幀動(dòng)畫和骨骼動(dòng)畫課件

模型和動(dòng)畫單有場景是不行的，游戲中還存在有大量活動(dòng)的游戲物體。模型是用以描述這些游戲物體的外在表現(xiàn)的技術(shù)。模型和動(dòng)畫單有場景是不行的，游戲中還存在有大量活動(dòng)的游戲物體1動(dòng)畫類型在早期的機(jī)器上，渲染本身已經(jīng)占用了很多CPU資源，因此，對(duì)于渲染，往往采取的是一種空間換時(shí)間的策略，以避免在模型的渲染中繼續(xù)加重CPU的負(fù)擔(dān)。幀動(dòng)畫模型在這種條件下應(yīng)運(yùn)而生。比較著名的幀動(dòng)畫格式是Quake2所采用的MD2。到今天為止，幀動(dòng)畫依然存在，只不過幀動(dòng)畫更多地是來描述小且動(dòng)作相對(duì)少些的物體。動(dòng)畫類型在早期的機(jī)器上，渲染本身已經(jīng)占用了很多CPU資源，因2動(dòng)畫類型GPU出現(xiàn)后，CPU的問題早已不像以前那么突出，一些新的手段和技術(shù)也可以被應(yīng)用進(jìn)來了。骨骼動(dòng)畫相對(duì)于幀動(dòng)畫而言，更加靈活多變，但同時(shí)，骨骼動(dòng)畫需要更多的計(jì)算量，因此骨骼動(dòng)畫往往應(yīng)用在需要著重體現(xiàn)動(dòng)作細(xì)節(jié)的模型中。動(dòng)畫類型GPU出現(xiàn)后，CPU的問題早已不像以前那么突出，一些3幀動(dòng)畫原理將每幀所需要的所有頂點(diǎn)的：

頂點(diǎn)位置

法線或頂點(diǎn)顏色

紋理坐標(biāo)

等信息全部存儲(chǔ)下來，在渲染的時(shí)候逐幀播放或插值播放，這就是幀動(dòng)畫的原理。幀動(dòng)畫原理將每幀所需要的所有頂點(diǎn)的：

頂點(diǎn)位置

法線或頂點(diǎn)顏4幀動(dòng)畫原理幀動(dòng)畫序列（Sequence）表序列序列名開始幀延續(xù)幀數(shù)幀表所有幀的數(shù)組幀頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)其他用于渲染幀動(dòng)畫原理幀動(dòng)畫序列（Sequence）表序列序列名開始幀延5幀動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)：MD2研究MD2能發(fā)現(xiàn)很多“舊社會(huì)”的痕跡。幀動(dòng)畫的原理很簡單，但是MD2卻比較復(fù)雜，這中間主要是因?yàn)镸D2的數(shù)據(jù)組織帶有很濃烈的Quake2時(shí)代氣息，而對(duì)于現(xiàn)在新的硬件技術(shù)，這種氣息無疑有些過時(shí)。但作為最經(jīng)典的幀動(dòng)畫格式之一，MD2相對(duì)而言還是比較具有代表性的。幀動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)：MD2研究MD2能發(fā)現(xiàn)很多“舊社會(huì)”的痕跡。6骨骼動(dòng)畫骨骼動(dòng)畫技術(shù)后于幀動(dòng)畫技術(shù)出現(xiàn)。最開始，骨骼動(dòng)畫僅用于非實(shí)時(shí)渲染的建模領(lǐng)域，如3DMax這類建模軟件之中，以方便美工的建模。后來，CPU從渲染中解放后，骨骼動(dòng)畫才用于實(shí)時(shí)渲染的游戲中。骨骼動(dòng)畫骨骼動(dòng)畫技術(shù)后于幀動(dòng)畫技術(shù)出現(xiàn)。7骨骼動(dòng)畫原理骨骼動(dòng)畫的想法來源于人體骨骼。例如說，人的上肢所有肌肉和皮膚都受上肢骨胳的影響，而人的踝關(guān)節(jié)則分別承受小腿骨胳和腳骨的影響。根據(jù)這個(gè)我們可以將骨骼動(dòng)畫理解為兩個(gè)概念：

