Silverlight.XNA(C#)跨平台3D游戏研发手记：(九)3D 骨骼动画

Silverlight 5和Windows Phone 7.1都已具备SL.XNA模式，这意味着我们可以在相关平台上制作高性能的3D游戏及软件产品而无需二次编码。本节，我将借助一些工具为大家讲解SL.XNA的3D实现原理，并演示如何加载并解析一个功能齐全带贴图和骨骼动画的角色模型。从今天开始，通向3D之大门正全方位为您开启！

关于传统3D游戏的原理并不是本文重点，不再赘述。我们更迫切的需要了解XNA对哪些3D格式支持以便我们可以快速的开始配置开发环境。默认的，XNA开发游戏最常用到.X和.FBX；至于其他的3D文件格式呢？比如Obj、3ds、Md2等等。其实说到底，这与2D游戏中对精灵帧图的解析原理一样，无论什么类型的3D格式，其本质不过就一树形结构文本而已，只是内容较多且相对复杂些罢了；通过之前的教程学习，相信大家都已掌握了如何解析自定义的xml文件，那么通过代码或事先编写好的工具对各类3D文件格式进行解析相信亦并非难事，然后再将之与XNA的3D API对接，从而最终达到展示模型及运行骨骼动画等功能。不难看出，XNA游戏的核心也是最关键环节便是对资源的承载与解析，我们通常称之为内容管道 (ContentPipline)，该管道提供了相应接口可随意扩展，从而达到高度自由且全方位覆盖的目的。

3D比起2D来说水深得多，因此为了效率同时也为了降低入门成本，我们完全可以通过一些网上现有资源或开源项目来获取编写好的3D模型内容管道，在此和大家分享我的经验：

1)Skinning Sample – 官方提供的XNA入门级骨骼动画演示Demo(实用度★)

这是微软官方为初学者提供的XNA解析.FBX格式骨骼动画之经典案例，从此，Dude这个名字变得家喻户晓。该源码的核心部分是以下两个类库：

然而实际情况并不乐观：我曾用它测试不下百个FBX带骨骼动画的模型，能够正确解析并正常显示的寥寥无几，尤其对骨骼数支持方面问题尤为严重。提示大家，仅作为示例学习学习便可，除非你有能力对该内容管道进行二次拓展，否则实用性极低。

2)KiloWatt Animation (实用度★★)

这是一款开源的3D骨骼动画解析示例，支持XNA4.0，但目前版本不支持Windows Phone，同时亦测试过十多款.X骨骼动画模型，支持率不高。

3)Animation Component (实用度★★★)

一位韩国3D游戏大师开发的XNA骨骼动画解析开源组件，功能还蛮全的，而且也附带了比较详细的英文教程，暂时还不支持XNA4.0和Windows Phone。

4) XNAnimation (实用度★★★)

巴西人制作的开源的高性能3D骨骼动画支持演示，据作者说将发布XNA4.0版本，可以保持关注。

5)3D FPS Source (实用度★★★)

很难得的比较完整的XNA 3D射击游戏源码，包含的知识点元素很多，只可惜同样不支持XNA4.0和Windows Phone。

6) Axiom (实用度★★★★)

作者介绍如下：

Axiom Engine is an Open-source, cross-platform 3D rendering engine for .NET and Mono licensed using the LGPL. The engine is a high-performance C# port of the powerful OGRE engine and provides full support for DirectX, OpenGL and XNA on Windows, Linux, Android, iPhone and Windows Phone.

