角色动画在游戏中的设计及实现优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

角色动画在游戏中的设计及实现 申请上海交通大学工程硕士学位论文 角色动画在游戏中的设计及实现角色动画在游戏中的设计及实现 学校代码：10248 作者姓名：王晓 学 号：1080379210 第一导师：肖双九 第二导师：于光伟 学科专业：软件工程 答辩日期：2012 年 6 月 21 日 上海交通大学软件学院 2012 年 6 月 角色动画在游戏中的设计及实现 a dissertation submitted to shanghai jiao tong university for master degree of engineering the design and implementation of character animation in game university code： 10248 author： wang xiao student id: mentor 1： 1080379210 xiang shuangjiu mentor 2: yu guangwei field： software engineering date of oral defense： 2012-6-21 school of software shanghai jiaotong university oct, 2011 角色动画在游戏中的设计及实现 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 角色动画在游戏中的设计及实现 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 角色动画在游戏中的设计及实现 i 角色动画在游戏中的设计及实现角色动画在游戏中的设计及实现 摘 要 角色动画在游戏中又称为 3d 动画，是近年来随着计算机软硬件的发展而产生的一 新兴技术。三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三 维游戏世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景， 再根据要求设定模型的 运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并 打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。角色动画往往 是游戏信息包装方式和载体，角色扮演的好坏决定内容是否精彩，决定游戏的内涵。所 以动画制作人员就必须在熟练掌握动画运动规律，灵活的运用动画软件同时，深入了解 游戏的设计风格，发觉角色和所处环境之间的联系，从而找到切入点才能做出精美有符 合游戏特色的角色动画。 网页游戏和次世代游戏的在美术上的区别越来越小，网页游戏逐渐朝着次世代游戏 的标准来制作出相当真实丰富的场景，角色也越发的精细。以前塑造的角色是直接把材 质和光影直接用烘焙来表现；现在的游戏角色就会用到高端的雕刻软件 zb 来制作出极 为逼真的纹理效果。 这样角色放入场景中,从不同的角度观看都有不同的光照反射效果， 当然动画也要做的更真实细腻。 因此， 角色动画在游戏中的应用已成为至关重要的部分， 只有对将要制作的角色进行深入的分析,架设合理的骨架,精确的蒙皮设置,才能为以后 的动画制作打下基础。如何进行真实的模拟还是一个难题。 本文的主要工作是对游戏中角色动画的设计制作和骨骼蒙皮技术做深入研究、分 析、实践和总结，找到一套行而有效的适合各类游戏平台的制作方法。本文的主要研究 内容包括： （1） 角色动画的开发背景、制作与相关技术的发展现状。本文详细分析了角色动 画制作技术研究，阐述了做好角色动画关键在于对各个软件高效率配合技 术。 （2） 深入分析了游戏设计的理念和游戏中角色动画制作技术的模式和方法，其中 包括了游戏动画设计的特点和种类、 设计风格、 角色动画设计的模式与方法。 （3） 仔细分析角色模型的生理结构、选择合适的骨骼进行角色动画的制作、分析 和研究不同的骨骼架设技术的利弊成为解决这一问题的关键。本文指出，在 角色动画在游戏中的设计及实现 ii 特殊的生理结构的角色模型架设合适的肌肉型骨骼和对称型骨骼能提高工 作效率和质量。最后本文结合项目实践提出了一套有效的制作特殊生理结构 的骨骼架设流程和设计方法。 （4） 通过对角色运动状态的分析，本人建立一套优化合理的绑定姿势，提出局部 蒙皮的新概念，并且针对具有不同游戏角色动画蒙皮总结出了三种蒙皮技术 的方法和流程，实现了不同的游戏角色动画对应不同的蒙皮技术，节约资源 的同时大大提高了效率。 （5） 深入了解柔体在角色动画中的体现，通过对传统的骨骼架设不足，提出线形 ik 骨骼架设方式和一整套线形 ik 动作的优化方案，有效地解决了柔体动画 柔顺问题。 关键词关键词 游戏，角色造型，角色动画，蒙皮，艺术创作 角色动画在游戏中的设计及实现 iii the design and implementation of character animation in game abstract character animation, in game, is called 3d animation. its an emerging technology which produced with the development of computers hardware and software. 