動(dòng)畫技術(shù)課件

第12章動(dòng)畫技術(shù)骨骼動(dòng)畫基礎(chǔ)剛體動(dòng)畫蒙皮動(dòng)畫剛體動(dòng)畫蒙皮動(dòng)畫剛體動(dòng)畫蒙皮動(dòng)畫理解骨骼動(dòng)畫原理理解蒙皮動(dòng)畫原理12.1骨骼動(dòng)畫基礎(chǔ)1．為什么使用頂點(diǎn)混合12.1.1頂點(diǎn)混合概念骨骼動(dòng)畫是用于在計(jì)算機(jī)上模擬或再現(xiàn)動(dòng)物運(yùn)行的技術(shù)。一個(gè)骨骼動(dòng)畫由骨骼支撐下的頂點(diǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。如果有網(wǎng)格附著在骨骼上，就必須將網(wǎng)格分割成受不同骨骼控制的片斷，骨骼運(yùn)動(dòng)時(shí)勢(shì)必導(dǎo)致網(wǎng)格斷裂，或者部分重疊。實(shí)際應(yīng)用模型動(dòng)畫是采用網(wǎng)格與多個(gè)骨骼共同協(xié)作完成的。將蒙皮分割成受到不同骨骼控制的片段適合剛體動(dòng)畫例如機(jī)器人關(guān)節(jié)處出現(xiàn)斷裂、重疊現(xiàn)象12.1骨骼動(dòng)畫基礎(chǔ)2．頂點(diǎn)權(quán)重12.1.1頂點(diǎn)混合概念假設(shè)頂點(diǎn)為Vn，該頂點(diǎn)的權(quán)重為Wn。一般由建模軟件計(jì)算。vBlend=V1W1+V2(1.0-W1)//2個(gè)影響vBlend=V1W1+V2W2+V3(1.0-(W1+W2))//3個(gè)影響vBlend=V1W1+V2W2+V3W3+V4(1.0-(W1+W2+W3))//4個(gè)影響幾個(gè)權(quán)重之和為1.0，因此其中一個(gè)可以通過其他權(quán)重計(jì)算出來，在存儲(chǔ)時(shí)可以少存儲(chǔ)1個(gè)權(quán)重。DirectX支持最多4個(gè)世界頂點(diǎn)的混合，因此每個(gè)頂點(diǎn)可以包含2～4個(gè)矩陣信息（矩陣索引）和1～3個(gè)權(quán)重信息。12.1骨骼動(dòng)畫基礎(chǔ)2．頂點(diǎn)權(quán)重12.1.1頂點(diǎn)混合概念權(quán)重信息由美術(shù)師設(shè)計(jì)角色時(shí)用建模工具定義。水平部分受到水平骨骼影響的權(quán)重為1，在關(guān)節(jié)附近影響的程度減小，權(quán)重也減小，超過一定范圍不受水平骨骼影響。12.1骨骼動(dòng)畫基礎(chǔ)3．在DirectX中使用頂點(diǎn)混合12.1.1頂點(diǎn)混合概念Vn=VTnWn權(quán)重存儲(chǔ)每個(gè)頂點(diǎn)受到各個(gè)骨骼影響的權(quán)重各不相同。骨骼數(shù)量較少在頂點(diǎn)中附加幾個(gè)骨骼的權(quán)重信息很容易。權(quán)重信息是存儲(chǔ)在頂點(diǎn)中的DirectX支持最多頂點(diǎn)3個(gè)權(quán)重用于混合，每個(gè)權(quán)重對(duì)應(yīng)特定的矩陣。12.1骨骼動(dòng)畫基礎(chǔ)3．在DirectX中使用頂點(diǎn)混合12.1.1頂點(diǎn)混合概念1）設(shè)置世界變換矩陣。頂點(diǎn)混合使用額外的世界變換矩陣。矩陣類型：D3DTS_WORLDMATRIX（n）或D3DTS_WORLDn。其中n取0～255，矩陣索引可使用一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。m_pD3DDevice->SetTransform(D3DTS_WORLDMATRIX(0),&matBlend[0]);m_pD3DDevice->SetTransform(D3DTS_WORLDMATRIX(1),&matBlend[1]);m_pD3DDevice->SetTransform(D3DTS_WORLDMATRIX(2),&matBlend[2]);12.1骨骼動(dòng)畫基礎(chǔ)3．在DirectX中使用頂點(diǎn)混合12.1.1頂點(diǎn)混合概念3）頂點(diǎn)定義。權(quán)重的格式：D3DFVF_XYZB1、D3DFVF_XYZB2或D3DFVF_XYZB3。頂點(diǎn)應(yīng)該包含每個(gè)矩陣的權(quán)重信息，用于指定頂點(diǎn)混合系數(shù)。#defineD3DFVF_BLENDVERTEX(D3DFVF_XYZB3|D3DFVF_NORMAL|D3DFVF_TEX1)structBLENDVERTEX{D3DXVECTOR3v;//位置FLOATblend1;//權(quán)重1FLOATblend2;//權(quán)重2FLOATblend3;//權(quán)重3D3DXVECTOR3n;//法線FLOATtu,tv;//紋理坐標(biāo)};12.1骨骼動(dòng)畫基礎(chǔ)12.1.2運(yùn)動(dòng)插值 關(guān)鍵幀動(dòng)畫使用像素圖，因此只能做到近似的平滑。