骨骼动画及示例Skinned

骨骼动画及示例Skinned Mesh的解析

来源：ChinaItLab作者：佚名时间：2007-7-12

这是我自个写的，第一次发。没想到这个贴子编辑器极差。原文是有字体字色的。现在只能清一色了。

版主，发贴的编辑器太难用！你有必要向上反映一下。下面的字体是我敲html标记加上的，大家凑和看。

关于骨骼动画及微软示例Skinned Mesh的解析骨骼动画是D3D的一个重要应用。尽管微软DXSDK提供了示例Skinned Mesh，但由于涉及众多概念和技术细节，示例相对于初学者非常复杂，难以看懂。在此，提供一些重要问题评论，以使初学者走出迷局，顺利上手。文中所述都是参照各种资料加上自己的理解，也有可能出些偏差，有则回贴拍砖，无则权当一笑。

一骨骼动画原理原理方面在网上资料比较多，大家都基本明白。在此说一下重点：总体上，绝大部分动画实现原理一致，就是“提供一种机制，描述各顶点位置随时间的变化”。有三种方法：1.1 关节动画：由于大部分运动，都是皮肤随骨骼在动，皮肤相对于它的骨骼本身并没有发生运动，所以只要描述清楚骨骼的运动就行了。用矩阵描述各个骨骼的相对于父骨骼运动。（大多运动都是旋转型）易知，从子骨骼用矩阵乘法累积到最顶层根骨骼，就可以得到每个子骨骼相对于世界坐标系的转换矩阵。

这种动画，只须用普通Mesh保存最初始的各顶点坐标，以及一系列后续时刻所对应的各骨骼的运动矩阵。不用保存每时刻的顶点数据，节省了大量存储空间。而且比较灵活，可以利用关键帧插值运算，便于通过运算调节动作。缺点是在两段骨骼交接处，容易产生裂缝，影响效果。

1.2 渐变动画：通过保存一系列时刻的顶点坐标来完成动画。虽然比较逼真，但占用大量空间，灵活性也不高。

1.3 骨骼蒙皮动画（skinned Mesh）

相当于上面两方法的折中。现在比较流行。

在关节动画的基础上，利用顶点混合（Vertex Blend）技术，对于关节附近的顶点，由影响这些顶点的两段（或多段）骨骼运动，分别赋以权值，共同决定顶点位置。相当于在骨骼关节上动态蒙皮，有效解决了裂缝问题。

这里，引入一个D3D技术概念：“Vertex Blending”——顶点混合技术。比如说，你肯定用过SetTransform（D3DTS_WORLD，……），但SetTransform

（D3DTS_WORLDMATRIX（i），……）是不是很奇怪？这个问题后文会讲到。你也可以在微软的DXSDK的帮助文件中搜索“Geometry Blending”主题，有裂缝及其解决办法

图示。

二X文件如何保存骨骼动画理解X文件格式，对用好相关的DX函数是非常重要的。

不含动画的普通X文件，有一个Mesh单元，保存了各顶点信息、各三角面的索引信息、材质种类及定义等。

动画X文件，则在这个单元中增加了“各骨骼蒙皮信息”、“骨骼层次及结构信息”、“各时刻骨骼矩阵信息”等。

2.1 网格蒙皮信息：首先，在Mesh{}单元中，在原有的普通网格顶点数据基础上，新增了XSkinMeshHeader{}结构，以及多个SkinWeights{}结构。用以描述各个骨骼的蒙皮信息。

其中，XSkinMeshHeader是总括，举一实例，如下：XSkinMeshHeader { 2，//一个顶点可以受到骨骼影响的最大骨骼数，可用于计算共同作用时减少遍历次数4，//一个三角面可以受到骨骼影响的最大骨骼数。这个数字对硬件顶点混合计算提出了基本要求。

35 //当前Mesh的骨骼总数。

}由于每个骨骼的蒙皮信息都需要用SkinWeights结构去描述，所以有多少块骨骼，在Mesh中就有多少个SkinWeights对象。

注意，一般把SkinWeights视作Mesh的一部分。这种Mesh又称Skinned Mesh （蒙皮网格）

SkinWeights 结构如下：{ STRING transformNodeName；//骨骼名

DWORD nWeights；//权重数组的元素个数，即该骨骼相关的顶点个数array DWORD vertexIndices[nWeights]；//受该骨骼控制的顶点索引，实际上定义了该骨骼的蒙皮array float weights[nWeights]；//蒙皮各顶点的受本骨骼影响的权值

