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硬件支持下骨骼蒙皮动画的实现 作者：Octane3d MSN：Octane3d@ 电邮：Octane3d@ 一 引言 角色动画是计算机动画技术的一个重要组成部分，在计算机辅助动画电影制作和各类广告制作中一直扮演着重要的角色。动画制作种所使用的角色动画技术的一个重要特点是动画渲染需要耗费大量时间，因此动画作品必须预先制作，渲染，然后作为视频文件播放，也就是说，是非实时。但是，虚拟现实，电子游戏，甚至是传统的动画制作软件对实时角色动画同样有很大的需求。现在，随着计算机硬件技术的发展，特别是消费级别的带有硬件加速功能的显卡技术的发展，实时角色动画逐渐获得了越来越广泛的应用。本文将在简单回顾实时角色动画发展的基础上，结合 SkeAni 演示程序，介绍在现有硬件基础上骨骼蒙皮动画的基本原理和实现方法。 实时角色动画技术主要有三种类型。 第一类是关节动画。关节动画中的角色由若干独立的部分组成。每一个部分对应着一个独立的网格模型，不同的部分按照角色的特点组织成一个层次结构。比如说，一个人体模型可以由头，上身，左上臂，左前臂，左手，右上臂，右前臂，右手，左大腿，左小腿，左脚，右大腿，右小腿，右脚等各部分组成。而某个部分，可能是另一个部分的子节点，同时又是另一个部分的父节点。比如上面的人体模型中，右前臂就是右上臂的子节点，同时也是右手的父节点。而右上臂是上身的子节点，后者则是躯体的子节点。通过改变不同部分之间的相对位置，比如夹角，位移等等，就可以实现所需要的各种动画效果。这类动画的优点很多。首先，在动画序列关键帧中只需要存储节点间的相对变化，因此动画文件占用的空间很小。其次，可以实现很多复杂的动画效果，如果应用程序支持反向动力学还可以动态实现预先存储的动画序列之外的新的动画效果。当然这类动画也有不少缺点。其中之一是由于角色模型是一个层次模型，要获得某一个部分相对于世界坐标的位置，必须从根结点开始遍历该节点所有的祖先节点累计计算模型 --- 世界变换。但最关键的问题是在不同部分的结合处往往会有很明显的接缝，这会严重的影响模型的真实感。 第二类是单一网格模型动画。这种动画中的角色由一个完整的网格模型构成。在动画序列的关键帧中记录着组成网格的各个顶点的新位置或者是相对于原位置的改变量。通过在相邻关键帧之间插值来直接改变该网格模型中各个顶点的位置就可以实现动画效果。相对于关节动画，单一网格模型动画的角色看上去更真实，也不会有关节动画所面临的接缝问题。由于没有使用层次模型，获得模型网格顶点在世界坐标中位置的计算量也很小。但是，这类动画的适应性很弱，角色很难通过实时计算来与环境进行良好的互动，以获得预先存储的动画序列之外的动画效果。另一方面，由于关键帧要存储网格模型所有的顶点信息，动画文件占用的空间特别大。 第三类是骨骼蒙皮动画，本文的第二部分将重点讨论这类动画。 二 骨骼蒙皮动画 骨骼蒙皮动画可以看作是关节动画和单一网格模型动画的结合。在骨骼蒙皮动画中，一个角色由作为皮肤的单一网格模型和按照一定层次组织起来的骨骼组成。骨骼层次描述了角色的结构，就像关节动画中的不同部分一样，骨骼蒙皮动画中的骨骼按照角色的特点组成一个层次结构。相邻的骨骼通过关节相连，并且可以作相对的运动。通过改变相邻骨骼间的夹角，位移，组成角色的骨骼就可以做出不同的动作，实现不同的动画效果。皮肤则作为一个网格蒙在骨骼之上，规定角色的外观。这里的皮肤不是固定不变的刚性网格，而是可以在骨骼影响下变化的一个可变形网格。组成皮肤的每一个顶点都会受到一个或者多个骨骼的影响。在顶点受到多个骨骼影响的情况下，不过的骨骼按照与顶点的几何，物理关系确定对该顶点的影响权重，这一权重可以通过建模软件计算，也可以手工设置。通过计算影响该顶点的不同骨骼对它影响的加权和就可以得到该顶点在世界坐标系中的正确位置。动画文件中的关键帧一般保存着骨骼的位置，朝向等信息。通过在动画序列中相邻的两个关键帧间插值可以确定某一时刻各个骨骼的新位置和新朝向。然后按照皮肤网格各个顶点中保存的影响它的骨骼索引和相应权重信息可以计算出该顶点的新位置。这样就实现了在骨骼驱动下的单一皮肤网格变形动画。或者简单地说骨骼蒙皮动画。骨骼蒙皮动画的效果比关节动画和单一网格动画更逼真，更生动。而且，随着3D硬件性能的提高，越来越多的相关计算可以通过硬件来完成，骨骼蒙皮动画已经成为各类实时动画应用中使用最广泛的动画技术。 下面讨论骨骼蒙皮动画实现的技术细节。在一个典型的骨骼蒙皮动画模型文件中，会保存如下信息：网格信息，骨骼信息和动画信息。网格信息是角色的多边形模型。该多边形模型一般由三角形面片组成，每一三角形面片有三个指向模型的顶点表的索引。通过该索引，可以确定该三角形的三个顶点。顶点表中的每一顶点除了带有位置，法向量，材质，纹理等基本信息外，还会指