摘 要：綁定是三維動畫制作流程中一項重要的環(huán)節(jié)。綁定師對模型添加骨骼與控制器，并對骨骼的權(quán)重進行合理的分配后，動畫師才可以使用操控控制器來進行三維動畫制作。隨著三維軟件和各種插件的不斷開發(fā)，綁定的工作程序也由原來的晦澀難懂變得日趨簡易。文章主要講解MAYA軟件近幾年的綁定升級，并著重闡述HumanIK的綁定功能。

關(guān)鍵詞：三維動畫；綁定；FullBodyIK；HumanIK

1 三維動畫綁定

三維動畫的“動”既是一門技術(shù)，也是一門藝術(shù)，不僅需要技術(shù)上通過計算機得以實現(xiàn)角色的動畫，還要求人物說話的口型變化、喜怒哀樂的表情、走路動作等，都要符合自然規(guī)律，制作上要盡可能細膩、逼真，因此動畫師需要專門研究人物、動物、自然規(guī)律等各種事物的運動規(guī)律。為了實現(xiàn)角色的動作變化，還需要通過骨骼工具，通過蒙皮技術(shù)，將模型與骨骼綁定，才能產(chǎn)生合乎情理的運動規(guī)律的動作。因此模型在制作完成后，不能夠直接被動畫師用來制作動畫，在三維動畫角色“動”起來之前，需要給角色添加一個可靠靈活的骨骼系統(tǒng)，這個就是綁定。綁定，又或者稱為設(shè)置，設(shè)定，對應(yīng)英文為setting，即給模型添加骨骼、設(shè)置IK，添加驅(qū)動和控制器的過程，是一種把三維模型變成能夠被動畫師制作動畫的工作。

綁定工作在三維軟件發(fā)展初期并不是一個簡單的流程，需要操作人員對軟件有熟練的掌握，還需要對角色骨骼有一定的了解，再加上嚴密的邏輯思路，才能完成一個三維角色的綁定工作。所以，市面上不斷出現(xiàn)各種綁定小插件以解決三維軟件綁定工作的繁瑣和技術(shù)難度，擴充其動畫功能。但現(xiàn)在隨著三維軟件技術(shù)的發(fā)展，綁定不再是一個特別復(fù)雜或者難以理解的操作流程，并且三維軟件也逐漸吸取其他綁定小插件的優(yōu)點，將插件功能植入到軟件升級中，并得到很好的用戶體驗，其中以Autodesk公司的MAYA軟件尤為突出。

2 MAYA軟件綁定的發(fā)展

在MAYA軟件中，以前的綁定方式通常是動畫師自己給模型創(chuàng)建骨骼，IK，驅(qū)動和控制器，后來有相應(yīng)的綁定插件，可以很快將預(yù)設(shè)好的骨骼綁定從外部導(dǎo)入到三維軟件中使用，而目前，MAYA軟件已經(jīng)將插件融合到軟件本身中，通過FullBodyIK到HumanIK的升級，使其自身的預(yù)設(shè)綁定已經(jīng)完善到很方便用戶靈活使用。

2.1 FullBodyIK

MAYA在7.0版本添加了骨骼系統(tǒng)FullBodyIK（以下簡稱FBIK），全身反向動力學(xué)系統(tǒng)，它是motionBuilider骨骼系統(tǒng)的精簡版，除了可以使FBIK和MAYA動畫模塊很好地結(jié)合，還可以快速地完成二足和四足骨架的綁定。FBIK的使用必須嚴格依照固定的制作流程，并且每一步都有嚴格的要求。[1]

首先，人形模型的初始姿勢應(yīng)盡量是T-pose（手臂骨骼應(yīng)是平行于地面），角色朝向必須是Z軸正向。雙足直立，手心向下平擺，大拇指指向+Z軸。四足角色也應(yīng)該面朝Z軸正向，爪子不要平擺，應(yīng)該向下伸直，如果脖子很長，像駱駝或長頸鹿，應(yīng)該盡量向+Z軸伸直。[2]

然后對模型添加骨骼，要求腳掌骨骼應(yīng)和地面形成夾角而不是平放，膝蓋間關(guān)節(jié)角度應(yīng)小于180度。角色命名或標簽必須使用Maya推薦的名稱系列，否則可能會造成創(chuàng)建FBIK失敗的結(jié)果。

