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(yīng)用原理，闡述了角色動(dòng)作的仿真技術(shù)以及它在角色動(dòng)畫中的重要價(jià)值，為后續(xù)動(dòng)畫合成工作的展開奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：骨骼綁定；角色蒙皮；肌肉變形；仿真表現(xiàn)

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(tài)，然后進(jìn)行模型的定位，我們可以使用坐標(biāo)軸進(jìn)行準(zhǔn)確定位，使模型和骨骼左右對稱，這很重要，因?yàn)槲覀円院蟮拿善ぞ诚窆ぷ魇窃诖嘶A(chǔ)上完成的，如果模型和骨骼不對稱，蒙皮數(shù)據(jù)就不能進(jìn)行左右復(fù)制，這樣就等于浪費(fèi)了我們一半的時(shí)間。因此我們在保證絕對對稱的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)。

其次，關(guān)節(jié)點(diǎn)的定位會(huì)影響到我們最后的動(dòng)作效果，我們必須保證骨骼點(diǎn)在關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸心上。在綁定的過程當(dāng)中，四肢的骨骼應(yīng)該向運(yùn)動(dòng)反方向適當(dāng)前傾，膝蓋的骨骼應(yīng)該靠近膝蓋前端1/3的位置，而肘關(guān)節(jié)的骨骼則應(yīng)該靠近后端1/3的位置。這是我在測試過程中總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)，有較強(qiáng)的參考價(jià)值。骨骼綁定完之后，我們還應(yīng)進(jìn)行骨骼的分段，這里給大家提供一個(gè)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(dāng)然可以適當(dāng)做出調(diào)整，總之自己習(xí)慣就好。

再次，綁定姿勢的確立是我們動(dòng)畫中的基本點(diǎn)，具有非常大的研究價(jià)值。角色的蒙皮效果跟它有最直接的關(guān)系。大部分人喜歡在雙手雙腳伸直的情況下進(jìn)行綁定，這樣的確比較省事，但是對于之后的動(dòng)畫會(huì)帶來一定的麻煩，在一些大幅度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，這樣的綁定姿勢很難滿足蒙皮要求，會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)。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(huì)極大地減少。然后將這個(gè)動(dòng)作作為標(biāo)準(zhǔn)的綁定姿勢，在這個(gè)動(dòng)作的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)其他的動(dòng)作。一般情況下，我們都是先做成手腳伸直的形態(tài)，然后再調(diào)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(dāng)骨骼綁定之后，我們需要對模型進(jìn)行精確的蒙皮，通過給予合適的權(quán)重值來保證動(dòng)作不變形，符合正確的運(yùn)動(dòng)規(guī)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(xiàng)工作。要進(jìn)行角色蒙皮首先就得了解蒙皮的原理，當(dāng)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(qū)動(dòng)這個(gè)模型，我們通過蒙皮就能達(dá)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(tǒng)等等。

由于PC機(jī)運(yùn)算能力有限，如果進(jìn)行整體蒙皮的話會(huì)導(dǎo)致速度降低，進(jìn)而影響我們工作的順利進(jìn)行。這時(shí)候我們就應(yīng)該采取局部蒙皮。我們先將面數(shù)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(quán)重筆刷來進(jìn)行刷點(diǎn)蒙皮，開始的時(shí)候進(jìn)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(qū)域。越是靠近骨骼的地方，權(quán)重比值越大，模型受骨骼影響越深。在進(jìn)行角色蒙皮的時(shí)候，我們應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作的調(diào)試，以測試蒙皮是否準(zhǔn)確到位。以動(dòng)作不出現(xiàn)變形為蒙皮標(biāo)準(zhǔn)，并且注意全方位的動(dòng)作測試，在同一方向只進(jìn)行一次動(dòng)作的測試。

我們通常只需要對模型的一半進(jìn)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(shí)間，提高了制作效率。上面已經(jīng)提到骨骼綁定的對稱性，這時(shí)我們便可輕而易舉地進(jìn)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(jìn)行局部蒙皮的縫合，否則切線部分的蒙皮會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的變形。例如，我們把頭部從身體部分分離了出來，這就導(dǎo)致脖子這部分的蒙皮出現(xiàn)裂縫，無法進(jìn)行蒙皮。這個(gè)時(shí)候我們就需要把身體和頭部縫合起來，再進(jìn)行脖子的蒙皮。由于頭部和身體是獨(dú)立的兩個(gè)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(jìn)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(xì)檢查是否焊接完整了。確認(rèn)無誤后我們重新給該模型添加蒙皮，拷貝剛才復(fù)制的蒙皮信息，這樣就可以對脖子進(jìn)行蒙皮了。因?yàn)槲覀兪孪忍砑恿祟^部的骨骼，所以我們現(xiàn)在可以調(diào)試一下腦袋的動(dòng)作進(jìn)行測試，此時(shí)脖子不會(huì)出現(xiàn)裂縫，可以大膽地進(jìn)行刷點(diǎn)蒙皮了。

