Unity3D 骨骼動(dòng)畫原理小記
2019/2/14??????點(diǎn)擊：
一、骨骼動(dòng)畫、關(guān)節(jié)動(dòng)畫、關(guān)鍵幀動(dòng)畫
骨骼動(dòng)畫是進(jìn)一步的動(dòng)畫類型，原理構(gòu)成很其簡單，但是解決問題很其有優(yōu)勢。將模型分為骨骼Bone和蒙皮Mesh兩個(gè)部分，其基本的原理可以闡述為：模型的骨骼可分為基本多層父子骨骼，在動(dòng)畫關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算出各個(gè)父子骨骼的位置，基于骨骼的控制通過頂點(diǎn)混合動(dòng)態(tài)計(jì)算出蒙皮網(wǎng)格的頂點(diǎn)。在骨骼動(dòng)畫中，通常包含的是骨骼層次數(shù)據(jù)，網(wǎng)格Mesh數(shù)據(jù)， 網(wǎng)格蒙皮數(shù)據(jù)Skin Info和骨骼的動(dòng)畫關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)。
一、骨骼動(dòng)畫、關(guān)節(jié)動(dòng)畫、關(guān)鍵幀動(dòng)畫
在實(shí)際的游戲中，用得多的是這三種基本的動(dòng)畫。
在關(guān)鍵幀動(dòng)畫中，模型在每個(gè)關(guān)鍵幀中都是一個(gè)固定的姿勢，相當(dāng)于一個(gè)“快照”，通過在不同的關(guān)鍵幀中進(jìn)行插值平滑計(jì)算，可以得到一個(gè)較為流暢的動(dòng)畫表現(xiàn)。關(guān)鍵幀動(dòng)畫的一個(gè)優(yōu)勢是只需要做插值計(jì)算，相對于其他的動(dòng)畫計(jì)算量很小，但是劣勢也比較明顯，基于固定的“快照”進(jìn)行插值計(jì)算，表現(xiàn)大大被限制，同時(shí)插值如果不夠平滑容易出現(xiàn)尖刺等現(xiàn)象。
關(guān)節(jié)動(dòng)畫是早期出現(xiàn)的一種動(dòng)畫，在這種動(dòng)畫中，模型整體不是一個(gè)Mesh, 而是分為多個(gè)Mesh，通過父子的關(guān)系進(jìn)行組織，這樣父節(jié)點(diǎn)的Mesh就會(huì)帶動(dòng)子節(jié)點(diǎn)的Mesh進(jìn)行變換，這樣層層的變換關(guān)系，就可以得到各個(gè)子Mesh在不同關(guān)鍵幀中的位置。關(guān)節(jié)動(dòng)畫相比于關(guān)鍵幀動(dòng)畫，依賴于各個(gè)關(guān)鍵幀的動(dòng)畫數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)的計(jì)算出各個(gè)Mesh的位置，不再受限于固定的位置，但是由于是分散的各個(gè)Mesh，這樣在不同Mesh的結(jié)合處容易出現(xiàn)裂縫。
骨骼動(dòng)畫是進(jìn)一步的動(dòng)畫類型，原理構(gòu)成很其簡單，但是解決問題很其有優(yōu)勢。將模型分為骨骼Bone和蒙皮Mesh兩個(gè)部分，其基本的原理可以闡述為：模型的骨骼可分為基本多層父子骨骼，在動(dòng)畫關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算出各個(gè)父子骨骼的位置，基于骨骼的控制通過頂點(diǎn)混合動(dòng)態(tài)計(jì)算出蒙皮網(wǎng)格的頂點(diǎn)。在骨骼動(dòng)畫中，通常包含的是骨骼層次數(shù)據(jù)，網(wǎng)格Mesh數(shù)據(jù)， 網(wǎng)格蒙皮數(shù)據(jù)Skin Info和骨骼的動(dòng)畫關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)。
在關(guān)鍵幀動(dòng)畫中，模型在每個(gè)關(guān)鍵幀中都是一個(gè)固定的姿勢，相當(dāng)于一個(gè)“快照”，通過在不同的關(guān)鍵幀中進(jìn)行插值平滑計(jì)算，可以得到一個(gè)較為流暢的動(dòng)畫表現(xiàn)。關(guān)鍵幀動(dòng)畫的一個(gè)優(yōu)勢是只需要做插值計(jì)算，相對于其他的動(dòng)畫計(jì)算量很小，但是劣勢也比較明顯，基于固定的“快照”進(jìn)行插值計(jì)算，表現(xiàn)大大被限制，同時(shí)插值如果不夠平滑容易出現(xiàn)尖刺等現(xiàn)象。
