3D动画之，骨骼动画（skeletal animation) - 完

关键帧动画(keyframe animation)在3D中很大的一个缺点是占用的数据量比较大，如果动画衔接需要更细致一些、自然一些，那么要加入的关键帧就更多。但是，对于关键帧动画来说，每一帧的顶点数量是固定的。所以，对稍微复杂的模型，每加入一帧，就意味着又加入那么多的顶点。解决这个问题的是现在我们要讲的另外一种动画技术，骨骼动画（skeletal animation）。

骨骼动画的关键概念是骨骼，在英文文献里，也被称作joint。和关键帧动画一样，我们需要依靠顶点来组成一个物体（mesh），只是在骨骼动画中不同的是：关键帧动画每一帧都直接记录顶点在该帧中的位置信息；而在骨骼动画中，每一帧的顶点信息都是依靠“骨骼”计算出来的。也就是说，在骨骼动画文件中，我们可以这么说，我们只有一帧的顶点的位置信息，其他帧的顶点信息完全是在运行中（run-time）实时计算出来的，而计算的方式，就是要了解骨骼的作用。从另外一个角度来说，如果说关键帧动画文件中主要存储所有帧的顶点，那么，骨骼动画文件中就主要存储初始帧的顶点、初始的骨骼和骨骼在每一帧的信息。这是一种时间换空间的做法，因为相对于顶点来说，骨骼需要的存储量少很多，却多了一些运算。

骨骼的作用，对骨骼来说，我更倾向于英文单词joint，它说明了骨骼是一个连接（点），理解骨骼动画可以完全先抛弃顶点、面和相关物体信息，而着重于理解joint的转换。因为一旦理解了joint的转换，那么所有的顶点就是跟joint转换后的矩阵做相关的运算，然后就能得到实时的位置信息了。

D3D对骨骼动画进行接口封装，因此在接口上看不到细节了。为方便，我们使用ms3d格式（该文件格式是建模软件Milkshape的定义格式）的骨骼动画文件来观察。ms3d文件格式是基于块（chunk）的，也就是说每个信息都集中在块里面，在块前面，会有相关字节说明接跟着的块的大小，因此容易解析。在骨骼动画文件中，有个块就是包含了joint信息的。我们具体看一下信息块中的重要部分，由此知道骨骼动画的关键：

1、在信息块前部，我们可以知道一共有多少joint；对每一个joint，

2、信息块中有固定长度来存储该joint的名字；

3、信息块中有固定长度来存储该joint的上级节点（parent）的名字；

4、会有地方告知该joint拥有多少位移（translation）上的关键帧；

5、会有地方告知该joint拥有多少旋转（rotation）上的关键帧；

6、得到4中的translation关键帧数量后，可以在本块中读取每个关键帧的数据；

7、得到5中的rotation关键帧数量后，可以在本块中读取每个关键帧的数据；

这就是骨骼动画中的关键部分，可以看到，关键帧技术还是被使用到，只不过使用在了joint身上，而不是vertex。把每个joint都看做关键帧中的顶点的话，我们就可以对该点进行动画了。得到时间点，在关键帧中查询会到达的位置，如果在两个关键帧中间，那么运用插值技术从两个关键帧得到目前的帧位置。这个方法跟关键帧动画是一样的。不同的地方在于插值的具体实现方法，骨骼动画多了rotation关键帧，对这样的帧插值的方式不能用关键帧动画中的LERP方式，而必须用SLERP，因为rotation表达的是一种弧线运动，而不是直线。还需要知道的细节是，每个joint的最终都能运算出一个矩阵，这个矩阵是在上级节点的矩阵的基础上运算出来的，所以上面步骤3里面，我们可以看到有上级节点（parent）信息 。当然，如果上级节点为空的话，本joint的矩阵也就不需要考虑跟其他相乘。

这就是骨骼。剩下的事情我们了解下最后真正的动画怎么产生。正如上述曾经提到的，每个顶点是需要跟骨骼的矩阵做运算得到转换后的顶点。在我们在每一帧都对骨骼进行插值成功后，每个骨骼都拥有了一个实时的矩阵。在骨骼动画中，每个顶点一定会与某个骨骼（joint）关联，我们这时要做的事情就是，把该顶点与关联的骨骼的矩阵做转换运算就可以。一如我们对物体进行世界坐标、相机坐标、投影坐标变换，就是一个顶点和相关矩阵的计算。当迭代完所有的顶点，那么在该时间帧的所有的顶点就到了该到的位置（本地坐标, local coordinate）。

整个起来看的话，每一帧就是两个步骤：

1、对每个骨骼（joint）进行translation插值、rotation插值；

2、对关联骨骼的顶点进行更新。

原理到此为止，在代码中，相关的骨骼数据结构大致如此这般，这里特意列出来，查看代码的时候着重这段可以看到整个skeletel的精髓。

m_iJointQuantity = *((unsigned short*) pTemp);  // quantity of joints in chunk

pTemp += 2;

m_pJoint = new Joint[m_iJointQuantity];  // Joint is a class, you can see members important in following code

for(int index = 0; index < m_iJointQuantity; index++)

{

    // flag, this is for MilkShape editor only, don't care here

    m_pJoint[index].m_ucpFlags = *pTemp;

    pTemp++;

 

    // joint name

    memcpy (m_pJoint[index].m_cName, pTemp, 32);

    pTemp += 32;

    // parent's name

    memcpy (m_pJoint[index].m_cParent, pTemp, 32);

    pTemp += 32;

    // local rotation information (float x_angle, float y_angle, float z_angle)

    memcpy(m_pJoint[index].m_fRotation, pTemp, 12);

    pTemp += 12;

 

    // local translation information (float x, float y, float z)

    memcpy(m_pJoint[index].m_fPosition, pTemp, 12);

    pTemp += 12;

 

    // quantity of rotation / translation key frames

    m_pJoint[index].m_usNumRotFrames = *((unsigned short*) pTemp);

    pTemp += 2;

 

    m_pJoint[index].m_usNumTransFrames = *((unsigned short*) pTemp);

    pTemp += 2;

 

    // allocate space for keyframes

    m_pJoint[index].m_RotKeyFrames = new KeyFrame[m_pJoint[index].m_usNumRotFrames];

    m_pJoint[index].m_TransKeyFrames = new KeyFrame[m_pJoint[index].m_usNumTransFrames];

    // copy keyframe information

    memcpy(m_pJoint[index].m_RotKeyFrames, pTemp, m_pJoint[index].m_usNumRotFrames * sizeof(KeyFrame));

    pTemp += m_pJoint[index].m_usNumRotFrames * sizeof(KeyFrame);

    memcpy(m_pJoint[index].m_TransKeyFrames, pTemp, m_pJoint[index].m_usNumTransFrames * sizeof(KeyFrame));

    pTemp += m_pJoint[index].m_usNumTransFrames * sizeof(KeyFrame);

 

}

附录：

1、骨骼动画，ms3d格式讲解，示例代码下载

http://www.163disk.com/fileview_325633.html