计算机动画实验（四）OpenGL实现角色动画

实验题目来自2021年春季学期山东大学软件学院计算机动画基础课程
本人比较菜，代码有很多bug以及莫名其妙的地方，发在这记录一下写代码的艰辛，仅供参考思路哦！
现在代码已经找不到了，请不要找我要文件啦！（当然，欢迎指正）

• 使用glfw，glad库，C++编写，参考LearnOpenGL

实验题目

给出人们见面时碰击手肘打招呼的角色动画
可以是图形方式，也可以是图像方式

思路

建立树形结构存储两个人物，其中分别存储身体、大臂、小臂对应的变换矩阵。
首先使用路径动画的方法使两个要打招呼的人慢慢走近。
其次，使用FK-正向运动学的方法确定两人胳膊各部分的位置，使其相交，以造成碰击手肘打招呼的效果。需要使用插值计算变换的中间位置。

实现效果

步骤

1. 定义人物的数据结构，使用类实现。（比较粗糙，意思一下。。。）

   /*
   two people（manmask1,manmask2）knock the elbows
   one person devide into 3 parts -- body, upper arm, and lower arm
   use class man to describe
   */
   class man {
   public:
       glm::mat4 trans_body;
       glm::mat4 trans_upperarm;
       glm::mat4 trans_lowerarm;
   
       man();
       man(glm::mat4 tb, glm::mat4 tu, glm::mat4 tl) {
           trans_body = tb;
           trans_upperarm = tu;
           trans_lowerarm = tl;
       }
   };
   

2. 初始化变换。

   t11 = glm::translate(t11,glm::vec3(tran11, 0.0f, 0.0f));
   t12 = glm::translate(t12, glm::vec3(tran12, 0.0f, 0.0f));
   t12 = glm::rotate(t12, glm::radians(rota12), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));
   t13 = glm::translate(t13, glm::vec3(tran13, 0.0f, 0.0f));
   t13 = glm::rotate(t13, glm::radians(rota13), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));
   
   t21 = glm::translate(t21, glm::vec3(tran21, 0.0f, 0.0f));
   t22 = glm::translate(t22, glm::vec3(tran22, 0.0f, 0.0f));
   t22 = glm::rotate(t22, glm::radians(rota22), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));
   t23 = glm::translate(t23, glm::vec3(tran23, 0.0f, 0.0f));
   t23 = glm::rotate(t23, glm::radians(rota23), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));
   

3. 定义顶点数组以绘制人物以及其身体各部分，这里需要分开绘制，以便实现不同的变换。因为很难拟合身体各部分的边缘，因此这里需要使用png格式的图片，而png格式的图片因为存在透明部分，所以其顶点位置只需为正方形，因此绘制四个顶点就可以。

4. 绑定vao和vbo，不同的身体部分需要绑定到不同的vao，以便在顶点着色器中实现不同的变换。

5. 加载纹理，需要分为单独的人的身体、单独的大臂、单独的小臂。
   

6. 在渲染循环中不断改变各部分的旋转角度，即变换矩阵，并将其传给着色器，以实现碰击手肘的动画效果。（瞎写的，有点乱，慎看，能用就行。。。）

   if (i <= 66) {//change the people place
           tran11 += 0.0009;
           tran21 -= 0.0009;
   
           rota12 += 1.15 / 1.5;
           rota22 -= 2.3 / 1.5;
           if (rota13 < 95)
               rota13 += 2.4 / 1.5;
           if (rota23 > -70)
               rota23 -= 1.8 / 1.5;
       }
       else if (i>66 &&i <= 90) {//rotate while changing the people place
           rota12 += 1.15/1.5;
           rota22 -= 2.3/1.5;
           if(rota13 < 95)
               rota13 += 2.4/1.5;
           if(rota23 > -70)
               rota23 -= 1.8/1.5;
       }
       else if(i > 90){
           i = 0;
           tran11 = -0.16;
           tran21 = 0.16;
           rota12 = -10;
           rota22 = 23;
           rota13 = rota23 = 0;
       }
       t11 = glm::mat4(1.0f);
       t12 = glm::mat4(1.0f);
       t13 = glm::mat4(1.0f);
       t21 = glm::mat4(1.0f);
       t22 = glm::mat4(1.0f);
       t23 = glm::mat4(1.0f);
   
