作者：qlwuu
相信這里沒有人沒玩過采用骨骼動畫技術(shù)的游戲，看看那些熱門的動作游戲，例如《波斯王子》、《分裂細(xì)胞》和《戰(zhàn)神》，你就知道骨骼動畫的威力了（我承認(rèn)是猜的）。骨骼動畫技術(shù)用來使我們的3D模型在屏幕上動起來，通過和動作捕捉技術(shù)結(jié)合，可以讓模型做出非常逼真的動作。而這樣一個極具威力的技術(shù)，其原理卻相當(dāng)簡單。
假設(shè)我們要讓游戲主角做出一個動作，例如波斯王子拿彎刀往前一劈。最簡單的方法，就是讓模型師建一個動畫序列，然后在程序中逐幀播放，就像放電影一樣。不過這樣一來工作量就太大了，玩家也需要N個G的硬盤來安裝這個游戲。與此不同，骨骼動畫技術(shù)采用了一種很聰明的方式。首先，建模師完成一個標(biāo)準(zhǔn)姿勢的3D模型，通常是雙手沿著肩的方向伸展平放，雙腳打開。所有的后繼動作將由這個基礎(chǔ)動作演變得到。在完成這個基準(zhǔn)模型之后，建模師再建一個骨骼結(jié)構(gòu)，一系列相互關(guān)聯(lián)的頂點，就像一個骨架一樣，與人體模型各個關(guān)節(jié)匹配并且都會有一定數(shù)量的頂點與之關(guān)聯(lián)。想象一下人和人身上的骨骼就很容易知道我在說什么。之后，在我們想要完成的動畫序列中，挑選一些關(guān)鍵幀，對每個關(guān)鍵幀，將骨骼的位置與關(guān)鍵幀匹配。然后把這一系列的關(guān)鍵幀骨骼保存起來，除了骨骼的位置，同時保存的還有從基準(zhǔn)位置變換到當(dāng)前關(guān)鍵幀的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放或者一個混合的坐標(biāo)變換矩陣。在我們引擎中，首先根據(jù)當(dāng)前時間查找這時候角色是處于哪兩個關(guān)鍵幀中間。找到之后以時間為參數(shù)在關(guān)鍵幀的坐標(biāo)變換矩陣之間求插值，用插值結(jié)果來決定骨骼當(dāng)前的位置。骨骼位置求出來后，所有和骨骼關(guān)聯(lián)的頂點的坐標(biāo)也可以相應(yīng)求出來了。通過使用骨骼動畫技術(shù)，我們用相對較少的數(shù)據(jù)就可以播放很平滑的動畫！
了解了相關(guān)原理，來看看如何在directx中播放骨骼動畫。我的參考書是《Advanced Animation with DirectX》。
現(xiàn)在我們知道為了播放骨骼動畫，需要有骨骼 (bone)的數(shù)據(jù)，模型(mesh)的數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)骨骼和模型上每個頂點的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，以及關(guān)鍵幀的坐標(biāo)變換數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)必須以某種形式存在于某個地方供我們獲取才行。這里要介紹的MS的x文件格式以及從中獲取數(shù)據(jù)的方法。強烈建議大家都來學(xué)習(xí)一下x文件格式！你會發(fā)現(xiàn)它即簡單又強大，即使用來存放自定義數(shù)據(jù)也是相當(dāng)?shù)姆奖?，一旦掌握之后我保證你會對它愛不釋手。
典型的x文件以數(shù)據(jù)模板和實際數(shù)據(jù)兩部分組成。數(shù)據(jù)模板類似c++中的結(jié)構(gòu)定義，不過更為靈活和開放。實際數(shù)據(jù)就是遵守模板定義的數(shù)據(jù)段。
看一個例子:
template Employee {
<3D82AB43-62DA-11cf-AB39-0020AF71E433> // 每個模板關(guān)聯(lián)唯一的GUID
STRING Name; // 姓名
DWORD Sex; // 性別
[ContactEntry] // 聯(lián)系方式, 另一個模板，模板可以嵌套
}
template ContactEntry {
<4C9D055B-C64D-4bfe-A7D9-981F507E45FF> // GUID
STRING PhoneNumber; // 電話號碼
STRING Address; // 地址
}
Employee David{
"David";
1;
ContactEntry{
"100-100000000";
"far far away";
}
}
從上面這個簡單的例子我們就可以看出x文件的大概模樣了，詳細(xì)的情況大家可以參考《Advanced Animation with DirectX》。下面我們看如何來讀取這樣一個x文件，借助下幾個對象:
ID3DXFile -- x文件格式文檔對象。例如Employee.x這樣一個文件。
ID3DXFileEnumObject -- 用來枚舉x文檔的頂級模板數(shù)據(jù)。所謂頂級模板數(shù)據(jù)是指那些沒有父模板的數(shù)據(jù)，例如上面的David數(shù)據(jù)段。
ID3DXFILEDATA -- 模板數(shù)據(jù)。上面的David和他的聯(lián)系方式都是ID3DXFILEDATA對象，自包含。
下面看實際的分析函數(shù), 下面的代碼適用于DirectX 9.0 SDK Update (October 2004)，原書的代碼有點過時了...
