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本例程展示如何建立骨骼动画,有些人叫蒙皮动画
定义如下:
当前有两种模型动画的方式:顶点动画和骨骼动画。顶点动画中,每帧动画其实
就是模型特定姿态的一个“快照”。通过在帧之间插值的方法,引擎可以得到平滑
的动画效果。在骨骼动画中,模型具有互相连接的“骨骼”组成的骨架结构,通过
改变骨骼的朝向和位置来为模型生成动画。
骨骼动画比顶点动画要求更高的处理器性能,但同时它也具有更多的优点,
骨骼动画可以更容易、更快捷地创建。不同的骨骼动画可以被结合到一起——
比如,模型可以转动头部、射击并且同时也在走路。一些引擎可以实时操纵单
个骨骼,这样就可以和环境更加准确地进行交互——模型可以俯身并向某个方
向观察或射击,或者从地上的某个地方捡起一个东西。多数引擎支持顶点动画,
但不是所有的引擎都支持骨骼动画。
1. 关键帧动画,早期的cs就是用关键帧动画 优点:
计算量小,速度快,在早期计算机性能满足不了要求的时候采用的,
最具代表性的就是Quake(雷神之锤),采用的md2文件格式。
缺点: 画面表现不过好,会有穿刺的情况出现
2.骨骼动画(蒙皮动画)
优点: 画面表现细腻,真实感很强,目前大多数游戏都采用该中类型的动画,典型的代表,
Quake推出的md3文件格式,就是采用骨骼动画
缺点: 所有的定点都是根据骨骼的变化实时计算,计算量非常大。
骨骼动画的原理:
正如其名,这种动画中包含骨骼(Bone)和蒙皮(Skinned Mesh)两个部分
一部分是Bone(骨头),一部分是Skin(皮).就像人体的组成一样。人要想做动作,
骨头要动起来,然后皮就被骨头带动起来,按照这样的理论,就产生了蒙皮动画。
在三维模型当中。bone就是骨头,皮就是skin mesh,mesh的其实就是模型来,
加上skin,说明这个模型的意义,做表皮的。
![](http://image109.360doc.com/DownloadImg/2022/03/1603/241216170_1_20220316034017398.png) 我们在看待问题,学习东西的时候,要站在设计者的角度去考虑问题,很多
问题就不是问题了,很多问题就更加容易的理解,顺利成章。
现在我们就站在设计者的角度上来看待骨骼动画,首相设计意图我们已经知 道,就是骨头带动肉动起来,那怎么个带动法呢 ?
来看下一,当我们的弯曲手臂的时候,就是肘关节动,其他的关节不动,而随着
肘关节的弯曲,我们肱二头肌会动,但幅度最大的是手臂,那我们想一下,是不
是这样来描述,当我们动一个关节的时候,会带动一部分肌肉动起来,而不是只
要动一个关节全身都在动。那么我们就可以这样来说,一个骨头动,会影响到一
部分的肉和皮动。逆向思路来思考下,肱二头肌要受到几个骨头的影响,会使得
肱二头肌的形状发生变化,影响最大的肘关节,其次是肩关节。肱二头肌是什么?
在程序中,他就是一些列的点数据。
我们定义个如下结构体(伪代码)
class Point
{
float x,y,z; //! 肌肉的位置
int arBone[n]; //! 影响肌肉的骨头
float arWeight[n] //! 每一个骨头对肌肉的影响度,例如 肘关节的影响度对肱二头肌很多,而肩关节要少一点。
};
如何来描述肌肉的位置呢?