骨骼動(dòng)畫也使用關(guān)鍵幀存儲(chǔ)一系列關(guān)鍵的狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算出關(guān)鍵幀中間的一些狀態(tài)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的動(dòng)畫。矩陣存儲(chǔ)骨骼狀態(tài)，但插值困難，一般都是用縮放、旋轉(zhuǎn)和平移變量進(jìn)行插值。存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型：向量：存儲(chǔ)縮放比例和平移量。四元數(shù)：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)量。骨骼動(dòng)畫也是利用類似傳統(tǒng)2維動(dòng)畫關(guān)鍵楨實(shí)現(xiàn)的，由于一個(gè)模型的皮膚頂點(diǎn)數(shù)據(jù)量龐大，所以不可能記錄每楨皮膚頂點(diǎn)的坐標(biāo)信息，所以我們存儲(chǔ)的是數(shù)量較少的骨骼的每楨的頂點(diǎn)變化信息，播放時(shí)讓每個(gè)骨骼按照記錄的狀態(tài)切換到相應(yīng)的位置，再去用某種方式再去影響皮膚位置就能模擬動(dòng)物運(yùn)動(dòng)了。12.2剛體動(dòng)畫12.2.1骨骼模型的構(gòu)成1．為什么要使用骨骼動(dòng)畫直接存儲(chǔ)、播放頂點(diǎn)幀動(dòng)畫，由于頂點(diǎn)較多，存儲(chǔ)和渲染效率較低。實(shí)際使用骨骼存儲(chǔ)動(dòng)畫信息。皮膚的位置由骨骼驅(qū)動(dòng)，骨骼的運(yùn)動(dòng)是造成動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。動(dòng)畫數(shù)據(jù)只要存儲(chǔ)每個(gè)骨骼的運(yùn)動(dòng)信息。動(dòng)畫設(shè)計(jì)師可以專門地從事動(dòng)畫設(shè)計(jì)，可以用動(dòng)作捕捉儀或是用三維建模工具建立動(dòng)畫序列。骨骼動(dòng)畫的思想很簡(jiǎn)單，自然界中的大多數(shù)動(dòng)物都用有一套骨骼，身體的皮毛血肉都依附于骨骼，當(dāng)骨骼開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，都依附于骨骼的皮肉都隨骨骼一起運(yùn)動(dòng)。在三維圖形編程領(lǐng)域，角色的軀體是由網(wǎng)格來表示的，網(wǎng)格由大量三角形組成，三角形由定點(diǎn)組成，為了模仿現(xiàn)實(shí)世界中角色自身的動(dòng)作，就需要為角色網(wǎng)格添加一套骨骼，同時(shí)需要確定那些頂點(diǎn)依附于那塊骨骼，這樣當(dāng)骨骼運(yùn)動(dòng)的時(shí)候就能牽引依附骨骼的頂點(diǎn)一起運(yùn)動(dòng)，這就是骨骼動(dòng)畫的基本原理。每個(gè)骨骼都包含完整的坐標(biāo)系統(tǒng)，在這個(gè)坐標(biāo)系下如果存在一個(gè)網(wǎng)格，頂點(diǎn)都是以本地坐標(biāo)系的形式存儲(chǔ)的，那么在渲染他的時(shí)候需要將他轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系。骨骼在轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型時(shí)，包含名稱和一個(gè)矩陣，這個(gè)矩陣用于將頂點(diǎn)從本地空間轉(zhuǎn)換到父結(jié)點(diǎn)空間的變換矩陣。那么我們就需要將子結(jié)點(diǎn)的所有頂點(diǎn)和這個(gè)矩陣進(jìn)行相×，然后父結(jié)點(diǎn)再乘以父結(jié)點(diǎn)的父結(jié)點(diǎn)，直到根節(jié)點(diǎn)為止。最終才能把模型中所有的頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換到世界空間。12.2剛體動(dòng)畫12.2.1骨骼模型的構(gòu)成3．骨骼的數(shù)學(xué)模型MCM2=MTM2*MTM1從bone2轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系的變換矩陣為：其中：從bone1的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為MTM1從bone2的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到bone1的坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為MTM2MCM3=MTM3*MCM212.2剛體動(dòng)畫12.2.1骨骼模型的構(gòu)成3．