毕业设计（论文）-基于maya 技术的角色绑定在《SAMSARA》中的应用2.doc

2013年度本科生毕业论文（设计）基于Maya技术的角色绑定在 SAMSARA中的应用学 院： 电子信息工程学院 专 业： 数字媒体技术 年 级： 2009 级 学生姓名： 林燕玲 学 号： 09217031 导师及职称： 于洪（副教授） 2013年6月2013 Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate The Application of The Character Rig based on Maya Technology in SAMSARADepartment: College of Electronics and Information Engineering Major: Digital Media TechnologyGrade: 2009Students Name: Lin YanlingStudent No.: 09217031Tutor: Yu Hong（Associate Professor） Finished by June, 2013毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解琼州学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名：日期： 日期： 林燕玲 毕业论文（设计）答辩委员会(答辩小组)成员名单姓名职称单位备注田兴彦教授电子信息工程学院组长杜红燕教授电子信息工程学院组员李达辉讲师电子信息工程学院组员邢希助教电子信息工程学院秘书琼州学院本科毕业论文 （设计）摘 要随着电影、游戏等娱乐产业的快速发展,三维动画技术在电影、电视和交互式游戏等行业得到了长足的进步。其中，善于表现角色行为的角色绑定技术作为目前应用最广泛的角色动画技术在科研和产业界一直是关注和研究的热点。本文论述的SAMSARA是一部由Maya软件制作的超现实三维动画短片，无配音、无字幕。短片的名字“Samsara”来自藏语, 又叫做依业轮回，是表示生命流转循环的意思。它的词义包含了人类生前的过去以及死后的永生。本片描述的是在生命的终点到生命的起点之间发生的事情。借助Maya三维软件，诠释了短片独特的视觉风格。在SAMSARA短片制作中本人主要承担的工作分为四块：“角色建模”、“材质贴图”、“角色绑定”以及“动画制作”。本文的主要工作是完成角色绑定在SAMSARA中的应用，包括了创建骨骼系统、设定骨骼动力学系统、制作曲线控制系统、蒙皮、刷权重以及动画制作。本文通过角色绑定在三维动画短片SAMSARA中的应用，分析角色绑定在SAMSARA中的原理、实施流程、应用条件、前景和存在的问题。探索了从创建骨骼系统、设定骨骼动力学、制作曲线控制系统、蒙皮、刷权重，到实现动画、短片渲染的一系列过程。结果显示，角色绑定是动画制作流程中的重要环节，它是赋予角色个性的重要手段。关键词:角色绑定；Maya；骨骼系统；骨骼动力学系统ABSTRACTAs the fast development of entertainment industry like films and games, the technology of 3D animation applied in films, televisions and interactive games has gained great progress. In particular, as a most widely used character rig technology, the character rig technology which is good at presenting characters behavior remains as the hotspot of attention and research among the scientific and industrial circle. The short animated