骨骼：用以控制蒙皮的一種抽象的概念，如人體骨骼控制皮膚。

蒙皮：被骨骼控制、并顯示在外的因素，如人體的皮膚被骨骼所影響。骨骼動(dòng)畫原理骨骼動(dòng)畫的想法來源于人體骨骼。8骨骼動(dòng)畫原理：蒙皮（SKINMESH）在最終的渲染結(jié)果中，蒙皮將完全顯示出來，蒙皮實(shí)際上就是頂點(diǎn)、法線和紋理坐標(biāo)等將被渲染的元素。而其中，最關(guān)鍵的當(dāng)然是頂點(diǎn)，頂點(diǎn)將直接被骨頭牽扯運(yùn)動(dòng)，因而使得整個(gè)模型呈現(xiàn)骨骼所決定的樣子。骨骼動(dòng)畫原理：蒙皮（SKINMESH）在最終的渲染結(jié)果中，蒙9骨骼動(dòng)畫原理：骨骼（SKELETON）骨骼是一種抽象的概念，在最終的渲染結(jié)果中，它不可見。類如人體骨骼、骨骼是若干骨頭（Bone）成樹狀的集合體，而每塊骨頭又分別與若干數(shù)量的蒙皮頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)。當(dāng)骨頭運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，與之關(guān)聯(lián)的所有蒙皮頂點(diǎn)也會(huì)受骨骼的影響而運(yùn)動(dòng)。骨骼動(dòng)畫原理：骨骼（SKELETON）骨骼是一種抽象的概念，10骨骼動(dòng)畫原理：權(quán)重骨頭與蒙皮頂點(diǎn)的關(guān)聯(lián)需要考慮到每塊骨頭對(duì)蒙皮頂點(diǎn)的影響。

盡管大部分情況下，一個(gè)頂點(diǎn)將僅僅被一個(gè)骨頭的影響，但是關(guān)節(jié)處的頂點(diǎn)往往被多根骨頭影響，例如踝關(guān)節(jié)，可能會(huì)分別受小腿骨50％和腳骨50％的影響，這種影響叫作權(quán)重（Weight）。在這種情況下，我們稱踝關(guān)節(jié)的這些頂點(diǎn)，受小腿骨影響的權(quán)重是50％，受腳骨影響的權(quán)重也是50％。骨骼動(dòng)畫原理：權(quán)重骨頭與蒙皮頂點(diǎn)的關(guān)聯(lián)需要考慮到每塊骨頭對(duì)蒙11骨骼動(dòng)畫原理：算法骨頭究竟如何對(duì)頂點(diǎn)施加影響呢？現(xiàn)實(shí)世界中，每一塊骨頭都可以位移、旋轉(zhuǎn)，受這些骨頭影響的表皮細(xì)胞也會(huì)跟隨骨頭同時(shí)按權(quán)重做位移、旋轉(zhuǎn)。在3D中，這種影響對(duì)于蒙皮頂點(diǎn)而言也是一樣的。骨骼動(dòng)畫原理：算法骨頭究竟如何對(duì)頂點(diǎn)施加影響呢？12骨骼動(dòng)畫原理：算法看最簡單的情況，骨頭A對(duì)頂點(diǎn)1的影響是100％。這時(shí)候，如果骨頭A平移（10，10），那么1同樣平移（10，10）。如果A以自身坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)30度，1同樣應(yīng)該以此骨頭的自身坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)30度。A1A1A1A1A1骨骼動(dòng)畫原理：算法看最簡單的情況，骨頭A對(duì)頂點(diǎn)1的影響是1013骨骼動(dòng)畫原理：算法那么實(shí)際上，每根骨頭最終將被換算成一個(gè)矩陣，這個(gè)矩陣記錄了旋轉(zhuǎn)，平移信息，我們用這個(gè)矩陣來對(duì)蒙皮頂點(diǎn)進(jìn)行影響。在骨頭中，一般使用四元數(shù)來獲得旋轉(zhuǎn)時(shí)的精確性，這樣，骨頭一般記錄表示旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)和表示位移的一個(gè)矢量，最后，將四元數(shù)和矢量換算成骨頭的矩陣，并用頂點(diǎn)與這個(gè)矩陣乘法以進(jìn)行影響。骨骼動(dòng)畫原理：算法那么實(shí)際上，每根骨頭最終將被換算成一個(gè)矩陣14骨骼動(dòng)畫原理：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影響哪些頂點(diǎn)