關(guān)節(jié)動(dòng)畫是早期出現(xiàn)的一種動(dòng)畫，在這種動(dòng)畫中，模型整體不是一個(gè)Mesh, 而是分為多個(gè)Mesh，通過父子的關(guān)系進(jìn)行組織，這樣父節(jié)點(diǎn)的Mesh就會(huì)帶動(dòng)子節(jié)點(diǎn)的Mesh進(jìn)行變換，這樣層層的變換關(guān)系，就可以得到各個(gè)子Mesh在不同關(guān)鍵幀中的位置。關(guān)節(jié)動(dòng)畫相比于關(guān)鍵幀動(dòng)畫，依賴于各個(gè)關(guān)鍵幀的動(dòng)畫數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)的計(jì)算出各個(gè)Mesh的位置，不再受限于固定的位置，但是由于是分散的各個(gè)Mesh，這樣在不同Mesh的結(jié)合處容易出現(xiàn)裂縫。骨骼動(dòng)畫是進(jìn)一步的動(dòng)畫類型，原理構(gòu)成很其簡單，但是解決問題很其有優(yōu)勢。將模型分為骨骼Bone和蒙皮Mesh兩個(gè)部分，其基本的原理可以闡述為：模型的骨骼可分為基本多層父子骨骼，在動(dòng)畫關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算出各個(gè)父子骨骼的位置，基于骨骼的控制通過頂點(diǎn)混合動(dòng)態(tài)計(jì)算出蒙皮網(wǎng)格的頂點(diǎn)。在骨骼動(dòng)畫中，通常包含的是骨骼層次數(shù)據(jù)，網(wǎng)格Mesh數(shù)據(jù)， 網(wǎng)格蒙皮數(shù)據(jù)Skin Info和骨骼的動(dòng)畫關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)。
一、骨骼動(dòng)畫、關(guān)節(jié)動(dòng)畫、關(guān)鍵幀動(dòng)畫
在實(shí)際的游戲中，用得多的是這三種基本的動(dòng)畫。
在關(guān)鍵幀動(dòng)畫中，模型在每個(gè)關(guān)鍵幀中都是一個(gè)固定的姿勢，相當(dāng)于一個(gè)“快照”，通過在不同的關(guān)鍵幀中進(jìn)行插值平滑計(jì)算，可以得到一個(gè)較為流暢的動(dòng)畫表現(xiàn)。關(guān)鍵幀動(dòng)畫的一個(gè)優(yōu)勢是只需要做插值計(jì)算，相對于其他的動(dòng)畫計(jì)算量很小，但是劣勢也比較明顯，基于固定的“快照”進(jìn)行插值計(jì)算，表現(xiàn)大大被限制，同時(shí)插值如果不夠平滑容易出現(xiàn)尖刺等現(xiàn)象。
關(guān)節(jié)動(dòng)畫是早期出現(xiàn)的一種動(dòng)畫，在這種動(dòng)畫中，模型整體不是一個(gè)Mesh, 而是分為多個(gè)Mesh，通過父子的關(guān)系進(jìn)行組織，這樣父節(jié)點(diǎn)的Mesh就會(huì)帶動(dòng)子節(jié)點(diǎn)的Mesh進(jìn)行變換，這樣層層的變換關(guān)系，就可以得到各個(gè)子Mesh在不同關(guān)鍵幀中的位置。關(guān)節(jié)動(dòng)畫相比于關(guān)鍵幀動(dòng)畫，依賴于各個(gè)關(guān)鍵幀的動(dòng)畫數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)的計(jì)算出各個(gè)Mesh的位置，不再受限于固定的位置，但是由于是分散的各個(gè)Mesh，這樣在不同Mesh的結(jié)合處容易出現(xiàn)裂縫。
骨骼動(dòng)畫是進(jìn)一步的動(dòng)畫類型，原理構(gòu)成很其簡單，但是解決問題很其有優(yōu)勢。將模型分為骨骼Bone和蒙皮Mesh兩個(gè)部分，其基本的原理可以闡述為：模型的骨骼可分為基本多層父子骨骼，在動(dòng)畫關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算出各個(gè)父子骨骼的位置，基于骨骼的控制通過頂點(diǎn)混合動(dòng)態(tài)計(jì)算出蒙皮網(wǎng)格的頂點(diǎn)。在骨骼動(dòng)畫中，通常包含的是骨骼層次數(shù)據(jù)，網(wǎng)格Mesh數(shù)據(jù)， 網(wǎng)格蒙皮數(shù)據(jù)Skin Info和骨骼的動(dòng)畫關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)。
class Bone
{
Bone* m_pFirstChild;
Bone* m_pSibling;
float m_x, m_y, m_z; // pos in parents' space
float m_wx, m_wy, m_wz; // pos in world space
//
public:
Bone(float x, float y, float z): m_pSibling(NULL),m_pFirstChild(NULL),m_pFather(NULL),m_x(x), m_y(y), m_z(z){}
//
void SetFirstChild(Bone* pChild)
{
m_pFirstChild = pChild;
m_pFirstChild->m_pFather = this;
}
//
void SetSibling(Bone* pSibling)
{
m_pSibling = pSibling;
m_pSibling->m_pFather = m_pFather;
}
}