film SAMSARA discussed in this paper is a surreal 3D animation without dubs and subtitles and is produced by Maya Software Production. The name of the film “samsara” comes from Tibetan. It can also be called reincarnation meaning Past alive and after death. This film portrays things happened from the end to the beginning of life. Equipped with Maya 3D software, the unique visual style is conveyed in this film.The author job in the process of SAMSARAs production is divided into 4 parts: character modeling, Materials texture, character rig and animation production. The main task of this paper is completing the application of the character rig technology in the film including the establishment of Skeletal system, the setting of Skeletal dynamics system, the making of skin and Production Curve control system, Draw weights and the making of animation. This paper analyzes the principles, process, conditions, prospects and existing problems of character rig. The author also explores the whole series of procedure from the previous preparation, concrete operation to the realization of finished animation.The results show that the character rig technology plays an important role in the process of animation production since this technology is an essential means of endowing characters with vivid characteristics.Keywords: Character rig; Maya; Skeletal system; Skeletal dynamical system目 录第一章 绪论11.1 选题背景与意义11.2 本文的主要工作11.3 论文的组织结构2第二章 角色绑定的基本原理和实施流程32.1 角色绑定的概念32.2 创建角色骨骼系统准备工作32.3 创建关节链42.4 IK反向动力学和FK正向动力学系统设置42.5 制作曲线控制系统52.6 蒙皮52.7 刷权重62.8 测试模型的运动性能62.9 角色绑定在MAYA2013软件上实施流程6第三章 角色绑定在SAMSARA中的几个应用73.1 花朵73.2 毛毛虫113.3 五角星14第四章 总结与展望19参考文献20致 谢21附录A：毕业设计说明书“SAMSARA”琼州学院本科毕业论文 （设计）第一章 绪论1.1 选题背景与意义随着电影、游戏等娱乐产业的快速发展,三维动画技术在电影、电视和交互式游戏等行业得到了长足的进步。