以及分別的權(quán)重骨頭平移矢量旋轉(zhuǎn)四元數(shù)最終影響矩陣蒙皮頂點(diǎn)位置頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)……骨頭之間的樹形關(guān)系骨骼骨骼動(dòng)畫模型骨骼蒙皮渲染細(xì)節(jié)其他，材質(zhì)等共同生成影響矩陣根據(jù)權(quán)重、使用最終影響矩陣來改變頂點(diǎn)位置骨骼管理骨頭之間的相互關(guān)系骨骼動(dòng)畫原理：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影響哪些頂點(diǎn)

以及分別的權(quán)重骨頭平移矢15骨骼動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)：MDLMDL是比較經(jīng)典的骨骼動(dòng)畫格式，由于CS的成功而被追捧。但是，平心而論，MDL并不是一個(gè)易于理解和編碼的文件格式，比起MD2來，MDL的格式更為棘手，帶有相當(dāng)明顯的OpenGL社群印記和明顯的軟件TnL時(shí)代（通過軟件計(jì)算光照）印記。換句話，充斥著大量不必要的信息。骨骼動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)：MDLMDL是比較經(jīng)典的骨骼動(dòng)畫格式，由于CS16總結(jié)世界上有成百上千種文件格式，但是萬變不離其宗，要重點(diǎn)理解骨骼動(dòng)畫的原理、核心算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)世界上有成百上千種文件格式，但是萬變不離其宗，要重點(diǎn)理解17精品課件！精品課件！18精品課件！精品課件！19作業(yè)無明天由大家自己吸收MD2和MDL文件讀取的代碼。作業(yè)無20模型和動(dòng)畫單有場景是不行的，游戲中還存在有大量活動(dòng)的游戲物體。模型是用以描述這些游戲物體的外在表現(xiàn)的技術(shù)。模型和動(dòng)畫單有場景是不行的，游戲中還存在有大量活動(dòng)的游戲物體21動(dòng)畫類型在早期的機(jī)器上，渲染本身已經(jīng)占用了很多CPU資源，因此，對(duì)于渲染，往往采取的是一種空間換時(shí)間的策略，以避免在模型的渲染中繼續(xù)加重CPU的負(fù)擔(dān)。幀動(dòng)畫模型在這種條件下應(yīng)運(yùn)而生。比較著名的幀動(dòng)畫格式是Quake2所采用的MD2。到今天為止，幀動(dòng)畫依然存在，只不過幀動(dòng)畫更多地是來描述小且動(dòng)作相對(duì)少些的物體。動(dòng)畫類型在早期的機(jī)器上，渲染本身已經(jīng)占用了很多CPU資源，因22動(dòng)畫類型GPU出現(xiàn)后，CPU的問題早已不像以前那么突出，一些新的手段和技術(shù)也可以被應(yīng)用進(jìn)來了。骨骼動(dòng)畫相對(duì)于幀動(dòng)畫而言，更加靈活多變，但同時(shí)，骨骼動(dòng)畫需要更多的計(jì)算量，因此骨骼動(dòng)畫往往應(yīng)用在需要著重體現(xiàn)動(dòng)作細(xì)節(jié)的模型中。動(dòng)畫類型GPU出現(xiàn)后，CPU的問題早已不像以前那么突出，一些23幀動(dòng)畫原理將每幀所需要的所有頂點(diǎn)的：