2.2 HumanIK

為了與角色動畫軟件Autodesk MotionBuilder同步，MAYA在2012版本將FBIK升級為HumanIK（人類角色反向動力學(xué)，以下簡稱HIK），并且添加了HIK強化的目標重定（動畫移植）功能。HIK是MotionBuilder軟件的創(chuàng)新角色技術(shù)，MAYA引入了此技術(shù)，可以使得角色可以輕松的在Maya 2012和MotionBuilder 2012中進行交互操作。HIK工具提供了完整的角色關(guān)鍵幀設(shè)置環(huán)境，其中有全身和身體部位關(guān)鍵幀設(shè)置和操縱模式、輔助效應(yīng)器和樞軸以及固定。也提供了重定目標引擎，可以輕松在不同大小、比例和骨架層次的角色之間對動畫進行重定目標。MAYA的 HIK工具已設(shè)計為與其他 Autodesk 應(yīng)用程序保持一致，可以在動畫流程中的應(yīng)用程序之間傳遞角色資源。例如，在MAYA中創(chuàng)建和裝配角色，將裝備發(fā)送到 MotionBuilder進行運動捕捉數(shù)據(jù)，然后使用MAYA中的層繼續(xù)細化動畫。[3]

與過去MAYA中內(nèi)置的FBIK系統(tǒng)相比，HIK簡化了很多流程，并且可以快速的將用戶自定義的骨架加入到HIK解算系統(tǒng)中，并且FK和IK的無縫切換有了嶄新的控制方式，不需要像傳統(tǒng)FBIK那樣進行FK和IK模式的切換。因此相比FBIK，HIK的創(chuàng)建流程自然簡單一些，HIK的創(chuàng)建也比FBIK的創(chuàng)建容易直觀，對步驟的要求也沒有那么嚴苛死板，由于HIK的簡單易操作，HIK現(xiàn)在已成為MAYA中創(chuàng)建骨骼綁定的主要方式，下面簡單介紹它的創(chuàng)建流程。

3 HumanIK系統(tǒng)創(chuàng)建流程

HIK系統(tǒng)創(chuàng)建可以分為創(chuàng)建骨骼，模型與骨骼的匹配，添加控制裝配。每一步驟有相應(yīng)的注意點。

3.1 創(chuàng)建骨骼

（1）首先，在創(chuàng)建骨骼之前，我們需要在MAYA軟件的插件管理器中，確定HumanIK插件是否被勾選。

（2）創(chuàng)建HIK骨架。在【骨架】菜單下，選擇HumanIK，進入HIK系統(tǒng)的創(chuàng)建面板。在HIK系統(tǒng)面板中，可以直接點擊【骨架】即可創(chuàng)建一套骨骼，也可以通過面板中的菜單創(chuàng)建骨骼。

3.2 模型與骨骼匹配

為了方便詮釋，臨時借用教材中的女孩角色模型講解。

（1）調(diào)整比例。HIK系統(tǒng)的骨架，默認是以180厘米左右的角色身高為基礎(chǔ)，Maya中的場景單元格默認是1厘米，所以骨骼創(chuàng)建之后與場景中的模型相比，顯得很巨大?？梢酝ㄟ^調(diào)整角色比例數(shù)值來匹配模型，此數(shù)值默認值為1。注意的是此數(shù)值無論是放大或者縮小骨骼以匹配模型，此數(shù)值都會自動回復(fù)到1。

（2）模型的關(guān)節(jié)對位。骨骼大小匹配之后，骨骼關(guān)節(jié)還需對位整齊。對T-pose的模型要求與FBIK相同，不過HIK對模型的T-pose要求比較嚴格，手臂需和X軸向平行，并只能在X軸方向上對手臂關(guān)節(jié)進行移動，任何其他軸向的運動或者旋轉(zhuǎn)，都會產(chǎn)生HIK系統(tǒng)的錯誤警告。我們可以通過【定義】面板觀察，如果發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)的顏色出現(xiàn)橙色，就便是手臂與X軸不平行，會導(dǎo)致效應(yīng)器控制時出現(xiàn)異常。

盡管HIK要求手臂關(guān)節(jié)要和X軸向平行，但并不是絕對的，HIK系統(tǒng)會有一個允許的角度變化范圍，因此粗略的調(diào)節(jié)，使HIK面板的橙色關(guān)節(jié)變?yōu)榫G色即可。右手通常是左手旋轉(zhuǎn)值的負值。

3.3 添加效應(yīng)器

在HIK面板的【源】下拉菜單中選擇控制裝配，完成控制器的綁定。同樣，也可以通過菜單創(chuàng)建控制裝配。HIK系統(tǒng)會根據(jù)需要，自動鎖定或者提示用戶解鎖會造成控制器丟失。如果在綁定了控制器后需要對關(guān)節(jié)重新設(shè)置，只要在HIK面板中的【骨架】欄點擊 按鈕解鎖即可，同時控制器也將被自動刪除。

4 動畫調(diào)節(jié)