其中，善于表现角色行为的角色绑定技术作为目前应用最广泛的角色动画技术，在科研和产业界一直是关注和研究的热点。Maya角色绑定是实现角色动画的必要手段，也是赋予角色个性的重要手段。如何调节并安排设计好角色的绑定，对于角色动画的调节和整部影片的完成是很重要的。本文在针对现实存在的问题以及理性反思的基础上，进行基于Maya技术的角色绑定浅析。通过分析角色绑定的特点以及绑定在模型与动画之间的重要的桥梁作用，期望在已有的成熟的学习理论与角色绑定的实践制作之间，搭起一座桥梁，提出可供操作的设计策略，帮助三维动画学习资源的开发人员，熟练掌握Maya软件的各项功能和Maya动画设计创意的思维及技巧,以使他们更好的完成开发三维动画中的设计工作。1.2 本文的主要工作角色绑定设置在建模和动画之间起到桥梁的作用，它将静止的无生命的模型变成活生生的角色。通过绑定工作可以塑造个性鲜明、运动灵活的角色形象，令其具有神韵美。精确的绑定和动画设置使动画能够更加合理的实现真实的动作效果。本文主要阐述的角色绑定制作包括：1. 创建骨骼系统：良好的骨骼配置需要在了解角色形体特征的基础上，考虑角色的运动特征。还需要参考相关人体解剖学、动力学等方面的书籍。2. 模型绑定：将原始模型与骨骼关联起来，用骨骼的移动、旋转来带动模型的变形。涉及到内容有制作控制器系统、骨骼动力学设置等。3. 蒙皮：可以将模型绑定到骨骼上，可以通过不同的方式，包括柔性蒙皮和刚性蒙皮等。4. 刷权重：对平滑绑定的角色进行编辑时，需要通过权重分配工具调整骨骼对于模型上点的控制权重。5. 对场景中的文件的层级和显示进行整理。1.3 论文的组织结构全文共分为四章，具体内容如下：第一章 绪论，主要介绍了选题背景与意义，以及说明了本文的主要工作，论述了角色绑定在三维动画中的必要性和重要性。第二章 角色绑定的基本原理和实施流程。具体说明角色绑定在实际操作中的规则和流程。第三章 角色绑定在SAMSARA中的几个应用。举实例论述角色绑定在实际操作中的方法和技巧。第四章 总结与展望。对本文论述的角色绑定在SAMSARA中的应用进行总结概括及展望。21琼州学院本科毕业论文 （设计）第二章 角色绑定的基本原理和实施流程大自然的多姿多彩在于它孕育了无数形态各异的生命体，令人惊异于它美丽的同时，也被启发了无穷的创作灵感。当一个精灵萦绕在人们的梦境中时，当人们沉浸于脑海中那突然闪现的画面时，一个新的角色就有可能诞生了。如何把这样的灵感转化为实实在在的角色呢？在发挥大家丰富想象力的同时，也需要具备一些准则。2.1 角色绑定的概念角色绑定就是根据故事情节，对三维中需要设置动画的模型进行一些变形、动作驱动等相关设置，为动画师做好预备工作，提供动画解决方案。绑定本身包含的内容是很广泛的，本文所讲的绑定特指Maya中关于骨骼设定方面的内容，主要包括骨骼系统的创建、蒙皮、及骨骼的动力学设定等。在角色动画中，创建骨骼系统是很重要的，它是角色绑定动作的基础步骤。完成骨骼系统创建之后，需要将原始模型与骨骼关联起来，用骨骼的的移动、旋转来带动模型的变形，这就需要涉及到添加控制器、蒙皮等。完成上面的工作之后，需要对骨骼进行动力学方面的设置，以便后续的动画工作顺利的进行。2.2 创建角色骨骼系统准备工作创建角色骨骼系统是为了满足动画片动作调整制作的需要，角色骨骼系统创建的好坏，影响着动画片动作调整整个模块的制作效率。因此，创建良好的骨骼系统在三维动画制作里起着关键作用。一套优秀的角色骨骼系统，必须要具备以下要素：1. 骨骼系统层级清晰。角色绑定的主要目的就是为后面的动画角色设定提供一个基础。而要有一个成功的角色绑定就必须有一个明晰的骨骼系统层级关系2。它可以帮助动画角色的工作变得简单高效。2. 要确保创建的骨骼系统方便操纵。在三维动画里面，一套角色会运用在多集短片里面，如果创建的骨骼系统操作麻烦，就会影响多个动画短片的制作效率3。所以，骨骼的创建在本着不影响动作的情况下，以越精简越好的原则来进行。3. 在创建时注意调整骨骼轴心。骨骼的轴心控制了骨骼链弯曲时的运动方向，因此调整轴心时，必须按照角色的结构和运动规律进行调整。