3d animation software first to create a virtual world, designers in this ,build a model and scene according to the shape and size of object which will be showed, then, set the models trajectory、virtual cameras movement and other animation parameters, in the end, cover the model with specific materials and lighten it. after all these are done, let the computer calculate automatically, the finally screen will be created. character animation is often the game information package and the carrier. cosplay decides if the content is wonderful, it also decides the games content. so, while master the movement regularity of animation and use the animation software flexible, animation staff should understand the design-style of game and find the relationship between the role and its environment, then, they can find the entry point to make beautiful character animation conform to game feature. the distinguish between webpage game and sub-time game in art is smaller and smaller, webpage game makes quite true and abundant scene by following the standard of sub-time game, the role is more fine. previous characters show the material and shadow directly by baking, now the game will use high-end engraving software zb to create extremely realistic texture effect. as this, role in scene can have different light reflection effect from different point of view. the animation, certainly, will be more real and delicate. so, character animations application in games becomes an important part. only deeply analyze the role youll make, set up reasonable framework, precise skin set, you can lay the foundation for future animation, how to do a real simulation is still a difficult problem. the main work of this paper is that, make a deep study, analyze、 practice and summarize 角色动画在游戏中的设计及实现 iv for the designing and production of skinned mesh technique of the character animation in games, found a set of effective method for all types of gaming platform fabrication. the main contents including: (1) character animations development background, production and development of related technology. in this paper, a detailed analysis of the role of animation technology research will be given, it also elaborated that making a good character animation depends on how