动画系统II

【动画系统II】

1、动画混合（animation blending）是把某个时间点的两个或更多的输入姿势结合，产生骨骼的输出姿势。例如，通过混合负伤的及无负伤的步行动画，我们可以生成二者之间不同负伤程度的步行动画。我们可以混合角某角色的左瞄准及右瞄准动画，就能令角色瞄准左右两端之间的所需方位。动画混合可以用于对面部表情、身体站姿、运动模式等的极端姿势之间插值。

2、我们对关节姿势进行插值，即是提对4x4变换矩阵进行插值。然后直接对矩阵插值并非切实可行。这也是通常使用SQT格式表示局部姿势的原因之一。

3、姿势混合通常在局部姿势进行。若直接在模型空间混合全局姿势，其结果从生物力学上看显得不真实。由姿势混合是在局部姿势进行的，每个关节姿势的线性插值完全独立于同一骨骼上的其它关节插值。这意味着，线性插值可完全并行地在多处理器架构上运行。

4、淡入/淡出的各类：

　　1）圆滑过渡（smooth transition）：播放动画A&B，同时把beta从0至1递增。要效果好，两个片段应该同步至手脚大致匹配。

　　2）冻结过渡（frozen transition）：冻结动画A，B的beta从0至1递增。适合于混合两个不相关且不能在时间上同步的片段。

5、方向性运动

　　1）转身改变方向时，能一直面向移动的方向。称为轴转移动（pivotal movement）。

　　2）保持面向某方向，而同时向前后左右步行，使移动方向和面向方向互相独立。称为靶向移动（targeted movement）。若角色在转向时不保持完全笔直，轴转移动会显得更自然，真实人类在转向时会造成少许倾斜。我们可以令整个角色的垂直轴倾斜一点，但这会造成一些问题，内脚会插进地下，外脚则会离地。可使用3个向前步行或跑步的动画，一个完全向前，一个是极端向左转，一个是极端向右转。

6、我们可以在步行时挥动右臂，并同时令左臂指着某物。实现这一动作的方法之一是骨骼分部混合（partial-skeleton blending）的技术。我们对每个关节j定义一个独立的混合百分比，而非普通混合中所有关节使用同一个百分比beta。整个骨骼的百分比集合称为混合遮罩（blend mask）。

7、加法混合（additive blending）为引入一种称为区别片段（difference clip）的新类型动画。区别动画存储了一个姿势变换至另一个姿势所需要的改变。区别动画在游戏业界常称为加法动画片段。加法混合技术之美在于，制作一个区别片段后，可以把该片段加进其他不相关的片段，而不仅限于原来的参考片段。我们称这些动画为目标动画（target clip）。

8、区别动画D为来源动画S和参考动画R之间差异。如果把区别动画D加到参考动画R上，便会得出我们预期的来源动画。我们要处理的是关节姿势，而不是标量，不能简单地把姿势相减。以矩阵来说，等价于标量减法的运算是矩阵乘法。所以D=S*R^-1。

9、加法混合百分比。我们可以混合某百分比的区别动画，以产生不同程度的效果。例如，若区别片段能使角色的头部向右转80度，混合该片段的50%应该可令他的头部仅向右转40度。

10、相对于分部混合看上去的“分离”问题，加法混合的同类问题较少。加法混合有旋转过度的问题。想象有一个角色左臂弯曲90度的目标动画。若我们再加入一个弯曲90度的动画，那么整体效果便是弯曲了180度。

11、在渲染角色前，通常还需要再修改姿势。此修改称为动画后期处理（animation post-processing）。例如，当车辆转弯时，调整前轮和方向盘的转向令它们更显真实。

12、有时候角色的手会碰不到物体，有时候又会穿过物体。在这种情况下，我们希望可以调整骨骼的最张姿势，令角色的手能完全与目标物体对齐。名为逆运动学（inverse knematics, IK）的技术可以达成此事。输入是某关节想要的全局姿势，此输入称为末端受动器（end effector），我们要求输出其他关节的局部姿势，使末端受动器能达到指定的位置。

13、布娃娃（ragdoll）是一组由物理模拟的刚体，每个刚体代表角色的半刚体身体部分，例如下臂或上腿。这些刚体彼此受限于角色的关节位置。刚体的位置和定向都是由物体系统计算的，然后用于驱动角色骨骼中某几个重要关节的位置和定向。