为模型制作骨骼系统的时候，要去分析制作的模型的骨骼解剖结构，了解这个角色的运动模式，分析模型在影片里面需要完成动作的类型，考虑控制角色动画的方式，分析要制作的骨骼系统设定哪个部分最重要。在进行创建骨骼系统前，要检查需要制做骨骼系统模型的布线。检查模型是否有破面或裂痕，如果不处理这些问题，会让下一步的工作，制作骨骼权重的时候产生困难。把模型骨骼的每一部分按照习惯命好名。整理模型的层级和历史。删除模型的所有历史节点和层级，同时新建一个图层，把模型放置到图层内，并把模型的位置放置到坐标原点，并冻结模型。2.3 创建关节链创建关节链从建立骨骼开始。关节链是一系列关节及其连接在关节上的骨头的组合。关节链中的关节是线性连接的。关节链的“开始”关节是整个关节链中层次最高的关节，此关节是关节链的父关节。当为角色创建关节链时，应考虑将如何使用IK手柄去定位关节链，可使用IK手柄定位具有少量数目的关节链。当创建关节链时避免关节链在一条直线上，使用IK手柄在适当的角度稍微旋转关节就可以很容易地定位关节。制作关节链时，要注意骨骼点疏密，在一些需要做非常柔软的动作的关节，可以为它多创建一点骨骼点，比如尾巴、耳朵等。在需要做IK手柄的地方，可以减少点骨骼点，如手臂、大腿等。所有的骨骼点都要放置在与角色解剖结构相吻合的点上。2.4 IK反向动力学和FK正向动力学系统设置IK和FK为我们提供两种骨骼运动方式。FK主要通过旋转方式来运动，使用FK动力学的骨骼运动的曲线通常为弧线，它能模拟出流畅、柔软的动画效果。比如说动物耳朵的自然摆动、手臂的摆动等等。IK的运动是直线运动，它可以模拟出肢体带有目标性，攻击性的直线动画效果。例如角色出拳动画、拿水杯动作、下蹲动作等等。在三维动画里，我们主要用两个类型的IK反向动力系统：旋转平面IK与Spline IK。在旋转平面IK中，我们能通过IK旋转平面手柄控制关节旋转，并且能控制关节链的全部旋转9。Spline IK是IK样条手柄。我们可以使用NURBS曲线去控制骨骼的移动、旋转。使用IK样条手柄，可以去控制如毛发、尾巴等比较柔软的物体摆动的效果。2.5 制作曲线控制系统为了方便动画师更加容易控制骨骼系统，在制作角色骨骼设定过程中，可以创建NURBS曲线控制器，通过对骨骼和IK进行约束，来控制骨骼的旋转和IK手柄的运动。每新建一个曲线控制器，都要删除它的历史，冻结属性，隐藏在动画制作中不需要使用的属性。曲线控制器可以通过驱动去控制骨骼运动。通过曲线的一个属性去驱动骨骼的另一个属性，这样我们在骨骼设置过程中就可以更加灵活。2.6 蒙皮在角色设定中，为动画所做的准备工作里的最后一道工序就是蒙皮。所谓蒙皮就是用蒙皮工具将角色的模型同我们为角色创建的骨骼系统绑定在一起的过程。经过这道工序后，数字角色的可渲染的精细模型就真正能制作成动画了1。蒙皮技术是骨骼皮肤动画的重要组成部分,决定着最后动画效果的真实感。在蒙皮之前，需要充分的检查模型和骨骼的状态。保证模型和骨骼系统以最正确的状态绑在一起，这样在以后的动画制作中才不至于异常的情况。Maya提供了两种绑定方式，一个是Smooth Bind平滑绑定方式，另一个是Rigid Bind刚性绑定方式4。两种绑定方式基于不同的控制原理，根据项目的需要，可以选用不同的绑定方式。本文所有模型的绑定都选择平滑绑定方式。2.7 刷权重对平滑绑定的角色进行编辑时，需要通过权重分配工具调整骨骼对于模型上点的控制权重。要编辑模型表面的权重分布，可以通过调用菜单Skin/Edit Smooth Skin中的Paint Skin Weights Tool工具，以喷涂方式调整权重的分配方式，这种方式非常直观。2.8 测试模型的运动性能将模型和它的骨骼系统结合起来，即对模型和骨骼进行平滑蒙皮。通过对骨骼的选择进行旋转测试，以此来测定骨骼的运动及功能。这种方法比利用变形工具直接修改模型产生运动要方便、直观得多。另外，使用骨骼控制角色时，可以通过完善的骨骼结构来达到对模型进行细微控制的目的。要恢复骨骼的初始状态，可以调用菜单Skin/Go to Bind Pose。为了让骨骼能够控制模型的运动，调用了绑定命令Skin。