Ogre动画系统回顾
Ogre动画系统回顾
(2012-03-07 18:38:04)
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标签： ogreanimationogre动画it |
分类： 游戏编程 |
Ogre动画系统回顾
Ogre实现动画的基本原理是：通过多个关键帧（KeyFrame）组成一个动画轨迹（AnimationTrack），多个动画轨迹组成一个动画。在各个关键帧之间通过插值算法（Spline插值或者线性插值）进行插值来生成最终的动画。一个动画不仅仅包含关键帧，还有其它的一些属性（动画名、动画长度、动画的权重、是否被启用等等）。一个动画轨迹可以指定其控制的节点。
OGRE中与基本动画相关的类
根据动画原理我们可以抽象出下面的几个类（动画状态\动画类\动画轨迹（由关键帧、简单插值和角度插值组成）：
SimpleSpline与RotationSpline类：
实现了样条的插值算法。SimpleSpline用来对Translate和Scale进行插值，RotationSpline用来对Rotation进行插值。
关键帧（KeyFrame）类：
组成动画最基本的元素，一个动画轨迹里面有多个关键帧，每个关键帧具有自己的位置、缩放比例和旋转角，同时每个关键帧还保存有自己在整个动画轨迹里所处的时间点。在实际运行时，根据当前时间，通过对两个关键帧的插值可以得到当前帧（当前位置、缩放比例和旋转角）。随着时间的变化，插值得到的当前帧也是变化的，动画就产生了。由于关键帧包括位置信息、缩放比例信息和旋转信息，所以可以实现运动动画、缩放动画和旋转动画以及混合动画。
通过观察下面的代码明显可以看出，Ogre中大量使用工厂模式的痕迹，用KeyFrame为基类，继承产生了以下的不同用途的五个关键帧类：
1． 关键帧类（KeyFrame类，所有下面的关键帧类的基础类）：
class_OgreExport KeyFrame : public AnimationAlloc
{ //关键帧类
public:
KeyFrame(const AnimationTrack* parent, Real time);
//--------------------构造函数，应该是被AnimationTrack类的createKeyFrame方法来调用而不是直接产生的
virtual ~KeyFrame() {}
Real getTime(void) const { return mTime; }
virtual KeyFrame* _clone(AnimationTrack* newParent) const;
protected: //--------------------------一个关键帧中有时间（在动作轨迹中）和其所属的动作序列的指针
Real mTime;
const AnimationTrack* mParentTrack;
};
2. 数值关键帧类（MunmericKeyFrame类，里面存储了数值）
class_OgreExport NumericKeyFrame : public KeyFrame
{//------------------------数值关键帧类，里面存储了数值
public:
NumericKeyFrame(const AnimationTrack* parent, Real time);
~NumericKeyFrame() {}
virtual const AnyNumeric& getValue(void) const;
virtual void setValue(const AnyNumeric& val);
KeyFrame* _clone(AnimationTrack* newParent) const;
protected:
AnyNumeric mValue;
};
3. 变换关键帧类（TransformKeyFrame）:其中存储了一个完整的该帧的数学变换
class _OgreExport TransformKeyFrame : public KeyFrame
{//变换关键帧：其中存储了一个完整的帧变换
public:
TransformKeyFrame(const AnimationTrack* parent, Real time);
~TransformKeyFrame() {}
virtual void setTranslate(const Vector3& trans);
//-----------------设置这个帧中的平移变换（用一个三维向量表示
const Vector3& getTranslate(void) const;
virtual void setScale(const Vector3& scale);
//----------------用三维向量表示的此帧的缩放
virtual const Vector3& getScale(void) const;
virtual void setRotation(const Quaternion& rot);
//-----------------用四元数表示的此帧的旋转
virtual const Quaternion& getRotation(void) const;
KeyFrame* _clone(AnimationTrack* newParent) const;
protected:
Vector3 mTranslate;
Vector3 mScale;
Quaternion mRotate;
};
4. 点Morph关键帧类：存储了在一个完整缓存中点的绝对位置
class _OgreExport VertexMorphKeyFrame : public KeyFrame
{ //点morph关键帧：存储了在一个完整缓存中点的绝对位置，用来在相同的动作轨迹中进行插值。
public:
VertexMorphKeyFrame(const AnimationTrack* parent, Real time);
~VertexMorphKeyFrame() {}
void setVertexBuffer(const HardwareVertexBufferSharedPtr& buf);
//为当前帧设置点缓存，我们假设在位置来源中的前3个位置是这帧的位置
const HardwareVertexBufferSharedPtr& getVertexBuffer(void) const;
KeyFrame* _clone(AnimationTrack* newParent) const;
protected:
HardwareVertexBufferSharedPtr mBuffer;
};
5. 动作点关键帧类：在使用Mesh的情况下存储vertex偏移量