       //upper arms
       tran12 = -0.01;
       tran22 = 0.015;
       tran22_2 = -0.01;
       //lower arms
       tran13 = 0.08;
       tran13_2 = -0.074;
       tran23 = -0.0066;
       tran23_2 = -0.068;
   
       if (rota13 > 90) { //perform the clap 
           tran13 = 0.081;
           tran13_2 = -0.076;
           tran12 = -0.018;
       }
       if (rota23 < -68) {
           tran22 = 0.004;
           tran22_2 = -0.01;
       }
   
       t11 = glm::translate(t11, glm::vec3(tran11, 0.0f, 0.0f));
       t12 = glm::rotate(t12, glm::radians(rota12), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));
       t12 = glm::translate(t12, glm::vec3(0.0f, tran12, 0.0f));
       t13 = glm::translate(t13, glm::vec3(0.0f, tran13_2, 0.0f));
       t13 = glm::translate(t13, glm::vec3(tran13, 0.0f, 0.0f));
       t13 = glm::rotate(t13, glm::radians(rota13), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));
   
   
       t21 = glm::translate(t21, glm::vec3(tran21, 0.0f, 0.0f));
       t22 = glm::translate(t22, glm::vec3(tran22, 0.0f, 0.0f));
       t22 = glm::translate(t22, glm::vec3( 0.0f,tran22_2, 0.0f));
       t22 = glm::rotate(t22, glm::radians(rota22), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));
       t23 = glm::translate(t23, glm::vec3(tran23, 0.0f, 0.0f));
       t23 = glm::translate(t23, glm::vec3( 0.0f,tran23_2, 0.0f));
       t23 = glm::rotate(t23, glm::radians(rota23), glm::vec3(0.0, 0.0, 1.0));
   
       man1 = man(t11, t12, t13);
       man2 = man(t21, t22, t23);//build two men
   
       //background!
       // activate shader
       ourShader.use();
       // create transformations
       glm::mat4 model1 = glm::mat4(1.0f);
       glm::mat4 view1 = glm::mat4(1.0f); // make sure to initialize matrix to identity matrix first
       glm::mat4 projection1 = glm::mat4(1.0f);
       projection1 = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 0.1f, 100.0f);
       view1 = glm::translate(view1, glm::vec3(-0.3f, 0.0f, -3.0f));
       view1 = glm::scale(view1, glm::vec3(2, 2, 2));
   
       // pass transformation matrices to the shader
       ourShader.setMat4("projection1", projection1); /        ourShader.setMat4("view1", view1);
       ourShader.setMat4("model1", model1);
       glBindVertexArray(VAO_bg);
       glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
   
       //body 1 !
       // activate shader
       ourShader1.use();
       // create transformations
       glm::mat4 model2 = glm::mat4(1.0f);
       glm::mat4 view2 = glm::mat4(1.0f); // make sure to initialize matrix to identity matrix first
       glm::mat4 projection2 = glm::mat4(1.0f);
       projection2 = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 0.1f, 100.0f);
       ourShader1.setMat4("projection1", projection2);         ourShader1.setMat4("model1", model2);
       //body
       view2 = view2 * man1.trans_body;
       ourShader1.setMat4("view1", view2);
       glBindVertexArray(VAO_pp11);
       glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
   
       //upper  arm 1 !
       // activate shader
       ourShader2.use();
       glBindVertexArray(VAO_pp12);
       ourShader2.setMat4("projection1", projection2);         ourShader2.setMat4("model1", model2);
       //upperarm
       view2 = view2 * man1.trans_upperarm;
       ourShader2.setMat4("view1", view2);
       glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);      
   
       //lower  arm 1 !
       // activate shader
       ourShader3.use();
       glBindVertexArray(VAO_pp13);
       ourShader3.setMat4("projection1", projection2);         ourShader3.setMat4("model1", model2);
       //lowerarm
       view2 = view2 * man1.trans_lowerarm;
       ourShader3.setMat4("view1", view2);
       glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
   

结论分析与体会

1. 角色动画的基本思路并不复杂，主要有两个比较关键的部分，一个是树形数据结构的构建，另一个是使用IK或FK的运动学方法求解位置变换信息。
   树形结构的构建：
   弧对应关节，节点对应链杆。
   节点,包含:
   1）关节链对象数据
   2）该对象数据的变换信息，使其能够绕自身原点旋转（非必须）
   弧，包含：
   1）用来描述关节链之间的相对位置信息
   2）关节链实际运动的变换信息
   

   对于本实验，因为人物身体的其他部分没有发生移动，因此可以对该数据结构进行适当的简化。
   使用IK或FK的运动学方法求解位置变换信息：

   • FK-正向运动学的计算方法思路比较简单，直接由程序员从根节点开始逐个设置每一个部件的变换信息，需要有一定的经验，同时也可能需要多次进行调试才能达到满意的效果。
   • IK-逆向运动学的方法比较直观，只需要由程序员定义末端影响器的位置，电脑即可自动算出其他部件的位置与变换。但是运算比较复杂，可能需要牛顿迭代法等算法才能求解。
   • 本次实验因为需要移动的胳膊部分部件较少，因此使用正向运动学的方法直接求解。（其实是逆向不太会啦）

2. 在使用正向运动学求解各部件位置时，要格外注意变换处于的坐标系。可以理解为对之前部件的每一次变换，都相当于也作用到了坐标系上。

一点不重要的

• 再次感谢某位同学一直以来的帮助!