to use the various software in high efficiency. (2) in-depth analysis of the design concept for game and the pattern and method of role animation technology, which including the characteristics, style of game animation designing and the mode and method of character animation designing. (3) a careful analysis of the role model of the physiological structure. select an appropriate skeletal for character animation, analyze and research the advantages and disadvantages of different skeletal erection technology ,this will be the key to solve the problem. the paper pointed out that ,setting up appropriate muscular skeletal and symmetric skeletal in special physiological structure of the role model can improve the quality and efficiency of work. finally, combined with the project practice, the paper pointed a set of effective skeletal erection process and design methods of the special physiological structure. (4) according to analyzing the role motion, the paper established a set of reasonable optimization of bind pose, putted forward new concept of local skin, and summarized three kinds of skin technology methods and processes for different character animation, realized that different character animation for games correspond to different skin technology, this not only saving resource but also raising efficiency. (5) a thorough understanding of embodiment of soft body in character animation. based on the traditional skeletal erection deficiency , the paper proposed a linear ik skeleton erection and a set of linear ik action optimization scheme, which effectively solved the problem of the soft body animation compliant. keywords game,character style,character animation,skin,artistic creation 角色动画在游戏中的设计及实现 v 目 录 目 录 1 绪论-1 1.1 研究背景-1 1.2 研究目标与研究内容- -2 1.2.1 研究目标-2 1.2.2 研究内容-3 1.3 论文结构-4 2 游戏角色的动画设计- -5 2.1 游戏角色动画设计的特点和种类-5 2.1.1 游戏动画的特点-6 2.1.2 游戏动画的种类-6 2.1.3 游戏动画与一般动画的区别-6 2.2 游戏角色动画设计风格的主要类型-6 2.2.1 设计角色动作的基点-7 2.2.2 按整体游戏的表现风格、节奏确定动作风格-7 2.2.3 动作语言的符号化表现-8 2.3 游戏角色动画设计的模式与方法-8 2.3.1 游戏角色的构思-8 2.3.2 游戏角色动画的设计特点-9 2.3.3 游戏角色动画与角色模型的联系-10 2.3.4 2d 游戏动画与 3d 游戏动画制作的区别-11 2.4 设计合适项目游戏创意的角色动画方案-12 2.4.1 确立游戏风格-12 2.4.2 游戏角色动画制作步骤-13 2.5 本章小结-13 3 游戏中角色动画制作方法-14 3.1 角色动画的设计基础-14 3.1.1 层级与运动的关系-14 3.1.2 如何创建层级关系-14 3.1.3 正向运动原理及应用-15 角色动画在游戏中的设计及实现 vi 3.1.4 反向运动原理及应用-15 3.1.5 骨骼与 ik 解算器-15 