1、 本 科 毕 业 论 文 三维动画 制作中的 骨骼绑定 研究 Research of the skeleton binding in Three-dimensional animation 姓 名： 学 院：软件学院 系：软件工程 专 业：软件工程 年 级： 学 号： 指导教师： 年 月 摘 要 随着电影、 游戏等娱乐产业的快速发展 ， 计算机动画技术得到了长足的进步 。其中 ， 善于表现角色 行为的骨骼皮肤动画技术作为目前应用最广泛的角色动画技术在科研和产业界一直是关注和研究的热点 。 骨骼皮肤绑定技术又称为骨骼域变形技术 (SSD)、 蒙皮技术等 ， 是骨骼皮肤动画的重要组成部分 ，决定着
2、最后动画效果的真实感。 本论文对骨骼皮肤绑定过程 进行详细 的研究 即用运动 (骨骼来承载 )驱动皮肤产生动画的详细过程。 绑定过程和实践结合的比较紧密 ， 通过借鉴相关软件的操作流程 ， 实现 一套完整的骨骼皮肤绑定过程 。 包括 创建 骨骼系统、建立 IK控制、光滑蒙皮三 个阶段 ， 并对其中每一个阶段的动机和意义进行分析 ， 解决了目前使用方法中的缺陷 ， 提高了绑定效率。 绑定算法的发展经过了从刚性绑定到以点绑定 (Vertex Blending)为代表的柔性绑定再到以骨骼绑定 (Bones Blending)为代表的柔性绑定三个主要的阶段 。 关键词： Maya 2009； 骨骼绑定
3、 ； 反向动力学 （ IK） ； Abstract Computer Animation has been progressing very fast these years, along with the rapid development of film and game (entertainment) industry. Through the many types of computer animation, skeletal animation is one of the most popular kinds because of its advantage on represent
4、ing the characters motion. The skeleton and skin binding techniques also called SSD, an important part of Skeleton and skin animation, decide the reality effecting of the final produced animation. In this paper, through explicit motion-driven (Skeleton carried) process of producing animation detaile
5、d research upon Skeleton and skin binding was given. Besides, by referring relative software it closely integrated the binding process and the practice, including creating skeleton system, IK control and adding smooth skin, while analyzing the motivation and meaning during each process, which solved
6、 the demerit in the method employed at present and improved the bonding efficiency. Bonding algorithm underwent three main stage from the period represented by Vertex Blending to the period represented by Bones Blending ,then fetched the stage represented by flexible bonding. Keywords: Maya 2009； SS
7、D； Inverse kinematics（ IK） ； 第一章 引言 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 海域征途介绍 . 2 第 二 章 系统相关技术概述 . 3 2.1 Autodesk Maya 2009 平台简介 . 3 2.2 骨骼皮 肤绑定技术 . 4 2.3 骨架反向动力学（ IK） . 5 2.4 蒙皮 . 6 第 三 章 骨骼绑定 . 7 3.1 为骨骼绑定做准备并创造腿骨骼 . 7 3.2 创建 IK 手柄并镜像复制骨骼 . 9 3.3 创建脚掌和膝盖控制 . 12 3.4 创建一个脚部属性 roll 让它从 0 开始变化 . 15 3.5 创建脊柱骨骼并与腿骨骼连接