在创建绑定的同时，Maya会自动记录绑定时骨骼的各种初始状态。比如骨骼的位移值、旋转值等。当调用Go to Bind Pose（回到绑定姿势）这个命令时，凡是在绑定后对骨骼所做的改变都会被初始化到绑定前的状态。2.9 角色绑定在MAYA2013软件上实施流程图2-1 角色绑定实施流程第三章 角色绑定在SAMSARA中的几个应用在本文论述的角色绑定中，主要包括IK和毛发系统在花朵动画中的应用；骨骼系统和曲线控制器在毛毛虫动画中的应用；平滑蒙皮和绘制权重在五角星动画中的应用。3.1 花朵1. 在场景中创建一个polygons花朵模型，用EP曲线工具制作控制曲线，分别与花瓣对应。并在控制曲线上创建花瓣骨骼系统，注意骨骼的旋转轴向要一致。 图3-1 花瓣和控制曲线 图3-2 花瓣和骨骼2. 继续为花茎创建骨骼，尽量在花茎弯曲部分设置较密集的骨骼系统。并将花瓣骨骼作为花茎骨骼的子物体。图3-3 花茎骨骼系统3. 选择骨骼系统和花朵，调用菜单Skin/Bind Skin/Smooth Bind命令创建平滑绑定。4. 选择创建的所有控制曲线，在nDynamics动力学模块下，调用菜单nHair/Make Selected Curves Dynamics命令，使曲线根据动力学的解算能够自由的运动。图3-4 毛发系统5. 打开大纲视图，逐个选择hairSystemfollicles下的毛囊follicle，按ctrl+A键调出属性面板，打开follicleshape，将point Lock改为base。 图3-5 毛囊新系统 图3-6 毛囊根锁定6. 回到Animation动画模块，单击菜单命令Skeleton/IK Spline Handle Tool右侧的图标，打开IK曲线工具面板。仅保留第一个选项Root on curve。 图3-7 （a） 图3-7 （b） 图3-7 创建IK曲线7. 回到透视图，单击花瓣骨骼的两个端点，再单击骨骼上的控制曲线，将骨骼和控制曲线进行关联，使骨骼具备毛发的特性。依次对剩下的骨骼和控制曲线进行关联。并将整个毛囊系统hairSystemfollicles作为花朵根骨骼的子物体。图3-8 骨骼与控制曲线关联8. 单击菜单命令Skeleton/IK Spline Handle Tool右侧的图标，打开IK曲线工具面板。将Number of spans改为3。图3-9 创建花茎IK曲线9. 回到透视图，选择花茎末端的骨骼和顶端的骨骼，创建IK Spline。选择创建好的IK曲线，转换到cv点模式，选择对应的cv点，调用菜单Create Deformers/Cluster命令创建簇变形器，这样簇变形器就控制了骨骼。 图3-10 （a） 图3-10 （b）图3-10 簇变形器10. 选择簇变形器，旋转花茎，改变花茎的初始形态，并在在时间轴上打帧。用同样的方法给花朵制作由枯萎到弹起的动画。图3-11 花朵动画3.2 毛毛虫1. 在场景中创建一个polygons的毛毛虫模型，在Side视图中执行Skeleton/Joint Tool，从毛毛虫模型的头部开始创建第一个关节，在身体部位创建第二个关节，此时在两个关节之间将会产生用于连接的骨头。2. 重复上步的操作，创建更多的关节，最后按Enter键完成关节的创建。 图3-12 毛毛虫3. 用cv曲线在场景中创建一个特殊形状的曲线控制器，为控制毛毛虫向前移动做准备。图3-13 曲线控制器4. 将控制器移动到网格中心，删除历史，冻结数据后，将毛毛虫作为曲线控制器的子物体。图3-13 毛毛虫和控制器5. 将时间滑块放置到时间轴的第1帧的位置上，按下“S”键快速设置动画关键帧，保留毛毛虫的初始状态。6. 将时间滑块拖动到25帧上，选择毛毛虫中间的骨骼，使用旋转工具将毛毛虫的骨骼进行弯曲，保持原位置不变，按下“S”键，设定另一个关键帧。图3-14 毛毛虫运动7. 将时间滑块拖动到50帧上，将毛毛虫恢复到第1帧的状态，按下“S”键；选中曲线控制器向前平移两个单位，按下“S”键。这样就为毛毛虫在第1、第25、第50帧上分别创建了移动关键帧，毛毛虫将会在这几个关键帧之间产生向前移动的动作。图3-15 毛毛虫动画8. 