14、压缩技术

　　1）省略通道，如使用统一绽放，四元数一直保持归一而省略w。

　　2）量化。

　　3）降低采样率。

　　4）选择性载入。

15、动画系统架构分为：

　　1）动画管道（animation pipeline）：把一个输入（动画片段及混合设置）变换成输出（局部及全局姿势、渲染用的矩阵调色权）的管道。

　　2）动作状态机（action state machine, ASM）

　　3）动画控制器（animation controller）

16、共享资源数据包括骨骼、蒙皮网络、动画片段。某个种类的角色会引用一个骨骼、一个或多个网络、一个或多个动画片段。

17、每个角色的每个实体需要其私有数据结构，以记录当前播放中的动画片段、片段混合的方式， 以及当前的骨骼姿势。

18、混合的方式包括扁平加权混合以及混合树。混合树的类型包括：

　　1）浮华一维LERP混合

　　2）简单二维LERP混合

　　3）三角LERP混合

　　4）浮华三角LERP混合

　　5）加法混合：一个输入为区别姿势，另一个输入为正常姿势

19、动画状态机（animation state machine, ASM）。ASM中每个状态对应一个任意复杂的动画片段混合。在混合树架构中，每个状态对应至某个预先定义的混合树。用户输入动画状态机的方式有很多种。有些引擎采用简单、最基础的方式，把动画状态以简单的语法写于文本文件里。还有一些引擎提供图形界面。

20、有一个含有n个状态的状态机中，最多可以有n^2个过渡。我们可以想象有一个正方形矩阵，它的行及列都分别列举所有状态。这样的矩阵叫做（transition matrix）。在真实的游戏中，过渡矩阵通常是稀疏矩阵，因为并非线个状态都能过渡至所有状态。例如，死亡状态不能过渡至任何其它状态。

21、身体不同部位的动作通常并不完全同步。但某一时刻只能设置一个状态。此问题的解决方案之一就是，引入状态层（state layer）的概念。每个状态层每一时刻只能有一个状态，但不同状态层之间在时间上是独立的。骨骼最终姿势的计算方法是，对n个层各自的混合树取值，产生n个骨骼姿势，再用预告设计的方法把这些姿势混合在一起。

22、角色动画控制的另一重要方面在于，以多种方式约束角色及物体的移动。例如，我们可能要令武器总是约束至携带者的手中。又例如，我们希望两个角色握手时，两只手被约束在一起。另外，角色的脚部通常会约束至和地面贴齐。在最简单的模式中， 物体对物体的依附通常是一个父子关系。在父关节和子关节之间加入一个偏移（offset），例如，我们可以把枪的把手和角色的右腕重叠。又或者可以在右腕下加入一个右手握枪关节。然后增加关节会在动画混合入矩阵调色板计算中有处理成本，也在内存上有成本。所以我们需要做的是为一睦关节打标记，使动画混合管道忽略它，但却能用于依附之用。这种关节有时候称为依附点（attach point），

23、解决多个动画对准方法之一是，为多个动画提供一个共同的参考点。动画师可以在场景中放置一个定位器（locator）。这些定位器分别存储至3个片段数据文件中。在运行时，这些局部空间的参考定位器与世界空间的定位器对齐，从而重新把演员对齐。求出世界空间定位器的方法是选择其中一个演员的定位器为基准，其它演员的定位器以此为参考。

24、逆向运动学（inverse kenematics，IK）。需要修正的关节称为末端受动器（end effector）。IK求解程序会令末端受动器尽量接近目标。因为演员不断地运行，所以通常IK也需要不断地计算。IK适合于关节和目标本身已相当接近。若关节的实际位置和目标位置相距甚远，IK的表现就不会理想。

25、滑步（foot sliding）有多种解决方法，最常见的是动作提取及脚部IK。我们预先把移动速度的动画数据存储为一个特别的“提取动作（extracted motion）”通道，然后在游戏中取出而使用。对于不平坦的道路，可以使用脚步IK来调整腿的位置。

26、动画控制器（animation controller）负责一个类型的角色行为，好处是提供简易的动画操作接口。