for( int i = 0 ;i < n ; i)
{
(x,y,z) = 骨头[i] * 骨头的影响度[i];
}
那有如何来描述骨头呢 ?在游戏中,骨头有位置,可以旋转,显示生活中骨头不能缩放,但游戏中可以。
所以描述一个骨头需要三个要素,位置,旋转,和缩放,最容易想到的就是使用一个矩阵来描述他了。
class Bone :public Matrix
{ };
从上面的描述,我们知道要想绘制出来一模型,我们要存储的信息,所有的定点,所有的骨头,还有
那么每一个点被那么骨头影响,影响度是都少。具体计算如下。
一个人的模型有2000个顶点组成,有20快骨头组成。我们要做的计算如下:
for( int i = 0 ;i < 2000 ; i )
{
for( int x = 0 ; x < 4(假设一个定点被四个骨头影响) ; x )
{
(x1,y1,z1) = (x,y,z) * bone * weight;
}
}
我们可以看出这个计算量是非常大的,几乎都在做矩阵的计算。
![](http://image109.360doc.com/DownloadImg/2022/03/1603/241216170_2_20220316034017765.png)
图中有两个骨头,一个是蓝色的,一个是黄色的,有三个长方形,一个是蓝色的,一个是绿色的,一个是换色的,
蓝色的长方形表示被蓝色的骨头影响,黄色的长方形表示被换色的骨头影响,绿色的表示受两个骨头的影响。
右键按住进行旋转,操作骨头。
可执行文件及源代码 :下载
![](http://image109.360doc.com/DownloadImg/2022/03/1603/241216170_3_20220316034017913.png)
#include 'CELLWinApp.hpp' #include <assert.h> #include <math.h> #include 'matrix4x4f.h' #pragma comment(lib,'opengl32.lib')
float g_fSpinX_R = 0.0f; float g_fSpinY_R = 0.0f;
struct Vertex { //! 颜色 float r, g, b, a; //! 位置 float x, y, z; //! 影响度 float weights[2]; //! 矩阵的索引 short matrixIndices[2]; //! 影响整个定点的骨头个数 short numBones; };
Vertex g_quadVertices[12] = { { 1.0f,1.0f,0.0f,1.0f, -1.0f,0.0f,0.0f, 1.0f,0.0f, 0,0, 1 }, // 蓝色 { 1.0f,1.0f,0.0f,1.0f, 1.0f,0.0f,0.0f, 1.0f,0.0f, 0,0, 1 }, { 1.0f,1.0f,0.0f,1.0f, 1.0f,2.0f,0.0f, 0.5f,0.5f, 0,1, 2 }, { 1.0f,1.0f,0.0f,1.0f, -1.0f,2.0f,0.0f, 0.5f,0.5f, 0,1, 2 },
{ 0.0f,1.0f,0.0f,1.0f, -1.0f,2.0f,0.0f, 0.5f,0.5f, 0,1, 2 }, // 绿色 { 0.0f,1.0f,0.0f,1.0f, 1.0f,2.0f,0.0f, 0.5f,0.5f, 0,1, 2}, { 0.0f,1.0f,0.0f,1.0f, 1.0f,4.0f,0.0f, 0.5f,0.5f, 0,1, 2 }, { 0.0f,1.0f,0.0f,1.0f, -1.0f,4.0f,0.0f, 0.5f,0.5f, 0,1, 2 },
{ 0.0f,0.0f,1.0f,1.0f, -1.0f,4.0f,0.0f, 0.5f,0.5f, 0,1, 2 }, // 黄色 { 0.0f,0.0f,1.0f,1.0f, 1.0f,4.0f,0.0f, 0.5f,0.5f, 0,1, 2 }, { 0.0f,0.0f,1.0f,1.0f, 1.0f,6.0f,0.0f, 1.0f,0.0f, 1,0, 1 }, { 0.0f,0.0f,1.0f,1.0f, -1.0f,6.0f,0.0f, 1.0f,0.0f, 1,0, 1 } };
float arBone[] = { 0.0f, 0.0f, 0.0f, -0.2f, 0.2f,-0.2f, 0.2f, 0.2f,-0.2f, 0.0f, 3.0f, 0.0f, -0.2f, 0.2f,-0.2f, -0.2f, 0.2f, 0.2f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.2f, 0.2f,-0.2f, 0.2f, 0.2f, 0.2f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, -0.2f, 0.2f, 0.2f, 0.0f, 3.0f, 0.0f, 0.2f, 0.2f, 0.2f, -0.2f, 0.2f, 0.2f, };
matrix4x4f g_boneMatrix[2]; matrix4x4f g_matrixToRenderBone[2];
inline vector3f operator * (const vector3f& v, const matrix4x4f& mat) { return vector3f ( v.x*mat.v[0][0] v.y*mat.v[1][0] v.z*mat.v[2][0] 1*mat.v[3][0], v.x*mat.v[0][1] v.y*mat.v[1][1] v.z*mat.v[2][1] 1*mat.v[3][1], v.x*mat.v[0][2] v.y*mat.v[1][2] v.z*mat.v[2][2] 1*mat.v[3][2] ); }
