模型的骨骼动画技术讲解

模型的骨骼动画技术讲解

骨骼动画实际上是两部分的过程。第一个由美术执行，第二个由程序员（或者你写的引擎）执行。第一部分发生在建模软件中，称为建模。这里发生的是术定义了网格下面骨骼的骨架。

网格代表物体（无论是人类，怪物还是其他物体）的皮肤，骨骼用于移动网格物体，以模拟现实世界中的实际运动，这通过将每个顶点分配给一个或多个骨头来完成。当顶点被分配给

骨骼时，定义了权重，该权重确定骨骼在移动时对顶点的影响量。通常的做法是使所有权重

的总和1 （每个顶点）。例如，如果一个顶点位于两个骨骼之间，我们可能希望将每个骨骼的权重分配为

0.5 ,因为我们希望骨骼在顶点上的影响相等。然而，如果顶点完全在单个骨骼的影响之内，那么权重将为

1 （这意味着骨骼自主地控制顶点的运动）。

这是一个在混合器中创建的骨骼结构的例子：

我们上面看到的是动画的重要组成部分，美术将骨骼结构组合在一起，并为每个动画类型

（“步行”，“跑步”，“死亡”等）定义了一组关键帧。关键帧包含沿着动画路径的关键点的

所有骨骼的变换。图形引擎在关键帧的变换之间进行插值，并在它们之间创建平滑的运动。

用于骨骼动画的骨骼结构通常是继承的，这意味着骨骼有一个孩子/父母关系，所以创

建了一根骨头。除了根骨之外，每个骨骼都有一个父母。例如，在人体的情况下，您可以

将后骨分配为具有诸如手臂和腿部以及手指骨的儿童骨骼的根部。当父骨骼移动时，它也

移动其所有的孩子，但是当孩子的骨骼移动时，它不会移动它的父母（我们的手指可以移动

而不移动手，但是当手移动它移动所有的手指）。从实践的角度来看，这意味着当我们处理骨骼的变换时，我们需要将它与从它引导到根的所有父骨骼的转换结合起来。

我们不会再进一步讨论装备，它是一个复杂的主题，并且在图形程序员的领域之外。建模软件有先进的工具来帮助美术做这项工作，你需要成为一个很好的美术来创造一个好看的

网格和骨架。让我们看看图形引擎需要做什么才能制作骨架动画。

第一阶段是用顶点骨骼信息来提取顶点缓冲区。有几个选项可用，但我们将要做的很

简单。对于每个顶点，我们将添加一个插槽阵列，其中每个插槽包含骨骼ID和权重。为了使我们的生活更简单，我们将使用具有四个插槽的数组，这意味着没有顶点可以受到四个

以上的骨骼的影响。如果您要加载更多骨骼的模型，则需要调整阵列大小，但是对于作为

本博文一部分的Doom 3模型，四个骨骼就足够了。所以我们的新顶点结构将如下所示：POSitiOn

TeXtUre COOrdinateS

NOrmal

BOne IDO ∣ Weight 0

BOne IDI ∣ Weight 1

BOne ID2 [ Weight 2

BOne ID3 I Weight 3

骨骼ID是骨转换数组的索引，这些变换将被应用在WVP矩阵之前的位置和正常（即它们

将顶点从“骨空间”转换成局部空间）。权重将用于将几个骨骼的变换组合成单个变换，并且在任何情况下，总权重必须正好为 1 （建模软件的事情）。通常，我们将在动画关键帧之

间进行插值，并在每个帧中更新骨骼变换数组。

骨骼转换阵列的创建方式通常是棘手的部分。变换被设置在一个历史结构（即树）中,

通常的做法是在树中的每个节点中具有缩放向量，旋转四元数和平移向量。实际上，每个节点都包含这些项目的数组。数组中的每个条目都必须有一个时间戳。应用时间与其中一个时间戳完全匹配的情况可能很少，因此我们的代码必须能够插值缩放/旋转/转换，以便在应用程序的时间点获得正确的转换。我们对每个节点从当前骨到根进行相同的过程，并将

