Unity 动画

整理一下先前做动画的收获

骨骼动画

序列帧动画：记录动作的每一帧
- 非矢量动画：每一帧是固定不可复用的，新的一帧本质上是完全重画一次物体，没有发生形态上的改变
关键帧动画：记录动作的始末和轨迹曲线，运行时根据曲线进行插值（很显然，这是一种矢量动画）
- 每个关键帧被称为姿势

顶点动画

骨骼动画的本质是顶点动画

刚体动画：在渲染中网格不发生改变，刚体的变化矩阵发生改变
顶点动画：在渲染中网格顶点发生了直接的变化（位移旋转缩放）
- 骨骼动画：一种对顶点动画的压缩算法
- 流体动画
- 粒子动画
- 变形动画：常用于制作表情，捏脸

根据顶点动画的实现方式，分为CPU和GPU

	CPU动画	GPU动画
顶点位置改变时机	CPU应用阶段	GPU几何阶段
数据流	CPU传递给GPU的顶点数组发生改变	顶点着色器输出发生改变

骨骼动画

骨骼动画的模型整体不是刚体，同时为了避免旋转、移动时发生断裂，也不能将物体拆分为多个小刚体，因此只能选择顶点动画。

然而顶点动画带来的顶点移动，如果全部交由vertex着色器处理，过于昂贵，实时渲染不可接受

而且骨骼动画的顶点受更高层次的骨骼节点控制

同一根骨骼的顶点要保持相对位置不变
骨骼间顶点要进行平滑
顶点的大体形状受骨骼形状制约，顶点变化时要保持和骨骼的联系

实现

矩阵调色板蒙皮技术（Matrix Palette Skinning）：

骨骼为近似刚体，其变化矩阵按顺序存储在数组中（我们称这个数组为骨骼）
顶点缓冲中会存储其骨骼ID和权重信息（一个顶点通常会受1～4个骨骼影响，可以用两个Vector存储）
进行变化时，顶点可以根据骨骼ID和权重查询变化矩阵，并通过插值的方式实现顶点动画（我们称查询矩阵为蒙皮）
CPU通过姿势间插值，以获得每一帧骨骼的位置及矩阵，GPU根据顶点信息查询矩阵进而实现运动

坐标系

骨骼树

三维骨骼本质上是一系列Bone组成的树状结构

在骨骼动画中，我们更关心骨骼的相对位置，于是我们选择本地坐标系（A物体的本地坐标就是以A物体中心为原点，相对于中心的偏移），并让坐标系层次嵌套

比如大臂移动时也会带动小臂移动，我们就把小臂的本地坐标系定义在大臂的本地坐标系之下，我们称大臂是小臂的父物体，小臂是大臂的子物体。而小臂在大臂的本地坐标系的坐标被称为局部坐标系（可以参考Unity的GO组织）

顺着嵌套关系向根部搜索，就可以获得物体的世界坐标系

下图为树节点的数据结构

本地坐标系就是object space transform

在播放动画时，会从空间树的根节点（一般为盆骨节点或者root节点）开始向下递归变化，以保证父物体的local transform总是先于子物体刷新

 //对关键帧进行插值 
public OnAnimated(CoordinateTreeNode Key0, CoordinateTreeNode Key1, float t)
{ 
    Position = Vector3.Lerp(Key0.Position, Key1.Position, t); 
    Rotation = Quaternion.Lerp(Key0.Rotation, Key2.Rotation, t); 
    Scale = Vector3.Lerp(Key0.Scale, Key1.Scale, t); 
    
    localTransform = new TransformMatrix(Position, Rotation, Scale); 
    combinedTransform = parent.localTransform * this.localTransform; 
}

骨骼

盆骨：选盆骨作为根节点（或者是空根节点的第一也是唯一的子节点），是因为盆骨在运动时相对匀速，且位置居中，可以避免骨骼树过深
脊椎骨：模拟躯干运动，一般有2～3块
捻度骨骼：Twist Bone，生物学中像小臂这类骨骼不是一块骨骼，而是两条并排的骨骼，以此实现肘关节不动而手掌可以旋转

坐标变化

位移矩阵
缩放矩阵
旋转矩阵
齐次坐标
仿射变换：缩放–旋转–平移
列矩阵左乘
手性变换：只需要对所有的矩阵任选一维进行取反即可（哪个维度不重要，只要统一即可）

旋转

骨骼动画是矢量动画，是关键帧动画，因此会用到大量的插值，这决定了旋转的表达必须便于插值

三维空间中的点可以由三个正交向量插值表示，根据嵌套关系，一个物体发生旋转，其实就是其基向量相对于父节点基向量发生改变

双向量法

既然旋转可以由基向量的朝向表示，那么我们就直接基向量表示旋转吧！

正好三个基向量正交，而且对长度不敏感，那么我们还可以将三个向量压缩为两个向量

更进一步，这些向量都在球面上，那么用球坐标系替代直角坐标系

问题：

需要时刻保证两个向量垂直
不好插值

欧拉角

在航空业应用广泛，本质是一种过程量，描述了从初始位置沿着xyz轴旋转指定角度的过程，使用时需要明确旋转顺序（即顺规）

	直角坐标系	欧拉角
前进方向	Z	Roll 桶滚角
上方向	Y	Yaw 偏航角
右方向	X	Pitch 俯仰角

问题：

没有统一标准，而欧拉角强依赖于顺规
某些情况下会有两个轴平行，以至于失去一个自由度，导致万向节死锁
不能线性插值

轴角与四元数

轴角（x, y, z, w）指沿着轴（x, y, z）旋转w度，也可以压缩为三维向量（wx’, wy’, wz’），轴角可以通过对轴向量和旋转角度分别插值对方法进行插值