頂點(diǎn)位置

法線或頂點(diǎn)顏色

紋理坐標(biāo)

等信息全部存儲(chǔ)下來，在渲染的時(shí)候逐幀播放或插值播放，這就是幀動(dòng)畫的原理。幀動(dòng)畫原理將每幀所需要的所有頂點(diǎn)的：

頂點(diǎn)位置

法線或頂點(diǎn)顏24幀動(dòng)畫原理幀動(dòng)畫序列（Sequence）表序列序列名開始幀延續(xù)幀數(shù)幀表所有幀的數(shù)組幀頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)其他用于渲染幀動(dòng)畫原理幀動(dòng)畫序列（Sequence）表序列序列名開始幀延25幀動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)：MD2研究MD2能發(fā)現(xiàn)很多“舊社會(huì)”的痕跡。幀動(dòng)畫的原理很簡單，但是MD2卻比較復(fù)雜，這中間主要是因?yàn)镸D2的數(shù)據(jù)組織帶有很濃烈的Quake2時(shí)代氣息，而對(duì)于現(xiàn)在新的硬件技術(shù)，這種氣息無疑有些過時(shí)。但作為最經(jīng)典的幀動(dòng)畫格式之一，MD2相對(duì)而言還是比較具有代表性的。幀動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)：MD2研究MD2能發(fā)現(xiàn)很多“舊社會(huì)”的痕跡。26骨骼動(dòng)畫骨骼動(dòng)畫技術(shù)后于幀動(dòng)畫技術(shù)出現(xiàn)。最開始，骨骼動(dòng)畫僅用于非實(shí)時(shí)渲染的建模領(lǐng)域，如3DMax這類建模軟件之中，以方便美工的建模。后來，CPU從渲染中解放后，骨骼動(dòng)畫才用于實(shí)時(shí)渲染的游戲中。骨骼動(dòng)畫骨骼動(dòng)畫技術(shù)后于幀動(dòng)畫技術(shù)出現(xiàn)。27骨骼動(dòng)畫原理骨骼動(dòng)畫的想法來源于人體骨骼。例如說，人的上肢所有肌肉和皮膚都受上肢骨胳的影響，而人的踝關(guān)節(jié)則分別承受小腿骨胳和腳骨的影響。根據(jù)這個(gè)我們可以將骨骼動(dòng)畫理解為兩個(gè)概念：

骨骼：用以控制蒙皮的一種抽象的概念，如人體骨骼控制皮膚。

蒙皮：被骨骼控制、并顯示在外的因素，如人體的皮膚被骨骼所影響。骨骼動(dòng)畫原理骨骼動(dòng)畫的想法來源于人體骨骼。28骨骼動(dòng)畫原理：蒙皮（SKINMESH）在最終的渲染結(jié)果中，蒙皮將完全顯示出來，蒙皮實(shí)際上就是頂點(diǎn)、法線和紋理坐標(biāo)等將被渲染的元素。而其中，最關(guān)鍵的當(dāng)然是頂點(diǎn)，頂點(diǎn)將直接被骨頭牽扯運(yùn)動(dòng)，因而使得整個(gè)模型呈現(xiàn)骨骼所決定的樣子。骨骼動(dòng)畫原理：蒙皮（SKINMESH）在最終的渲染結(jié)果中，蒙29骨骼動(dòng)畫原理：骨骼（SKELETON）骨骼是一種抽象的概念，在最終的渲染結(jié)果中，它不可見。類如人體骨骼、骨骼是若干骨頭（Bone）成樹狀的集合體，而每塊骨頭又分別與若干數(shù)量的蒙皮頂點(diǎn)關(guān)聯(lián)。當(dāng)骨頭運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，與之關(guān)聯(lián)的所有蒙皮頂點(diǎn)也會(huì)受骨骼的影響而運(yùn)動(dòng)。骨骼動(dòng)畫原理：骨骼（SKELETON）骨骼是一種抽象的概念，30骨骼動(dòng)畫原理：權(quán)重骨頭與蒙皮頂點(diǎn)的關(guān)聯(lián)需要考慮到每塊骨頭對(duì)蒙皮頂點(diǎn)的影響。