class _OgreExport VertexPoseKeyFrame : public KeyFrame
{//点位置帧：因为使用mesh产生的动作，其内部存储了指定的影响级别（大概是mesh受点位置变化的影响程度）下该帧的偏移
public:
VertexPoseKeyFrame(const AnimationTrack* parent, Real time);
~VertexPoseKeyFrame() {}
struct PoseRef //----------------参考的动作
{
ushort poseIndex;
//------------------------动作索引（短整型）
Real influence;
PoseRef(ushort p, Real i) : poseIndex(p), influence(i) {}
};
typedef vector<PoseRef>::type PoseRefList;
void addPoseReference(ushort poseIndex, Real influence);
void updatePoseReference(ushort poseIndex, Real influence);
void removePoseReference(ushort poseIndex);
void removeAllPoseReferences(void);
const PoseRefList& getPoseReferences(void) const;
typedef VectorIterator<PoseRefList> PoseRefIterator;
typedef ConstVectorIterator<PoseRefList> ConstPoseRefIterator;
PoseRefIterator getPoseReferenceIterator(void);
ConstPoseRefIterator getPoseReferenceIterator(void) const;
KeyFrame* _clone(AnimationTrack* newParent) const;
protected:
PoseRefList mPoseRefs;
};
PS：以上关键帧的创建均通过AnimationTrack::createKeyFrame（）来完成，由此看继承机制真是个好东西
动画轨迹（AnimationTrack）类
动画轨迹由多个关键帧组成，负责对响铃的两个关键帧之间插值。
每个动画轨迹保存关键帧列表、本动画轨迹所属的动画（Animation）、本动画轨迹所控制的Node，又由于动画轨迹负责关键帧的插值，所以它保存SimpleSpline的（简单样条插值计算器）和RotationSpline（旋转样条插值计算器）对象以实现其插值功能。
一个动画轨迹可以对一个物体产生作用，使物体按照动画轨迹运动。这个物体可以是一个Node（一块骨头或者场景中的一个接点）。如有骨头受动画轨迹控制，可以实现骨骼动画.如果场景节点受到动画轨迹控制，可以直接实现场景节点的动画运动。
重要函数：
1） 创建一个关键帧，传入这一帧所在的时间点：
KeyFrame *createKeyFrame(Real timePos);
2） 根据当前时间，得到插值计算出来的当前帧
KeyFrame getInterpolatedKeyFrame(Real timeIndex)const
3） 使用当前动画轨迹对其控制的节点产生作用，参数是当前时间点、权重和是否累计权重
Void apply（Real timePos,Real weight=1.0,bool accumulate=false）
主要构成类：
构成方式和KeyFrame类如出一辙，即使用了动画轨迹（AnimationTrack）类作为基类，构造了如下的几个类：
A．动作轨迹（AnimationTrack）类：一个“轨迹“是指一个动作序列，因为最普通的可动作物体是节点Node，所以当”apply“方法被使用的时候会自动的实现帧的更新
class_OgreExport AnimationTrack : public AnimationAlloc
{//-----------------一个“轨迹”是指一个动作序列,因为最普遍的可动作物体是节点Node，所以当“apply”方法被使用的时候会自动的实现帧的更新
public:
class _OgreExport Listener
{ //----------------------------监听类，使用这个类可以允许你重写一个确定的运动轨迹
public:
virtual ~Listener() {}
virtual bool getInterpolatedKeyFrame(const AnimationTrack* t, const TimeIndex& timeIndex, KeyFrame* kf) = 0;
};
/// Constructor
AnimationTrack(Animation* parent, unsigned short handle);
virtual ~AnimationTrack();
unsigned short getHandle(void) const { return mHandle; }
//得到轨迹相关的句柄
virtual unsigned short getNumKeyFrames(void) const;
//得到这个动作轨迹中的帧数
virtual KeyFrame* getKeyFrame(unsigned short index) const;
//通过特定索引来得到动画中的帧
virtual Real getKeyFramesAtTime(const TimeIndex& timeIndex, KeyFrame** keyFrame1, KeyFrame** keyFrame2,
unsigned short* firstKeyIndex = 0) const;
//-------------------------------返回介于KeyFrame1和KeyFrame2之间的帧，timeIndex是用于两帧之间时间标记，keyFrame1和KeyFrame2分别是用来构造新帧的帧模板，最后一个参数指向了形成的帧
virtual KeyFrame* createKeyFrame(Real timePos);
virtual void removeKeyFrame(unsigned short index);
virtual void removeAllKeyFrames(void);
virtual void getInterpolatedKeyFrame(const TimeIndex& timeIndex, KeyFrame* kf) const = 0;