8、. 18 3.6 创建背部控制和髋部控制 . 19 3.7 添加制约关系形成控制 . 21 3.8 插入脖子骨骼与头部控制 . 22 3.9 创建手臂骨骼及 IK手柄 . 23 3.10 创建手指骨骼及调整骨骼旋转轴 . 24 3.11 创建手臂控制及前臂操纵 . 26 3.12 创建一个整体的控制使整体缩放和移动 . 26 3.13 创建 IK/FK 控制器与调整控制 . 28 3.14 使用权重描绘工具 . 29 第 四 章 项目总体 演示 . 32 第 五 章 总结 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 Chapter 1 Introduction . 1 1.1 Introdu
9、ction . 1 1.2 Sea journey Introduction . 2 Chapter 2 System Technical Overview . 3 3.1 About Maya 2009 platform . 3 3.2 Skeleton skin binding . 4 3.3 Inverse kinematics（ IK） . 5 3.4 Skin. 6 Chapter 3 Skeleton binding . 7 3.1 Setting up the scene and creating legs. 7 3.2 Creating IK handles and mirro
10、ring joints . 9 3.3 Creating the foot and knee controls . 12 3.4 Creating a foot roll from scratch . 15 3.5 Creating the back spine and connecting it to the legs . 18 3.6 Creating the back and hip controls . 19 3.7 Adding constraints to controls . 21 3.8 Inserting joints into the joint chain and hea
11、d controls . 22 3.9 Building the arms and the arm IK controls . 23 3.10 Creating the fingers and adjusting local rotation for joints . 24 3.11 Building hand controls and the forearm rig . 26 3.12 Creating a global control to allow scaling and moving . 26 3.13 Creating an IK/FK blender and adjusting
12、the channels . 28 3.14 Using the paint weights tool . 29 Chapter 4 Project overview . 32 Chapter 5 Summary .35 Acknowledgement.36 References. 错误 !未定义书签。 第 一 章 引言 - 1 - 第一章 引言 1.1 引言 随着 PC 的发展，如今在即时模型和电影模型之间的区别已经是 微乎其微了。随着计算机动画的发展，很多游戏、动画实现了华丽的场景设计和绚丽的角色动作制作，推动着游戏 动画 向更照片级 、 真实电影级享 受方向发展，营造更真实更自然的 体验
13、。角色模型系统逐渐变得复杂起来，除了低多边形建模，还有精细建模 , 我们将寻求如何让更多多边形模型在屏幕上更好地移动方式 1。 这就需要一个骨骼模型系统，有骨架和网格细节层次。除此之外，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，也是打造影视级游戏、动画真实感的关键 2。 如果想要使有机的东西运动得很好，如头发或披肩，为 了让它看起来自然，最后不得不在里面放置数量惊人的骨架，这会增加处理的时间。基于骨骼的系统不仅可以处理动画中对本身骨架所做的事情，还可以使它和世界中的一个特定点产生联系。让模型着眼于世界中的事件，或使他们的脚在他们站着的地面保持水平，这有助于增强场景
14、的真实感 3。 在骨骼系统里，我们可将动作保存为特定格式的文件，不管角色对象的形态、尺寸或重力值是否一致，这些动作文件都适用，我们可将需要的动作文件编辑形成更为复杂的动画 4。 厦门大学本科学位论文 三维动画制作中的骨骼绑定研究 - 2 - 1.2 海域征途 介绍 故事背景 3210 年，人类已住在火星，但是人类仍十 分惦记曾经的蓝色家园 地球，一直关注地球以及其他星球的情况。 故事梗概 有 一批小朋友需要通过完成火星幼儿园毕业任务来取得毕业，在这些任务中孩子的勇气、毅力、智慧等都将受到考验，孩子们从而获得成长。主人翁纳金就是其中一员，被安排地球的海洋中，但并没有被告之需要完成什么任务。 纳金