這樣，當(dāng)父節(jié)點(diǎn)骨骼發(fā)生變換的時(shí)候，子節(jié)點(diǎn)的骨骼就會(huì)做相應(yīng)的變換，這樣的操作可以稱為 UpdateBoneMatrix，這樣的操作可以用一個(gè)方法ComputeWorldPos來表示，這樣可以用遞歸的方式在Bone中實(shí)現(xiàn)：
class Bone
{
void ComputeWorldPos(float fatherX, float fatherY, float fatherZ)
{
m_wx = fatherX + m_x;
m_wy = fatherY + m_y;
m_wz = fatherZ + m_z;
//兄弟節(jié)點(diǎn)用父節(jié)點(diǎn)傳遞的參數(shù)
if(m_pSibling ！=NULL)
m_pSibling ->ComputeWorldPos(fatherX, fatherY, fatherZ)
if(m_pFirstChild!=NULL)
m_pFirstChild ->ComputeWorldPos(m_wx, m_wy, m_wz)
}
}
這樣，當(dāng)父節(jié)點(diǎn)骨骼發(fā)生變換的時(shí)候，子節(jié)點(diǎn)的骨骼都會(huì)做出相應(yīng)的變換，從而得到新的位置、朝向等信息，骨骼發(fā)生變化，從而會(huì)帶動(dòng)外在的mesh發(fā)生變化，所以整體的模型就表現(xiàn)chu出運(yùn)動(dòng)起來。基于此，可以理解為什么骨骼是骨骼動(dòng)畫的核心。
#define MAX_BONE_VERTEX 4
class Vertex
{
float m_x, m_y, m_z; // local pos in mesh space
float m_wx, m_wy, m_wz; // pos in world space
//skin info
int m_boneNum;
Bone* m_bones[MAX_BONE_VERTEX];
float m_boneWeights[MAX_BONE_VERTEX];
}
當(dāng)然，這兒只是一個(gè)簡單的表述，具體的在引擎中會(huì)有規(guī)范的設(shè)計(jì)。那么我們的頂點(diǎn)在跟隨骨骼做運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，是如何計(jì)算自己的位置的？我們就需要引入BoneOffsetMatrix 和 Transform Matrix的概念。
class BoneOffset
{
public:
float m_offx, m_offy, m_offz; //暫時(shí)只考慮平移
}
class Bone
{
public :
BoneOffset* m_boneOffset;
//
void ComputeBoneOffset()
{
m_boneOffset.m_offx -= m_wx;
m_boneOffset.m_offy -= m_wy;
m_boneOffset.m_offz -= m_wz;
if(m_pSibling != NULL)
m_pSibling->ComputeBoneOffset();
if(m_pFirstChild !=NULL)
m_pFirstChild->ComputeBoneOffset();
}
}
//頂點(diǎn)類的計(jì)算
class Vertex
{
public:
void ComputeWorldPosByBone(Bone* pBone, float &outX, float& outy, float& outz)
{
//從mesh空間轉(zhuǎn)換到bone空間
outx = m_x + pBone->m_boneOffset.m_offx;
outy = m_y + pBone->m_boneOffset.m_offy;
outz = m_z + pBone->m_boneOffset.m_offz;
//從bone空間轉(zhuǎn)換到世界空間
outx += pBone->m_wx;
outy += pBone->m_wy;
outz += pBone->m_wz;
}
//GPU中計(jì)算頂點(diǎn)的位置
void BlendVertex()
｛
float m_wx = 0;
float m_wy = 0;
float m_wz = 0;
for(int i=0; i < m_boneNum; i++)
{
float tx, ty,tz;
ComputeWorldPosByBone(m_bones[i], tx, ty,tz);
tx *= m_boneWeights[i];
ty *= m_boneWeights[i];
tz *= m_boneWeights[i];
m_wx += tx;
m_wy += ty;
m_wz += tz;
}
｝
}
仔細(xì)捋一捋上面的代碼，就可以理解整體的蒙皮變換的過程，當(dāng)然，這兒只用了矩陣變換中的平移變換，如果考慮加上旋轉(zhuǎn)和縮放，則回到*初的計(jì)算公式中了。至此，對于基本的骨骼動(dòng)畫中的骨骼變換和蒙皮變換，有了一個(gè)詳細(xì)的解釋。下面說說Unity中是如何處理骨骼變換的。
