【游戏引擎之路】登神长阶（十六）——宁可碎此身，终不起此座——最难的挑战，游戏动画开发

【游戏引擎之路】登神长阶（十六）——宁可碎此身，终不起此座——最难的挑战，游戏动画开发

2024年 5月20日-6月4日：攻克2D物理引擎。
2024年 6月4日-6月13日：攻克《3D数学基础》。
2024年 6月13日-6月20日：攻克《3D图形教程》。
2024年 6月21日-6月22日：攻克《Raycasting游戏教程》。
2024年 6月23日-7月1日：攻克《Windows游戏编程大师技巧》。
2024年 7月2日-7月6日：攻克《雅达利2600汇编游戏开发》。
2024年 7月7日-7月11日：攻克《x86/x64汇编语言》。
2024年 7月11日-7月22日：学习《3D游戏编程大师技巧》（阶段性）。
2024年 7月14日-7月18日：学习《游戏引擎架构》（完成）。
2024年 7月23日-7月30日：攻克Python语言学习。
2024年 7月31日-8月5日：攻克《3D游戏编程大师技巧》。
2024年 9月10日-9月20日：攻克游戏动画绑定
2024年 10月27日-10月31日：攻克《C++大师教程》
2024年 10月21日-11月02日：攻克《DirectX11教程》
2024年 11月02日-11月06日：攻克《CMake教程》
2024年 11月06日-11月10日：攻克《Vulkan教程》
2024年 11月11日-11月13日：攻克《OpenGL教程》
2024年 11月14日-11月29日：攻克《DirectX12龙书》
2024年 11月14日-11月29日：攻克《DirectX12龙书》
2024年 11月29日-2025年1月16日：《心火引擎》基础渲染部分，UI，基础游戏框架
2025年 1月16日-2月12日：载入骨骼部分。能够使蒙皮骨骼，动画载入。但有诸多问题。
2025年 2月19日-3月8日：制作了完整的小哪吒模型。自已的引擎，必须要自已建模适配。
2025年 3月10日-3月23日：制作骨骼动画，面对各种问题，各种崩溃，无法解决。
2025年 3月24日-3月27日：攻克《Lua教程》。把LUA加入引擎解决c++编译时间问题。
2025年 3月28日-4月11日：进行Maya的学习。掌握了Maya软件。
2025年 4月14日-4月19日：宁可碎此身，终不起此座！终于完美解决动画问题。
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（一）引子

很久没有感受到抑郁症受心态的影响这么大了。
我自从过冬之后，士气一直很低落，虽然不说到了心里面压了一块石头那么严重，但是做游戏也一点动力没有。我把这个归到我的抑郁症，想着开春之后会好些。随着运动起来了，我也渐渐恢复了状态，但是还是没有以前的那种动力。因为我在去年，尤其是搞引擎的时候，曾经有一个时期，真的那种每天晚上睡觉，都期待着自已第二天做什么的时候。我感觉那种情况回不来了。
但是，今天这种情况回来了。为什么？因为我解决了动画的问题，感觉天高任鸟飞，海阔凭鱼跃！我状态一下就来了。
所以说，当一个人走入困境的时候，真的士气会低低落，不停地自我怀疑，这时候真的需要什么东西支撑你。我当时学了Maya，然后再次转回动画制作的时候，我是真想着放弃自已的引擎开发，如果这次尝试再不成功，我就先去做小游戏了。
但是我心里面不甘啊。于是我4月14日的第一次更新里面，提交给github（gitee）的commit就写这一段话：
宁可碎此身，终不起此座！
这是本师释迦摩尼在悟道之前的誓言。最终七七四十九天，终于证得无上菩提。
而我解决问题的过程用了六天，当然，这个六天是从说这句话的时间算起，如果算上整个动画制作的时间，是三个月。这其中每天都遇到各种各样的问题，各种头秃。而且我的头痛非常严重，这种困境加重了头痛。还好之前想起来吃天麻，吃了一周的天麻，感觉状况好多了。
这不管怎么说，终于解决问题，能够完美实现动画的那一天，感觉自已整个人都被解放了！

