游戏引擎剖析（四）

原文作者：Jake Simpson
译者： 向海



第4部份: 模型与动画，细节级别


角色建模与动画
　　你的角色模型在屏幕上看起来怎么样,怎样容易创建它们,纹理,以及动画对于现代游戏试图完成的`消除不可信`因素来说至关重要。角色模型系统逐渐变得复杂起来, 包括较高的多边形数量模型, 和让模型在屏幕上移动的更好方式。

　　如今你需要一个骨骼模型系统，有骨架和网格细节层次，单个顶点骨架的评估，骨架动画忽略，以及比赛中停留的角度忽略。而这些甚至还没有开始涉及一些你能做的很好的事情，像动画混合，骨架反向运动学（IK），和单个骨架限制，以及相片真实感的纹理。这个清单还能够继续列下去。但是真的，在用专业行话说了所有这些以后，我们在这里真正谈论的是什么呢？让我们看看。

　　让我们定义一个基于网格的系统和一个骨骼动画系统作为开始。在基于网格的系统，对于每一个动画幀，你要定义模型网格的每个点在世界中的位置。举例来说，你有一个包含200 个多边形的手的模型，有 300 个顶点(注意，在顶点和多边形之间通常并不是3个对1个的关系，因为大量多边形时常共享顶点 – 使用条形和扇形，你能大幅减少顶点数量)。如果动画有 10 幀，那么你就需要在内存中有300个顶点位置的数据。 总共有300 x 10 = 3000 顶点，每个顶点由x，y，z和颜色/alpha信息组成。你能看见这个增长起来是多么的快。Quake I，II和 III 都使用了这种系统，这种系统确实有动态变形网格的能力，比如使裙子摆动，或者让头发飘动。

　　相比之下，在骨骼动画系统，网格是由骨架组成的骨骼( 骨架是你运动的对象)。 网格顶点和骨架本身相关，所以它们在模型中的位置都是相对于骨架，而不是网格代表每个顶点在世界中的位置。因此，如果你移动骨架，组成多边形的顶点的位置也相应改变。这意谓着你只必须使骨骼运动，典型情况大约有 50 个左右的骨架—很明显极大地节省了内存。


骨骼动画附加的好处
　　骨骼动画的另一个优点是能够根据影响顶点的一些骨架来分别“估价” 每个顶点。例如，双臂的骨架运动，肩，脖子而且甚至躯干都能在肩中影响网格。当你移动躯干的时候，网格就活像一个角色一样移动。总的效果是3D角色能够实现的动画更加流畅和可信，且需要更少的内存。每个人都赢了。

　　当然这里的缺点是，如果你想要使有机的东西运动且很好，比如说头发，或者披肩，为了让它看起来自然，你最后不得不在里面放置数量惊人的骨架，这会抬高一些处理时间。

　　基于骨骼的系统能带给你的一些其他事情是‘忽略’特定层次骨架的能力 -- 说,"我不关心动画想要对这块骨架所做的事情，我想要让它指向世界中的一个特定点"。这很棒。你能让模型着眼于世界中的事件，或者使他们的脚在他们站着的地面保持水平。这一切非常微妙，但它可以帮助带给场景附加的真实感。

　　在骨骼系统，你甚至可以指定"我需要把这个特别的动画用於模型的腿，而一个不同的携枪或射击动画在模型躯干上播放，且那家伙（角色）叫喊的不同动画效果在模型的头部播放"。非常妙。Ghoul2 ( 在Soldier of Fortune II: Double Helix and Jedi Knight I: Outcast中使用了Raven的动画系统 ) 拥有所有这些好东西，且特别被设计为允许程序员使用所有这些忽略能力。这对动画的节省像你一样难以相信。像你一样的动画上的这次救援不相信. Raven有一个角色行走的动画和一个站立开火的动画，并在它同时行走和开火形下把这两个动画合并，而不是需要一个动画表示角色行走并开火。


More Skeletons in the Closet
　　先前描述的效果可以通过具有层次的骨骼系统来完成。这是什么意思呢？意思是每块骨架实际上的位置相对于它的父亲，而不是每个骨架直接位于空间中的地方。这意谓着如果你移动父亲骨架，那么它所有的子孙骨架也跟着移动，在代码上不需要任何额外的努力。这是让你能够在任何骨架层次改变动画，而且通过骨骼其余部分向下传递的东西。

　　创建一个没有层次的骨骼系统是可能的 -- 但那时你不能忽略一个骨架并且预期它工作。你所看到的只是身体上的一个骨架开始了新动画，除非你实现了某种‘向下传递信息’的系统，否则在该骨架下面的其它骨架保持原来的动画。首先由一个层次系统开始，你就自动地获得这些效果。

