角色动作的仿真表现研究与应用

摘 要：本文讨论了骨骼绑定的方法以及角色蒙皮与肌肉变形的应用原理，阐述了角色动作的仿真技术以及它在角色动画中的重要价值，为后续动画合成工作的展开奠定了基础。

关键词：骨骼绑定；角色蒙皮；肌肉变形；仿真表现

1 骨骼的绑定

在角色模型制作完之后，我们需要给模型添加一套骨骼，我们选择CAT骨骼作为基本形态，然后进行模型的定位，我们可以使用坐标轴进行准确定位，使模型和骨骼左右对称，这很重要，因为我们以后的蒙皮境像工作是在此基础上完成的，如果模型和骨骼不对称，蒙皮数据就不能进行左右复制，这样就等于浪费了我们一半的时间。因此我们在保证绝对对称的基础上进行细致的调节。

其次，关节点的定位会影响到我们最后的动作效果，我们必须保证骨骼点在关节的运动轴心上。在绑定的过程当中，四肢的骨骼应该向运动反方向适当前倾，膝盖的骨骼应该靠近膝盖前端1/3的位置，而肘关节的骨骼则应该靠近后端1/3的位置。这是我在测试过程中总结出来的经验，有较强的参考价值。骨骼绑定完之后，我们还应进行骨骼的分段，这里给大家提供一个参考：大小腿各3段、脊椎5段、脖子3段、前臂4段、大臂3段。当然可以适当做出调整，总之自己习惯就好。

再次，绑定姿势的确立是我们动画中的基本点，具有非常大的研究价值。角色的蒙皮效果跟它有最直接的关系。大部分人喜欢在双手双脚伸直的情况下进行绑定，这样的确比较省事，但是对于之后的动画会带来一定的麻烦，在一些大幅度的运动状态下，这样的绑定姿势很难满足蒙皮要求，会出现很大的变形。如果我们将手脚放置在最大范围的中心位置就可以减少变形的出现。也就是说，如果我們将小腿弯曲、双腿分开、手臂弯曲，这样，最后蒙皮变形会极大地减少。然后将这个动作作为标准的绑定姿势，在这个动作的基础上调节其他的动作。一般情况下，我们都是先做成手脚伸直的形态，然后再调到绑定姿势，最后重新添加骨骼再做一次骨骼绑定，这样我们的绑定工作就算基本完成。

2 角色蒙皮与肌肉变形

当骨骼绑定之后，我们需要对模型进行精确的蒙皮，通过给予合适的权重值来保证动作不变形，符合正确的运动规律。角色蒙皮的过程相对比较麻烦，我们需要有很好的耐心来完成这项工作。要进行角色蒙皮首先就得了解蒙皮的原理，当我们的模型和骨骼制作完后，我们就需要想办法让这副骨骼来驱动这个模型，我们通过蒙皮就能达到这一要求。我们需要将所有的骨骼添加到模型中去，这里所说的是骨骼，一些附属的控制器除外。例如，胸部总控制器、底盘、IK系统等等。

由于PC机运算能力有限，如果进行整体蒙皮的话会导致速度降低，进而影响我们工作的顺利进行。这时候我们就应该采取局部蒙皮。我们先将面数最多、布线最密集的模型局部分离出来，一般来讲主要是指头部和手部。我们可以用权重笔刷来进行刷点蒙皮，开始的时候进行大面积的铺平，初次骨骼蒙皮宁多勿少，每根骨骼影响的范围尽可能地宽一些，但注意不要影响到次骨骼的中心区域。越是靠近骨骼的地方，权重比值越大，模型受骨骼影响越深。在进行角色蒙皮的时候，我们应该同时进行动作的调试，以测试蒙皮是否准确到位。以动作不出现变形为蒙皮标准，并且注意全方位的动作测试，在同一方向只进行一次动作的测试。