//-----------------------------------------------------------------------------
// 名稱 : Parse
// 描述 : 分析x文件格式文檔
//-----------------------------------------------------------------------------
bool Parse( char *filename, void **pData )
{
LPD3DXFILE lpD3DXFile;
LPD3DXFILEENUMOBJECT lpD3DXFileEnumObj;
LPD3DXFILEDATA lpD3DXFileData;
// 參數(shù)檢查
if( NULL == filename )
return false;
// 創(chuàng)建X文件對象
HRESULT hr = D3DXFileCreate( &lpD3DXFile );
if( FAILED( hr ) )
return false;
// 注冊標(biāo)準(zhǔn)模板
hr = lpD3DXFile->RegisterTemplates(
( LPVOID )D3DRM_XTEMPLATES, D3DRM_XTEMPLATE_BYTES );
if( FAILED( hr ) )
{
Release<LPD3DXFILE>( lpD3DXFile );
return false;
}
// 創(chuàng)建X文件枚舉對象
hr = lpD3DXFile->CreateEnumObject(
filename, D3DXF_FILELOAD_FROMFILE, &lpD3DXFileEnumObj );
if( FAILED( hr ) )
{
Release<LPD3DXFILE>( lpD3DXFile );
return false;
}
// 解析開始
bool parseResult = BeginParse( pData );
if( true == parseResult )
{
// 查詢頂級模板數(shù)
SIZE_T childCount = 0;
lpD3DXFileEnumObj->GetChildren( &childCount );
// 分析每個訂級模板
for( DWORD i=0; i<childCount; i++ )
{
// 獲取當(dāng)前模板
hr = lpD3DXFileEnumObj->GetChild( i, &lpD3DXFileData );
if( FAILED( hr ) )
break;
// 分析
parseResult = ParseObject( lpD3DXFileData, NULL, 0, pData );
// 釋放FileData對象
Release<LPD3DXFILEDATA>( lpD3DXFileData );
// 出現(xiàn)錯誤，中斷分析
if( false == parseResult )
break;
}
// 解析結(jié)束
if( parseResult )
parseResult = EndParse( pData );
}
// 釋放相關(guān)對象
Release<LPD3DXFILEENUMOBJECT>( lpD3DXFileEnumObj );
Release<LPD3DXFILE>( lpD3DXFile );
// 解析結(jié)束
return parseResult;
}
//-----------------------------------------------------------------------------
// 名稱 : ParseObject
// 描述 : 遞歸解析頂級模板
//-----------------------------------------------------------------------------
bool ParseObject(
LPD3DXFILEDATA pDataObj,
LPD3DXFILEDATA pParentDataObj,
DWORD depth,
void **pData )
{
LPD3DXFILEDATA pSubDataObj;
bool parseResult = true;
HRESULT hr;
// 獲取子模板數(shù)目
DWORD childCount;
pDataObj->GetChildren( &childCount );
// 遍歷模板并分析
for( DWORD i=0; i<childCount; i++ )
{
// 取子模板對象
hr = pDataObj->GetChild( i, &pSubDataObj );
if( FAILED( hr ) )
break;
// 分析子模板
parseResult = ParseObject( pSubDataObj, pDataObj, depth+1, pData );