　　许多今天的动画系统中正开始出现一些比较新的特征，如动画混合，从一个正在播放的动画转变到另外一个动画需要经过一小段时间，而不是立即从一个动画突然转变到另外一个。举例来说，你有个角色在行走，然后他停了下来。你不是仅仅突然地转变动画，让他的腿和脚停在无效位置，而是一秒钟混合一半，这样脚似乎自然地移到了新的动画。不能够过高的评价这种效果 -- 混合是一个微妙的事情,但如果正确的运用，它真的有些差别。


反向运动学
　　反向运动学 (IK) 是被许多人们丢弃的一个专业术语，对它的真实含义没有多少概念。IK 是如今游戏里面一个相对比较新的系统。使用 IK ，程序员能够移动一只手，或一条腿, 模型的其余关节自动重新定位，因此模型被正确定向。而且有模型的关节新位置的其馀者他们自己，因此模型正确的被定向。比如，你将会说,"好，手 , 去拾起桌子上的那个杯子"并指出杯子在世界中的位置。手就会移动到那里，且它后面的身体会调节其自身以便双臂移动，身体适当弯曲，等等。

　　也有和IK相反的事情，叫做前向运动学,本质上与 IK 工作的次序相反。想像一只手，手附着在手臂上，手臂附着在身体上。现在想像你重重地击中了身体。通常手臂像连迦般抽动，且手臂末梢的手随之振动。 IK 能够移动身体，并让其余的四肢自己以真实的方式移动。基本上它需要动画师设定每种工作的大量信息 -- 像关节所能通过的运动范围，如果一块骨架前面的骨架移动，那么这块骨架将移动多少百分比，等等。

　　和它现在一样，尽管很好，它是一个很大的处理问题，不用它你可以有不同的动画组合而脱身。值得注意的是，真正的 IK 解决办法需要一个层次骨骼系统而不是一个模型空间系统 -- 否则它们都耗时太多以致无法恰当地计算每个骨架。


LOD几何系统
　　最后，我们应当快速讨论一下与缩放模型几何复杂度相关的细节级别（LOD）系统(与讨论MIP映射时使用的LOD相对照)。假定如今绝大多数PC游戏支持的处理器速度的巨大范围，以及你可能渲染的任何给定可视场景的动态性质(在屏幕上有一个角色还是12个？)， 你通常需要一些系统来处理这样的情况，比如，当系统接近极限试图同时在屏幕上绘制出12个角色，每个角色有3，000个多边形,并维持现实的幀速率。 LOD 被设计来协助这样的情景中。最基本的情况，它是在任何给定时间动态地改变你在屏幕上绘制的角色的多边形数量的能力。面对现实吧，当一个角色走远，也许只有十个屏幕像素高度，你真的不需要3000个多边形来渲染这个角色 -- 或许300个就够了，而且你很难分辨出差别。

　　一些 LOD 系统将会需要你建立模型的多个版本，而且他们将会依靠模型离观察者的接近程度来改变屏幕上的LOD级别， 以及多少个多边形正被同时显示。更加复杂的系统实际上将会动态地减少屏幕上的多边形数量，在任何给定时间，任何给定的角色，动态地 -- Messiah和Sacrifice包括了这种风格的技术，尽管在CPU方面并不便宜。你必须确信，与首先简单地渲染整个事物相比，你的 LOD 系统没有花较多的时间计算出要渲染那些多边形（或不渲染）。 任一方式都将会工作，由于如今我们试图要在屏幕上绘制的多边形数量，这是件非常必要的事情。注意， DX9 将会支持硬件执行的自适应几何缩放(tessellation)。

　　归结起来是，得到一个运动流畅，其表现和移动在视觉上可信，屏幕上看起来逼真的模型。流畅的动画时常是通过手工建造动画和运动捕捉动画的组合得到。有时你仅仅手工建立了一个给定的动画 -- 当你在为一个模型做一些你在现实生活中不能做到的事情的动画时， 你倾向于这样做 -- 举例来说，你确实不能向后弯腰，或像Mortal Kombat 4中的Lui Kang那样在行进的脚踏车上踢腿，通常运动捕捉这时候就出局了! 通常运动捕捉动画 -- 实际上视频捕捉活生生的演员贯穿于你想在屏幕上所看到的动画 -- 是得到逼真的东西的方式。真实感的东西能使一款普通游戏看起来很棒，而且能掩饰许多事情。比如 NFL Blitz，屏幕上的模型大约有 200 个多边形。它们在静止站立时看起来可怕的斑驳，一旦这些模型跑动起来它们就有快速流畅的动画，模型自身的许多丑陋消失了。眼睛容易看见的是 '逼真的' 动画而不是模型自身的结构。 一个不错的模型设计师能够掩饰大多数模型缺陷。

　　我希望这些带给你对模型和动画问题的洞察力。在第五部份中，我们将会更加深入3D世界的建造，讨论一些物理，运动和效果系统的东西。