（二）为什么骨骼动画这么难

以前我自已在做游戏引擎的时候，我也去了解了不少单人开发的自研引擎，我发现这些引擎都有一个共同的特点，就是不支持骨骼动画。我当时觉得很奇怪，现在终于明白了。
在最初的时候我没有认识到这个问题，觉得问题会非常简单。比如我在教程中学习M3D动画，只用了2天便使3D动画运行起来了。而且就连我小时候，我学习《windows游戏编程大师》的时候，那时候我用雷神引擎的模型做动画，那是顶点动画，我也做好了。我是实在没有想到动画这么难。
骨骼动画难的地方在于，从载入到运算的每一个环节都可能出错。而且最变态的是，即便是如错了，因为矩阵运算的特殊性，你可能得到一个正确的结果。就比如说，我制作骨骼Pose的时候（即没有动画，仅绑定数据），我就用完全错误的运算，得到了一个完全正确的结果。
这多可怕！
我们程序员里面有一句老话，叫“崩溃是一件好事情”。因为你运行的程序崩溃了，也就意味着你能够准确地定位到BUG。所以在程序员里面也有争论，到底是让程序更健壮更好，比如说，即便是得到了错误的结果，也能够运行，还是使程序易崩溃越好，比如说，只要有一个环节出错，程序就立刻崩溃。
这里没有正确答案，但是我偏向后者。比如说，我的载入程序就没有SafeGuard，只要文件丢失，立刻程序就崩溃。照理来说，就算是一个图片不见了，程序也应该能够运行。不过我让他立刻崩溃，这样就能够立刻找到问题，至少开发的时候这样做最好。

（三）我如何一步一步解决这个问题

下面我将一路解释我如何解决问题，我希望自已的思路和经验也能够对大家带来帮助。以后我会专门写一篇技术文章来讨论骨骼动画中的要点。

1、M3D动画

我学习了M3D的动画载入。这里面包括了骨骼动画的每一个要点，我基本上都了解了。当时感觉没什么难度，尤其是我3D数学现在基础已经很好了，里面的东西都不难理解。骨骼动画就是组合从Root到骨骼的矩阵组合。

2、Assimp系统

我学习Assimp的教程。我这里找的是OpenGL的教程，在网上OpenGL的教程最多，因为这东西最简单，任何其它的引擎，比如DirectX，Vulkan之流，都需要一套复杂的前置机制，导致这些东西不好做教程。然后就是这个教程是OpenGL的，导致我之后被坑出翔。

3、蒙皮骨骼权重问题

我第一步完成骨骼权重的载入，这里不涉及动画。但是很快，我发现自已的骨骼崩溃了。这个BUG尤其严重在一个地方，我最初从Blender中自已建立了一个模型，用于测试，一切都正常。但是到了载入复杂的骨骼的时候，却出现问题了。然后我又去倒过去检查简单的模型，发现一些都正常。
这就是我上面所说的，程序员不怕崩溃，就怕正常。最后我才发现问题出在我的教程里面的一个语法糖上面，因为在教程中，为了展示自已的“技巧”，用于骨骼权重的信息保存只用了3个数据。使用了一个XMFLOAT3来存储。最后一个权重，通过1-x-y-z就能够计算得到，这样就省下一个空间。但是我在重新建立起我的系统的时候，没有发现这个问题，因为程序员有句老话，能够运行的代码，就不要去动。我在测试最初的骨骼的时候，什么问题都没有，所以这段隐藏在代码中的陷阱就被我忽视掉了。
而为什么最初的骨骼被我忽视掉？因为这个骨骼只有三段。如果我开始就做了一个有四段骨骼的动画，也许问题就能被找到。
这是属于我的一个失误导致的，也有经验，就是别太相信能够完好运行的代码。他不出错，可能是因为从来没有遇到其它的情况。