    说实话，如果真的有作者所述之强大，其前途无可掂量；但至少来说，我暂时还未完全实验成功…

7) XNA Community (实用度★★★★)

超多的XNA各平台游戏源码分享，称其为XNA入门级开发者的福音绝不为过。比如运行于WP7平台上的劳拉RPG Demo，该源码对极复杂(各种资源混合压缩)的MD3(雷神之锤3)格式的骨骼动画解析近乎完美，运行效果非常流畅：

8)Mono (实用度★★★★★)

不用多做介绍了吧，搞.NET若不知道真可以撞墙了。Write Once Play Everywhere是MONO的终极目标，也是XNA要实现全方位跨平台的主流方法。然而，Mono却又并非微软官方所支持的解决方案，这确实是个令人纠结的技术难题。

9)Engine Nine (实用度★★★★★)

一款跨微软所有游戏平台(Windows/Xbox 360/Windows Phone 7/Silverlight)的完全开源3D项目源码(若在商业项目中用到它，请保留Engine Nine的标志，或者…这个你懂的)，包含的游戏知识面比较很广，总的来说至少可以搭建一套完整的XNA 3D RPG游戏。

综合各种对比分析，并经过大量的反复测试，最终还是觉得Engine Nine来得给力。尤其是其拓展的素材管道Nine.Content.Pipeline.dll，对Kw X-port导出的.X骨骼动画的支持效果极为出色。下面，我将就如何使用该引擎制作一款SL.XNA模式下的3D模型骨骼动画Demo详细讲解。

（一）导出骨骼动画模型.X文件

从2010版本开始，3D MAX便默认集成了对.FBX格式的导出功能；然而，若想获到.X格式，我们还是得借助比如Panda Directx Exporter或Kw X-port等插件才能实现。

安装好相应插件后我们重启3D MAX，并打开事先准备好的带骨骼动画的角色模型：

这是一款国产MMORPG中非常标准的带全套动作的女侠模型，很适合作为本节Demo的主角。在导出该模型之前，我们需要特别注意此场景中所包含的全部对象并非只有女侠一个，还包括其手中握的剑；若我们直接点击导出，此时3D MAX会将场景中的所有对象一并导出，而这样得到的.X文件解析起来难度大且没什么意义，毕竟我们得考虑到游戏设计中的换装问题。因此，我们只需选中其中的人物部分，然后点击3D MAX的“导出”->“导出选定对象”即可：

至于应该选择何种文件类型，针对Engine Nine来说，经反复测试后发现Kw X-port和Panda DirectX互补导出.X文件格式解析效果很好，下面以 Kw X-port 为例：

最后也是最关键的环节 - 设置导出参数：

常用的导出配置如上图所示，其中我们可以通过右上角的Animation窗口，对该模型的骨骼动画各关键帧进行截取封装并重新命名。比如角色走路动作动画“Walk”，在3D MAX中可以通过调整下方的时间轴获悉角色走路动画的帧区间为65-105之间：

因此，对应导出参数便是Start = 65, Len = 40。至于其他动作动画导出也依此类推。导出完毕后我们将得到1个.X文件和若干张贴图：

显而易见，该模型分为两部分贴图：头部和身体；这就意味着该模型在游戏中能实现3部分的换装：单手武器、头像和衣服。是否有种恍然大悟的感觉？没错，若想为游戏设计实现更为复杂的换装系统，比如衣服、裤子、头饰、护腕、手套、护膝，双手武器等等，则在建模的时候就必须和美术沟通清楚游戏角色方面的需求设定。

（二）配置游戏项目整体环境

按照第六节的方法创建一个新的SL.XNA游戏项目，然后在Content项目中将刚才导出的3个文件加载进去（置于Model文件夹下）：

是不是觉得这两张贴图文件的文件名不太好记？OK，我们双击Woman.X进入其神秘的内部，搜索一下“NP134_01.BMP”，发现它俩正好都处于文件的最尾部：

嘿嘿，至于如何处理不用我再多说了吧？

文件就位，剩下的便是解析，终于轮到Engine Nine上场了。

我们首先为Content项目添加拓展的素材管道引用，位于Engine Nice/References/x86/Nine.Content.Pipeline.dll。之后，右键点击Woman.X->属性->设置内容处理器为“Model– Engine Nine”：

接下来，在游戏项目中添加对Engine Nine/References/Windows Phone/下的Nine.dll和Nice.Graphics.dll的引用：