盡管大部分情況下，一個(gè)頂點(diǎn)將僅僅被一個(gè)骨頭的影響，但是關(guān)節(jié)處的頂點(diǎn)往往被多根骨頭影響，例如踝關(guān)節(jié)，可能會(huì)分別受小腿骨50％和腳骨50％的影響，這種影響叫作權(quán)重（Weight）。在這種情況下，我們稱踝關(guān)節(jié)的這些頂點(diǎn)，受小腿骨影響的權(quán)重是50％，受腳骨影響的權(quán)重也是50％。骨骼動(dòng)畫原理：權(quán)重骨頭與蒙皮頂點(diǎn)的關(guān)聯(lián)需要考慮到每塊骨頭對(duì)蒙31骨骼動(dòng)畫原理：算法骨頭究竟如何對(duì)頂點(diǎn)施加影響呢？現(xiàn)實(shí)世界中，每一塊骨頭都可以位移、旋轉(zhuǎn)，受這些骨頭影響的表皮細(xì)胞也會(huì)跟隨骨頭同時(shí)按權(quán)重做位移、旋轉(zhuǎn)。在3D中，這種影響對(duì)于蒙皮頂點(diǎn)而言也是一樣的。骨骼動(dòng)畫原理：算法骨頭究竟如何對(duì)頂點(diǎn)施加影響呢？32骨骼動(dòng)畫原理：算法看最簡單的情況，骨頭A對(duì)頂點(diǎn)1的影響是100％。這時(shí)候，如果骨頭A平移（10，10），那么1同樣平移（10，10）。如果A以自身坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)30度，1同樣應(yīng)該以此骨頭的自身坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)30度。A1A1A1A1A1骨骼動(dòng)畫原理：算法看最簡單的情況，骨頭A對(duì)頂點(diǎn)1的影響是1033骨骼動(dòng)畫原理：算法那么實(shí)際上，每根骨頭最終將被換算成一個(gè)矩陣，這個(gè)矩陣記錄了旋轉(zhuǎn)，平移信息，我們用這個(gè)矩陣來對(duì)蒙皮頂點(diǎn)進(jìn)行影響。在骨頭中，一般使用四元數(shù)來獲得旋轉(zhuǎn)時(shí)的精確性，這樣，骨頭一般記錄表示旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)和表示位移的一個(gè)矢量，最后，將四元數(shù)和矢量換算成骨頭的矩陣，并用頂點(diǎn)與這個(gè)矩陣乘法以進(jìn)行影響。骨骼動(dòng)畫原理：算法那么實(shí)際上，每根骨頭最終將被換算成一個(gè)矩陣34骨骼動(dòng)畫原理：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影響哪些頂點(diǎn)

以及分別的權(quán)重骨頭平移矢量旋轉(zhuǎn)四元數(shù)最終影響矩陣蒙皮頂點(diǎn)位置頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)……骨頭之間的樹形關(guān)系骨骼骨骼動(dòng)畫模型骨骼蒙皮渲染細(xì)節(jié)其他，材質(zhì)等共同生成影響矩陣根據(jù)權(quán)重、使用最終影響矩陣來改變頂點(diǎn)位置骨骼管理骨頭之間的相互關(guān)系骨骼動(dòng)畫原理：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影響哪些頂點(diǎn)

以及分別的權(quán)重骨頭平移矢35骨骼動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)：MDLMDL是比較經(jīng)典的骨骼動(dòng)畫格式，由于CS的成功而被追捧。但是，平心而論，MDL并不是一個(gè)易于理解和編碼的文件格