角色動作的仿真表現研究與應用

摘 要：本文討論了骨骼綁定的方法以及角色蒙皮與肌肉變形的應用原理，闡述了角色動作的仿真技術以及它在角色動畫中的重要價值，為后續動畫合成工作的展開奠定了基礎。

關鍵詞：骨骼綁定；角色蒙皮；肌肉變形；仿真表現

1 骨骼的綁定

在角色模型制作完之后，我們需要給模型添加一套骨骼，我們選擇CAT骨骼作為基本形態，然后進行模型的定位，我們可以使用坐標軸進行準確定位，使模型和骨骼左右對稱，這很重要，因為我們以后的蒙皮境像工作是在此基礎上完成的，如果模型和骨骼不對稱，蒙皮數據就不能進行左右復制，這樣就等于浪費了我們一半的時間。因此我們在保證絕對對稱的基礎上進行細致的調節。

其次，關節點的定位會影響到我們最后的動作效果，我們必須保證骨骼點在關節的運動軸心上。在綁定的過程當中，四肢的骨骼應該向運動反方向適當前傾，膝蓋的骨骼應該靠近膝蓋前端1/3的位置，而肘關節的骨骼則應該靠近后端1/3的位置。這是我在測試過程中總結出來的經驗，有較強的參考價值。骨骼綁定完之后，我們還應進行骨骼的分段，這里給大家提供一個參考：大小腿各3段、脊椎5段、脖子3段、前臂4段、大臂3段。當然可以適當做出調整，總之自己習慣就好。

再次，綁定姿勢的確立是我們動畫中的基本點，具有非常大的研究價值。角色的蒙皮效果跟它有最直接的關系。大部分人喜歡在雙手雙腳伸直的情況下進行綁定，這樣的確比較省事，但是對于之后的動畫會帶來一定的麻煩，在一些大幅度的運動狀態下，這樣的綁定姿勢很難滿足蒙皮要求，會出現很大的變形。如果我們將手腳放置在最大范圍的中心位置就可以減少變形的出現。也就是說，如果我們將小腿彎曲、雙腿分開、手臂彎曲，這樣，最后蒙皮變形會極大地減少。然后將這個動作作為標準的綁定姿勢，在這個動作的基礎上調節其他的動作。一般情況下，我們都是先做成手腳伸直的形態，然后再調到綁定姿勢，最后重新添加骨骼再做一次骨骼綁定，這樣我們的綁定工作就算基本完成。

2 角色蒙皮與肌肉變形

當骨骼綁定之后，我們需要對模型進行精確的蒙皮，通過給予合適的權重值來保證動作不變形，符合正確的運動規律。角色蒙皮的過程相對比較麻煩，我們需要有很好的耐心來完成這項工作。要進行角色蒙皮首先就得了解蒙皮的原理，當我們的模型和骨骼制作完后，我們就需要想辦法讓這副骨骼來驅動這個模型，我們通過蒙皮就能達到這一要求。我們需要將所有的骨骼添加到模型中去，這里所說的是骨骼，一些附屬的控制器除外。例如，胸部總控制器、底盤、IK系統等等。

由于PC機運算能力有限，如果進行整體蒙皮的話會導致速度降低，進而影響我們工作的順利進行。這時候我們就應該采取局部蒙皮。我們先將面數最多、布線最密集的模型局部分離出來，一般來講主要是指頭部和手部。我們可以用權重筆刷來進行刷點蒙皮，開始的時候進行大面積的鋪平，初次骨骼蒙皮寧多勿少，每根骨骼影響的范圍盡可能地寬一些，但注意不要影響到次骨骼的中心區域。越是靠近骨骼的地方，權重比值越大，模型受骨骼影響越深。在進行角色蒙皮的時候，我們應該同時進行動作的調試，以測試蒙皮是否準確到位。以動作不出現變形為蒙皮標準，并且注意全方位的動作測試，在同一方向只進行一次動作的測試。