//得到在timeIndex上的插值帧
virtual void apply(const TimeIndex& timeIndex, Real weight = 1.0, Real scale = 1.0f) = 0;
//-----------------在特定的目标上面使用该动作轨迹
virtual void _keyFrameDataChanged(void) const {}
//-------------------告知关键帧已经改变
virtual bool hasNonZeroKeyFrames(void) const { return true; }
//-------------------使用这个函数来说明是否这个序列中有可用帧
virtual void optimise(void) {}
virtual void _collectKeyFrameTimes(vector<Real>::type& keyFrameTimes);
//----------------使用一个关键帧时间序列来定义特殊的帧轨迹
virtual void _buildKeyFrameIndexMap(const vector<Real>::type& keyFrameTimes);
//----------------通过定义一个关键帧时间序列来完成关键帧映射动画的建立
virtual void setListener(Listener* l) { mListener = l; }
Animation *getParent() const { return mParent; }
protected:
typedef vector<KeyFrame*>::type KeyFrameList;
KeyFrameList mKeyFrames;
Animation* mParent;
unsigned short mHandle;
Listener* mListener;
/// Map used to translate global keyframe time lower bound index to local lower bound index
typedef vector<ushort>::type KeyFrameIndexMap;
KeyFrameIndexMap mKeyFrameIndexMap;
/// Create a keyframe implementation - must be overridden
virtual KeyFrame* createKeyFrameImpl(Real time) = 0;
/// Internal method for clone implementation
virtual void populateClone(AnimationTrack* clone) const;
};
B. 数值动作轨迹（NumericAnimationTrack）类：通过处理一般的动作数值来完成动作轨迹的建立（由上面提到的数值关键帧（NumeraicKeyFrame）来构成）
class_OgreExport NumericAnimationTrack : public AnimationTrack
{ //数值动作轨迹：通过处理一般的动作数值来完成动作轨迹的建立
public:
/// Constructor
NumericAnimationTrack(Animation* parent, unsigned short handle);
/// Constructor, associates with an AnimableValue
NumericAnimationTrack(Animation* parent, unsigned short handle,
AnimableValuePtr& target);
virtual NumericKeyFrame* createNumericKeyFrame(Real timePos);
//由数值关键帧构成
/// @copydoc AnimationTrack::getInterpolatedKeyFrame
virtual void getInterpolatedKeyFrame(const TimeIndex& timeIndex, KeyFrame* kf) const;
/// @copydoc AnimationTrack::apply
virtual void apply(const TimeIndex& timeIndex, Real weight = 1.0, Real scale = 1.0f);
void applyToAnimable(const AnimableValuePtr& anim, const TimeIndex& timeIndex,
Real weight = 1.0, Real scale = 1.0f);
virtual const AnimableValuePtr& getAssociatedAnimable(void) const;
virtual void setAssociatedAnimable(const AnimableValuePtr& val);
NumericKeyFrame* getNumericKeyFrame(unsigned short index) const;
NumericAnimationTrack* _clone(Animation* newParent) const;
protected:
/// Target to animate
AnimableValuePtr mTargetAnim;
/// @copydoc AnimationTrack::createKeyFrameImpl
KeyFrame* createKeyFrameImpl(Real time);
};
C. 节点动作轨迹（NodeAnimationTrack）类：主要是处理以节点为目标帧变换
class_OgreExport NodeAnimationTrack : public AnimationTrack
{ //---------------------结点动作轨迹
public:
/// Constructor
NodeAnimationTrack(Animation* parent, unsigned short handle);
/// Constructor, associates with a Node
NodeAnimationTrack(Animation* parent, unsigned short handle,
Node* targetNode);
/// Destructor