15、带着先进技术和仪器来到地球海洋生活，与海豚娜娜、章鱼若琳、海星肯妮、龙虾艾伦、海螺耶克、海马艾玛六人结为好友，快乐地生活，发生了许多有趣的小故事，纳金也获得了成长。 随着故事的发展，地球海洋的严峻问题慢慢显露，一种凶恶的鲨鱼繁殖过量 ，严重威胁着其他海洋生物的生存，纳金运用自己的智慧、勇气战胜了鲨鱼。此时，火星总部传来庆祝的消息，纳金成功解决了地球海洋面对的生存危机，顺利毕业。 故事主题 人类与环境和谐共处，即使人类能搬到火星上住也不忘对地球的保护。 第 二 章 系统相关技术概述 - - 3 第 二 章 系统相关技术概述 2.1 Autodesk Maya 2009 平台简介 Autodesk
16、 Maya 2009 是美国 Autodesk 公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等。 使用 Autodesk Maya 2009软件可以创建出令人 叹为观止的 3D 作品。新版本包括了许多在建模、动画、渲染和特效方面的改进，这些改进使得工作效率和工作流程得到最大的提升和优化。 骨骼 绑定： Autodesk Maya 2009 提供了一套完全更新的肌肉系统，它可以模拟现实的蒙皮效果，肌肉行为学中的真实计算，碰撞，皱纹，滑动和粘性等新功能可以使动画的创作变得更加有趣。 Maya 集成了 Alias | Wave front 最先进的动画及数字效果技术
17、，它不仅包括 三维和视觉效果制作的功能，而且还结合了最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染和运动匹配技术。 MAYA 因其强大的 功能在 3D 动画界造成巨大的影响，已经渗入到电影、广播电视、公司演示、游戏可视化等各个领域，且成为三维动画软件中的佼佼者。星球大战前传、透明人、黑客帝国、角斗士、完美风暴、恐龙等到很多大片中的电脑特技镜头都是应用 MAYA 完成的。 也有的游戏是使用 Maya 开发的，如无人永生 2等 5。 图 2-1 是 Maya 2009 的 三维 场景。 厦门大学本科学位论文 三维动画制作中的骨骼绑定研究 4 图 2-1 Maya 界面 2.2 骨骼皮肤绑定技术 在骨骼动画
18、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，如果移动骨架，组成多边形顶点的位置也相应改变，只需使骨骼运动即可。典型情况大约有 50 个左右的骨架，很明显它极大地节省了内存空间。其次，骨骼动画的另一个优点是能够定义权重值，可反映骨架对每个顶点的影响程度。双臂的骨架运动，肩、脖子而且甚至躯干都能影响肩中网格。当移动躯干的时候，网格就活像一个角色一样移动。总的来说 3D 角色能够更加流畅和真实地实现动画，且只需要更少的内存，便可达到双赢的效果 6。 第 二 章 系统相关技术概述
19、 - - 5 2.3 骨 架 反向动力学 （ IK） 一种通过先确定子骨骼的位置 ,然后反求推导出其所在骨骼链上 n 级父骨骼位置，从而确定整条骨骼链的方法。 在 FK 正向动力学 中 ,是根据父关节的旋转来计算得出每个子关节的位置 。 每一个子关节的位置、方向都是由父关节所支配的。在电脑动画软件的发展初期，关节动画都是正向链接系统，它的特点是软件开发容易，最致命的弱点便是工作效率太低。 与 FK正向 动力学正好相反， 在 IK 反向动力学 中， 是根据末端子关节的位置移动来计算得出每个父关节的旋转 。 依据某些子关节的最终位置、角度，来反求出整个骨架的形态。它的特点是工作 效率高，大大减少了
20、需要手动控制的关节数目，缺点是求解方程组需要耗费较多的计算机资源，在关节数增多的时候尤其明显。 IK反向动力学理论： 用一个 向量描述 力 角度和长度 ， 现 代 的 骨 骼 模型 系 统 中 称 cVelocity, 在每次单位时间内改变一定速度 。 先从一个骨头开始 。 (只讨论力加在骨骼 未 断的情况 ) 用 F(u)表示力，用 cVel 表示加在骨 骼 上的角速度 ， 将骨 骼 处理为一向量 . cVel 为 F(u) 垂直于骨 的部分 。 如果一个力加在一根骨骼上，它会影响到父体。 被施力骨骼： 旋转 半径 =|F(u)| |F(u)|=|F(bone1)| F(u)平行于 F(bone1)。 父骨骼（一定会受其影响）： 可以用一个分数求出： |F(bone2)|=0.5*|F(u)| （ 系数 0.5,这样父骨骼影响总是小于子骨骼，可以根据实际调整它。 ） 或更好 : |F(bone2)|=stiffness*|F(u)|
