游戲角色是怎么動(dòng)起來的？3D游戲動(dòng)畫系統(tǒng)介紹

動(dòng)畫控制了整個(gè)游戲角色戰(zhàn)斗的節(jié)奏，聲音、特效、鏡頭等表現(xiàn)元素要和位移做好匹配，才能有好的表現(xiàn)效果;游戲中有大量的A類和B類劇情動(dòng)畫，動(dòng)畫數(shù)據(jù)占據(jù)了游戲中很大一部分的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存和計(jì)算消耗……動(dòng)畫貫穿了游戲開發(fā)的方方面面，所以，學(xué)好動(dòng)畫的相關(guān)知識(shí)對(duì)游戲開發(fā)非常重要。

01 骨骼蒙皮動(dòng)畫

3D動(dòng)畫主要有幾種動(dòng)畫技術(shù)：第一種是剛體層級(jí)動(dòng)畫，它的特點(diǎn)是連接處有折斷、不自然，是適合機(jī)器人的動(dòng)畫;第二種是頂點(diǎn)動(dòng)畫，即在每一個(gè)關(guān)鍵幀改變頂點(diǎn)的位置，它的特點(diǎn)是效果棒、數(shù)據(jù)爆炸、工作量大;第三種是骨骼蒙皮動(dòng)畫，它可以解決前兩種動(dòng)畫技術(shù)的缺點(diǎn)。首先介紹一下骨骼蒙皮動(dòng)畫的幾個(gè)概念。

骨架：在生物學(xué)中，骨架是由一系列關(guān)節(jié)以樹狀結(jié)構(gòu)組織而成，關(guān)節(jié)就是下圖中藍(lán)色球的部分，而關(guān)節(jié)之間的連接，即圖中紅色部分，稱為骨骼。而在游戲動(dòng)畫領(lǐng)域，骨骼就是指關(guān)節(jié)，而關(guān)節(jié)之間的連接是沒有意義的。

姿勢(shì)：姿勢(shì)就是骨骼的形態(tài)，它描述了骨骼當(dāng)前的位置。

蒙皮：在游戲里是看不到骨骼的，骨骼只是一個(gè)邏輯數(shù)據(jù)，玩家看到的是渲染的皮膚，也就是蒙皮之后的形象。蒙皮就是把皮膚綁定到骨骼上的過程，綁定好之后，皮膚才能隨著骨骼的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)畫數(shù)據(jù)：在動(dòng)畫內(nèi)容制作時(shí)，動(dòng)畫師只會(huì)做關(guān)鍵幀的數(shù)據(jù)，其余的部分都是通過插值來完成，通過插值可以取得任意點(diǎn)的姿勢(shì)。電影里的動(dòng)畫是以固定幀率來播放，并不需要插值，而游戲里面，它的幀率會(huì)隨時(shí)發(fā)生改變，會(huì)隨著當(dāng)前一幀需要計(jì)算的內(nèi)容變多而變少，所以中間狀態(tài)都需要插值算法來完成。

那么，為什么骨骼蒙皮動(dòng)畫可以解決掉剛體層級(jí)動(dòng)畫和頂點(diǎn)動(dòng)畫的缺點(diǎn)?首先，游戲在啟動(dòng)時(shí)，需要去讀取骨骼的層級(jí)數(shù)據(jù)、動(dòng)畫數(shù)據(jù)、帶有蒙皮的網(wǎng)格數(shù)據(jù);在運(yùn)行時(shí)，會(huì)根據(jù)時(shí)間從動(dòng)畫數(shù)據(jù)中算出骨骼的位置，再根據(jù)當(dāng)前骨骼的位置和蒙皮信息計(jì)算出網(wǎng)格頂點(diǎn)信息，最后根據(jù)網(wǎng)格信息和材質(zhì)渲染出角色。

骨骼動(dòng)畫的頂點(diǎn)是受多根骨骼影響的，關(guān)節(jié)處的皮膚會(huì)由多根骨骼拉伸而變形，這個(gè)變形和拉伸是符合規(guī)律的，所以它不會(huì)產(chǎn)生折斷。另外骨骼動(dòng)畫數(shù)據(jù)產(chǎn)生的方式是改變骨骼的位置，而不是改變頂點(diǎn)的位置，我們一個(gè)人一般會(huì)有幾十上百根骨骼，我們?nèi)ジ淖冞@些骨骼的位置，比直接改變幾千乃至幾萬個(gè)頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)量要小非常多，這個(gè)對(duì)動(dòng)畫師來說，需要做的工作同樣也會(huì)小很多，正是這些特點(diǎn)使得骨骼蒙皮動(dòng)畫，成為當(dāng)前游戲開發(fā)中應(yīng)用最多的一種動(dòng)畫技術(shù)。

02 動(dòng)畫是如何流轉(zhuǎn)的

動(dòng)畫融合

游戲的交互性，使得動(dòng)畫都是一個(gè)個(gè)的小片段，連接這些片段就需要?jiǎng)赢嫷娜诤稀ＭǔＨ诤嫌袃煞N類型：一種是多個(gè)動(dòng)畫的融合;另一種就是一個(gè)動(dòng)畫到另一個(gè)動(dòng)畫的過渡，過渡的方式有兩種，一種是平滑過渡，一種是凍結(jié)過渡。

平滑過渡是在動(dòng)畫A還沒有結(jié)束的時(shí)候，就開始向動(dòng)畫B融合，而凍結(jié)過渡是在動(dòng)畫A結(jié)束之后才開始向動(dòng)畫B融合，游戲里面會(huì)根據(jù)表現(xiàn)的需要來選擇哪種過渡方式。

動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)

游戲里有多種狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)，正是這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，才能支撐游戲里流暢自然的動(dòng)畫效果和良好的交互響應(yīng)。以外層狀態(tài)機(jī)為例，它的結(jié)構(gòu)分為Idle、Move和Fight。Idle，即待機(jī)，包括戰(zhàn)斗待機(jī)、休閑待機(jī)等;Move，包括轉(zhuǎn)向移動(dòng)等;Fight，即攻擊動(dòng)畫。這些外層的大狀態(tài)，可以通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)來進(jìn)行相互之間的過渡，來達(dá)到動(dòng)畫片段流轉(zhuǎn)的目的。

動(dòng)畫邏輯管線

在游戲代碼里面，有AI和動(dòng)畫的接口層，AI會(huì)通過游戲接口層向動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)發(fā)送各種信號(hào)，比如跑、跳、攻擊，以及跑的速度、轉(zhuǎn)向角度等等，這些參數(shù)告訴動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)會(huì)根據(jù)它自己的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，或是融合到具體的動(dòng)畫片段，計(jì)算出當(dāng)前幀的骨骼偏移，再通過這些骨骼信息，計(jì)算出蒙皮網(wǎng)格，最后再渲染。