第八课：引擎中的动画技术基础

动画系统简介

Humans have been trying to represent object in motion

视觉残留

Challenges in Game Animation

• Interactive and dynamic animation

  • Interactive with game play

• Real-time

  • Compute per frame

  • Massive

• Realism 真实感

  • 表情

  • 物理真实

  • Motion Matching

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Outline of Animation system

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2D Animation

Sprite animation

• 2D character

  • sprite on 2D background image

  • sprite on top of 3D rendered environment

• Game effect

  • sprite sheet texture for particles

Live 2D

A technology to generate 2D animation without 3D model

• By applying translation, rotation and transformation to different parts and layers of image

• Combined with real-time motion capture, could be used for vtubing

3D Animation Techniques in Game

DoF : Degrees of Freedom

refers to the number of independent variables or parameters of a system

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Rigid Hierarchical Animation

层级骨骼动画

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Per-vertex Animation

顶点动画

可以使用纹理进行存储，存储顶点的位移和旋转

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Morph Target Animation

顶点影响权重的动画

key frame lerp

3D Skinned Animation

骨骼蒙皮动画，每个皮肤上的顶点受到多个骨骼的加权影响

2D Skinned Animation

Derived from 3D skinned animation

Physics-based Animation

• Ragdoll

• Cloth and Fluid simulation

• Inverse Kinematics

Animation Content Creation

• Digital Content Creator + Animator

• Motion Capture

Skinned Animation Implementation

How to Animate a Mesh

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Different Space

空间变换可能会有 6 个自由度的变化

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Skeleton for Creatures

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Joint vs Bone

• Joint : directly manipulated by the animator to control motion

• empty space between the joints

Humaniod Skeleton in Real Game

有时把衣服也做成 skin mesh 对骨骼蒙皮

Joints for Game Play

• Weapon joint 武器绑定的骨骼

• Mount joint 骑乘的骨骼

Where to Start th Skeleton

• Root Joint

  • The center of the model

• Pelvis joint

  • 尾椎骨骼

  • The first child joint of the root joint

Bind Animation for Objects

Bind Pose - T-pose vs. A-pose

T-pose 肩膀皮肤会被挤压，A-pose 现在更加适合

Skeleton Pose

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Math of 3D Rotation

2D Orientation Math

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3D Orientation Math

Eular Angle

欧拉角

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可以用航空术语表示

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1. 从三个维度分别旋转，注意是当一个旋转完成后，在当前的坐标系下进行下个维度的旋转

2. Yaw-Pitch-Roll 分别对应 z，x，y

Con

1. 是顺序依赖的，调换 z，x，y 旋转计算顺序，将会导致旋转的结果不同

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1. Gimbal Lock 万向节

2. 欧拉角的退化情况，

   1. 当沿 xyz 旋转，其中 y 为 90° 的时候，z 轴与一开始的 x 轴共轴，两者旋转方向一致，只有他们旋转的差值才有意义了

3. 插值不好算

4. 旋转叠加困难

5. 没法直接使用一个任意向量进行旋转

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Quaternion

四元数

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四元数方便用于

1. 逆向旋转

2. 旋转叠加

3. 向量间的旋转差

4. 向量对给定轴的旋转

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蒙皮动画的实现：关节和蒙皮

Skinning

• Skinning Matrix

• Skinning Matrix Palete

• Representing a Skeleton in Memory

Clip

clip : asequence of skeleton poses,动作序列

interpolation between poses

linear interpolation (LERP)

quaternion interpolation

旋转插值是在线性插值基础上加向量归一化

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需要选择最短路径插值

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插值时圆弧上移动速度不一致

SLERP : Uniform Rotation Interpolation

夹角的角度插值

SLERP 比较费，在比较明显的地方用 SLERP，不明显用 NLERP

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实时动画系统

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Animation Compression

动画压缩

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动画一秒要存 30 帧，数据量大

大部分骨骼在 LocalSpace 数据是不变的，同时大部分数据是旋转。

Keyframe

通过不均等的某些帧的关键帧，插值采样出当前帧数据

Catmull-Rom Spline

线性插值不平滑，使用样条曲线插值来使插值出来的结果平滑

Float Quatization

浮点数需要 32 位，可以使用 16 位的定点数来代替这个浮点数。

Error Propagation

压缩后由于每个 LocalPostion 都有精度问题，所以传到骨骼末端误差很大

Animation DCC Process

• 动画制作流程，Lowpoly mesh 做动画，

• 关节需要额外顶顶点，防止网格变形

• 骨骼绑定，加武器骨骼，

• 蒙皮，自动蒙皮