// 釋放數(shù)據(jù)對象
Release<LPD3DXFILEDATA>( pSubDataObj );
// 出現(xiàn)錯誤，停止分析
if( false == parseResult )
break;
}
return parseResult;
}
就那么簡單，相信大家都看得明白。通過重載ParseObject方法，我們以判斷當(dāng)前分析的模板類型，然后創(chuàng)建實際的模板對象，從文檔中復(fù)制數(shù)據(jù)。有了上面的工具，我們就可以自己來讀取和解析x格式的骨骼動畫文件了。
下面我們就來看看如何重載 ParseObject方法來獲得我們感興趣的數(shù)據(jù)，不要擔(dān)心，絕對簡單。仔細(xì)看代碼，你會發(fā)現(xiàn)只需要做一件事情，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)段的類型(通過GUID)，分配對應(yīng)的結(jié)構(gòu)對象，然后從數(shù)據(jù)段拷貝數(shù)據(jù)(所有SDK自定義模板的GUID都在頭文件rmxfguid.h中定義, 你需要把它加入你的工程中。所有預(yù)定義模板在
這里可以找到)。先來看看如何獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)段的GUID，
GUID objGUID;
pDataObj->GetType( &objGUID );
簡單吧，下面開始我們的分析之旅。x動畫文件中骨骼是用Frame模板定義的，
template Frame
{
< 3D82AB46-62DA-11cf-AB39-0020AF71E433 >
FrameTransformMatrix frameTransformMatrix; // 骨骼相對于父節(jié)點的坐標(biāo)變換矩陣
Mesh mesh; // 骨骼的Mesh
}
只有兩個字段。FrameTransformMatrix就是一個matrix。Mesh稍微復(fù)雜，詳細(xì)格式大家自己參考MSDN，我們也會有專門的代碼來加載Mesh，現(xiàn)在關(guān)注Frame。為了加載Frame，我們要在程序中定義一個和Frame模板對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，SDK中經(jīng)默認(rèn)提供了一個，那就是 D3DXFRAME，
typedef struct _D3DXFRAME
{
LPSTR Name; // 骨骼名稱
D3DXMATRIX TransformationMatrix; // 相對與父節(jié)點的坐標(biāo)變換矩陣
LPD3DXMESHCONTAINER pMeshContainer; // LPD3DXMESHCONTAINER對象，用來
// 加載MESH，還有一些附加屬性,見SDK
struct _D3DXFRAME *pFrameSibling; // 兄弟節(jié)點指針，和下面的子節(jié)點指針
// 一塊作用構(gòu)成骨骼的層次結(jié)構(gòu)。
struct _D3DXFRAME *pFrameFirstChild; // 子節(jié)點指針.
} D3DXFRAME, *LPD3DXFRAME;
這樣一個結(jié)構(gòu)已經(jīng)足夠容納Frame模板中的數(shù)據(jù)并形成一個層次結(jié)構(gòu)，不過為了我們程序的需要，我們還需要其他字段，為此我們通常會擴展D3DXFRAME，
typedef struct _D3DXFRAME_EX : public D3DXFRAME
{
D3DXMATRIX matCombined; // 存儲當(dāng)前節(jié)點相對于根節(jié)點的位置偏移矩陣,沿著到
// 到根骨骼的路徑把所有的坐標(biāo)變換矩陣相乘得到。
D3DXMATRIX matOriginal; // 在播放動畫的時候有可能會改變原來結(jié)構(gòu)中的
// TransformationMatrix，因此我們聲名一個新的字段
// 將原來的坐標(biāo)變換矩陣保存起來以便在需要的時候恢
// 復(fù)回去。
... // 忽略一些方法定義
}
我知道有些人已經(jīng)按捺不住了，那么動手吧，
// 判斷當(dāng)前分析的是不是Frame節(jié)點
if( objGUID == TID_D3DRMFrame )
{
// 引用對象直接返回，不需要做分析。一個數(shù)據(jù)段實際定義一次后可以
// 被其他模板引用,例如后面的Animation動畫模板就會引用這里的Frame
// 節(jié)點，標(biāo)識動畫關(guān)聯(lián)的骨骼。
if( pDataObj->IsReference() )
return true;