四元数是一种超复数，可以用来表示旋转

四元数的可视化_哔哩哔哩_bilibili

蒙皮解算

Mesh中的顶点缓存中会存储骨架、骨骼索引，骨骼权重，运行时在顶点函数进行位置的偏移，效果表现为Mesh跟着骨架一起运动，而且在边缘处会进行变形（效果与权重分配有关），就像皮肤蒙在骨骼上一样，这个过程被称为蒙皮结算

Motion Matching

游戏中不止使用一个动画，于是动画系统不仅需要播放动画，还需要管理动画。最常见的管理方式是数据驱动，实现形式为图状态机，通过一些bool、float、trigger数据控制动画状态

但随着角色3C不断复杂，动画系统也越发复杂，状态机里塞进了海量动画节点，他们的状态难以维护，为此育碧提出了Motion Matching

MM通过角色当前的姿势（Pose Channel）和行动轨迹（Trajectory Channel）在动画数据库中进行匹配，自动设置当前动画状态

Trajectory Channel通常是一个二维平面，通过人物移动速度，绘制一个移动轨迹，主要作用是跑步时转向会侧倾
Pose Channel是使用角色骨骼的几个节点，通常是两个脚的节点（当然你可以使用更多的节点，但随着节点数量的提升，匹配速度会更慢），主要作用是脚着地、手抓墙

骨骼动画播放

Unity Playable Script 动画播放

当我们在使用Unity Animator时，会发现我们必须要先将所需的动画片段放入Animation Controller中才能播放。如果我们想要一个Resources目录下的某个Clip，是做不到的

当游戏动画逻辑非常复杂时，状态机会非常复杂，几乎不可维护，于是很多公司会自己用Playable Script重写一份动画播放系统

Playable Script仍然是驱动Animator和Avatar的，所以角色身上仍需要Animator组件

直接播放一个动画片段

PlayableGraph playableGraph;
AnimationClip idleClip;

void Start()
{       
    playableGraph = PlayableGraph.Create();
    playableGraph.SetTimeUpdateMode(DirectorUpdateMode.GameTime);
}

void Update()
{
    if(xxx)
    {
        AnimationPlayableUtilities.PlayClip(GetComponent<Animator>(), idleClip, out playableGraph);

    }
}

private void OnDisable()
{
    playableGraph.Destroy();
}

等效于

var output = AnimationPlayableOutput.Create(playableGraph, "AnimationOutput", GetComponent<Animator>());
var clip = AnimationClipPlayable.Create(playableGraph, idleClip);
output.SetSourcePlayable(clip);
playableGraph.Play();

自行解算Humanoid

对于一个Humanoid骨骼的模型，我们可以直接遍历获得骨骼的Transform，对其进行修改

public Animator animator; 

// 遍历Humanoid所有的骨骼
foreach (HumanBodyBones bone in System.Enum.GetValues(typeof(HumanBodyBones)))
{
    Transform boneTransform = anim.GetBoneTransform(bone);
    // 修改 boneTransform
}

Rig

一种基于反向动力学的组件，可以覆盖动画，原理是为一个骨骼点绑定其几个父节点，并刷上相关权重，当骨骼点因为外力移动时，父节点会跟着一起运动，从而使得整体动画协调

常用于武器运动时手跟着一起动、脚着地时腿跟着一起动、头看向临近的人

参考

Blendshape动画

blendshape常用于实现表情动画、形变动画，相较于骨骼动画，十分昂贵

blendshape本质是在两个（或多个）顶点数量相同但位置不同的两个网格间插值出新网格

一个Mesh会有多个blendshape channel，每个channel都存了原始的mesh顶点buffer信息（主要是位置和法线），和目标mesh的顶点buffer信息，在解算时在两个mesh间线性插值。当有多个channel时，会按顺序依次插值

我们常用IClone和CC4制作bs模型

Unity播放bs

一个拥有bs channel的模型导入unity，会在SkinMeshRenderer上看到bs channel，直接修改这些channel就能实现动画播放

物理动画

大部分物理动画是通过解算一些物理观测点，再将这些点映射回（骨骼）动画中

Unity Magica Cloth

使用 Unity Magica Cloth插件一站式解决头发、衣服和胸部的物理模拟

Magica Cloth是Unity一个布料模拟插件，有两个版本，我使用的是基于Jobs的普通版本（2是基于DOTS的）

1. 添加预制体

在场景中拖入MagicaPhysicsManager.prefab

位置在Assets/MagicaCloth/Res/Prefab

2. 绘制骨架

使用Animation Rigging绘制骨架，方便后续配置布料

Animation Rigging – Bone Renderer Setup

3. 添加Magcia Bone Cloth

Create Others – Magica Cloth – Magica Bone Cloth

将布料的根节点拖到Root List中，通常会有多个根节点
店家Start Point Selection开始调整节点
1. 为节点刷颜色，红色只能旋转，绿色可以运动，根节点们都要为红色（你可以先点Fill将所以节点都设为绿色，然后切换到红色笔刷状态，按住鼠标左键在场景中将根节点都刷为红色）
2. 完成后按End Point Selection保存