调用菜单Window/Animation Editor/Graph Editor，打开图表编辑器，将时间滑块移动到第1帧，在图表编辑器上选择所有动画曲线，Ctrl+C复制，将时间滑块移动到第50帧，Ctrl+V进行粘贴。这样毛毛虫就能进行循环运动。图3-16 （a）图3-16 （b）图3-16 图表编辑器对于角色模型的行走来说，如何设置关节的定向和组合，是最基本的问题。当一个关节放置不正确时，这会使建模花费很长时间来纠正变形的皮肤。因此，正确放置关节是很重要的。 3.3 五角星1. 在场景中创建一个polygons五角星模型，给五角星创建骨骼系统。 图3-17 五角星骨骼绑定2. 选择骨骼系统和五角星，调用菜单Skin/Bind Skin/Smooth Bind命令创建平滑绑定。3. 旋转任意的骨节点，观察五角星在骨骼的带动下的变形状态。在平滑绑定的状态下，五角星的弯曲的部分不会产生硬的折痕，但是由于骨节点间的控制权重分配不太合适，使得五角星弯曲的部分有较大的体积损失。图3-18 五角星蒙皮4. 在权重显示模式下，通过在权重面板中选择适当的行为模式，用权重笔触在模型表面进行喷涂调整权重。权重显示模式下，物体表面的黑色和白色代表着该区域的权重状态。黑色区域表示当前选择的骨节点对该区域的控制权重为0，白色的区域表示当前选择的骨节点对该区域的控制权重为1。控制权重介于0和1之间的区域显示成不同程度的灰色。图3-19 五角星权重绘制5. 从图3-20中可以看出，五角星模拟手臂部分的变形情况是不符合要求的，那么需要对五角星模拟手臂部分的权重分配进行调整。调整权重的最终要求是尽量接近真实的变化效果。6. 选择绑定后的五角星，单击菜单命令Skin/Edit Smooth Skin/Paint Skin Weights Tool右侧的图标，打开喷涂权重工具面板。图3-20 喷涂权重工具面板当权重调整工具打开后，在权重面板中选择模拟手臂部分的骨节点，当前骨节点的权重分配情况。 图3-21 权重分配7. 选择模拟手臂部分的骨节点，在权重工具面板中选择Add方式，在需要弯曲的部分一点点地增加控制权重。如图3-22所示，使手臂部分的模型逐渐丰满起来。图3-22 绘制权重8. 再选择下一级的骨节点，用同样的方法喷涂下一节弯曲的部分，使变形情况得到调整。图3-23 手臂权重绘制9. 调整权重的方法也有一定的讲究，首先对于权重进行粗略的调整，就是先将大面积的变形区域调整到合适的状态。这个过程中，增加权重值可以大一些。然后再来调节细节部分的变形情况。对于细部的调整，只能增加或减少微弱的权重值。10. 按键盘上的W键，退出权重工具，这时模型恢复到平滑显示的状态。在透视图中通过旋转视角和多次旋转骨节点来观察细节部分的变形情况。这时因权重而产生的细节部分的穿插就可以看到了。图3-24 模型变形这里需要使用小的权重值来调整这些细小的变化，一般使用0.025的增量。在调整过程中要不断地通过透视图的多角度来观察调整后的情况。11. 使用smooth操作方式进行大的调整，使模型更加平滑、自然。图3-25 平滑模型角色绑定在应用中一些需要注意的问题。在进行SAMSARA角色绑定工作时，需掌握控制动画时间。因为在动画中的时间通常比现实生活中的时间要短，动画时间的掌握对整个动画节奏的控制非常重要 。另外需要充分应用视觉图形中夸张、变形、幽默等艺术手法，来烘托角色特点和场景气氛。第四章 总结与展望本人以Maya为制作平台，并充分结合自己的短片，对Maya三维动画软件中角色绑定的方法分析总结。在整个虚拟动画制作中，我制作的角色绑定及动画部分在虚拟动画短片中占有绝大部分的比例，在制作中具体有举足轻重的作用。角色绑定在建模和动画之间起到桥梁的作用，它将静止的无生命的模型，变成活生生的角色，塑造出个性鲜明、运动灵活的角色形象，并且精致的角色绑定使动画更合理实现真实的动作效果。为动画制作流程提供了更方便的控制方案，使动画控制起来更加灵活、容易，能够有效的提高动画制作效率，达到事半功倍的作用。角色绑定在制作过程中实践起来难度适中，能够真实、自然地实现角色运动。不足之处是交互功能有限，只能够实现中