3.1.6 骨骼蒙皮-15 3.2 模拟力学的三维软件动画技术-16 3.3 基于运动捕捉数据的角色动画设计-17 3.4 三维角色动作生成软件-17 3.5 角色动画制作技术特性对比-18 3.6 本章小结-18 4 传统骨骼架设方法及存在的问题4 传统骨骼架设方法及存在的问题-19 4.1 人体结构浅析-19 4.2 反向运动学-20 4.3 骨骼与角色模型的联系-21 4.4 骨骼类型的比较-21 4.4.1 基本骨骼系统bone-22 4.4.2 character studio 的 biped 骨骼系统-22 4.4.3 混合骨骼类型-24 4.5 骨骼在动画中的作用-25 4.6 传统型骨骼架设的问题-26 4.7 本章小结-27 5 特殊生理型角色模型骨骼架设的方法研究5 特殊生理型角色模型骨骼架设的方法研究-28 5.1 肌肉型骨骼架设的方法研究-28 5.1.1 肌肉型骨骼-28 5.1.2 肌肉型骨骼的产生-28 5.2 肌肉型骨骼架设方法-29 5.2.1 角色分析-29 5.2.2 解决方案-29 5.2.3 制作原理-29 5.2.4 剖析人体肌肉的结构-30 5.2.5 肌肉型骨骼模拟-31 5.2.6 实验结果比较-32 5.3 角色中对称型骨骼制作与相关技术研究-33 5.3.1 对称在角色动画中的运用-34 5.3.2 解决方案-34 角色动画在游戏中的设计及实现 vii 5.3.3 对称骨骼架设研究-35 5.3.3.1 建立对称骨骼，正确命名-35 5.3.3.2 为左右骨骼添加参照物-35 5.5.3.3 实验结果对比-36 5.4 本章小结-37 6 游戏角色蒙皮技术研究6 游戏角色蒙皮技术研究-38 6.1 角色蒙皮的制作规范-38 6.1.1 skin 和 physique 蒙皮的介绍-38 6.1.2 蒙皮插件（bones pro）蒙皮的介绍-39 6.1.3 实验结果比较-40 6.2 角色蒙皮优化处理技术研究-41 6.3 本章小结-44 7 柔体动画制作技术研究7 柔体动画制作技术研究-45 7.1动画中的柔体-45 7.1.1什么是柔体-45 7.1.2柔体在动画中的体现-45 7.1.3 如何制作长条飘带动画-46 7.2 传统 bone 骨骼和线形 ik 骨骼的比较-47 7.3 线形 ik 骨骼技术研究-48 7.3.1 添加 bone 骨骼-48 7.3.2 添加 line 曲线-49 7.3.3 添加 spline ik-49 7.3.4 实验结果比较-50 7.4 本章小结-50 8 结论-51 参考文献-53 致谢-55 攻读学位期间发表的学术论文目录-56 角色动画在游戏中的设计及实现 1 1 绪 论 1 绪 论 伴随着网络游戏的发展，网络游戏，缩写为online game，又称“在线游戏”， 简称“网游”指以互联网为传输媒介，以游戏运营商服务器和用户计算机为处理 终端，以游戏客户端软件为信息交互窗口的旨在实现娱乐、休闲、交流和取得虚 拟成就的具有相当可持续性的个体性多人在线游戏。 我国的游戏动画设计也呈现 出了快速的发展趋势。 特别是网络游戏作为一种商业产物， 已经受到众多商人的 关注，游戏玩家也呈几何倍数地增长。 一部成功的游戏能够受到玩家普遍的欢迎是由许多因素影响的。 如:角色的造 型、色彩、动作,配音、故事情节等等,都是为了突出角色个性而设计的。游戏中 角色动画设计是游戏作品构成中重要的组成部分， 角色动画设计是指游戏中除角 色造型以外的随着时间改变而变化的角色运动设计。 好的动画设计可以提升游戏 中运动的美感，它能够使游戏中的角色更加真实，果更加饱满。恰当的角色动画 更能为游戏作品提升附加值，直接影响着整个游戏作品的风格和艺术水平。 1.1 研究背景 1.1 研究背景 角色动画往往是最佳的游戏信息包装方式和载体， 角色扮演的好坏决定内容 是否精彩，决定游戏的内涵。因此，角色动画在游戏中的应用已成为至关重要的 部分。 随着计算机技术和动画技术的发展，游戏角色动画的发展，从最早的二维游 戏开始， 角色动画便得到了广泛的应用， 这是玩家对游戏的基本要求。 在 传奇 的经典作品里，一群冲向你的怪物是吸引玩家的卖点之一。在这个时期角色动画 实际上利用的还是二维技术。这些怪物实际上是利用一系列二维的图片来表示 的。通过对这些二维图片巧妙的组织和旋转。早期的三维游戏利用较少的系统资 源就实现了相当逼真的三维动画效果。 随着电脑能力的迅速增强和玩家对游戏越 来越高的要求，新出现的游戏开始采用真正的三维动画模型。 网页游戏和次世代游戏的在美术上的区别越来越小， 网页游戏逐渐朝着次世 代游戏的标准来制作出相当真实丰富的场景，角色也越发的精细。以前的角色是 角色动画在游戏中的设计及实现 2 直接把材质和光影直接用烘焙来表现； 现在的游戏角色就会用到高端的雕刻软件 zb 来制作出极为逼真的纹理效果。这样角色放人场景中,从不同的角度观看都有 不同的光照反射效果。当然动画也要做的更真实细腻。因此，角色动画在游戏中 的应用已成为至关重要的部分，只有对将要制作的角色进行深入的分析,架设合 理的骨架,精确的蒙皮设置,才能为以后的动画制作打下基础。 如何进行真实的模 拟还是一个难题。 一般来说，设计师利用动画生成软件事先制作好需要的一系列动画。在运行 时，程序要根据逻辑决定显示哪一个动画，并根据时间计算出具体的显示。角色 骨骼动画是当今三维动画的大趋势，在众多游戏和电影中都得到了广泛的应用， 在角色仿真方面取得了巨大的成就。 