Unity骨骼动画的总结

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前言

　　恰逢假期，在家继续推进Demo，骨骼动画相关的调研算是告一段落了，遂以本文记录相关要点。
　　首先要明确一点，本文所说的骨骼动画皆是3D模型的骨骼动画，与2D精灵的骨骼动画无关，虽然原理大致相通。

网格、骨骼、绑定

　　了解过3D相关知识的都知道，模型(Model)是由一个个三角形组成的，而这种三角形的学名则是网格(Mesh)。当然在DCC软件里为了方便创作，会用2个三角形组成四边形作为网格：

　　然后便是骨骼(Skeleton)了，它是驱动模型运动的根本，如下图所示，这是一种彼此之间有父子关系连接在一起的长条状玩意：

　　最后便是让模型跟着骨骼一起运动了，这个骨肉融合的过程称为绑定，具体要做的事便是将某节骨骼与相关的网格建立关系：

　　如上图所示，模型上有着不同的颜色，这表示该节骨骼所影响到的网格权重值（蓝色为0，红色为1），所以绑定也俗称“刷权重”。权重值越高，该节骨骼对相应网格的影响便越大（存在多节骨骼对相同网格存在影响，此时便要通过权重值来决定优先级了）。
　　随着时代的发展，现代DCC软件基本配备自动刷权重的功能了。做好模型部件的划分（每个部件拥有独立的骨骼，通过各骨骼之间建立关系来联系模型），减少每个模型的权重复杂度，如此通过自动刷权重基本可以应对一般情况了。

模型与动画

　　生成给Unity使用的模型与动画我选择FBX格式，毕竟这算是最流行的3D格式了。对于动画，我选择一个动画一个FBX文件的形式（业界也有全部做到一个文件里，在Unity内分割的行为），动画FBX文件里只有骨骼与动画信息，不含模型。
　　说到这里，便有一个绕不开的点：多个模型复用相同的动画，这里涉及到Unity里的两种骨骼动画模式：Generic与Humanoid。
　　Generic如其名般：一般的动画，在这种动画模式下实现复用的思想很朴素：只要模型的骨骼与动画的骨骼要素相同，那么复用便是水到渠成的事了。这也表示必须同类模型与动画的骨骼结构是一致的。这也表示难以使用外界的第三方资源，对于一些以拼凑、同人、大乱斗为特色的民间项目，或是想直接使用某游戏提取出来的动画，那便捉急了。
　　Humanoid则不然，这是一种专为人形设计的动画模式。如下图所示，它定义了人体通用的若干个关节点，将模型对应的骨骼填进去即可：

　　事实上Humanoid便是做了一层中间层转换，让各自的人形模型的骨骼信息统一抽象为上图这套体系，并且还做了关节运动幅度的可控，如此便可实现复用了。且Unity实现了自动识别填充，使用起来还算方便。
　　但事实上我放弃了这种做法，选择了Generic模式。原因如下：

Humanoid模式为了兼容不同体型下的情况，禁用了具有缩放行为的骨骼动画。
Humanoid模式只是为人形考虑，但实际上需要动画复用不只是人形。
由于Demo模型选用的是小泥人，并没多少合适的第三方动画选择（已尝试过）。
哪怕是人形，事实上也会有一些Humanoid无法顾及到的部件（如头发）。
既然不用第三方动画，那么骨骼结构的稳定性自然有保证。

　　以上原因不是说用Humanoid模式就完全无法解决，But simple is good，Generic就完事了。

Animator: 切换、分层、混合树

　　时值2020年，Animator自然是动画组件的不二之选了。如下图所示般，构建动画状态机，实现一个有机的动画播放环境：

　　首先要注意的是，不推荐将动画状态机当成单位业务的状态机使用，虽然动画状态机有提供挂载脚本的形式，但事实上单位的状态并不是与某个动画绑死的，应该由状态去播放动画，而非是动画下绑定专门的业务。让动画的归动画，状态的归状态吧！
　　在动画切换控制方面，我使用了Animator自带的变量机制(Parameters)，结合条件切换、动画状态脚本、代码控制等方式，实现动画的高可控切换。
　　如前文提到的动画复用问题，实际上哪怕骨骼主体相同，但仍会有各自的特殊部件，这时候便要用上Animator的分层机制(Layers)了。通过定义多个不同的层次，在层次中使用Avatar Mask确定影响的骨骼部位，在层次中定义各个动画状态下对应的部件动画。可以为层次定义独立的动画状态机体系，也可以在设置中选中Sync启用以主体层为准的体系。个人更推荐后者，除非与本体动画无关。
　　最后是业界不少人士喜欢用的混合树(Blend Trees)，分为多种类型（不同的维度乃至于机制），原理为定义若干个动画，确定每个动画在变量组合的特定值下权重最大（播放优先级最高），如此通过操纵变量即可灵活混合相关动画（每个动画的元素都有一定的权重，最终混合成独特的动画）。本人暂时还没用到，主要是追求更明确的动画，而非那种融合的感觉。

补间与帧动画

　　骨骼动画的本质，便是在不同的时间点为某节骨骼定义了特定的位置、缩放、旋转。动画的运作便是根据两个时间点之间的骨骼数据做数值变化，这种行为称之为补间(Tweens)，同理骨骼动画也就是一种补间动画。与补间动画相对应的概念是帧动画，帧动画只会在特定的时间点发生变化，时间点之间的运动途中是不变的，在许多经典的2D游戏动画便是这种做法。
　　为何我会提及到这点呢？一个很明显的区别：较之帧动画，补间动画显得实在是太流畅了，毕竟理论上游戏运作的每一帧它都在改变。但是流畅不是很好么？这一直是电子游戏的追求才对啊！在大多数情况下也许没错，但有时太过流畅，反而会失去「力量感」，说的再通俗点，就是没2D游戏内味了。我想这也是不少一般3D动作游戏做的不好的一点。
　　这种现象在日本动画业界运用3D时早有发现：由于2D手绘帧的标准是24帧每秒，而如果3D动画按照视频播放帧进行输出，就会显得两者仿佛根本不在一个世界般。故后来都选择了按照2D手绘帧的帧率进行抽帧，以此达到同步。当然哪怕如此，3D动画也是无法还原出2D手绘帧那股味的，一者在于手绘帧的每帧内容都是人为创作的，具有独特的节奏感。另者在于2D手绘帧的运动帧为了表达动感，往往会画成糊成一团的样子：

　　这种效果在3D动画基本上是难以实现的，所以往往会盖一层特效解决：

　　当然《塞尔达传说：荒野之息》对此的处理已经算是上乘了，特意选择了与武器本体颜色相近的特效，在形状上也与2D运动帧接近。个人认为可以在此基础上为武器加入短时间内夸张的形变，使之更有张力。这在《守望先锋》里也有相关运用，留待后日实践验证了。
　　言归正传，鉴于补间动画过于流畅的特性，为此我也类似日本动画业界的做法一般，按照24帧每秒的形式对动画播放进行了抽帧。实现思想也很简单：平时将Animator暂停，使用一个定时器，在特定时间点让Animator一次性把暂停的时间差更新补上。如下图对照所示（图1抽帧，图2没有）：

　　当然这种方式并不完美：真正的2D帧动画每一帧的持续时间都是人为确定的，而这样只是粗暴的抽帧罢了。当然人为确定帧时间的方式势必带来更高的人力成本，具体如何仍需取舍。