我們通常只需要對模型的一半進行蒙皮，另一半可以通過蒙皮鏡像獲取信息。這極大降低了工作量，縮短了制作時間，提高了制作效率。上面已經提到骨骼綁定的對稱性，這時我們便可輕而易舉地進行角色的蒙皮鏡像。身體的蒙皮鏡像很簡單，我們只需要先鏡像骨骼，再鏡像蒙皮信息即可。我們將身體各部分都蒙皮完之后，還得進行局部蒙皮的縫合，否則切線部分的蒙皮會出現嚴重的變形。例如，我們把頭部從身體部分分離了出來，這就導致脖子這部分的蒙皮出現裂縫，無法進行蒙皮。這個時候我們就需要把身體和頭部縫合起來，再進行脖子的蒙皮。由于頭部和身體是獨立的兩個部分，首先我們得把頭部的骨骼添加到身體部分去，這樣才能進行頭部、脖子、身體的整體蒙皮。我們把蒙皮信息拷貝下來就可以刪掉該組蒙皮了。然后將頭部和身體的模型焊接到一起，并仔細檢查是否焊接完整了。確認無誤后我們重新給該模型添加蒙皮，拷貝剛才復制的蒙皮信息，這樣就可以對脖子進行蒙皮了。因為我們事先添加了頭部的骨骼，所以我們現在可以調試一下腦袋的動作進行測試，此時脖子不會出現裂縫，可以大膽地進行刷點蒙皮了。

3 角色動作的仿真表現

（1）正向動力學與反向動力學的交互使用。正向運動學為角色動畫提供了很好的解決方案，但是它依然沒有解決一個極大的問題：人物角色與周圍環境的交互，人物角色經常需要從動畫世界里獲取各種物品。如果只是利用正向運動學，一個收集物品的動畫片段只能在獲取一定高度的物品時給出令人信服的動作。我們不可能對每一個位置的物體預先制作一個動畫片段。另外，人物角色行走的動作通常也需要根據不同的地形做出調整，以防止一些令玩家不愉快的效果，像是人物的腳穿透了地面或是人物在地面上滑動。所有這些都是正向運動學不能對付的。在這時，反向運動學就能動態地提供合理的解決方案。反向運動學來源于機器人學，它在機器人領域中已經被研究了相當長一段時間。它最初在計算機動畫中被應用于動畫生成軟件，非實時地計算合適的骨骼方向。隨著硬件能力的迅速提高和高性能算法的面世，IK也逐漸被應用于實時的應用程序，這樣極大地提高了動作的真實性。

（2）動力學在角色動畫中的使用。最近幾年，一些公司已經開始研究和制作動態引擎用于角色動畫中。這又提供了角色動畫的一種新的方式：動力學方式。動力學的人物動畫模擬還處于研究階段，通常它把生物體視為一個純粹的剛架結構來進行牛頓力學計算，通過對各個關節作用合適的力使生物體產生相應的運動。這種方法的一個問題是生物體并非純粹的剛架結構，這樣產生的動畫通常都非常的機械化，不像是生物體的運動；另外一個問題是動力學效率還太高，據我所知，動力學產生的動畫在角色動畫中還只應用在人物死去時的動作模擬。

（3）動作捕捉與動畫合成技術的使用。骨骼動畫的應用現如今已越來越普遍，它的標準模式是利用正向運動學。一般來說，美工利用動畫生成軟件事先制作好需要的一系列動畫。在角色行動時，程序要根據邏輯決定顯示哪一個動畫，并根據時間計算出具體的顯示。這種事先制作動畫片段的方式帶來了一個很大的問題：所有的動畫片段都是一成不變的，為了使游戲盡可能真實，我們的動畫可能需要豐富多彩的動作，制作所有的這些動畫可能在時間上效率上是難以接受的。為了克服這個問題，游戲業者引進了動作捕捉的技術。捕捉技術最早應該是應用在電影業里，但到現在可能沒有任何其他行業比角色動畫應用這項技術更為普遍。動作捕捉技術極大地提高了角色動作的真實性，具有里程碑式的意義。唯一不足的就是制作成本會大幅增加。在這種情況下，一個解決的辦法就是利用動畫合成技術。顧名思義，動畫合成就是把幾個動畫片段合成為一個新的動畫組。動畫合成技術也已廣泛應用于游戲領域與動畫領域，它不僅極大降低了制作成本，還提高了制作效率。

參考文獻：

[1] 班克羅夫特.動畫角色設計[M].清華大學出版社，2014.

[2] 馬晨.游戲與動畫角色設計教程[M].中國鐵道出版社，2011.

[3] 白潔.角色動畫設計[M].清華大學出版社，2013.

作者簡介：張繼強，男，湖南瀏陽人，講師，研究方向：數字媒體藝術。