Matrix4x4 matrixOffset；//骨骼偏移矩阵，用来从初始Mesh坐标，反向计算顶点在子骨骼坐标系中的初始坐标。

}在有的书中，把上面的matrixOffset叫骨骼权重矩阵，是不恰当的。应该称为骨骼偏移矩阵比较合适。

[问题] 在整个动画过程中，子骨骼运动矩阵的数值是不断变化的。上面的骨骼偏移矩阵变化吗？有没有必要重新计算？它在什么时候使用？

答：各骨骼的偏移矩阵matrixOffset专门用来从原始Mesh数据计算出各顶点相对于骨骼坐标系的原始坐标。在绘制前，把它与当前变换矩阵相乘，就可以得到该骨骼的当前的最终变换矩阵。总之，骨骼偏移矩阵是与原始Mesh顶点数值相关联的，在整个动画过程中是不变的，也不应该变。在动画过程中变化是当前骨骼变换矩阵，可由。X中的AnimatonKey中的各时刻矩阵得到。这个矩阵乘法在示例中的对应代码如下：

D3DXMatrixMultiply（&matTemp，

&pMeshContainer->pBoneOffsetMatrices[iMatrixIndex]，

pMeshContainer->ppBoneMatrixPtrs[iMatrixIndex] ）；即，D3DXMatrixMultiply（输出最终世界矩阵，该骨骼的偏移矩阵，该骨骼的变换矩阵）

2.2 骨骼层次信息在X文件中，Frame是基本的组成单元。又称框架Frame. 一个。x 可以有多个Frame.（注意此处的Frame不是帧，与帧没什么关系）

框架Frame允许嵌套，这样就存在父子框架了。而并列的框架，称为兄弟框架。这两种关系组合在一起，即可以纵深，又可以并列，形成一种层次结构。这种结构，可用二叉树描述。

每个框架结构的最前面，有一个FrameTransformMatrix矩阵数据，描述了该框架相对于父框架的变换矩阵。也就是说，该框架中的坐标，与该矩阵相乘，可转换为父框架坐标系的坐标。

这种层次结构，使得X文件能描述许多复杂的物体。如地形场景。

在骨骼动画文件中，框架结构可直接拿来描述人物骨骼的层次结构。框架的名字通常为对应的骨骼名。

如“左上臂->左前臂->手掌->手指”就形成一个父子骨骼链。而左上臂与右上臂是并行关系。

数据示例：D：\D9XSDK\Samples\Media\tiny.x Frame ……{……

Frame Bip01_R_Calf { //子骨骼FrameTransformMatrix { 1.000000，-0.000691，

-0.000000，0.000000，0.000691，1.000000，-0.000000，0.000000，0.000000，0.000000，1.000000，0.000000，119.231522，0.000021，-0.000011，1.000000；；} Frame Bip01_R_Foot {//——孙子骨骼FrameTransformMatrix { 0.988831，0.124156，0.082452，0.000000，

-0.122246，0.992109，-0.027835，0.000000，-0.085257，0.017445，0.996206，0.000000，119.231476，-0.000039，0.000023，1.000000；；}……缩进} [问题]查看示例tiny.x文件，发现只有根框架下有一个Mesh，包含了所有顶点信息。其它各个Frame都没有Mesh数据。怎么理解？

答：一般来说，每个动画文件只有一个Mesh网格，包含物体所有顶点信息。

其它Frame，只是借用来描述各骨骼的层次信息，没必要再定义骨骼网格。每块骨骼对应的蒙皮顶点信息，由根Mesh中的相应骨骼的SkinWeights中蒙皮顶点索引描述的。在动画过程中，各个顶点的新坐标，要借助SkinWeights中的顶点索引来进行重新计算。

2.3 动画信息：由一系列AnimatonKey组成，数据示例如下：AnimationKey { 4；——动画类型4表示矩阵62；——动画帧数，即下面矩阵个数0；16；1.000000，-0.000691，-0.000000，0.000000，0.000691，1.000000，0.000000，0.000000，0.000000，-0.000000，