4、蒙皮骨骼姿势问题

我解决了这个问题之后，然后就着手解决Pose的问题。也就是不带任何骨骼动画，让Pose立起来。这里遇到的第一个问题就是行主序和列主序的问题。最奇葩的事情是，我当时都意识到这个问题了，但是我用一个完全错误的方式，认为我做的事情没有错。这东西怎么来的呢？
第一个阶段，因为用Assimp载入的aiMatrix3d是列主序，而DirectX的矩阵是行主序，所以是不是要做一个转换？于是我做了转化。但是我发现做了转化之后，却得不到正确的结果。因为我当时载入项目，计算矩阵的方式是从OpenGL中抄来的，而这里有一个问题，就是OpenGL变换矩阵的乘法是“从右到左”，即先应用的变换写在最右边，后应用的变换写在最左边。而Direct是反过来的。
想想看，为什么我当时意识到了行主序和列主序，但是为什么没有解决这个问题？就是因为在数据运算中，矩阵乘法是有结合率的，也就是A*(B*C)等于(A*B)*C。你左乘右乘有什么区别呢？
而且最离谱的是，我用了错误的思路，但得到了正确的结果。就是说，当我的核心代码是抄OpenGL的时候，我的骨骼动画是右乘的，也就是说，Root的东西放在左边。但如果你采用了这种乘法，那你一开始将aiMatrix3d转化为XMFLOAT4X4的时候，你就不能使用转置，你就得保持原来的样子，否则就要出错。但是，你其实应该进行转化的。
当时我解决这个问题，我一开始是抄的OpenGL的代码，但是后来出了问题，我靠自已的理解，然后自已重新写了代码，一行一行都是靠自已的理解写的。这虽然花费了更多的功夫，但是让我对骨骼动画的理解也强化了。
正因为对这个理解的强化，所以导致我能够剖析每一个环节，最终能够使Pose得到一个正确的结果。但是，这个“正确的结果”最终导致一个神坑，我直到最后的最后才解决这个问题。
换句话说，我这个阶段的努力，就是实现了“在DirectX中成功进行OpenGL方式的运算”。因为矩阵运算是纯粹的数学，CPU不会管你的行主序还是列主序，A*B*C能运算，A(T)*B(T)*C(T)也能运算（(T)表示转置矩阵）。如果你采用了OpenGL的右乘机制，那么你一开始将矩阵的主序调整和OpenGL一样，在数学上就能够得到一个正确的结果。
这个阶段我解决了各种各样的坑，比如说，我一开始用XMMATRIX来保存数据，因为DirectX不知道为什么，使用了一种巨坑爹，巨反人类的矩阵演算方式。他用SIMD的东西，需要用XMMATRIX和XMVECTOR来计算，然后保存数据的时候用XMFLOAT2/3/4，或者XMFLOAT4X4这种。然后你在使用的时候，要用XMStore或者XMLoad这类的函数将其转化之后再计算。一个小小的计算，要倒来倒去很多次。这让我觉得非常痛苦，所以我一开始的时候，很多地方为了省事，直接用XMMATRIX或者XMVECTOR传递数据，我觉得都是数据，传递应该不会有问题的啊？但是也不知道怎么回事，就是各种BUG，最后我没办法，只有严格按照DirectX的规则来。