至此，我们便完成了整体环境的配置工作。

（三）加载并解析骨骼动画模型

万事俱备，终于可以大施拳脚。

1）加载模型、网格及骨骼的方法代码：

 

加载武器和身体模型、骨骼动画

         string _BodyAssetName;
         ///   <summary>
         ///  获取或设置身体模型资产名称
         ///   </summary>
         public  string BodyAssetName {
             get {  return _BodyAssetName; }
             set {
                _BodyAssetName = value;
                 // 加载模型资产,检索是否匹配拓展的模型处理管道,并尝试添加该模型的骨骼蒙皮动画等信息
                body = contentManager.Load<Model>(value);
                bodyGeometry = contentManager.Load<Geometry>( string.Format( " {0}Geometry ", value));
                bodySkeleton =  new ModelSkeleton(body);
            }
        }

         string _WeaponAssetName;
         ///   <summary>
         ///  获取或设置武器模型资产名称
         ///   </summary>
         public  string WeaponAssetName {
             get {  return _WeaponAssetName; }
             set {
                _WeaponAssetName = value;
                weapon = contentManager.Load<Model>(value);
            }

 

2）动态切换各部位贴图的方法代码(注意Meshes和MeshParts所对应的模型部位)：

 

脸部和身体切换贴图

         string _FaceTextureName;
         ///   <summary>
         ///  获取或设置脸部纹理贴图资产名称
         ///   </summary>
         public  string FaceTextureName {
             get {  return _FaceTextureName; }
             set {
                _FaceTextureName = value;
                (body.Meshes[ 0].MeshParts[ 0].Effect  as BasicEffect).Texture = contentManager.Load<Texture2D>(value);
            }
        }

         string _BodyTextureName;
         ///   <summary>
         ///  获取或设置身体纹理贴图资产名称
         ///   </summary>
         public  string BodyTextureName {
             get {  return _BodyTextureName; }
             set {
                _BodyTextureName = value;
                (body.Meshes[ 0].MeshParts[ 1].Effect  as BasicEffect).Texture = contentManager.Load<Texture2D>(value);
            }

 

3）播放单个骨骼动画的方法代码(可通过名称或序号播放相应骨骼动画)：

 

播放独立骨骼动画

         ///   <summary>
         ///  播放独立骨骼动画
         ///   </summary>
         ///   <param name="name"> 动画名称 </param>
         public  void PlayAnimation( string name) {
            BoneAnimation animation =  new BoneAnimation(bodySkeleton, body.GetAnimation(name)) {
                BlendDuration = TimeSpan.FromSeconds( 1)  // 不同骨骼动画切换时的过度连贯平滑性,若为0则无过度
            };
            animationPlayer[ 0].Play(animation);  // animationPlayer分别对不同动画进行播放,若[n]值相同，则会相互干扰

 

4）播放组合骨骼动画的方法代码(比如魔兽世界中，角色便跑动，便施法，还便转头；这里面涉及的技巧很多，但Engine Nine很给力)：

 

播放组合动画

         ///   <summary>
         ///  播放两组(上下半身)融合骨骼动画
         ///   </summary>
         ///   <param name="upperBodyAnimationName"> 上半身行为动画名 </param>
         ///   <param name="lowerBodyAnimationName"> 下半身行为动画名 </param>
         public  void PlayAnimation( string upperBodyAnimationName,  string lowerBodyAnimationName) {
            BoneAnimationController upperBody =  new BoneAnimationController(body.GetAnimation(upperBodyAnimationName));
            BoneAnimationController lowerBody =  new BoneAnimationController(body.GetAnimation(lowerBodyAnimationName)) { Speed =  0.9f };

            BoneAnimation animation =  new BoneAnimation(bodySkeleton) { BlendDuration = TimeSpan.FromSeconds( 1) };
            animation.Controllers.Add(upperBody);
            animation.Controllers.Add(lowerBody);