如何进行角色骨骼动画的真实模拟也引起了 众多 co 爱好者的注意，尤其是三维人物角色的仿真模拟依然是动画制作中的一 个重大难题。相比于动物角色的制作来说，其难度是无法比拟的。动物角色动画 已经达到了以假乱真的地步。这在侏罗记公园、指环王、中得到了很好 的体现。而人物角色的制作则还有很大的提升空间就算是最终幻想也依然有 很多瑕疵，在肉眼上能看出“制作”的痕迹。种种问题都需要解决，同时也是一 个巨大的机遇，越来越多的人加入到这一行列中，为 cg 的发展不断努力。 1.1. 2 研究目标与研究内容 1.2.1 研究目标 2 研究目标与研究内容 1.2.1 研究目标 由于游戏角色动画制作这个新兴的产业以及国际游戏角色动画制作交流间 的局限和我国游戏业的特殊情况， 尤其是国内游戏动画制作教育上的封闭性和滞 后性，业界对于游戏动画制作的技术上不够深入，还缺乏提套完整的在实践中并 且高效的制作技术。在当今普通的 pc 上，角色动画中的仿真技术与艺术研究我 们就能实时制造出令人震撼的效果。但对具有运动属性的物体，怎样使其以令人 信服的方式移动还是一个难题。经初步调查，现社会上对角色动画制作著作也限 于理论的教程类介绍，没有很专业的从理论联系实践层面上进行阐述，而从技术 的角度而言本论文的完成也具有相当的可行性，在几年的工作实践中，以及技术 交流中，为之积累了大量的实践性、经验性资料，为做好这项目研究做好了充分 的人力物力资源上的准备。 本文通过对游戏中角色动画的设计制作和骨骼蒙皮技术做深入研究； 找到一 角色动画在游戏中的设计及实现 3 套行而有效的适合各类游戏平台角色动画的制作方法。其中主要优化了骨骼架 设，真实的模拟角色运动时肌肉的变形动画。给出了一套架设对称骨骼的方式， 从而大大的提高了角色动画制作效率和质量。同时研究了局部蒙皮的新概念，三 种蒙皮技术的方法和流程，提出线形 ik 骨骼架设方式，有效地解决了柔体动画 柔顺问题。 1.2.2 研究内容 1.2.2 研究内容 本文通过对角色动画的分析，深入探讨了角色动画的种类和特点，在研究 真实角色造型基础上，重点研究三维角色动画的真实模拟以及实现方法。 （1）通过对肌肉型模型分析，指出了角色架设骨骼中的利弊和不足，并在 此基础上提出了肌肉型骨骼的架设方法。重点分析了肌肉型骨骼基本原理和方 法，阐述了各种方法之间交互使用的重要性，充分发挥角色运动规律。 （2）通过对鸟类翅膀模型的分析，在制作鸟类翅膀动画时，会遇到一个很 棘手的问题就是如何让左右两边的动画达到一致，让动画看起来更加的协调，但 是事与愿违，单凭肉眼的判断很难做到这一点，像制作鸟飞行的动画，总是觉得 翅膀左右不协调，在制作一些复杂的盘旋的动作这个问题就被放大了，导致我们 花费了大量的时间修改，但效果还是不尽人意。在我们这个即讲究效率就讲究质 量的行业，这个方法是不可取的，所以就需要架设一个合理优化的骨骼来完成对 称动画的制作。 （3）通过对角色运动状态的分析，在动作的基础上建立了一整套优化合理 的绑定姿势，提出了局部蒙皮的新概念。 （4）深入了解柔体在角色动画中的体现，通过对传统的骨骼架设不足，提 出了线形 ik 骨骼架设方式，提出了一整套线形 ik 动作的优化方案，有效地解决 了柔体动画柔顺问题。 本文还提出了一整套角色动画的优化方案，解决了三维角色制作系统消耗 过大的问题。极大的提高了制作速度。随着网络游戏的在网络上演，玩家对游戏 画面的鉴赏能力也在不断的提高，同时也带动了国产游戏美术事业的迅速发展。 角色动画制作水平的提高也带来了很多新的机遇， 也为我国游戏事业的发展奠定 了坚实的基础。 角色动画在游戏中的设计及实现 4 1.3 论文结构 1.3 论文结构 第一章是全文的总论，绍本文的研究背景和相关领域的研究现状，并介绍本 文的组织工作。 第二章介绍游戏角色动画设计基础。 第三章游戏中角色动画制作技术研究；实验比较几种不同方案利弊。 第四章是传统骨骼的架设方法与存在的问题。 第五章是特殊生理型角色模型骨骼架设的方法研究。 第六章游戏角色蒙皮技术研究 第七章是柔体动画制作技术研究；研究线形ik动画技术。 第八章是结论，对全文进行总结。 角色动画在游戏中的设计及实现 5 2 游戏角色的动画设计 2 游戏角色的动画设计 作为三维动画的灵魂的角色动画的定义为何呢：“角色动画又称三维动画 3d 动画。首先是建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要 表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动的轨迹、 虚拟摄影机的运动和其他动画参数，最后按照要求为模型赋予特定的材质，并打 上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。” 角色 动画可以认为是虚拟角色的运动表演的技术过程中，也是一般故事的灵魂所系。 “角色”来源于舞台表演，在舞台上进行表演的主题成为角色。角色可以是 人、生物或拟人化的任何东西，角色是故事的主题。电影，动画剧通过角色的表 演来传达思想。所以当三维动画诞生后，我们就将它引申到三维动画中，即为角 色动画。所谓角色动画，顾名思义就是设计角色编辑动画，这个角色可以是任何 的人， 动物和物体， 或是更细微的东西。 它是整个动画的灵魂。 随着科技的发展， 人们对一个动画角色的价值判断不单纯停留在其外在的造型层面， 还包括对角色 性格内涵的认同。伴随着动