自己写游戏引擎(05) —— 人物动画系统

天云上人 · 发表于 2006-12-9 21:57:50

  　　我最近在学习人物动画的方面，做个总结，由于刚刚接触这个方面，所以有什么问题请大家指出。

在这篇日志里面，你可以获得这些信息：

1 人物动画的框架
2 骨骼动画及蒙皮技术
3 doom 3和quake 4中模型和动画格式md5及原理
4 可能的扩展

先来看一下人物动画的几种方法：

一、简单关键祯的动画

　　像quake3中就是用的这样的方法。这种方法最简单，缺点就是空间上的浪费。由于每个关键祯中都要储存整个网格的几何信息，所以用这种方法生成的动画文件相当的庞大，在游戏进行中也会占用大量的内存。现在的游戏，一般都不用了。

二、简单的骨骼动画及蒙皮技术

　　现在的很多游戏，都是用的这种方法，具体的原理后面再解释。这种方法可以节省大量的空间，对于美工来说，工作量也相对较小（可以利用动作捕捉的数据），真实性方面，简单的应用中也表现得比较好。

三、改进的蒙皮方法和基于物理的骨骼动画

　　改进的蒙皮方法可以避免简单的蒙皮中产生的“糖纸失真现象”；

　　基于物理的骨骼动画，已经有很多的游戏、物理引擎支持这一特性了，但是还有很多的技术问题需要处理。这是次时代游戏引擎必须很好实现技术之一。

基本的蒙皮原理

拿md5格式为例，来简单的解释一下蒙皮的原理。在doom3和quake4中md5mesh文件，用来记录一个人物的静态模型。有这样几个结构：

Joint：用来记录骨骼的关节的信息；
Weight：用来记录顶点相对于关节的权值；
Vertex：顶点信息，和一般的顶点不同，这里的顶点不直接的包含几何坐标信息，而是记录了对应的Weight；

现在就来解释一下这三者之间的关系：

　　Joint（关节）是会动的，而皮肤上的顶点是会随着顶点做相应的运动。我们保持皮肤上面的各个顶点和它相对应的关节的“位置关系”，就可以通过旋转关节，使得真个皮肤跟着旋转。这个“位置关系”，就是Weight。在运动的过程中，我们获得当前的骨骼的几何信息，也就是每个关节的几何位置，然后在根据每个顶点对于这些关节的权值，分别计算每个顶点的实际几何位置，这样，整个人物网格就计算出来了。

　　很显然，这其中有一个预处理过程和两个关键的步骤。预处理就是需要由静态的模型（美工做出的人物模型）和骨骼来计算得到一组Weight；两个关键的步骤是，1、获得的整个骨骼的几何信息（有可能从关键祯混合得到）；2、由顶点对应的Weight来计算出每个顶点的实际几何信息。

　　了解这些基本的概念，下面就来介绍人物动画系统的框架。

骨骼蒙皮基本框架

基本的类型：

关节信息：

typedef struct _CharJoint
{
   Vector3 pos;
   Vector4 startPoint;
   int parentID;
   char name[32];
} CharJoint;

其中，parentID为父关节，pos为对应父关节的偏移值，startPoint为旋转角度；

权值信息：

typedef struct _CharWeight
{
   Vector3 pos;
   int jointID;
   float bias;
} CharWeight;

其中，pos为偏移量，jiontID为对应的joint，bias偏向值；

顶点信息：

typedef struct _CharVert
{
   float u, v;
   int startWeight;
   int weightCount;
} CharVert;

　　其中，startWeight为该顶点对应的Weight在Weight列表中的偏移地址，weightCount记录该顶点对应多少个权值；对于简单的顶点，比如头顶上的某个点，动画的时候涉及到的变化并不多，所以，对应的权值数也就少，可以只有一个；对于动画中涉及变化比较复杂的点，比如手肘区域的顶点，可能由较多的权值（4个或更多），这样才能够很好的表示运动中对于多个关节的相对位置。

大概还涉及到这样一些类：

CharSkeleton：记录整个骨骼的信息，包含了关节的链表；
CharMesh: 记录整个人物模型的静态信息，包括顶点，权值，关节等；
CharBlender: 基类，根据CharMesh和CharSkeleton来计算出实际的网格，基本成员函数为Blender，用CPU来计算蒙皮，可以被子类Blend覆盖（比如可以写一个用Vertex Shader实现的Blender）；
CharAnimation：每个CharAnimation实例对应一个动作序列，比如“人物蹲下动作”；动作序列保存的是人物骨骼动画的关键祯，也就是在某一祯时，骨骼中各个关节的几何信息；注意这里的祯的概念并不是平常说的渲染的祯，在动画中，为了进一步节省空间，一般设定了一个动作为几个格，就像动漫制作过程中的“故事板”，只是整个过程中的几个缩略图，在后期制作过程中，在“填满”中间缺省的图片；这里的骨骼动画关键祯也是如此，文件中只保存了间断的几个状态，在渲染的时候，还是要实时的生成中间的某个状态，来把整个动作序列“填满”；
CharAnimCtrl：这个类的作用就是完成上面所说的，将动作序列“填满”的功能，输入是CharAnimation和时间，输出是一个基本的骨架，也就是CharSkeleton（当然这是靠传引用参数进行输出）；

