CSharpGL(50)使用Assimp加载骨骼动画

CSharpGL(50)使用Assimp加载骨骼动画

在（http://ogldev.atspace.co.uk/www/tutorial38/tutorial38.html）介绍了C++用Asismp库加载骨骼动画的原理和流程。

在（http://wiki.jikexueyuan.com/project/modern-opengl-tutorial/tutorial45.html）是其中文版译文。

本文用CSharpGL借助Assimp库实现加载和渲染骨骼动画的功能。

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CSharpGL已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

在.NET下使用Assimp

三维模型解析库Assimp本身是用C++编写的，所幸有一个C#的封装（https://github.com/assimp/assimp-net）。使用此封装即可直接在CSharpGL中调用Assimp了。

将Assimp32.dll、Assimp64.dll和AssimpNet.dll都放到项目所在目录下，在Reference中添加对AssimpNet.dll的引用即可。

渲染骨骼动画

Assimp加载模型后得到的数据结构如下：

 public sealed class Scene
 {
     public Animation[] Animations { get; }
     public Material[] Materials { get; }
     public Mesh[] Meshes { get; }
     public Node RootNode { get; }
 }

按我的理解，其中的RootNode就是骨骼的根结点。整个骨骼构成一个树结构。每个结点都包含一个mat4 Transform矩阵，用于描述自己相对于父结点的方位变化。子结点代表的骨骼，其绝对方位由根结点的Transform逐步地乘到自己的Transform来得到。“绝对方位”指的就是在Model Space中的方位。

如图所示，红色的小方块描述了骨骼所在的绝对位置（这里的骨骼对应人体的关节）。从红到白渐变的线条描述了骨骼之间的父子关系，红色一端为父结点，白色一端为子结点。两脚之间的那个红色小方块，就是根结点RootNode。用半透明方式渲染的两臂水平摆放的，就是模型的默认位置。

上图这个模型，只有一个“拿起灯左右查看”的动作（Animation）。其他模型可能有多个动作，它们构成一个数组（Assimp.Animation[]）。每个Animation都指定了这个模型的所有骨骼在所有关键帧上的Transform值。这样，通过按时间顺序依次经历各个关键帧（更准确地说，是在2个相邻的关键帧之间插值），就可以得到骨骼在各个时刻的Transform。再让模型的顶点依附于骨骼而动，就实现了骨骼动画。

模型上的一个顶点，要记录自己都依附于哪几个骨骼，自己对这几个骨骼依附的权重分别是多少（权重之和为1）。然后，就可以从默认的初始位置（用半透明方式渲染的两臂水平摆放的那个位置）变换到骨骼要求的位置。

顶点的这一变换过程我还没弄明白。这里需要的Offset Matrix到底是什么。据我查资料，外加计算，Offset Matrix就是那个让骨骼结点变换到绝对方位的矩阵的逆矩阵。但是总觉得有点想不通的地方，确不知道是哪里。

经高人goodpgr提醒，Offset Matrix就是那个让骨骼结点变换到model space的矩阵的逆。非常感谢！

将其推导过程陈列如下：

「Offset Matrix就是那个让骨骼结点变换到绝对方位的矩阵的逆矩阵」：
可以改寫成
「Offset Matrix就是那个让骨骼结点变换到model space的矩阵的逆」：
因為skin mesh的頂點資料是在model space定義的
假設在右小腿附近有1個頂點P，用model space的三把尺和原點來測量
它在model space可能是 p'=(10,20,0)
(y向上是天空)
但對右小腿Bone來說，用它的三把尺和原點測量頂點P
得到的值可能是 p=(,,) => local bone space
假設右小腿Bone的階層長這樣
RootBone // 右骨盆Bone // 右大腿Bone // 右小腿Bone
它們對映到的矩陣分別是
Mroot // Mc // Mb // Ma
那 p和p'會有下面的關系
p'=(Mroot Mc Mb Ma) p
(Mroot Mc Mb Ma)^- p'=p
MatrixModelSpaceToBoneLocal * p' = p
MatrixModelSpaceToBoneLocal = Offset_Matrix
mesh綁定到bone上，實際上是綁定到bone的local space
但一開始mesh的資料是在model space建模的

总结

骨骼动画的原理网上有很多介绍了。我还没有透彻理解，所以不对本文的原理部分负责。