3 角色動(dòng)作的仿真表現(xiàn)

（1）正向動(dòng)力學(xué)與反向動(dòng)力學(xué)的交互使用。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)為角色動(dòng)畫提供了很好的解決方案，但是它依然沒有解決一個(gè)極大的問題：人物角色與周圍環(huán)境的交互，人物角色經(jīng)常需要從動(dòng)畫世界里獲取各種物品。如果只是利用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)，一個(gè)收集物品的動(dòng)畫片段只能在獲取一定高度的物品時(shí)給出令人信服的動(dòng)作。我們不可能對每一個(gè)位置的物體預(yù)先制作一個(gè)動(dòng)畫片段。另外，人物角色行走的動(dòng)作通常也需要根據(jù)不同的地形做出調(diào)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(dòng)。所有這些都是正向運(yùn)動(dòng)學(xué)不能對付的。在這時(shí)，反向運(yùn)動(dòng)學(xué)就能動(dòng)態(tài)地提供合理的解決方案。反向運(yùn)動(dòng)學(xué)來源于機(jī)器人學(xué)，它在機(jī)器人領(lǐng)域中已經(jīng)被研究了相當(dāng)長一段時(shí)間。它最初在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中被應(yīng)用于動(dòng)畫生成軟件，非實(shí)時(shí)地計(jì)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(yīng)用于實(shí)時(shí)的應(yīng)用程序，這樣極大地提高了動(dòng)作的真實(shí)性。

（2）動(dòng)力學(xué)在角色動(dòng)畫中的使用。最近幾年，一些公司已經(jīng)開始研究和制作動(dòng)態(tài)引擎用于角色動(dòng)畫中。這又提供了角色動(dòng)畫的一種新的方式：動(dòng)力學(xué)方式。動(dòng)力學(xué)的人物動(dòng)畫模擬還處于研究階段，通常它把生物體視為一個(gè)純粹的剛架結(jié)構(gòu)來進(jìn)行牛頓力學(xué)計(jì)算，通過對各個(gè)關(guān)節(jié)作用合適的力使生物體產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。這種方法的一個(gè)問題是生物體并非純粹的剛架結(jié)構(gòu)，這樣產(chǎn)生的動(dòng)畫通常都非常的機(jī)械化，不像是生物體的運(yùn)動(dòng)；另外一個(gè)問題是動(dòng)力學(xué)效率還太高，據(jù)我所知，動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的動(dòng)畫在角色動(dòng)畫中還只應(yīng)用在人物死去時(shí)的動(dòng)作模擬。

（3）動(dòng)作捕捉與動(dòng)畫合成技術(shù)的使用。骨骼動(dòng)畫的應(yīng)用現(xiàn)如今已越來越普遍，它的標(biāo)準(zhǔn)模式是利用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)。一般來說，美工利用動(dòng)畫生成軟件事先制作好需要的一系列動(dòng)畫。在角色行動(dòng)時(shí)，程序要根據(jù)邏輯決定顯示哪一個(gè)動(dòng)畫，并根據(jù)時(shí)間計(jì)算出具體的顯示。這種事先制作動(dòng)畫片段的方式帶來了一個(gè)很大的問題：所有的動(dòng)畫片段都是一成不變的，為了使游戲盡可能真實(shí)，我們的動(dòng)畫可能需要豐富多彩的動(dòng)作，制作所有的這些動(dòng)畫可能在時(shí)間上效率上是難以接受的。為了克服這個(gè)問題，游戲業(yè)者引進(jìn)了動(dòng)作捕捉的技術(shù)。捕捉技術(shù)最早應(yīng)該是應(yīng)用在電影業(yè)里，但到現(xiàn)在可能沒有任何其他行業(yè)比角色動(dòng)畫應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)更為普遍。動(dòng)作捕捉技術(shù)極大地提高了角色動(dòng)作的真實(shí)性，具有里程碑式的意義。唯一不足的就是制作成本會(huì)大幅增加。在這種情況下，一個(gè)解決的辦法就是利用動(dòng)畫合成技術(shù)。顧名思義，動(dòng)畫合成就是把幾個(gè)動(dòng)畫片段合成為一個(gè)新的動(dòng)畫組。動(dòng)畫合成技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于游戲領(lǐng)域與動(dòng)畫領(lǐng)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(xiàn)：

[1] 班克羅夫特.動(dòng)畫角色設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2014.

[2] 馬晨.游戲與動(dòng)畫角色設(shè)計(jì)教程[M].中國鐵道出版社，2011.

[3] 白潔.角色動(dòng)畫設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2013.

作者簡介：張繼強(qiáng)，男，湖南瀏陽人，講師，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)。