virtual ~NodeAnimationTrack();
virtual TransformKeyFrame* createNodeKeyFrame(Real timePos);
virtual Node* getAssociatedNode(void) const;
virtual void setAssociatedNode(Node* node);
virtual void applyToNode(Node* node, const TimeIndex& timeIndex, Real weight = 1.0,
Real scale = 1.0f);
virtual void setUseShortestRotationPath(bool useShortestPath);
virtual bool getUseShortestRotationPath() const;
/// @copydoc AnimationTrack::getInterpolatedKeyFrame
virtual void getInterpolatedKeyFrame(const TimeIndex& timeIndex, KeyFrame* kf) const;
/// @copydoc AnimationTrack::apply
virtual void apply(const TimeIndex& timeIndex, Real weight = 1.0, Real scale = 1.0f);
/// @copydoc AnimationTrack::_keyFrameDataChanged
void _keyFrameDataChanged(void) const;
virtual TransformKeyFrame* getNodeKeyFrame(unsigned short index) const;
virtual bool hasNonZeroKeyFrames(void) const;
virtual void optimise(void);
NodeAnimationTrack* _clone(Animation* newParent) const;
protected:
/// Specialised keyframe creation
KeyFrame* createKeyFrameImpl(Real time);
// Flag indicating we need to rebuild the splines next time
virtual void buildInterpolationSplines(void) const;
// Struct for store splines, allocate on demand for better memory footprint
struct Splines //里面保存了修改器
{
SimpleSpline positionSpline;
SimpleSpline scaleSpline;
RotationalSpline rotationSpline;
};
Node* mTargetNode;
// Prebuilt splines, must be mutable since lazy-update in const method
mutable Splines* mSplines;
mutable bool mSplineBuildNeeded;
/// Defines if rotation is done using shortest path
mutable bool mUseShortestRotationPath ;
};
D. 顶点动作轨迹（VertexAnimationTrack）类：用来处理变化顶点信息的类
class_OgreExport VertexAnimationTrack : public AnimationTrack
{//----------------------------顶点动作轨迹
public:
enum TargetMode
{
/// Interpolate vertex positions in software
TM_SOFTWARE,
TM_HARDWARE
};
/// Constructor
VertexAnimationTrack(Animation* parent, unsigned short handle, VertexAnimationType animType);
/// Constructor, associates with target VertexData and temp buffer (for software)
VertexAnimationTrack(Animation* parent, unsigned short handle, VertexAnimationType animType,
VertexData* targetData, TargetMode target = TM_SOFTWARE);
VertexAnimationType getAnimationType(void) const { return mAnimationType; }
virtual VertexMorphKeyFrame* createVertexMorphKeyFrame(Real timePos);
virtual VertexPoseKeyFrame* createVertexPoseKeyFrame(Real timePos);
virtual void getInterpolatedKeyFrame(const TimeIndex& timeIndex, KeyFrame* kf) const
{ (void)timeIndex; (void)kf; }
/// @copydoc AnimationTrack::apply
virtual void apply(const TimeIndex& timeIndex, Real weight = 1.0, Real scale = 1.0f);
virtual void applyToVertexData(VertexData* data,
const TimeIndex& timeIndex, Real weight = 1.0,
const PoseList* poseList = 0);
VertexMorphKeyFrame* getVertexMorphKeyFrame(unsigned short index) const;
VertexPoseKeyFrame* getVertexPoseKeyFrame(unsigned short index) const;
