游戏角色是怎么动起来的？3D游戏动画系统介绍

动画控制了整个游戏角色战斗的节奏，声音、特效、镜头等表现元素要和位移做好匹配，才能有好的表现效果;游戏中有大量的A类和B类剧情动画，动画数据占据了游戏中很大一部分的运行时内存和计算消耗……动画贯穿了游戏开发的方方面面，所以，学好动画的相关知识对游戏开发非常重要。

01 骨骼蒙皮动画

3D动画主要有几种动画技术：第一种是刚体层级动画，它的特点是连接处有折断、不自然，是适合机器人的动画;第二种是顶点动画，即在每一个关键帧改变顶点的位置，它的特点是效果棒、数据爆炸、工作量大;第三种是骨骼蒙皮动画，它可以解决前两种动画技术的缺点。首先介绍一下骨骼蒙皮动画的几个概念。

骨架：在生物学中，骨架是由一系列关节以树状结构组织而成，关节就是下图中蓝色球的部分，而关节之间的连接，即图中红色部分，称为骨骼。而在游戏动画领域，骨骼就是指关节，而关节之间的连接是没有意义的。

姿势：姿势就是骨骼的形态，它描述了骨骼当前的位置。

蒙皮：在游戏里是看不到骨骼的，骨骼只是一个逻辑数据，玩家看到的是渲染的皮肤，也就是蒙皮之后的形象。蒙皮就是把皮肤绑定到骨骼上的过程，绑定好之后，皮肤才能随着骨骼的运动而运动。

动画数据：在动画内容制作时，动画师只会做关键帧的数据，其余的部分都是通过插值来完成，通过插值可以取得任意点的姿势。电影里的动画是以固定帧率来播放，并不需要插值，而游戏里面，它的帧率会随时发生改变，会随着当前一帧需要计算的内容变多而变少，所以中间状态都需要插值算法来完成。

那么，为什么骨骼蒙皮动画可以解决掉刚体层级动画和顶点动画的缺点?首先，游戏在启动时，需要去读取骨骼的层级数据、动画数据、带有蒙皮的网格数据;在运行时，会根据时间从动画数据中算出骨骼的位置，再根据当前骨骼的位置和蒙皮信息计算出网格顶点信息，最后根据网格信息和材质渲染出角色。

骨骼动画的顶点是受多根骨骼影响的，关节处的皮肤会由多根骨骼拉伸而变形，这个变形和拉伸是符合规律的，所以它不会产生折断。另外骨骼动画数据产生的方式是改变骨骼的位置，而不是改变顶点的位置，我们一个人一般会有几十上百根骨骼，我们去改变这些骨骼的位置，比直接改变几千乃至几万个顶点的数据量要小非常多，这个对动画师来说，需要做的工作同样也会小很多，正是这些特点使得骨骼蒙皮动画，成为当前游戏开发中应用最多的一种动画技术。

02 动画是如何流转的

动画融合

游戏的交互性，使得动画都是一个个的小片段，连接这些片段就需要动画的融合。通常融合有两种类型：一种是多个动画的融合;另一种就是一个动画到另一个动画的过渡，过渡的方式有两种，一种是平滑过渡，一种是冻结过渡。

平滑过渡是在动画A还没有结束的时候，就开始向动画B融合，而冻结过渡是在动画A结束之后才开始向动画B融合，游戏里面会根据表现的需要来选择哪种过渡方式。

动画状态机

游戏里有多种状态机的结构，正是这种复杂的结构，才能支撑游戏里流畅自然的动画效果和良好的交互响应。以外层状态机为例，它的结构分为Idle、Move和Fight。Idle，即待机，包括战斗待机、休闲待机等;Move，包括转向移动等;Fight，即攻击动画。这些外层的大状态，可以通过驱动信号来进行相互之间的过渡，来达到动画片段流转的目的。

动画逻辑管线

在游戏代码里面，有AI和动画的接口层，AI会通过游戏接口层向动画状态机发送各种信号，比如跑、跳、攻击，以及跑的速度、转向角度等等，这些参数告诉动画状态机，状态机会根据它自己的结构来进行跳转，或是融合到具体的动画片段，计算出当前帧的骨骼偏移，再通过这些骨骼信息，计算出蒙皮网格，最后再渲染。