聲明： 本文轉(zhuǎn)自網(wǎng)絡(luò), 不做盈利目的，如有侵權(quán)，請與我們聯(lián)系處理，謝謝。
uniform float4x4 _Matrices[24]; //設(shè)置的骨骼數(shù)量*大為24
struct appdata
{
float4 vertex:POSITION;
float2 uv:TEXCOORD0;
//存儲(chǔ)的就是骨骼的變換矩陣，x/y為第一個(gè)骨骼的索引和權(quán)重，z/w為第二個(gè)的索引和權(quán)重
float4 tangent:TANGENT;
}；
v2f vert(appdata v)
{
v2f o;
//蒙皮計(jì)算位置,注意看，其實(shí)就是矩陣變化加權(quán)重的表示
float4 pos =
mul(_Matrices[v.tangent.x], v.vertex)* v.tangent.y +
mul(_Matrices[v.tangent.z], v.vertex)* v.tangent.w
//通用的mvp計(jì)算
o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, pos);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
return o;
}
//怎么計(jì)算index和權(quán)重,此處一個(gè)蒙皮頂點(diǎn)受到2根骨骼的影響
Vector4[] tangents = new Vector4[mesh.vertexCount];
for(int i=0; i < mesh.vertexCount;++i)
{
BoneWeight boneWeight = mesh.boneWeights[i];
tangents[i].x = boneWeight.boneIndex0;
tangents[i].y = boneWeight.weight0;
tangents[i].z = boneWeight.boneIndex1;
tangents[i].w = boneWeight.weight1;
}
newMesh.tangents = tangents;
其優(yōu)化的策略，就是用貼圖的方式來存儲(chǔ)這個(gè)變換矩陣，參看一下代碼吧：
inline float4 indexToUV(int index)
{
int row = (int) (index /_MatricesTexSize.x);
int col = (index - row * _MatricesTexsize.x;
return float4(col/_MatricesTexSize.x, row/_MatricesTexSize.y, 0 , 0);
}
//算出當(dāng)前的變換矩陣
inline float4x4 getMatrix(int frameStartIndex, float boneIndex)
{
int matStartIndex = frameStartIndex + boneIndex*3;
float4 row0 = tex2Dlod(_MatricesTex, indexToUV(matStartIndx));
float4 row1 = tex2Dlod(_MatricesTex, indexToUV(matStartIndx + 1));
float4 row2 = tex2Dlod(_MatricesTex, indexToUV(matStartIndx + 2));
float4 row3 = float4(0,0,0,0);
float4x4 mat = float4x4(row0, row1, row2, row3);
return mat;
}
v2f vert(appdata v)
{
v2f o;
float time = _Time.y;
//算出當(dāng)前時(shí)間對應(yīng)的index
int framIndex = (int)(((_Time.y + v.uv2.x)*_AnimFPS)%(_AnimLength * _AnimFPS));
int frameStartIndex = frameIndex * _MatricesTexFrameTexls;
//去除對應(yīng)的變換矩陣
float4 mat0 = getMatrix(frameStartIndex, v.tangent.x);
float4 mat1 = getMatrix(frameStartIndex, v.tangent.z);
float4 pos =
mul(mat0, v.vertex) * v.tangent,y +
mul(mat1, v.vertex) * v.tangent.w;
o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, pos);
o.uv = TRANSFOR_TEX(v.uv, _MainTex);
return o;
}
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