class Tutorial10 :public CELL::Graphy::CELLWinApp { public: Tutorial10(HINSTANCE hInstance) :CELL::Graphy::CELLWinApp(hInstance) { _lbtnDownFlag = false; _fSpinY = 0; _fSpinX = 0; _bMousing_R = 0; } virtual void render() { do { glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glMatrixMode( GL_MODELVIEW ); glLoadIdentity(); glTranslatef( 0.0f, 0.0f, -15 );
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY); glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
{ g_boneMatrix[0].identity(); g_matrixToRenderBone[0].identity();
matrix4x4f rotationMatrixY; matrix4x4f rotationMatrixZ; matrix4x4f boneRotationMatrix;
g_boneMatrix[1].identity(); g_matrixToRenderBone[1].identity();
matrix4x4f offsetMatrix_toBoneEnd; matrix4x4f offsetMatrix_backFromBoneEnd;
offsetMatrix_toBoneEnd.translate_y( 3.0f ); offsetMatrix_backFromBoneEnd.translate_y( -3.0f );
rotationMatrixY.rotate_y( g_fSpinY_R); rotationMatrixZ.rotate_z(-g_fSpinX_R); boneRotationMatrix = rotationMatrixY * rotationMatrixZ;
g_boneMatrix[1] = g_boneMatrix[0] * offsetMatrix_toBoneEnd * boneRotationMatrix; g_matrixToRenderBone[1] = g_boneMatrix[1]; g_boneMatrix[1] = g_boneMatrix[1] * offsetMatrix_backFromBoneEnd; } /** * 绘制表皮,保存临时点数据 */ Vertex calQuadVertices[12]; memcpy(calQuadVertices,g_quadVertices,sizeof(g_quadVertices)); for (int i = 0 ;i < 12 ; i ) { vector3f vec(0,0,0); vector3f vecSrc(g_quadVertices[i].x,g_quadVertices[i].y,g_quadVertices[i].z); for (int x = 0 ; x < calQuadVertices[i].numBones ; x) { //! 计算位置 vector3f temp = vecSrc* g_boneMatrix[g_quadVertices[i].matrixIndices[x]]; //! 计算权重位置 vec = temp * g_quadVertices[i].weights[x]; } calQuadVertices[i].x = vec.x; calQuadVertices[i].y = vec.y; calQuadVertices[i].z = vec.z; } glColorPointer(4,GL_FLOAT,sizeof(Vertex),calQuadVertices); glVertexPointer(3,GL_FLOAT,sizeof(Vertex),((float*)calQuadVertices) 4); for (int i = 0 ;i < 3 ; i ) { glDrawArrays(GL_LINE_LOOP,i * 4,4); } glDisableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
/** * 绘制骨头 */ glVertexPointer(3,GL_FLOAT,0,arBone); glPushMatrix(); { //! 绿色骨头 glMultMatrixf( g_matrixToRenderBone[0].m ); glColor3f( 1.0f, 1.0f, 0.0 ); glDrawArrays(GL_LINE_STRIP,0,sizeof(arBone)/12); } glPopMatrix();
glPushMatrix(); { //! 蓝色骨头 glMultMatrixf( g_matrixToRenderBone[1].m ); glColor3f( 0.0f, 0.0f, 1.0 ); glDrawArrays(GL_LINE_STRIP,0,sizeof(arBone)/12); } glPopMatrix();
SwapBuffers( _hDC ); } while (false); }
