi)容不會直接的把程序列出，只會闡述原理，關(guān)鍵的步驟是使用矩陣做坐標系變換。原理明白之后，不管2D或者3D應(yīng)該都能自己編寫。 二、什么是骨骼動畫 傳統(tǒng)的動畫，一般是對一個物體對象進行位移、旋轉(zhuǎn)、縮放、變形，然后把關(guān)鍵幀的信息記錄下來，在播放的時候按照關(guān)鍵幀時間對物體對象進行位移、旋轉(zhuǎn)、縮放、變形，并在關(guān)鍵幀與關(guān)鍵幀之間做插值運算。 骨骼動畫的特點是，需要做動畫的物體對象本身不記錄位移、旋轉(zhuǎn)、縮放、變形信息，而是通過了第三方的“骨骼”物體記錄動畫信息，然后物體對象本身只記錄受到骨骼物體影響的權(quán)重。在播放的時候，通過骨骼物體的關(guān)鍵幀和物體對象記錄的權(quán)重，讓動畫重現(xiàn)。 三、骨骼動畫的好處 相對于傳統(tǒng)動畫，骨骼動畫似乎多了2個記錄：骨骼物體和權(quán)重。按道理來說，這種骨骼動畫的資源容量和運行效率應(yīng)該不如傳統(tǒng)的動畫，那為什么還要做骨骼動畫呢？ 好處有以下幾點： 1、骨骼動畫是影響到頂點級別的動畫，而且可以多根骨骼根據(jù)權(quán)重影響同一個頂點，不論是2D或者3D使用，都可以讓動畫做得更豐富。 2、做到了對象和動畫分離，我們只需要記錄了物體對于骨骼的蒙皮權(quán)重，就可以單獨的去制作骨骼的動畫，在保證蒙皮信息和骨骼信息一致的情況下，還可以多個物體之間共享動畫。 3、相對于2D的逐幀動畫大大的節(jié)省資源容量。 4、3D角色動畫離不開骨骼動畫。 更多內(nèi)容，請訪問Unity3D技術(shù)社區(qū)【狗刨學(xué)習網(wǎng)】 四、美術(shù)層面理解骨骼動畫 由于骨骼動畫一般是由美術(shù)人員，更準確的是由動畫師來制作的，所以相對于程序員來說，美術(shù)人員接觸的機會比較多。這篇文章是給程序員看的，不過在從數(shù)據(jù)級別操作骨骼動畫之前，最好還是先了解一下美術(shù)層面制作骨骼動畫的方法。至于2D還是3D的情況下做骨骼動畫，其實原理是一樣的，只是2D時少了幾個點，然后一個軸固定值了而已。 這里以3DsMax來舉例子。需要制作一個骨骼動畫，需要這幾樣?xùn)|西： 1、網(wǎng)格物體 2、骨骼物體 3、蒙皮修改器 4、關(guān)鍵幀 網(wǎng)格物體： 需要做動畫的對象物體，如這個例子里面我們需要讓這個長方體翹起來 骨骼物體： 嚴格的骨骼對象物體，3DsMax有2種，一種是Bone，一種是biped。其實所有的物體都可以作為骨骼，包括了多面體網(wǎng)格物體、輔助物體等，都可以作為骨骼使用。不過為了便于一般操作習慣和導(dǎo)出數(shù)據(jù)方便，我們都只用Bone和Biped這兩種。 蒙皮修改器： 3DsMax有2種蒙皮修改器，Skin和Physique。作用都一樣，都是給網(wǎng)格物體的頂點賦予權(quán)重。也沒有誰好誰壞之說，看個人使用習慣。不過由于大部分的模型導(dǎo)出插件都不支持Physique蒙皮修改器，所以一般來說，都是使用Skin。 蒙皮修改器可以使用范圍框、筆刷或者逐個點來調(diào)節(jié)權(quán)重，不過本質(zhì)都是一樣的，最后得到的是幾根骨骼相對于某個頂點的影響權(quán)重。 上圖中的頂點受到骨骼bone01的0.25的影響，受到bone02的0.75的影響。這種情況下，該頂點雖然同時受到2根骨骼的影響，但bone02對它的影響會比較多一點。 正常的情況下，一個頂點受到多根骨骼影響的權(quán)重加起來應(yīng)該等于1。 關(guān)鍵幀： 關(guān)鍵幀信息包括了 l 時間 l 位移旋轉(zhuǎn)縮放的值 l 過渡插值的方式 注意的是，軟件操作上打了關(guān)鍵幀的物體才會動，不打關(guān)鍵幀的物體不會動或者跟隨著父級物體動。所以很多動畫師對一些由于不需要動的物體不打關(guān)鍵幀的。但由于每種動畫導(dǎo)出插件的處理不一樣，有些插件的編寫作者也是忽略了這種情況，而導(dǎo)致了在動畫解析的過程中缺少了部分的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致動畫播放不正常。 