第4部份: 模型與動(dòng)畫，細(xì)節(jié)級(jí)別
角色建模與動(dòng)畫
你的角色模型在屏幕上看起來怎么樣,怎樣容易創(chuàng)建它們,紋理,以及動(dòng)畫對(duì)于現(xiàn)代游戲試圖完成的`消除不可信`因素來說至關(guān)重要。角色模型系統(tǒng)逐漸變得復(fù)雜起來, 包括較高的多邊形數(shù)量模型, 和讓模型在屏幕上移動(dòng)的更好方式。
如今你需要一個(gè)骨骼模型系統(tǒng)，有骨架和網(wǎng)格細(xì)節(jié)層次，單個(gè)頂點(diǎn)骨架的評(píng)估，骨架動(dòng)畫忽略，以及比賽中停留的角度忽略。而這些甚至還沒有開始涉及一些你能做的很好的事情，像動(dòng)畫混合，骨架反向運(yùn)動(dòng)學(xué)（IK），和單個(gè)骨架限制，以及相片真實(shí)感的紋理。這個(gè)清單還能夠繼續(xù)列下去。但是真的，在用專業(yè)行話說了所有這些以后，我們?cè)谶@里真正談?wù)摰氖鞘裁茨兀孔屛覀兛纯础?/span>
讓我們定義一個(gè)基于網(wǎng)格的系統(tǒng)和一個(gè)骨骼動(dòng)畫系統(tǒng)作為開始。在基于網(wǎng)格的系統(tǒng)，對(duì)于每一個(gè)動(dòng)畫幀，你要定義模型網(wǎng)格的每個(gè)點(diǎn)在世界中的位置。舉例來說，你有一個(gè)包含200 個(gè)多邊形的手的模型，有 300 個(gè)頂點(diǎn)(注意，在頂點(diǎn)和多邊形之間通常并不是3個(gè)對(duì)1個(gè)的關(guān)系，因?yàn)榇罅慷噙呅螘r(shí)常共享頂點(diǎn) – 使用條形和扇形，你能大幅減少頂點(diǎn)數(shù)量)。如果動(dòng)畫有 10 幀，那么你就需要在內(nèi)存中有300個(gè)頂點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)。 總共有300 x 10 = 3000 頂點(diǎn)，每個(gè)頂點(diǎn)由x，y，z和顏色/alpha信息組成。你能看見這個(gè)增長(zhǎng)起來是多么的快。Quake I，II和 III 都使用了這種系統(tǒng)，這種系統(tǒng)確實(shí)有動(dòng)態(tài)變形網(wǎng)格的能力，比如使裙子擺動(dòng)，或者讓頭發(fā)飄動(dòng)。
相比之下，在骨骼動(dòng)畫系統(tǒng)，網(wǎng)格是由骨架組成的骨骼( 骨架是你運(yùn)動(dòng)的對(duì)象)。 網(wǎng)格頂點(diǎn)和骨架本身相關(guān)，所以它們?cè)谀Ｐ椭械奈恢枚际窍鄬?duì)于骨架，而不是網(wǎng)格代表每個(gè)頂點(diǎn)在世界中的位置。因此，如果你移動(dòng)骨架，組成多邊形的頂點(diǎn)的位置也相應(yīng)改變。這意謂著你只必須使骨骼運(yùn)動(dòng)，典型情況大約有 50 個(gè)左右的骨架—很明顯極大地節(jié)省了內(nèi)存。
骨骼動(dòng)畫附加的好處
骨骼動(dòng)畫的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)影響頂點(diǎn)的一些骨架來分別“估價(jià)” 每個(gè)頂點(diǎn)。例如，雙臂的骨架運(yùn)動(dòng)，肩，脖子而且甚至軀干都能在肩中影響網(wǎng)格。當(dāng)你移動(dòng)軀干的時(shí)候，網(wǎng)格就活像一個(gè)角色一樣移動(dòng)。總的效果是3D角色能夠?qū)崿F(xiàn)的動(dòng)畫更加流暢和可信，且需要更少的內(nèi)存。每個(gè)人都贏了。
當(dāng)然這里的缺點(diǎn)是，如果你想要使有機(jī)的東西運(yùn)動(dòng)且很好，比如說頭發(fā)，或者披肩，為了讓它看起來自然，你最后不得不在里面放置數(shù)量驚人的骨架，這會(huì)抬高一些處理時(shí)間。
基于骨骼的系統(tǒng)能帶給你的一些其他事情是‘忽略’特定層次骨架的能力 -- 說,"我不關(guān)心動(dòng)畫想要對(duì)這塊骨架所做的事情，我想要讓它指向世界中的一個(gè)特定點(diǎn)"。這很棒。你能讓模型著眼于世界中的事件，或者使他們的腳在他們站著的地面保持水平。這一切非常微妙，但它可以幫助帶給場(chǎng)景附加的真實(shí)感。