             // 根据模型实际情况,分上下半身处理两组骨骼动画的融合
             // 比如奔跑+暗器,取上半身暗器骨骼动画显示,取下半身奔跑骨骼动画显示
            animation.Controllers[upperBody].Disable( " root ",  false);
            animation.Controllers[upperBody].Disable( " LThigh ",  true);
            animation.Controllers[upperBody].Disable( " RThigh ",  true);

            animation.Controllers[lowerBody].Disable( " LPelvis ",  false);
            animation.Controllers[lowerBody].Disable( " RPelvis ",  false);
            animation.Controllers[lowerBody].Disable( " RCollar ",  true);

            animation.KeyController = lowerBody;  // 以下半身动画为主
            animation.IsSychronized =  true;  // 是否同步

            animationPlayer[ 0].Play(animation);

 

5）绘制真实影子的方法代码(这是最简单的实现方案，但不是最好的)：

 

绘制模型蒙皮动画(包含影子)

         ///   <summary>
         ///  绘制模型蒙皮动画
         ///   </summary>
         ///   <param name="modelBatch"></param>
         ///   <param name="world"></param>
         public  void DrawSkinnedModel(GameTimerEventArgs e, ModelBatch modelBatch, Matrix world) {
             if (BodyAssetName !=  string.Empty) {
                 // 绘制身体骨骼
                modelBatch.DrawSkinned(body, world, bodySkeleton.GetSkinTransforms(), bodyEffect);
                 if (ShowShadow) {
                     // 绘制身体影子
                    modelBatch.DrawSkinned(body, world * shadow * Matrix.CreateTranslation( new Vector3(- 17, - 17, - 18)), bodySkeleton.GetSkinTransforms(), bodyShadow);
                }
            }
             if (WeaponAssetName !=  string.Empty) {
                 // 绘制武器模型
                modelBatch.Draw(weapon, bodySkeleton.GetAbsoluteBoneTransform( " Rfinger ") * world, weaponEffect);  // 把武器模型附加在手的位置(注:"Rfinger"为模型中手的名称)
                 if (ShowShadow) {
                     // 绘制武器影子
                    modelBatch.Draw(weapon, bodySkeleton.GetAbsoluteBoneTransform( " Rfinger ") * world * shadow * Matrix.CreateTranslation( new Vector3(- 17, - 17, - 18)), weaponShadow);
                }
            }

 

 最后还需要注意一点，关于如何将武器匹配到模型骨骼动画手的位置(实现武器切换功能)，代码中我们这样写：modelBatch.Draw(weapon, bodySkeleton.GetAbsoluteBoneTransform("Rfinger") * world, weaponEffect);其中“Rfinger”即对应该模型的右手指部件(当然，实际中应该至于手心处，这个需要和美术沟通好)：

 

    总体来说，Engine Nine封装了对.X文件相当完美的骨骼动画解析，就连动画之间的平滑过渡都做得精致到位(BoneAnimation的BlendDuration 参数)，就目前来说，足以满足绝大多数手游或页游的3D游戏设计需求。

以下是本节Demo源码下载地址(之后章节将以Windows Phone平台为主，暂时不再提供Silverlight移植版本，开发者们可根据需要自行移植，非常简单)：

Windows Phone版本

Silverlight版本(在线演示)

手记小结：目前的Windows Phone平台不支持自定义着色器(电池寿命问题？)，这意味着我们只能使用比如BasicEffect和SkinnedEffect等内置的Shader。而基于浏览器的Silverlight则只能在受信任开启显卡支持的条件下使用3D功能(基于客户端操作系统/显卡等环境因素影响考虑)。虽然依旧存在诸多的不完善，但WP8和WIN8的强劲再一次让我满怀信心；好比本节通过3D MAX + Kw X-port +  Panda Directx Exporter + Engine Nine + SL.XNA构建的极具实用价值的高性能跨平台3D骨骼动画游戏案例，作为向3D进军的第一声号角，谁都无法阻挡我们勇往直前的脚步！

推荐参考：Nowpaper和Williams关于Windows Phone的游戏开发博客。