五、程序?qū)用胬斫夤趋绖赢?相對于美術(shù)層面，程序方面需要以下的幾個數(shù)據(jù)： 1、頂點索引數(shù)據(jù) 相對于美術(shù)只用關(guān)系網(wǎng)格物體的原始的位移旋轉(zhuǎn)縮放，程序關(guān)心的是網(wǎng)格物體的每一個頂點的位置坐標，還有頂點之間組成網(wǎng)格的索引順序。所謂的原始，指的是物體在沒有進行蒙皮之前的位置。 如果是做2D，那么數(shù)據(jù)就會變成每個面片的四個頂點的坐標，而索引就要自己用算法去生成。當然索引只是在3d渲染時才用到，如果是純2d，你可能只關(guān)心四個頂點的位置，然后繪制出面片。 由于之后一直都需要針對每一個頂點去儲存和提取數(shù)據(jù)，所以在一開始的時候，就要把這些頂點的順序固定下來。 2、骨骼物體數(shù)據(jù) 骨骼物體我們不會關(guān)心他是什么類型，體積有多大，或者由多少個頂點組成。我們只關(guān)心它的位移旋轉(zhuǎn)縮放的原始坐標，還有父子鏈接的關(guān)系。這個原始坐標需要和網(wǎng)格物體的原始狀態(tài)保持一致，即沒有蒙皮和做動畫之前，骨骼的位置。由于骨骼通常是很多根的，所以在記錄的開始，也必須先給骨骼都排序。 對于2D來說，骨骼有可能并沒有實質(zhì)性的形象，你可以用一個矩形或者一個線條做代表，最后需要導(dǎo)出的只是該對象的坐標，還有父子鏈接的關(guān)系。 更多內(nèi)容，請訪問Unity3D技術(shù)社區(qū)【狗刨學(xué)習網(wǎng)】 父子鏈接關(guān)系：圖中有2根骨骼。其中父物體發(fā)生位移旋轉(zhuǎn)，子物體會跟隨父物體做位移旋轉(zhuǎn)。但子物體做位移旋轉(zhuǎn)的時候，父物體是不會受到影響的。 這里會涉及到2個坐標系的概念，一個是世界坐標，一個是局部坐標。 如果一個物體沒有父物體，也就是說它的父物體就是“世界”，那么它的當前坐標就是世界坐標； 如果一個物體有父物體，那么它除了有世界坐標以外，還有一個相對于父物體的相對坐標。 例如： 父物體的世界坐標是（1,0,0），子物體的世界坐標是（0,1,0），那么子物體相對于父物體的局部坐標就是（-1,1,0） 3、每一個點的蒙皮權(quán)重 之前我們記錄頂點信息和骨骼信息時，都是已經(jīng)排好序的，所以我們在記錄蒙皮權(quán)重的時候，就可以只是記錄各自的序號，還有對應(yīng)的權(quán)重。一個頂點原則上是可以受到無限多根骨骼的影響，不過在實際的應(yīng)用中，為了不讓計算過于復(fù)雜，一般一個頂點最多只會受到4根骨骼的影響。 4、關(guān)鍵幀數(shù)據(jù) 根據(jù)記錄骨骼坐標的坐標系不同，可以選擇記錄每一根骨骼的絕對坐標，也可以記錄有動畫的骨骼的相對坐標。 根據(jù)是否計算插值，可以選擇記錄每一幀的信息，也可以選擇只記錄關(guān)鍵幀的信息，還有關(guān)鍵幀的插值方式。 之前我們介紹了絕對坐標和相對坐標，如果是記錄世界坐標，那是最準確的，但由于每一根骨骼的每一幀都需要去記錄，不管它是否做過動畫，這樣動畫的數(shù)據(jù)量會比較大。如果記錄的是相對坐標，那么如果在子物體沒有做動畫的情況下，它就不需要記錄，而是通過父物體的坐標來計算出子物體的世界坐標。這樣做可以讓導(dǎo)出的數(shù)據(jù)容量很小。不過這會增加解析時候的運算量。使用哪一種方式記錄關(guān)鍵幀，需要根據(jù)自己的項目實際情況來決定。 五、骨骼動畫的計算原理 1、4*4矩陣的概念 對于骨骼關(guān)鍵幀的記錄，我們需要記錄位移（xyz）、旋轉(zhuǎn)（通常用四元數(shù)xyzw）、縮放（xyz）這么多個數(shù)據(jù)。我們計算的時候也可以逐個點去分別計算他們的位移旋轉(zhuǎn)縮放來做動畫。不過骨骼動畫一般會涉及到坐標系的轉(zhuǎn)換，所以我們通常會都用矩陣來做運算。 一般的矩陣運算都是3*3矩陣，但在做3D方面的運算時，通常會把矩陣擴展為4*4矩陣。具體的做法請參考矩陣的基礎(chǔ)知識。大概過程是，先通過旋轉(zhuǎn)和縮放算出3*3矩陣，然后再增多一個維度填上位移坐標。 根據(jù)矩陣左乘和右乘的不同，你的矩陣可能不一樣，下面的公式是以左乘為基礎(chǔ)的。 