在骨骼系統(tǒng)，你甚至可以指定"我需要把這個(gè)特別的動(dòng)畫用於模型的腿，而一個(gè)不同的攜槍或射擊動(dòng)畫在模型軀干上播放，且那家伙（角色）叫喊的不同動(dòng)畫效果在模型的頭部播放"。非常妙。Ghoul2 ( 在Soldier of Fortune II: Double Helix and Jedi Knight I: Outcast中使用了Raven的動(dòng)畫系統(tǒng) ) 擁有所有這些好東西，且特別被設(shè)計(jì)為允許程序員使用所有這些忽略能力。這對(duì)動(dòng)畫的節(jié)省像你一樣難以相信。像你一樣的動(dòng)畫上的這次救援不相信. Raven有一個(gè)角色行走的動(dòng)畫和一個(gè)站立開火的動(dòng)畫，并在它同時(shí)行走和開火形下把這兩個(gè)動(dòng)畫合并，而不是需要一個(gè)動(dòng)畫表示角色行走并開火。
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先前描述的效果可以通過具有層次的骨骼系統(tǒng)來完成。這是什么意思呢？意思是每塊骨架實(shí)際上的位置相對(duì)于它的父親，而不是每個(gè)骨架直接位于空間中的地方。這意謂著如果你移動(dòng)父親骨架，那么它所有的子孫骨架也跟著移動(dòng)，在代碼上不需要任何額外的努力。這是讓你能夠在任何骨架層次改變動(dòng)畫，而且通過骨骼其余部分向下傳遞的東西。
創(chuàng)建一個(gè)沒有層次的骨骼系統(tǒng)是可能的 -- 但那時(shí)你不能忽略一個(gè)骨架并且預(yù)期它工作。你所看到的只是身體上的一個(gè)骨架開始了新動(dòng)畫，除非你實(shí)現(xiàn)了某種‘向下傳遞信息’的系統(tǒng)，否則在該骨架下面的其它骨架保持原來的動(dòng)畫。首先由一個(gè)層次系統(tǒng)開始，你就自動(dòng)地獲得這些效果。
許多今天的動(dòng)畫系統(tǒng)中正開始出現(xiàn)一些比較新的特征，如動(dòng)畫混合，從一個(gè)正在播放的動(dòng)畫轉(zhuǎn)變到另外一個(gè)動(dòng)畫需要經(jīng)過一小段時(shí)間，而不是立即從一個(gè)動(dòng)畫突然轉(zhuǎn)變到另外一個(gè)。舉例來說，你有個(gè)角色在行走，然后他停了下來。你不是僅僅突然地轉(zhuǎn)變動(dòng)畫，讓他的腿和腳停在無效位置，而是一秒鐘混合一半，這樣腳似乎自然地移到了新的動(dòng)畫。不能夠過高的評(píng)價(jià)這種效果 -- 混合是一個(gè)微妙的事情,但如果正確的運(yùn)用，它真的有些差別。
反向運(yùn)動(dòng)學(xué)
反向運(yùn)動(dòng)學(xué) (IK) 是被許多人們丟棄的一個(gè)專業(yè)術(shù)語，對(duì)它的真實(shí)含義沒有多少概念。IK 是如今游戲里面一個(gè)相對(duì)比較新的系統(tǒng)。使用 IK ，程序員能夠移動(dòng)一只手，或一條腿, 模型的其余關(guān)節(jié)自動(dòng)重新定位，因此模型被正確定向。而且有模型的關(guān)節(jié)新位置的其馀者他們自己，因此模型正確的被定向。比如，你將會(huì)說,"好，手 , 去拾起桌子上的那個(gè)杯子"并指出杯子在世界中的位置。手就會(huì)移動(dòng)到那里，且它后面的身體會(huì)調(diào)節(jié)其自身以便雙臂移動(dòng)，身體適當(dāng)彎曲，等等。
也有和IK相反的事情，叫做前向運(yùn)動(dòng)學(xué),本質(zhì)上與 IK 工作的次序相反。想像一只手，手附著在手臂上，手臂附著在身體上。現(xiàn)在想像你重重地?fù)糁辛松眢w。通常手臂像連迦般抽動(dòng)，且手臂末梢的手隨之振動(dòng)。 IK 能夠移動(dòng)身體，并讓其余的四肢自己以真實(shí)的方式移動(dòng)。基本上它需要?jiǎng)赢嫀熢O(shè)定每種工作的大量信息 -- 像關(guān)節(jié)所能通過的運(yùn)動(dòng)范圍，如果一塊骨架前面的骨架移動(dòng)，那么這塊骨架將移動(dòng)多少百分比，等等。
