游戏引擎中的动画基础

一、动画技术简介

视觉残留理论 - 影像在我们的视网膜上残留1/24s。

游戏中动画面临的挑战：

• 交互：游戏中的玩家动画需要和场景中的物体进行交互。
• 实时：最慢需要在1/30秒内算完所有的场景渲染和动画数据。（可以用动画压缩解决）
• 真实：多个动画的融合，表情的变化。

二、2D动画技术

2.1 序列帧动画

采取多个图片切换实现2d动画效果

采取不同视角的多个图片实现3d动画效果

2.2 Live2D

将一个图片剪裁成多个图元，通过修改不同图元的位置，缩放，旋转来实现动画效果。

三、3D动画技术

3.1 DoF(自由度)

这是对于自由度的一个表达术语。比如6DOF代表能在xyz空间内进行平移和旋转。3d动画的核心就是对自由度的一个表达。

3.2 顶点动画

把每个帧的顶点的位置记下来

在做人脸的面部动画使用的也是顶点动画，不过这时的修改单个顶点的位置时会按照权重修改附近顶点的位置，这个叫做Morph Target Animation。

3.3 骨骼动画
刚体骨骼在动的时候，皮也在跟着动。是因为每个顶点是多个骨骼在动。


3.4 物理模拟动画

• 布娃娃系统
• 衣料模拟与流体模拟。
• 反向动画

四、蒙皮动画的实现

4.1 怎样制作一个蒙皮动画

1. 制作一个模型
2. 制作模型对应的骨骼
3. 绘制蒙皮，蒙皮受骨骼影响
4. 动画决定骨骼的位置
5. 骨骼根据权重决定蒙皮的位置

4.2 不同的空间

• World space: 世界坐标系
• Model space: 我自己的坐标系
• Local space: 局部坐标系，每一根骨骼的坐标系都不一样，动画系统中的某个坐标系是由其他骨骼的坐标系累算出来的。只有通过local space从根节点累算出他的模型坐标系，才能够算他的世界坐标系，然后才能够进行渲染。
  
  4.3 骨骼的创建

统一骨骼结构

骨骼与关节

Root节点

Bind point：绑定动画当两个骨骼动画绑在一起时需要这个Bind point

五、旋转的数学原理

5.1 2D旋转

5.2 3D旋转

在空间任意一点的旋转都可以分解成依次绕着每个轴旋转。

欧拉角：
在对物体进行编辑，或者摆放的时候会经常用欧拉角，但是做动画的时候无法使用欧拉角。
欧拉角的问题：
（1）严格的顺序依赖：顺序不一样，他算出来的结果不一样。
（2）万向节：万向锁
（3）很难插值
（4）旋转的叠加很难
（5）很难沿着一个固定的轴旋转。

5.3 四元数

四元数的定义如下:

欧拉角转成四元数的公式如下：

六、动画压缩技术

由于动画的数据量很大：

但是缩放和位移是不变的，大部分是rotation在变化。
所以我们可以通过以下方法来压缩动画数据存储：

6.1 较少自由度存储

6.2 关键帧

只存储几个关键帧，然后用线性插值的方法来计算中间帧，永远保证你的error小于你的阈值

6.3 浮点数
不要用浮点数来存储动画的旋转角度，因为浮点数占据的内存大，可以用整数来表达。

6.4 压缩带来的问题

• 会让这个压缩错误一直传递到错误很大。
• 不同 的骨骼对error敏感度是不一样的。