void setAssociatedVertexData(VertexData* data) { mTargetVertexData = data; }
VertexData* getAssociatedVertexData(void) const { return mTargetVertexData; }
/// Set the target mode
void setTargetMode(TargetMode m) { mTargetMode = m; }
/// Get the target mode
TargetMode getTargetMode(void) const { return mTargetMode; }
virtual bool hasNonZeroKeyFrames(void) const;
virtual void optimise(void);
VertexAnimationTrack* _clone(Animation* newParent) const;
protected:
/// Animation type
VertexAnimationType mAnimationType;
/// Target to animate
VertexData* mTargetVertexData;
/// Mode to apply
TargetMode mTargetMode;
/// @copydoc AnimationTrack::createKeyFrameImpl
KeyFrame* createKeyFrameImpl(Real time);
/// Utility method for applying pose animation
void applyPoseToVertexData(const Pose* pose, VertexData* data, Real influence);
};
动画类（Animation）
一个动画由多个动画轨迹（AnimationTrack）组成，而一个动画轨迹可以控制一个节点，这样一个动画可以使得多个节点沿着自己的轨迹运动。
设想一下一个人的行走动画，人身上的关节点都沿着自己的轨迹运动，如果把两个关节点连接起来，就形成骨头，再让表面的网格受骨头影响而运动，骨骼动画的基础就有了！
每个动画保存子阿吉的AnimationTrack列表，保存动画名称和长度（时间）。
重要函数
1） 设置关键帧间的插值方式。参数IM_LNEAR代表线性插值、IM_SPLINE代表样条插值；
Void setInterpolationMode（InterpolationMode im）
2） 创建一个动画轨迹，第一个参数是这个动画轨迹的唯一标识，第二个参数指定应用这个动画轨迹的节点
AnimationTrack *createTrack(unsigned shor handle,Node *node);
3） 使得当前动画对其控制的节点产生作用（委托AnimationTrack进行），参数是当前时间点、权重和是否累计权重。
Void apply（Real timePos，Real weight=1.0，bool accumulate=false）
(具体的各种函数可以在OgreAnimation.h中看到)
动画状态类（AnimationState）
一个动画状态类的对象对应一个动画类的对象，看上面的类图，AnimationState的数据成员mAnimationName与Animation类的数据成员没Name是相对应的，它保存相应动画的状态。
动画状态包括动画名、当前时间点，动画长度（总时间）、动画权重和动画的Enable开关
重要函数
1） 设置动画是否可用
Void setEnabled(bool enabled);
2） 移动当前时间点，让动画状态在动画时间线上向前移动，参数为移动量。
Void addTime(Real offset)
场景管理器（SceneManager）类：
场景管理器负责动画和动画状态的创建于维护，在场景管理器中保存有没AnimationList（动画列表）和没Animation（动画状态列表），其中每个动画和动画状态通过名字一一对应。
场景管理器中有一个很重要的方法_applySceneAnimations.在每次渲染时（_renderScene函数里）都会被调用（自动调用不需要程序员控制），它的任务是在每一帧渲染之前根据动画状态更新动画，完成动作。_applySceneAnimation方法遍历全部的动画状态，并根据这些状态找出与之一一对应的动画。再找出每个动画中的全部动画轨迹，在每个轨迹里都保存有该轨迹控制的节点。_applySceneAnimations方法首先将这些被动画控制额节点都还原为初始状态，而后载调用动画的apply方法将全部节点更新到新的位置、大小或者方向，从而使得动画向前进行。
重要函数
1) 创建动画Animation，参数为动画名和长度（时间）
Virtual Animation *createAnimation（const string &name，Real length）
2） 创建动画状态AnimationState，参数是与动画对应的名称
Virtual AnimationState *createAnimationState（const String&animationName）
Ogre的骨骼动画：
骨骼动画用骨架（由一系列骨头构成的继承体系）来单独保存动作信息，这样就将动作信息与网络、皮肤信息分割成两种数据结构分别进行处理，从而比以往的动画技术效率更高。每块骨头都有自己的位置和旋转方向，这些骨头以树的形式组织起来构成骨骼。例如：腕关节是肘关节的子节点，肘关节又是肩关节的子节点。肩关节旋转会自动带动肘关节运动，腕关节同样也会运动。
怎样使得一个网格产生动作效果？我们可以使网格上的每个顶点都对应于一块或多块骨头，当这些骨头移动时便会影响网格的位置。如果一个点与多块骨头关联，则必须通过指定权重类决定每块骨头对此顶点的影响程度（一个顶点对应一块骨头的时候，该点的权重为1.0）。
与关键帧动画相比，使用骨骼动画有很多优点。首先，骨骼动画需要保存的动作数据量非常小。其次，通过指定不同的权重，可以很容易的将多个动作绑定在一起形成新的动作。还可以实现动作键的平滑过渡等等。
当然骨骼动画的实现中，骨骼本身的运动还是需要关键帧来完成，但是信息量已经很小了。
Ogre骨骼信息和动画信息保存到后缀名为.skeleton的文件中，你可以通过OGRE提供的导出插件工具（Milkshape和3Dmax的exporter）来导出该类型的文件。当你创建基于Mesh文件的Entity的时候，.skeleton文件将会自动被系统加载进来。为了操作方便，Entity自动给每一个动作指定一个AnimationState类对象，可以通过Entity::getAnimationState函数来得到具体的动作。