/** * 生成投影矩阵 * 后面为了重用性,我们会写一个专门的matrix类,完成矩阵的一系列擦做 * 这个是很有必须要的,当你对Opengl了解的不断深入,你会发现,很多都是和数学有关的 */ void perspective(float fovy,float aspect,float zNear,float zFar,float matrix[4][4]) { assert(aspect != float(0)); assert(zFar != zNear); #define PI 3.14159265358979323f
float rad = fovy * (PI / 180);
float halfFovy = tan(rad / float(2)); matrix[0][0] = float(1) / (aspect * halfFovy); matrix[1][1] = float(1) / (halfFovy); matrix[2][2] = -(zFar zNear) / (zFar - zNear); matrix[2][3] = -float(1); matrix[3][2] = -(float(2) * zFar * zNear) / (zFar - zNear); #undef PI } virtual void onInit() { /** * 调用父类的函数。 */ CELL::Graphy::CELLWinApp::onInit(); glMatrixMode( GL_PROJECTION ); GLfloat matrix[4][4] = { 0,0,0,0, 0,0,0,0, 0,0,0,0, 0,0,0,0 }; perspective(45.0f, (GLfloat)_winWidth / (GLfloat)_winHeight, 0.1f, 100.0f,matrix); glLoadMatrixf((float*)matrix); glClearColor(0.35f, 0.53f, 0.7f, 1.0f); }
virtual int events(unsigned msg, unsigned wParam, unsigned lParam) { switch(msg) { case WM_LBUTTONDOWN: { _mousePos.x = LOWORD (lParam); _mousePos.y = HIWORD (lParam); _lbtnDownFlag = true; SetCapture(_hWnd); } break; case WM_LBUTTONUP: { _lbtnDownFlag = false; ReleaseCapture(); } break; case WM_RBUTTONDOWN: { _ptLastMousePosit_R.x = _ptCurrentMousePosit_R.x = LOWORD (lParam); _ptLastMousePosit_R.y = _ptCurrentMousePosit_R.y = HIWORD (lParam); _bMousing_R = true; } break; case WM_RBUTTONUP: { _bMousing_R = false; } break; case WM_MOUSEMOVE: { int curX = LOWORD (lParam); int curY = HIWORD (lParam);
if( _lbtnDownFlag ) { _fSpinX -= (curX - _mousePos.x); _fSpinY -= (curY - _mousePos.y); }
_mousePos.x = curX; _mousePos.y = curY;
_ptCurrentMousePosit_R.x = LOWORD (lParam); _ptCurrentMousePosit_R.y = HIWORD (lParam);
if( _bMousing_R ) { g_fSpinX_R -= (_ptCurrentMousePosit_R.x - _ptLastMousePosit_R.x); g_fSpinY_R -= (_ptCurrentMousePosit_R.y - _ptLastMousePosit_R.y); } _ptLastMousePosit_R.x = _ptCurrentMousePosit_R.x; _ptLastMousePosit_R.y = _ptCurrentMousePosit_R.y;
} break; } return __super::events(msg,wParam,lParam); } protected: unsigned _primitiveType; /** * 保存纹理Id */ unsigned _textureId;
float _fSpinX ; float _fSpinY; POINT _mousePos; bool _lbtnDownFlag;
POINT _ptLastMousePosit_R; POINT _ptCurrentMousePosit_R; bool _bMousing_R; };
int CALLBACK _tWinMain( HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPTSTR lpCmdLine, int nShowCmd ) { (void*)hInstance; (void*)hPrevInstance; (void*)lpCmdLine; (void*)nShowCmd;
Tutorial10 winApp(hInstance); winApp.start(640,480); return 0; }
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