骨骼动画

骨骼动画是计算机动画中的一种技术，其中将角色分为两个部分：用于绘制角色的表面表示（称为网格或蒙皮）和一组互连的部分骨骼，并共同形成骨骼或装备，这是一种用于对网格进行动画处理（姿势和关键帧）的虚拟骨架。尽管此技术通常用于给人类和其他有机人物制作动画，但它只能使动画过程更直观，并且可以使用相同的技术来控制任何物体的变形。当动画对象比例如人形角色更笼统时，“骨骼”集可能不是分层的或相互关联的，而只是表示对其影响的网格部分运动的更高层次的描述。

1988年，Nadia Magnenat Thalmann、RichardLaperrière和Daniel Thalmann引入了该技术。该技术几乎用于所有动画系统，在这些系统中，简化的用户界面允许动画制作人员控制通常复杂的算法和大量几何图形；最值得注意的是通过逆向运动学和其他“目标导向”技术。但是，原则上，该技术的目的绝不是模仿真实的解剖结构或物理过程，而只是控制网格数据的变形。

如Josh Petty的说明文章所述：

索具使我们的角色能够移动。装配过程是我们使用数字雕塑，然后开始构建骨骼、肌肉，并将皮肤附着到角色上，并且还创建了一组动画控件，动画师使用这些控件来推动和拉动身体周围。

通过构造一系列骨骼（不需要与任何现实世界的解剖特征相对应）来使用此技术，有时也称为名词意义上的索具。每个骨骼都有默认绑定姿势（包括其位置，比例和方向）和可选父骨骼的三维转换。因此，骨骼形成了等级结构。子节点的完整变换是其父变换与自己的变换的乘积。因此，移动大腿骨也会移动小腿。角色动画化后，骨骼会在某些动画控制器的影响下随时间改变其变形。钻机通常由两者组成可能彼此相互作用的正向运动学和逆向运动学部分。骨骼动画是指钻机的前向运动学部分，其中完整的骨骼配置集可标识xxx的姿势。

在称为蒙皮的过程中，骨骼中的每个骨骼都与角色的视觉表示的某些部分相关联。在最常见的多边形网格字符情况下，骨骼与一组顶点相关联。例如，在人的模型中，大腿的骨骼将与构成模型大腿中多边形的顶点相关联。角色皮肤的某些部分通常可以与多块骨骼相关联，每块骨骼都有一个比例因子，称为“ 顶点权重 ”或“ 混合权重”。因此，在两个骨骼的关节附近皮肤的运动可能会受到两个骨骼的影响。在大多数国家的最先进的图形引擎，该剥皮过程是在上完成GPU多亏了着色器程序。

对于多边形网格，每个顶点可以具有每个骨骼的混合权重。为了计算顶点的最终位置，为每个骨骼创建一个转换矩阵，将其应用于顶点时，首先将顶点放入骨骼空间中，然后将其放回网格空间中。将矩阵应用于顶点后，将按其相应的权重进行缩放。此算法称为矩阵调色板蒙皮或线性混合蒙皮^[4]，因为一组骨骼变换（存储为变换矩阵）形成了调色板，供皮肤顶点选择。

• 骨骼代表一组顶点（或代表某些事物的其他对象，例如腿）
  • 动画师需要控制较少的模型特征，
    • 动画师可以专注于大型运动，
  • 骨骼可以独立移动。
• 动画可以通过骨骼的简单移动来定义，而不是逐个顶点地定义（在多边形网格的情况下）。

• 骨骼仅代表一组顶点（或其他一些精确定义的对象），而不是抽象的或概念性的。
  • 不提供逼真的肌肉运动和皮肤运动。该问题的可能解决方案：
    • 附着在骨骼上的特殊肌肉控制器。
    • 咨询生理学专家，以更全面的虚拟解剖模拟来提高肌肉骨骼现实的准确性。

骨骼动画是长时间（通常超过100帧）的动画人物或机械对象的标准方法。它是视频游戏艺术家和电影行业中常用的，也可以应用于机械对象以及由刚性元素和关节组成的任何其他对象。

性能捕获（或运动捕获）可以加快骨骼动画的开发时间，并提高真实感。

对于过于危险而无法捕捉性能的运动，有一些计算机仿真可以自动计算骨骼骨架的运动和阻力物理量。可以添加虚拟解剖属性，例如四肢重量、肌肉反应、骨骼强度和关节约束，以实现被称为虚拟特技的逼真的弹跳、​​屈曲、骨折和翻滚效果。但是，虚拟解剖模拟还有其他应用，例如紧急情况响应、救援人员、乘客和行人可以用于培训、虚拟工程和设备虚拟测试。虚拟解剖技术可以与人工智能相结合，以进一步增强动画和仿真技术。