解决关键问题

　　刚才提到了，整个系统中由三个关键的问题：一个预处理过程，关键祯混合以及从权值计算出实际顶点。预处理过程，基本上是编写一个建模工具导出插件的工作，这里就不讨论了。

关键祯混合：

　　简单的办法，就是直接用线性的方法混合，比如现在的动画时间标识为40，而我只有标识为20和50的两个关键祯，于是：40－20 ＝ 20，50－40 ＝ 10；而20：10 ＝ 2：1；所以，我们现在的状态离关键祯20的差异，以及离关键祯50的差异，这两个差异的比，就是2：1；好了，所以现在很自然地，我们取倒数，1：2；于是，我们做混合的时候，用“1份”关键祯20的骨骼，和“2份”50关键祯的骨骼，然后相加两者的结果（也就是“混合”过程）最后，除以3，得到最终的“1份”关键祯为40的骨骼。恩，就这么简单。（不过注意不要把这个比值的含义搞反了）；

　　际应用中还有其他的混合形式，后面再来介绍。

计算实际顶点：

我们看一下软件的（用CPU做蒙皮）Blend过程：

void CharBlender::Blend( Mesh &outputMesh, PE::CharMesh &inputMesh, PE::CharSkeleton &inputSk )
{
   if ( outputMesh.GetNumVertices() < inputMesh.GetNumVerts() )
     return;

   CharOutVert *pOutVerts = ( CharOutVert* )outputMesh.LockVertexBuffer();
   int numVerts = inputMesh.GetNumVerts();
   int numTris = inputMesh.GetNumTris();

   for ( int i = 0; i < numVerts; i++ )
   {
     const CharVert *pVert = inputMesh.GetVertAt( i );
     pOutVerts->x = pOutVerts->y = pOutVerts->z = 0.0f;

     /* u v initial */
     pOutVerts->u0 = pOutVerts->u1 = pOutVerts->u2 = pVert->u;
     pOutVerts->v0 = pOutVerts->v1 = pOutVerts->v2 = pVert->v;

     for ( int j = 0; j < pVert->weightCount; j++ )
     {
           const CharWeight *pWeight = inputMesh.GetWeightAt( pVert->startWeight + j );
           int index = pWeight->jointID;
           const CharJoint *pJoint = & ( inputSk.GetJointAt( pWeight->jointID ) );
           vec3_t wv;
           Quat_rotatePoint( &pJoint->startPoint.x, &pWeight->pos.x, wv );
           pOutVerts->x += ( pJoint->pos[0] + wv[0] ) * pWeight->bias;
           pOutVerts->y += ( pJoint->pos[1] + wv[1] ) * pWeight->bias;
           pOutVerts->z += ( pJoint->pos[2] + wv[2] ) * pWeight->bias;
     }
   }

   outputMesh.UnlockVertexBuffer();

   CharTri *pOutTri = ( CharTri* )outputMesh.LockIndexBuffer();

   for ( int i = 0; i < numTris; i++ )
   {
     const CharTri *pTri = inputMesh.GetTriAt( i );
     pOutTri->index[0] = pTri->index[0];
     pOutTri->index[1] = pTri->index[1];
     pOutTri->index[2] = pTri->index[2];
   }

   outputMesh.UnlockIndexBuffer();
}

其中黑体的部分，就是关键的代码，应该很容易看懂。其中，Quat_rotatePoint函数的作用就是将点进行旋转，得到新的坐标。

关于md5anim文件

　　Doom3和Quake4中的动画文件都是用md5anim文件保存的。md5anim文件只含有该动作所涉及到的骨骼关节的动画信息。也就是所，文件中关键祯的关节列表，是它所对应的md5mesh文件中基本关节列表的一个子集；这样做当然是有道理的，因为，有些动作，可能只涉及到身体的一个部分，比如眨眼，换弹夹等等，那么，把一个完整的骨骼框架放在mesh文件中，把若干不同的局部或者整体的关节序列放在不同的动画文件中，这样，可以最大限度的节省空间。

可能的扩展

一、复杂动作的混合

　　有时候，我们需要将两个动作混合，比如，一个人物同时的在做两种动作，一边向左平移，一边向右方开枪；不可能为每种可能的混合动作做大量的美工工作，而且空间上，我们也不允许这样做；可行的办法是，混合两个不同的动作序列，比如上半身动作和下半身动作的混合，这当然是最简单的方式。还有很多比较麻烦的混合方式，比如，人物在行走时中了枪，需要混合“行走”和“中枪”两个动作，而简单的线性混合是无法真实模拟的。

二、基于物理的动画

　　这不再仅是图形方面的问题了，这其中涉及到了大量的物理模型，这个，我也不懂。。。可以从第三方的物理引擎获得帮助，ODE好像就支持了；

三、基于GPU的蒙皮

　　原理和CPU蒙皮的原理一致，只是用了Shader，会比CPU蒙皮的效率快很多。在前面的代码中，只需实现CharBlender的子类就可以了。

四、非常流行的“换装”系统

　　这在RPG游戏里面简直就是不可少的一条。就现在的框架来说，还不能达到随意“换装”的要求。修改CharMesh以及Character的底层，需要能够添加和删除基本的骨架，支持多层皮肤（衣服）（多个Mesh的开关）。还可以更换不同的武器（底层实现还是通过添加骨架完成）。。。

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