这个变换链相加在一起以获得最终结果。我们为每个骨骼做这些，然后更新着色器。

到目前为止，我们谈到的一切都是非常通用的。但是这是一个关于使用ASSimP的骨骼动画的博文，所以我们需要再次进入该库，读者可以自行下载一个ASSimP库，看看如何使用它进行皮肤化。ASSimP的好处是它支持从多种格式加载骨骼信息。不好的是，您仍然需要对其创建的数据结构进行相当多的工作，以生成您为着色器所需的骨骼转换。

让我们从根的骨骼信息开始吧, 以下是ASSimP数据结构中的相关内容:

后面给读者介绍一下关于ASSimP类的加载，一切都包含在aiScene类中（当我们导入网格

文件时我们得到的对象），aiScene包含一组aiMesh对象。aiMesh是模型的一部分，并在顶点级别包含位置，法线，纹理坐标等内容。现在我们看到aiMesh还包含一个aiBone对象

的数组。毫无疑问，aiBOne代表网格骨架中的一个骨骼，每个骨骼都有一个名字，通过它可以在骨骼层级（见下文），顶点权重数组和4x4偏移矩阵中找到，我们需要这个矩阵的原因是因为顶点存储在通常的本地空间中，这意味着即使没有骨架动画，我们现有的代码库也

可以加载模型并正确渲染。但是，骨干变化在骨骼空间中发挥作用（每个骨骼都有自己的空

间，这就是为什么我们需要将变换加在一起）。因此，偏移矩阵的工作将顶点位置从网格的

局部空间移动到该特定骨骼的骨空间。

顶点权重数组是事物开始变得有趣的地方，该数组中的每个条目都包含aiMesh中顶点

数组的索引（请注意，顶点分布在几个长度相同的数组中）和权重。所有顶点权重的总和

必须为1 ,但是要找到它们，您需要遍历所有骨骼，并将权重累加到每个特定顶点的列表中。

在我们的顶点级别构建骨骼信息之后，我们需要处理骨骼变换层级并生成将加载到着色

器中的最终转换，下图显示相关数据结构：

aiNode

Stnng NamE

mat4x4 TranSfOrmatiOn

aiNode* Parent

a⅛Node* ChiIdrenO aiAnimation

double DUratiOn

ClOUbIe TiCkSPerSeCOnd

ChannetSo

String Nafne

VeCtor3 D POSttionSn

quaternion RotationsQ

VeCtOr3D Sca ）iπgs∏

再次，我们从aiScene 开始，aiScene 对象包含一个指向 aiNode 类对象的指针，该对象是一 个节点层级的根（换句话说-一棵树），树中的每个节点都有一个指向其父项的指针以及指 向其子节点的数组， 这样我们可以方便地来回遍历树。 另外，节点执行从节点空间变换到

其父节点空间的变换矩阵。 最后，节点可能有也可能没有一个名字。 如果一个节点表示父 进制中的骨骼，则节点名称必须与骨骼名称相匹配。 但是有时节点没有名称（这意味着没 有相应的骨骼），而且他们的工作只是帮助模型分解模型并且沿着一些中间变换。

最后一块拼图是 aiAnimation 数组，它也存储在

aiScene 对象中， 单个aiAnimation 对 象表示一系列动画帧，例如" WaIk ”，“ run ”，“ shoot ”等。通过在帧之间进行内插，我们得

到与动画名称相匹配的所需视觉效果。 动画的持续时间为每秒钟的秒数（例如每秒 100个

刻度和25个刻度，代表4秒动画），这有助于我们对进程进行时间调整， 以使动画在每个硬

件上看起来相同。 另外，动画还有一个名为通道的 aiNodeAnim 对象的数组。

每个通道实 际上都是骨骼，全部是它的转变。

该通道包含一个名称，该名称必须与其他一个节点在层

级和三个转换数组中匹配。 为了计算特定时间点的最终骨骼变换，

我们需要在这三个阵列中的每一个中找到与时间 匹配的两个入口，并在它们之间插值。

那么我们需要将转换组合成一个矩阵。 做完之后, 我们需要在根中找到相应的节点。 然后我们需要相应的通道为父，

并进行相同的插值过程。 我们把这两个变化相乘合起来，直到我们达到根的层级。

加载模型的源代码实现如下：

ROOlNOde —

Animationsf]