和它現(xiàn)在一樣，盡管很好，它是一個(gè)很大的處理問題，不用它你可以有不同的動(dòng)畫組合而脫身。值得注意的是，真正的 IK 解決辦法需要一個(gè)層次骨骼系統(tǒng)而不是一個(gè)模型空間系統(tǒng) -- 否則它們都耗時(shí)太多以致無法恰當(dāng)?shù)赜?jì)算每個(gè)骨架。
LOD幾何系統(tǒng)
最后，我們應(yīng)當(dāng)快速討論一下與縮放模型幾何復(fù)雜度相關(guān)的細(xì)節(jié)級(jí)別（LOD）系統(tǒng)(與討論MIP映射時(shí)使用的LOD相對(duì)照)。假定如今絕大多數(shù)PC游戲支持的處理器速度的巨大范圍，以及你可能渲染的任何給定可視場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)性質(zhì)(在屏幕上有一個(gè)角色還是12個(gè)？)， 你通常需要一些系統(tǒng)來處理這樣的情況，比如，當(dāng)系統(tǒng)接近極限試圖同時(shí)在屏幕上繪制出12個(gè)角色，每個(gè)角色有3，000個(gè)多邊形,并維持現(xiàn)實(shí)的幀速率。 LOD 被設(shè)計(jì)來協(xié)助這樣的情景中。最基本的情況，它是在任何給定時(shí)間動(dòng)態(tài)地改變你在屏幕上繪制的角色的多邊形數(shù)量的能力。面對(duì)現(xiàn)實(shí)吧，當(dāng)一個(gè)角色走遠(yuǎn)，也許只有十個(gè)屏幕像素高度，你真的不需要3000個(gè)多邊形來渲染這個(gè)角色 -- 或許300個(gè)就夠了，而且你很難分辨出差別。
一些 LOD 系統(tǒng)將會(huì)需要你建立模型的多個(gè)版本，而且他們將會(huì)依靠模型離觀察者的接近程度來改變屏幕上的LOD級(jí)別， 以及多少個(gè)多邊形正被同時(shí)顯示。更加復(fù)雜的系統(tǒng)實(shí)際上將會(huì)動(dòng)態(tài)地減少屏幕上的多邊形數(shù)量，在任何給定時(shí)間，任何給定的角色，動(dòng)態(tài)地 -- Messiah和Sacrifice包括了這種風(fēng)格的技術(shù)，盡管在CPU方面并不便宜。你必須確信，與首先簡(jiǎn)單地渲染整個(gè)事物相比，你的 LOD 系統(tǒng)沒有花較多的時(shí)間計(jì)算出要渲染那些多邊形（或不渲染）。 任一方式都將會(huì)工作，由于如今我們?cè)噲D要在屏幕上繪制的多邊形數(shù)量，這是件非常必要的事情。注意， DX9 將會(huì)支持硬件執(zhí)行的自適應(yīng)幾何縮放(tessellation)。
歸結(jié)起來是，得到一個(gè)運(yùn)動(dòng)流暢，其表現(xiàn)和移動(dòng)在視覺上可信，屏幕上看起來逼真的模型。流暢的動(dòng)畫時(shí)常是通過手工建造動(dòng)畫和運(yùn)動(dòng)捕捉動(dòng)畫的組合得到。有時(shí)你僅僅手工建立了一個(gè)給定的動(dòng)畫 -- 當(dāng)你在為一個(gè)模型做一些你在現(xiàn)實(shí)生活中不能做到的事情的動(dòng)畫時(shí)， 你傾向于這樣做 -- 舉例來說，你確實(shí)不能向后彎腰，或像Mortal Kombat 4中的Lui Kang那樣在行進(jìn)的腳踏車上踢腿，通常運(yùn)動(dòng)捕捉這時(shí)候就出局了! 通常運(yùn)動(dòng)捕捉動(dòng)畫 -- 實(shí)際上視頻捕捉活生生的演員貫穿于你想在屏幕上所看到的動(dòng)畫 -- 是得到逼真的東西的方式。真實(shí)感的東西能使一款普通游戲看起來很棒，而且能掩飾許多事情。比如 NFL Blitz，屏幕上的模型大約有 200 個(gè)多邊形。它們?cè)陟o止站立時(shí)看起來可怕的斑駁，一旦這些模型跑動(dòng)起來它們就有快速流暢的動(dòng)畫，模型自身的許多丑陋消失了。眼睛容易看見的是 '逼真的' 動(dòng)畫而不是模型自身的結(jié)構(gòu)。 一個(gè)不錯(cuò)的模型設(shè)計(jì)師能夠掩飾大多數(shù)模型缺陷。
我希望這些帶給你對(duì)模型和動(dòng)畫問題的洞察力。在第五部份中，我們將會(huì)更加深入3D世界的建造，討論一些物理，運(yùn)動(dòng)和效果系統(tǒng)的東西。