5、蒙皮骨骼动画问题

上面说到，我做骨骼Pose的时候，用了一个“在DirectX中成功进行OpenGL方式的运算”，然后使我得到了非常正确的Pose，任何骨骼载入，Pose都是对的，就是默认的Pose。
但是我那时候还不知道，我的这个实现，完全是属于“瞎猫碰到死耗子”式的成功。
在我看来，一个Pose就已经完整的实现了骨骼所需要的各种要素，而动画只不过改变Pose其中的骨骼矩阵，用动画的矩阵去替换掉NodeTransform这个节点的矩阵而已。
我当时花了大量的时间解决Pose问题，而且从载入节点的时候全部代码都自已写，基础也打牢固了。然后我觉得自已又牛逼起来了。但是我一做动画，完全崩溃，各种动画数据崩溃。
我当时真的觉得游戏引擎太难了，尤其是为什么很多游戏引擎居然不支持骨骼动画，或者要么是自已专有的动画格式，这其中是有道理的。因为一两个数据的影响，就导致各种问题，而你调式这个问题的过程，却无比困难，这真的是大海捞针。
在别的地方，你出现什么问题，然后顺藤摸瓜找就是了，然而骨骼动画一系列的过程，在某些时候你用了错误的东西，却能得到正确的结果。
我当时真的彻底崩溃了，说实话，我自从当程序员以来，从来没有遇到过自已解决不了的问题，从来没有，没有一个。
因为程序说到底就是运算，不存在解不开的东西。但那可能是我以前从来没有涉及这种最底层，最数据性的东西。因为矩阵运算就是最后的数学，在它的下面已经没有封装的东西了，要再下面就是硬件了。
那时候我想着没办法，放弃就放弃吧。尤其是我的抑郁症那时候就又上来了，头痛也很厉害。然后我面对这种情况，我怎么做呢？我就自已骗自已，因为我有抑郁症，抑郁症的人就是这样的，思想就比较消极，我有放弃的想法很正常，我脑子有病，但这不一定是我真实的想法，因为我很不甘，就不甘这么失败。
于是我开始学习Maya。为什么要学习Maya？用Blender不行吗？还真不行。
为什么？
这就得说起Blender坑爹的问题了。我之前学习的软件就是Blender，因为Blender最适合我这种单干的游戏独立开发者。然后我用Blender用得很顺手，尤其是我学习了Maya之后，更觉得Blender顺手了，Maya很多东西简直反人类。
但Blender有一个非常严重的问题，和FBX不太兼容。我不知道是不是Blender故意的，因为Blender的开发者对Autodesk公司有巨大的敌意，他在一次采访中就直说，他搞Blender就是为了干翻Autodesk的。
Blender的模型有什么问题？当他导出一个模型的时候，首先人需要旋转90度，然后核心的骨骼是100倍。如果你把一个Blender导出的FBX拖动到Unity中，你就可以看到，他核心的骨骼是100倍缩放，而且旋转了90度。
Unity虽然能够适应这种问题，但这本身就是一个坑。而且会导致各种问题。就比如说，你如果用DynamicBone插件制作物理骨骼，他里面的各种指示器就会出错，因为DynamicBone根本不适应那种骨骼有100倍缩放的情况。
这里顺便给大家提供一个解决方案，如果你要在Unity中使用Blender制作的模型，那么你别用Blender导出FBX，而是直接将Blender文件拖动到Unity里面，这样，Unity在一开始的时候，就会对Blender模型进行处理。
Blender里面有一个“应用变换”，可以把比例改成1：1，但是它这个功能也是纯坑的，因为他自已就在后面有一个三角警告标志：说这个是实验功能，已知骨骼和动画会崩溃。事实上也是如此，的确会崩溃，根本用不了。
然后我又找到另外一个解决方式，导出glb文件。glb导出的文件用Assimp可以成功载入，没有任何问题。但是，奇怪的是，glb支持动画，但是Blender导出的glb文件里面却没有动画，动画不见了。
所以我只能用FBX导出动画，但问题又回来了，你glb里面是一个正常的，1:1的，没有90度旋转的模型，但是，在FBX的动画里面，里面的数据可都是100倍加90度旋转的模型啊！
所以那个时候，我真的感觉四面楚歌，这也不对，那也不对。因为Blender除了坐标系和Direct不一样之外，他的轴向也有问题，他的Z轴是向上的，我也不知道为什么他要做一个这样奇葩的设计，就是为了和Autodesk对着干吗？
其它我所有知道的工具也好，引擎也好，都是Y轴向上，X左右，Z轴前后。左右手坐标系只是Z轴反转而已，只有Blender这么奇葩。这就导致了他导出的模型，其中就自带了一个90度的旋转。
要知道，我调试东西，最重要的就是看每一步自已有什么变化，而Blender这种一开始就自带旋转，自带缩放的东西，导致我的调试非常困难。
没办法，于是我找一个Maya教程来进行学习，。当然要学习我就学习全套，而且非得学动画不可，所以从建模到骨骼绑定到动画，花了半个月的时间，终于把全套学到了。
然后我再回来进行调试。

