Directx 11骨骼动画

Question

Directx 11骨骼动画

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我对骨骼动画感到困惑。我已经阅读了一些相关内容，但仍有一件事我不明白。这是我的结论：我看到了3种用骨骼来给网格添加动画的方式：

1. 我有一个包含顶点、顶点缓冲区、索引缓冲区、纹理着色器和变换矩阵的网格类。我可以为每个骨骼使用一个类，并添加权重，这样很容易对模型进行动画处理。但这意味着使用了太多内存，因为某些存储的东西只需要使用一次。

2. 使用顶点着色器。在输入顶点参数中添加权重和骨骼索引，并使用矩阵数组作为全局变量，所以在着色器中我只需要使用骨骼的矩阵即可。这个解决方案对我来说似乎更有效，但我记得在DirectX 11教程（来自Rastertek）中他说HLSL应该很快，因为它被频繁使用，我认为这会太重了。无论如何，这是我将尝试的解决方案，至少要知道是否有效。

3. 对于每个骨骼使用矩阵和逆矩阵。据我所知，这是正确的方式。但这是我不理解的方式。为什么要在这里使用矩阵逆？矩阵如何与顶点“链接”？我的意思是，如果我移动右手骨骼的矩阵，那么只有右手顶点会被使用？

所以我的问题是：

1. 第二种方法可行吗？对于某些网格和动画，它是否会过于重？

2. 有人能解释一下矩阵如何与顶点相关联，为什么要使用矩阵逆？或者给我提供关于这方面的信息。

希望你能理解我的问题，因为我不确定我解释得清楚。请原谅我的英语，我尽力了。谢谢。

- Aulaulz

1个回答

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可以查看英文原文，
原文链接

- Nico Schertler · Accepted Answer

第一种方法可以处理模型中只有刚性部件的情况。但是一旦有可变形部件，就会出现孔洞或其他伪像。例如，如果您有一个手臂模型，并旋转前臂，肘部将出现一个孔洞，弯曲处会出现重叠的三角形。

至于第二种方法，我不知道您准备如何实现。像素着色器肯定不是做这个的正确位置。所有需要完成的事情都可以在顶点着色器中完成。

这就引导我们走向第三种方法。

我承认基于骨骼的动画有点棘手。让我们考虑上面的例子：由上臂和前臂组成的手臂模型。对于这个模型，我们需要两个骨骼：一个从肩膀到肘部，另一个从肘部到手部。

每个顶点应该至少与一个骨骼相关联。这是通过顶点权重完成的。假设有一些受肩膀影响的肩部顶点；肘部顶点受两个骨骼的影响，而手部顶点仅受前臂骨骼的影响。这就产生了以下权重：

bone:               | upper arm bone | forearm bone
--------------------+----------------+--------------
shoulder vertices:  |       1        |       0
elbow vertices:     |       0.5      |       0.5
hand vertices:      |       0        |       1

首先要做的是计算所有骨骼的位置和方向。每个骨骼都有一个矩阵来完成这个任务，通常由动画师负责计算这些矩阵。该矩阵将骨骼从某个参考位置放置到其当前位置。参考位置对于所有骨骼都相同，可以自由选择。

接下来要做的是计算结果顶点位置。我们知道顶点随着它们所在的骨骼一起移动。因此，我们需要在骨骼的本地坐标系中获取顶点位置。然而，通常情况下，顶点位置以绑定姿势的世界坐标给出。这就是逆矩阵的作用。它将顶点从世界空间（绑定姿势）转换为骨骼的本地空间。每个骨骼都有一个逆矩阵。

当我们在骨骼的本地坐标系中拥有顶点时，我们必须根据骨骼的运动进行变换。对于肩膀和手部顶点，这个任务很简单。我们可以使用骨骼的矩阵并将其乘以逆矩阵。

对于肘部顶点，这并不容易。事实上，有各种方法来计算变换。我们需要将两个骨骼的变换与给定的权重混合。最简单的方法是将矩阵乘以它们的权重并将它们相加。这会产生最终的变换，可以用于转换顶点位置。

步骤如下（仅适用于一个影响骨骼）：

1. 将顶点位置从绑定姿势转换为本地骨骼系统。 2. 与动画师一起计算骨骼变换矩阵。 3. 使用骨骼矩阵将顶点位置从本地骨骼系统转换为动画位置。

如果有多个影响骨骼，则必须混合矩阵。骨骼和顶点之间的链接是通过顶点权重实现的。通常，一个顶点不保存所有骨骼的权重。相反，影响骨骼的最大数量限制为4个。然后，顶点存储前4个最具影响力的骨骼的索引及其权重。