Games104现代游戏引擎入门-lecture8 游戏引擎的动画技术基础

1 动画的历史

影像在我们的视网膜上残留1/24s。

西洋镜

游戏动画的基础都是来源于电影行业。不断逼近于离线 渲染的效果。
zafari是第一部游戏引擎做的动画。

动画的基础：一帧帧图片做出来的。后面又用捕捉系统来做。

2 游戏引擎动画的历史

Doom其实是2D做的。是游戏动画的鼻祖。

3 challenge in game Animation

1 交互

2 实时

算不过来
动画数据大
其中动画压缩解决这个问题的。

3 真实

表情是很难的。

4 动画技术的基础

1 2D动画

动画序列帧。

2 3D动画

1 DoF

6DOF： xyz的平移，xyz的旋转

角色的每个关节做个树状的结构。

2 顶点动画：把每个帧的顶点的位置记下来。

顶点动画：

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。

衣料模拟是动画中最难的。

创造动画：

3 蒙皮的实现（重要）

1 如何创建一个mesh

2 不同的空间

world space：
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。

模型坐标系和世界坐标系的关系

3 骨骼的创建

统一了一个骨骼结构

存储的是关机的数据

加了一些很奇怪的骨骼。很多道具都加到了起骨骼上。

Root Joint:很重要。表达他的位置。

Bind point：绑定动画。

T-pose:
现在用A-pose

骨骼pose

4 Math of 3D rotation

1 2D rotation

2 3D rotation

依次绕着每个轴旋转。

1 欧拉角：

对物体进行编辑，或者摆放的时候会经常用，但是做动画的时候无法使用欧拉角。

欧拉角的问题：好处就是符合人的知觉
（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

沿时间轴上偏的方向和它的速度一起积分，可以算出它的轨迹。

（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。

2 四元数

在三维空间内是work的。


四元数的定义如下:

欧拉角转成四元数的公式如下：

四元数和矩阵的计算很类似；

四元数转成旋转矩阵：

反向旋转公式，旋转叠加，一个向量旋转到另外一个向量的四元数公式如下：

给定轴的旋转公式如下：

5 Joint Pose - Orientation

旋转的表达是动画最核心的

6 Joint Pose - Positon;

7 Joint Pose - Scale

8 Joint Pose - Affine Matrix

这个矩阵是非洲重要的。

9 Joint Pose -Local Space to Model space

10 Joint Pose Interpolation - local space Vs Model space

11 Joint Skinning Matirix

动画矩阵。

有个恒等式：关节点动了，皮肤上的任何点与joint的相对关系没有变化。

这个公式非常的重要。

提前把矩阵的逆求好，存储好了。

顶点插值必须在model space：（下面）不要在local space中做。

位移和缩放插值

旋转插值是很难的，必须用四元数来做。

最短路径的插值。

这个的问题是：速度不均匀，先开始快，然后慢，最后又快，动画看着不自然。

如果两个夹角很小，就用NLERP，如果两个夹角很大，就用SLERP.

4 动画pipeline

5 动画压缩

数据量很大，

缩放和位移是不变的，大部分是rotation在变化。

1 较少自由度存储

2 关键帧

永远保证你的error小于你的阈值

CatMull 曲线

非常光滑，一点一点的逼近。

3 浮点数

一个四元数 6个bite。压缩了60%。

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。

视觉error

压缩的好坏，是一个重要的研究领域

误差补偿。

数据一定会压缩，但是会有一些视觉error

5 动画DDC

5 视频

https://www.bilibili.com/video/BV1jr4y1t7WR/?spm_id_from=333.788&vd_source=5c9c50b5a07b211beafdf65d7cc7f8c8