08 09 帧动画和骨骼动画

帧动画和骨骼动画 模型和动画 单有场景是不行的 游戏中还存在有大量活动的游戏物体 模型是用以描述这些游戏物体的外在表现的技术 动画类型 在早期的机器上 渲染本身已经占用了很多CPU资源 因此 对于渲染 往往采取的是一种空间换时间的策略 以避免在模型的渲染中继续加重CPU的负担 帧动画模型在这种条件下应运而生 比较著名的帧动画格式是Quake2所采用的MD2 到今天为止 帧动画依然存在 只不过帧动画更多地是来描述小且动作相对少些的物体 动画类型 GPU出现后 CPU的问题早已不像以前那么突出 一些新的手段和技术也可以被应用进来了 骨骼动画相对于帧动画而言 更加灵活多变 但同时 骨骼动画需要更多的计算量 因此骨骼动画往往应用在需要着重体现动作细节的模型中 帧动画原理 将每帧所需要的所有顶点的 顶点位置法线或顶点颜色纹理坐标等信息全部存储下来 在渲染的时候逐帧播放或插值播放 这就是帧动画的原理 帧动画原理 帧动画 序列 Sequence 表 序列 序列名 开始帧 延续帧数 帧表 所有帧的数组 帧 顶点 纹理坐标 其他 用于渲染 帧动画实现 MD2 研究MD2能发现很多 旧社会 的痕迹 帧动画的原理很简单 但是MD2却比较复杂 这中间主要是因为MD2的数据组织带有很浓烈的Quake2时代气息 而对于现在新的硬件技术 这种气息无疑有些过时 但作为最经典的帧动画格式之一 MD2相对而言还是比较具有代表性的 骨骼动画 骨骼动画技术后于帧动画技术出现 最开始 骨骼动画仅用于非实时渲染的建模领域 如3DMax这类建模软件之中 以方便美工的建模 后来 CPU从渲染中解放后 骨骼动画才用于实时渲染的游戏中 骨骼动画原理 骨骼动画的想法来源于人体骨骼 例如说 人的上肢所有肌肉和皮肤都受上肢骨胳的影响 而人的踝关节则分别承受小腿骨胳和脚骨的影响 根据这个我们可以将骨骼动画理解为两个概念 骨骼 用以控制蒙皮的一种抽象的概念 如人体骨骼控制皮肤 蒙皮 被骨骼控制 并显示在外的因素 如人体的皮肤被骨骼所影响 骨骼动画原理 蒙皮 SkinMesh 在最终的渲染结果中 蒙皮将完全显示出来 蒙皮实际上就是顶点 法线和纹理坐标等将被渲染的元素 而其中 最关键的当然是顶点 顶点将直接被骨头牵扯运动 因而使得整个模型呈现骨骼所决定的样子 骨骼动画原理 骨骼 Skeleton 骨骼是一种抽象的概念 在最终的渲染结果中 它不可见 类如人体骨骼 骨骼是若干骨头 Bone 成树状的集合体 而每块骨头又分别与若干数量的蒙皮顶点关联 当骨头运动的时候 与之关联的所有蒙皮顶点也会受骨骼的影响而运动 骨骼动画原理 权重 骨头与蒙皮顶点的关联需要考虑到每块骨头对蒙皮顶点的影响 尽管大部分情况下 一个顶点将仅仅被一个骨头的影响 但是关节处的顶点往往被多根骨头影响 例如踝关节 可能会分别受小腿骨50 和脚骨50 的影响 这种影响叫作权重 Weight 在这种情况下 我们称踝关节的这些顶点 受小腿骨影响的权重是50 受脚骨影响的权重也是50 骨骼动画原理 算法 骨头究竟如何对顶点施加影响呢 现实世界中 每一块骨头都可以位移 旋转 受这些骨头影响的表皮细胞也会跟随骨头同时按权重做位移 旋转 在3D中 这种影响对于蒙皮顶点而言也是一样的 骨骼动画原理 算法 看最简单的情况 骨头A对顶点1的影响是100 这时候 如果骨头A平移 10 10 那么1同样平移 10 10 如果A以自身坐标系旋转30度 1同样应该以此骨头的自身坐标系旋转30度 A 1 A 1 A 1 骨骼动画原理 算法 那么实际上 每根骨头最终将被换算成一个矩阵 这个矩阵记录了旋转 平移信息 我们用这个矩阵来对蒙皮顶点进行影响 在骨头中 一般使用四元数来获得旋转时的精确性 这样 骨头一般记录表示旋转的四元数和表示位移的一个矢量 最后 将四元数和矢量换算成骨头的矩阵 并用顶点与这个矩阵乘法以进行影响 骨骼动画原理 数据结构 影响哪些顶点以及分别的权重 骨头 平移矢量 旋转四元数 最终影响矩阵 蒙皮 顶点位置 顶点 纹理坐标 骨头之间的树形关系 骨骼 骨骼动画模型 骨骼 蒙皮 渲染细节 其他 材质等 共同生成影响矩阵 根据权重 使用最终影响矩阵来改变顶点位置 骨骼管理骨头之间的相互关系 骨骼动画实现 MDL MDL是比较经典的骨骼动画格式 由于CS的成功而被追捧 但是 平心而论 MDL并不是一个易于理解和编码的文件格式 比起MD2来 MDL的格式更为棘手 带有相当明显的OpenGL社群印记和明显的软件TnL时代 通过软件计