我们通常只需要对模型的一半进行蒙皮，另一半可以通过蒙皮镜像获取信息。这极大降低了工作量，缩短了制作时间，提高了制作效率。上面已经提到骨骼绑定的对称性，这时我们便可轻而易举地进行角色的蒙皮镜像。身体的蒙皮镜像很简单，我们只需要先镜像骨骼，再镜像蒙皮信息即可。我们将身体各部分都蒙皮完之后，还得进行局部蒙皮的缝合，否则切线部分的蒙皮会出现严重的变形。例如，我们把头部从身体部分分离了出来，这就导致脖子这部分的蒙皮出现裂缝，无法进行蒙皮。这个时候我们就需要把身体和头部缝合起来，再进行脖子的蒙皮。由于头部和身体是独立的两个部分，首先我们得把头部的骨骼添加到身体部分去，这样才能进行头部、脖子、身体的整体蒙皮。我们把蒙皮信息拷贝下来就可以删掉该组蒙皮了。然后将头部和身体的模型焊接到一起，并仔细检查是否焊接完整了。确认无误后我们重新给该模型添加蒙皮，拷贝刚才复制的蒙皮信息，这样就可以对脖子进行蒙皮了。因为我们事先添加了头部的骨骼，所以我们现在可以调试一下脑袋的动作进行测试，此时脖子不会出现裂缝，可以大胆地进行刷点蒙皮了。

3 角色动作的仿真表现

（1）正向动力学与反向动力学的交互使用。正向运动学为角色动画提供了很好的解决方案，但是它依然没有解决一个极大的问题：人物角色与周围环境的交互，人物角色经常需要从动画世界里获取各种物品。如果只是利用正向运动学，一个收集物品的动画片段只能在获取一定高度的物品时给出令人信服的动作。我们不可能对每一个位置的物体预先制作一个动画片段。另外，人物角色行走的动作通常也需要根据不同的地形做出调整，以防止一些令玩家不愉快的效果，像是人物的脚穿透了地面或是人物在地面上滑动。所有这些都是正向运动学不能对付的。在这时，反向运动学就能动态地提供合理的解决方案。反向运动学来源于机器人学，它在机器人领域中已经被研究了相当长一段时间。它最初在计算机动画中被应用于动画生成软件，非实时地计算合适的骨骼方向。随着硬件能力的迅速提高和高性能算法的面世，IK也逐渐被应用于实时的应用程序，这样极大地提高了动作的真实性。

（2）动力学在角色动画中的使用。最近几年，一些公司已经开始研究和制作动态引擎用于角色动画中。这又提供了角色动画的一种新的方式：动力学方式。动力学的人物动画模拟还处于研究阶段，通常它把生物体视为一个纯粹的刚架结构来进行牛顿力学计算，通过对各个关节作用合适的力使生物体产生相应的运动。这种方法的一个问题是生物体并非纯粹的刚架结构，这样产生的动画通常都非常的机械化，不像是生物体的运动；另外一个问题是动力学效率还太高，据我所知，动力学产生的动画在角色动画中还只应用在人物死去时的动作模拟。

（3）动作捕捉与动画合成技术的使用。骨骼动画的应用现如今已越来越普遍，它的标准模式是利用正向运动学。一般来说，美工利用动画生成软件事先制作好需要的一系列动画。在角色行动时，程序要根据逻辑决定显示哪一个动画，并根据时间计算出具体的显示。这种事先制作动画片段的方式带来了一个很大的问题：所有的动画片段都是一成不变的，为了使游戏尽可能真实，我们的动画可能需要丰富多彩的动作，制作所有的这些动画可能在时间上效率上是难以接受的。为了克服这个问题，游戏业者引进了动作捕捉的技术。捕捉技术最早应该是应用在电影业里，但到现在可能没有任何其他行业比角色动画应用这项技术更为普遍。动作捕捉技术极大地提高了角色动作的真实性，具有里程碑式的意义。唯一不足的就是制作成本会大幅增加。在这种情况下，一个解决的办法就是利用动画合成技术。顾名思义，动画合成就是把几个动画片段合成为一个新的动画组。动画合成技术也已广泛应用于游戏领域与动画领域，它不仅极大降低了制作成本，还提高了制作效率。

参考文献：

[1] 班克罗夫特.动画角色设计[M].清华大学出版社，2014.

[2] 马晨.游戏与动画角色设计教程[M].中国铁道出版社，2011.

[3] 白洁.角色动画设计[M].清华大学出版社，2013.

作者简介：张继强，男，湖南浏阳人，讲师，研究方向：数字媒体艺术。