骨骼的數(shù)學(xué)模型12.2剛體動(dòng)畫12.2.2動(dòng)畫信息1．動(dòng)畫序列一個(gè)骨骼系統(tǒng)可以有多個(gè)動(dòng)畫序列和它對(duì)應(yīng)。骨骼系統(tǒng)支持多種動(dòng)畫。在播放的時(shí)候可以切換不同的動(dòng)畫序列就可以了。在DirectX中：實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫序列的接口為：ID3DXAnimationSet。單個(gè)骨骼動(dòng)畫控制的接口為：ID3DXKeyFrameInterpolator。它內(nèi)置了縮放，平移，和旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵楨。動(dòng)畫控制接口：ID3DXAnimationController。負(fù)責(zé)管理骨骼，蒙皮和動(dòng)畫信息。12.2剛體動(dòng)畫12.2.2動(dòng)畫信息2．動(dòng)畫的播放當(dāng)要更新骨骼時(shí)，需要遍歷當(dāng)前動(dòng)作序列，更新所有骨骼的狀態(tài)信息。狀態(tài)信息是相對(duì)于父節(jié)點(diǎn)的，因而不能直接用于三角形渲染，必須計(jì)算骨骼的世界變換矩陣。首先根據(jù)動(dòng)畫序列中每個(gè)骨骼的關(guān)鍵楨信息，計(jì)算當(dāng)前的時(shí)刻的狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)以向量和四元數(shù)的形式存儲(chǔ)，需要轉(zhuǎn)為矩陣，然后用這些矩陣逐一的更新所有的骨骼節(jié)點(diǎn)的本地父結(jié)點(diǎn)空間的變換矩陣。Directx使用AnimationController實(shí)現(xiàn)本地到父結(jié)點(diǎn)的空間變化根據(jù)動(dòng)畫序列中每個(gè)骨骼的關(guān)鍵幀信息更新骨骼相對(duì)變換矩陣更新骨骼節(jié)點(diǎn)的世界變換矩陣（遞歸函數(shù)）12.3蒙皮蒙皮即Mesh，它和骨骼關(guān)聯(lián)（綁定）后才能在骨骼的作用下產(chǎn)生變形，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫。小測(cè)驗(yàn)(題目部分)單選題1．下列選項(xiàng)中對(duì)頂點(diǎn)混合理解正確的是（）。A．頂點(diǎn)混合就是將幾個(gè)頂點(diǎn)合并生成一個(gè)頂點(diǎn)以減少三角形面數(shù)B．頂點(diǎn)混合就是將幾個(gè)矩陣合并成一個(gè)矩陣以便減少計(jì)算量C．頂點(diǎn)混合就是將一個(gè)頂點(diǎn)經(jīng)過幾種不同的變換再求平均值D．頂點(diǎn)混合就是對(duì)一個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行幾種不同變換，再求加權(quán)平均值2．DirectX中一個(gè)頂點(diǎn)最多支持幾個(gè)權(quán)重？（）A．2 B．8 C．3 D．2553．DirectX中當(dāng)使用索引頂點(diǎn)混合時(shí)，最多有幾個(gè)權(quán)重和幾個(gè)矩陣索引？（）A．4，4 B．4，3 C．3，4 D．3，255多選題4．關(guān)于插值方法，下列說法錯(cuò)誤的是（）。A．二次曲線插值比線性插值平滑B．四元數(shù)最好使用線性插值，即Q＝Q1*w1＋Q2*(1-W1)C．一個(gè)頂點(diǎn)所有權(quán)重之和為1D．骨骼動(dòng)畫中的插值是對(duì)矩陣加權(quán)平均求一個(gè)混合矩陣小測(cè)驗(yàn)(答案部分)單選題1．下列選項(xiàng)中對(duì)頂點(diǎn)混合理解正確的是（D）。A．頂點(diǎn)混合就是將幾個(gè)頂點(diǎn)合并生成一個(gè)頂點(diǎn)以減少三角形面數(shù)B．頂點(diǎn)混合就是將幾個(gè)矩陣合并成一個(gè)矩陣以便減少計(jì)算量C．頂點(diǎn)混合就是將一個(gè)頂點(diǎn)經(jīng)過幾種不同的變換再求平均值D．頂點(diǎn)混合就是對(duì)一個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行幾種不同變換，再求加權(quán)平均值2．DirectX中一個(gè)頂點(diǎn)最多支持幾個(gè)權(quán)重？（C）A．2 B．8 C．3 D．2553．DirectX