C++游戏引擎开发指南：骨骼权重在骨骼动画中的应用-优快云博客

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C++游戏引擎开发指南：骨骼权重在骨骼动画中的应用

cpp-game-engine-book 从零编写游戏引擎教程 Writing a game engine tutorial from scratch 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/cpp-game-engine-book

骨骼动画中的权重概念

在游戏开发中，骨骼动画是实现角色动作流畅性的关键技术。在上一节内容中，我们实现了基本的骨骼动画功能，但发现了一个常见问题：骨骼接缝处会出现分叉和重叠，也就是俗称的"穿模"现象。

穿模问题的根源与解决方案

穿模问题的本质在于顶点与骨骼的绑定关系过于简单。在初始实现中，每个顶点只能完全跟随单一骨骼运动，这导致在骨骼交界处的顶点无法平滑过渡。

要解决这个问题，我们需要引入骨骼权重的概念。骨骼权重决定了顶点受不同骨骼影响的程度，通过为顶点分配多个骨骼的权重，可以实现骨骼间的平滑过渡。

骨骼权重的实现原理

1. 数据结构设计

在游戏引擎中，通常一个顶点最多可以关联4个骨骼。我们可以使用以下结构来存储顶点与骨骼的关系：

struct VertexRelateBoneInfo {
    char bone_index_[4];    // 骨骼索引
    char bone_weight_[4];   // 骨骼权重(0-100)
};

这种设计有以下优点：

使用char类型存储索引和权重，节省内存
权重用整数表示(0-100)，使用时除以100即可得到0-1.0的浮点值
最多支持4个骨骼影响，满足大多数游戏需求

2. 权重分配示例

以两个骨骼交界处的顶点为例：

完全跟随骨骼A：权重{A:100, B:0}
完全跟随骨骼B：权重{A:0, B:100}
平滑过渡：权重{A:70, B:30}

3. 数据初始化

在Lua脚本中初始化骨骼权重数据：

local vertex_relate_bone_infos = {
    -- 顶点1: 完全跟随骨骼0
    0, -1, -1, -1, 100, -1, -1, -1,
    -- 顶点2: 70%骨骼0, 30%骨骼1
    0,  1, -1, -1,  70,  30, -1, -1,
    -- 其他顶点...
}

骨骼权重的计算过程

在顶点着色阶段，我们需要根据骨骼权重计算最终顶点位置：

对每个关联骨骼：
- 获取骨骼的T-Pose矩阵及其逆矩阵
- 将顶点坐标转换到骨骼空间
- 应用当前骨骼的动画变换矩阵

根据权重混合结果：

new_pos = pos_by_bone1 * weight1 + pos_by_bone2 * weight2 + ...

核心实现代码：

glm::vec4 pos_by_bones;
for(int j=0; j<4; j++) {
    int bone_index = vertex_relate_bone_infos[i].bone_index_[j];
    if(bone_index == -1) continue;
    
    float weight = vertex_relate_bone_infos[i].bone_weight_[j] / 100.f;
    
    // 骨骼空间变换
    glm::mat4& bone_t_pose = animation_clip->GetBoneTPose(bone_index);
    glm::mat4 inverse = glm::inverse(bone_t_pose);
    glm::vec4 pos_in_bone_space = inverse * glm::vec4(vertex.position_, 1.0f);
    
    // 应用当前骨骼动画
    glm::vec4 pos_in_world = bone_matrix * pos_in_bone_space;
    
    // 加权混合
    pos_by_bones += pos_in_world * weight;
}