4.1 FullBody和BodyPart

HIK的動畫調(diào)節(jié)有兩種模式：FullBody和BodyPart，在HIK的控制面板中顯示為 。FullBody，全身操縱模式，是指一個效應(yīng)器的改變可以影響到整個HIK骨架的變化，而此時使用pin（固定）功能可以約束某些關(guān)節(jié)部位不隨之產(chǎn)生影響的；BodyPart，身體部位操作模式，是只影響所控關(guān)節(jié)及鄰近關(guān)節(jié)的狀態(tài)，可以用于細調(diào)局部關(guān)節(jié)的動畫。圖1是分別在FullBody和BodyPart模式下，拖拽角色的左手向下的動作效果。在FullBody的模式下，角色身體的右邊也隨左手的下拉而產(chǎn)生下降的動作，而在BodyPart的模式下，除了左手的關(guān)節(jié)之外，其他關(guān)節(jié)不受影響。

4.2 FK和IK

在動畫調(diào)節(jié)上，可以采用黃色的FK關(guān)節(jié)控制器和IK效應(yīng)器，之前有相關(guān)IK/FK模式切換的命令，甚至也有人研究IK/FK的模式切換更好的辦法，但現(xiàn)在在HIK系統(tǒng)中因為新的FK關(guān)節(jié)控制器的加入，這種模式切換已經(jīng)變得很容易了，用戶可以同時選擇FK控制器或者IK效應(yīng)器來制作Pose To Pose。因為當采用它們其中一種方式設(shè)置關(guān)鍵幀時，HIK系統(tǒng)會立即將這個關(guān)鍵幀的信息同時寫入到另一個方式的控制器和效應(yīng)器上。另外，在每個IK效應(yīng)器上都有名為“IK Blend T”和“IK Blend R”的參數(shù)進行設(shè)置（T表示位移，R表示旋轉(zhuǎn)），也就是通道欄中的Reach Translation和Reach Rotation屬性，可以使我們更好地調(diào)節(jié)動畫。當數(shù)值為0，表示動畫的效果是以黃色FK控制器動畫進行，會產(chǎn)生弧線效果，效應(yīng)器不影響動畫過程；當數(shù)值大于0，則表示動畫偏向效應(yīng)器的程度；當數(shù)值等于1，則是完全的IK模式，黃色FK控制器不參與動畫控制，由效應(yīng)器的直線動畫控制。

5 重定目標

HIK有個很方便的重定目標功能，可以快速的將同一個系統(tǒng)下的動畫進行轉(zhuǎn)移。例如，將MAYA的Visor窗口中的Mocap示例用鼠標中鍵拖入場景中，在【源】下拉菜單中會多出一個角色的動畫集（以前通常會稱為角色組）。此時，只要選擇其他動畫集，我們建立的HIK系統(tǒng)會立即將它應(yīng)用到控制角色的關(guān)節(jié)上。

從Visor中載入的Mocap示例移植到角色模型上，如果需要進行修改，我們可以將它烘焙到角色的HIK系統(tǒng)的骨架上，執(zhí)行【烘焙】->【烘焙骨架】。當然，也可以烘焙到HIK系統(tǒng)的控制器上，使用IK控制器來調(diào)節(jié)動畫，執(zhí)行【烘焙】->【烘焙到控制裝配】。這樣就可以通過動畫調(diào)節(jié)操作有針對性地調(diào)節(jié)動畫效果不佳的關(guān)鍵幀。烘焙到控制裝配這個命令，如果角色模型事先沒有添加控制裝配，執(zhí)行改命令后，會自動添加一套控制裝配用以修改動畫。圖2為重定目標后，女孩模型的動作效果。

6 結(jié)束語

綜上所述，HIK在MAYA中的應(yīng)用較之前的綁定操作步驟，有了很大的改進，只需要簡單的操作命令就可以給任何一個人形角色創(chuàng)建骨骼和綁定，并可以將導(dǎo)入到MAYA中的捕捉動畫移植到人形角色中。不但大大地提高了綁定的工作效率，也降低了綁定的工作難度，為廣大三維愛好者提供了更簡易的操作流程。不過如果對人形角色的綁定有更高的要求，比如電影級的三維動畫動作要求，HIK的簡易步驟仍不能滿足，還是需要操作者“親力親為”，所以，我們期待HIK系統(tǒng)以后的升級完善。

參考文獻

[1]http：//blog.163.com/shininglore@126/blog/static/961841802010102504259847/，Maya FBIK系統(tǒng)的研究.

[2]王琦.Autodesk Maya 8 標準培訓(xùn)教材II[M].人民郵電出版社.

[3]http：//wenku.baidu.com/view/579744f8c8d376eeaeaa31a2.html，裝配-角色設(shè)置-HumanIK.