不同的引擎不同的作者，可能使用不同的矩陣相乘規(guī)則，由于矩陣相乘是不滿足交換律的，也就是AB！=BA，所以一開始必須先搞清楚當前的引擎矩陣究竟是左乘還是右乘的，還有坐標系是用左手坐標系，還是右手坐標系。形式轉(zhuǎn)換經(jīng)常是錯誤的根源。 經(jīng)過位移旋轉(zhuǎn)縮放的計算，或者直接從3D軟件里面就導(dǎo)出矩陣，我們得到的4*4矩陣應(yīng)該是這樣的 左乘： r11 r12 r13 0 r21 r22 r23 0 r31 r32 r33 0 tx ty tz 1 右乘： r11 r21 r31 tx r12 r22 r32 ty r13 r23 r33 tz 0 0 0 1 其中r3*3是旋轉(zhuǎn)縮放計算的矩陣，tx、ty、tz是位移 2、坐標系轉(zhuǎn)換概念 之前說過，骨骼有世界坐標和局部坐標的分部。其實所有東西都有絕對坐標和相對坐標的概念。 拿頂點和骨骼來說，頂點本身有世界坐標，也有相對于骨骼的相對坐標。 關(guān)于絕對坐標系和相對坐標系的轉(zhuǎn)換，請參考3D圖形數(shù)學(xué)里面的坐標系轉(zhuǎn)換。我只說簡單的原理。 假設(shè)有：物體A和物體B，A的世界坐標是Va世界，B的世界坐標是Vb世界 現(xiàn)在我們需要把A的坐標轉(zhuǎn)換成相對于B的相對坐標，記作Vab。 那么我們需要構(gòu)造一個矩陣M世界-b， Vab = Va世界*M世界-b。 其中M世界-b是根據(jù)Vb世界求出來的，一般是Vb世界的逆矩陣。 反過來，如果制定了A在B的相對坐標，也知道了B的實際坐標，我們需要求回A的世界坐標。那么應(yīng)該是 Va世界= Vab*Mb-世界。 其中Mb-世界矩陣就是M世界-b的逆矩陣。乘以逆矩陣的幾何含義，就是把之前做過的變換取消掉。 一定要先把這個矩陣轉(zhuǎn)換坐標系的概念搞清楚，這其實就是整個骨骼動畫的原理關(guān)鍵。其中的A就是物體的頂點，B就是骨骼。 3、骨骼動畫原理 前面廢話了這么多，終于到核心部分了。 我們先從最簡單的情況考慮。 假設(shè)我們的模型只有一個頂點，骨骼也只有一根，這個頂點完全受這根骨骼的影響。 紅色點是頂點，藍色的線是骨骼，這里把骨骼畫成線只是為了便于敘述，其實骨骼是沒有長度概念的。 我們旋轉(zhuǎn)了骨骼，由于頂點完全受骨骼影響，所以頂點的坐標也發(fā)生了變化。 那么我們怎樣求出頂點在動畫之后的坐標呢？ 通過觀察，頂點在動畫前和后后，雖然實際坐標發(fā)生了變化，但是相對于骨骼的相對坐標是沒有發(fā)生變化的。只要知道了相對坐標，再通過動畫后骨骼的坐標，就能通過轉(zhuǎn)換坐標系，得到動畫后頂點的世界坐標了。 那么，我們可以這么做： 設(shè): 頂點的動畫前世界坐標為：V世界0 頂點在動畫后世界坐標為：V世界1 骨骼的動畫前世界坐標為：B世界0 骨骼在動畫后世界坐標為：B世界1 然后通過B世界0可以計算出從世界坐標轉(zhuǎn)換到骨骼相對坐標的：M0世界-b 通過B世界1可以計算出從骨骼相對坐標轉(zhuǎn)換到世界坐標的：M1b-世界 然后，我們要求出V世界1 首先求出頂點相對于骨骼的相對坐標Vb： Vb = V世界0*M世界-b 然后當運動之后，我們就可以求得 V世界1=Vb*M1b-世界 那么整個過程就是 V世界1 = V世界0*M世界-b*M1b-世界 看似過程有點復(fù)雜，其實Vb是固定的，我們甚至可以在導(dǎo)出數(shù)據(jù)的時候就先算好了。到了真正需要做動畫的時候，我們只需要再知道一個B世界1，就足夠我們算出當前的頂點應(yīng)該在的位置了。 我們再加大復(fù)雜程度： 假設(shè)頂點還是一個，但骨骼變成了2根，頂點受a骨骼0.75權(quán)重的影響，受b骨骼0.25的影響 我們需要做的和前面一樣，雖然骨骼變成兩根了，但我們可以先忽略了權(quán)重，分別求出V世界1a和V世界1b。 之后的事情就很簡單了： V世界1 = V世界1a*0.75+V世界1b*0.25。 如此類推，把權(quán)重標記成W，就變成了 V世界1 = V世界1a*Wa+V世界1b*Wb+V世界1c*Wc+V世界1c*Wc 4、骨骼動畫的整個工作流程： 1