5、宁可碎此身，终不起此座

其实我在学Maya的时候，每天都在自我质疑，内耗非常严重，所以那段时间非常痛苦。因为我感觉自已走上一条非常长非常长的路，却不知道这路走不走得通。我当时学完Maya，都有些绝望了，我当时给自已一个目标，说如果一周时间再也找不到突破口，做不好动画，那么我就去做我的《星火盟约》，先做一个小游戏再说。总之挺悲观的。
但是我又不服气。于是我14号重新写代码的时候，我更新到github中的commit就写着“宁可碎此身，终不起此座”。我是真不信了。
然后我学习了Maya之后，使用Maya的模型进行调试，Maya的好处是导出的FBX非常纯净，没有什么额外的100倍加90度旋转，而且左右手坐标系转化非常简单，Assimp可以完全处理。
然后我就从最简单的动画开始做起，先平移X，Y，Z。然后旋转。当然，各种各样的问题接着出现，比如说Z轴反转了，旋转出问题了，我在这个开发过程解决各种各样的问题。甚至我最终做到了简单动画完全正确，单根骨骼无论是位移、旋转都不会出现问题。但是不知道为什么，到了多段骨骼的时候，就会出问题。

然后我真的彻底绝望了。打算放弃了。
然后我就去找到原来的M3D代码，然后再重写一遍。我之前学M3D动画是在学教程的时候做的，只是了解其中的东西，并没有认真思考其中的含义。但是这次重写的时候，我发现了一个核心的关键，DirectX的矩阵是左乘的，最先进行变换在最左边，也就是说，Parent应该在右边。
但是，为什么我原来用右乘就是对的呢？最后顺腾摸瓜找到了最初的那个aiMatrix3d矩阵转换。我终于明白了，这一开始就必须进行行列的转置，然后用这个来依次解决每个矩阵的乘法。OpenGL教程中的顺序不能用于DirectX。
当然，还有些其它问题，比如说FBX载入中，会有一些"$AssimpFbx$"这类的奇葩节点，需要合并，不然会导致问题等等。

还有一些看似对，也不会出问题的东西。比如说四元数转欧拉角，我就有两套不同的转换，然后看上去都对，但是结果却不能匹配。这些都属于小BUG。

这些东西都属于小问题。

（四）结语

最终，我解决了这个问题。关于骨骼动画的核心代码差不多只有2000行，可能还不到。但是，花费的功夫却长达
3个月。
在这个期间，我把我的调试工具写得非常好。能够把每一个动画，每一个矩阵都打印得清清楚楚，进行单帧的分析，每个矩阵怎么算出来，是什么结果我都知道，我是做梦都没有想到，我一个游戏开发者，有天也会做这种事情。
因为在我最初的想法中，我怎么说也是一个应用层的开发者，怎么会搞到这种深的底层去呢？尤其是我还自已学习了建模。
所以我真的非常庆幸自已当初认真学了建模，因为如果我不懂自已建模，不能把动画分解为最简单的元素，一个一个去调试结果，我如果只有那些网上下的模型，动画，一开始就是一整套完全的骨骼动画，我根本没有办法解决这个问题。
只有我自已学了建模，把复杂的任务分解为了简单的任务，再加上对于3D数学的理解，最终才能解决这个问题。
凡做难事，必有所得，这里用一句孟子的话与大家共勉吧：
“故天将降大任于是人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为，所以动心忍性，曾益其所不能。人恒过，然后能改；困于心，衡于虑，而后作；征于色，发于声，而后喻。入则无法家拂士，出则无敌国外患者，国恒亡。然后知生于忧患，而死于安乐也。”
附录：
这是我打印的一个动画的数据。最简单的，只有一个骨骼，只有一帧，只有一个旋转：
 

---------------------------------------------
Print AnimationClip: Take 001
Channels:
[0]: Spine
[1]: Spine_end
---------------------------------------------
-- Spine[0]: --
000f: P[0.0 0.0 -0.0] R[-0.0 -0.0 -90.0] S[1.0 1.0 1.0]
010f: P[0.0 0.0 -0.0] R[-26.6 -90.0 -90.0] S[1.0 1.0 1.0]
-- Spine_end[1]: --
010f: P[1.0 0.0 -0.0] R[-90.0 -0.0 -0.0] S[1.0 1.0 1.0]

-- END --

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-- RootNode --
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-- Spine_$AssimpFbx$_Rotation --
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== Set Transforms ==
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