// 創(chuàng)建D3DXFRAME_EX結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)備拷貝數(shù)據(jù)
D3DXFRAME_EX *pFrame = new D3DXFRAME_EX();
// 拷貝名稱
pFrame->Name = GetObjectName( pDataObj );
// 注意觀察文件就可以發(fā)現(xiàn)一個Frame要么是根Frame，父節(jié)點不存在，
// 要么作為某個Frame的下級Frame而存在。
if( NULL == pData )
{
// 作為根節(jié)點的兄弟節(jié)點加入鏈表。
pFrame->pFrameSibling = m_pRootFrame;
m_pRootFrame = pFrame;
pFrame = NULL;
// 將自定義數(shù)據(jù)指針指向自己，供子
// 節(jié)點引用。
pData = ( void** )&m_pRootFrame;
}
else
{
// 作為傳入節(jié)點的子節(jié)點
D3DXFRAME_EX *pDataFrame = ( D3DXFRAME_EX* )( *pData );
pFrame->pFrameSibling = pDataFrame->pFrameFirstChild;
pDataFrame->pFrameFirstChild = pFrame;
pFrame = NULL;
pData = ( void** )&pDataFrame->pFrameFirstChild;
}
}
結(jié)束了！是不是很簡單，呵呵，記住我們只需要做一件事情，判斷類型，分配匹配的對象然后拷貝數(shù)據(jù)，下面來分析Frame中的 matrix,
// frame的坐標(biāo)變換矩陣, 因為matrix必然屬于某個Frame所以pData 必須有效
else if( objGUID == TID_D3DRMFrameTransformMatrix && pData )
{
// 我們可以肯定pData指向某個Frame
D3DXFRAME_EX *pDataFrame = ( D3DXFRAME_EX* )( *pData );
// 先取得緩沖區(qū)大小，應(yīng)該是個標(biāo)準(zhǔn)的4x4矩陣
DWORD size = 0;
LPCVOID buffer = NULL;
hr = pDataObj->Lock( &size, &buffer );
if( FAILED( hr ) )
return false;
// 拷貝數(shù)據(jù)
if( size == sizeof( D3DXMATRIX ) )
{
memcpy( &pDataFrame->TransformationMatrix, buffer, size );
pDataObj->Unlock();
pDataFrame->matOriginal = pDataFrame->TransformationMatrix;
}
}
這樣大家應(yīng)該對其他類型的模板數(shù)據(jù)分析代碼都應(yīng)該大致猜的出來了。具體的代碼我就不在這里提供，只是簡單的介紹一下它們的作用和關(guān)系，大家可以參考最后附上的工程。
Frame --
骨骼。正如大家已經(jīng)看到的那樣，我們可以用pFrameSibling和pFrameFirstChild兩個字段來構(gòu)成骨骼的層次結(jié)構(gòu)。骨骼模板包含了當(dāng)前骨骼相對父骨骼的坐標(biāo)變換矩陣和骨骼對應(yīng)的模型
Mesh --
模型。角色的頂點數(shù)據(jù)，包含vertex buffer, index buffer等。我們可以直接用普通的ID3DXMesh來加載其中的數(shù)據(jù)。除此之外，Mesh中還包含了SkinWeight模板。
SkinWeight --
骨骼關(guān)聯(lián)的頂點已經(jīng)該骨骼的坐標(biāo)變換對該頂點的權(quán)重。實際中我們并不需要特殊處理這類模板數(shù)據(jù)，ID3DXMesh已經(jīng)包含了對應(yīng)的代碼。
AnimationSet --
動畫集合。例如角色的各種動作“Kill”，“Jump”等等，包含多個Animation。
Animation --
動畫。由對應(yīng)骨骼的名稱和一組AnimationKey組成。
AnimationKey --
動畫鍵。包含一組時間戳以及在對應(yīng)時間戳應(yīng)用到骨骼上的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)向量或者復(fù)合的坐標(biāo)變換矩陣。
以上就是我們需要了解的全部了。至此，所有原料都已經(jīng)準(zhǔn)備齊全，各位大廚們下一步要做的就是骨骼動畫這道小菜啦！