邵輝

摘 要 主要介紹目前應(yīng)用最為廣泛的骨骼動(dòng)畫的一些相關(guān)知識(shí)，簡(jiǎn)要分析骨骼動(dòng)畫的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合自己的理解對(duì)骨骼動(dòng)畫的發(fā)展及其在中等職業(yè)教育中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞 骨骼動(dòng)畫；網(wǎng)格模型；頂點(diǎn)；中等職業(yè)教育

中圖分類號(hào)：TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2014）04-0086-02

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在電影、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來越多的人們經(jīng)常會(huì)聽到一個(gè)最流行的詞語——骨骼動(dòng)畫（bones animation）。所謂骨骼動(dòng)畫，就是通過改變骨骼的位置和朝向來移動(dòng)和編輯一個(gè)模型而生成的動(dòng)畫。理解骨骼動(dòng)畫可以先從骨骼開始。在骨骼動(dòng)畫中，骨骼是基礎(chǔ)，是關(guān)鍵點(diǎn)。目前在各類實(shí)時(shí)動(dòng)畫應(yīng)用中骨骼動(dòng)畫已經(jīng)成為使用最廣泛的動(dòng)畫技術(shù)，使用骨骼動(dòng)畫技術(shù)，可以設(shè)計(jì)塑造出很多栩栩如生、形象逼真的動(dòng)畫角色，特別是對(duì)于人和其他脊椎動(dòng)物的造型設(shè)計(jì)。如大家熟知的很多游戲（如魔獸世界、合金裝備等）中的造型，都是骨骼動(dòng)畫技術(shù)的運(yùn)用。

本文將對(duì)骨骼動(dòng)畫的一些相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析與思考，進(jìn)而探索骨骼動(dòng)畫在中等職業(yè)教育中應(yīng)用的可行性。

2 骨骼動(dòng)畫的原理

骨骼動(dòng)畫的基本原理 在自然界中，人和大多數(shù)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)都是由骨骼的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)依附于對(duì)應(yīng)骨骼的皮毛血肉一起運(yùn)動(dòng)完成的，骨骼動(dòng)畫正是起源于這一點(diǎn)。一般來說，在骨骼動(dòng)畫中每一個(gè)角色主要是由兩部分表示的，即骨架和皮膚。骨架是按照一定層次組織起來的骨骼的總稱。而皮膚主要是指蒙在骨骼之上的網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型即角色的多邊形模型，該多邊形模型一般由三角形面片組成，而三角形又是由頂點(diǎn)組成的，同時(shí)還需要確定哪些骨骼影響哪些頂點(diǎn)，當(dāng)骨骼運(yùn)動(dòng)時(shí)依附于骨骼的頂點(diǎn)會(huì)隨著一起運(yùn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了動(dòng)畫中角色的運(yùn)動(dòng)。

骨骼動(dòng)畫的細(xì)節(jié)分析 在骨骼動(dòng)畫中，骨骼按照動(dòng)畫角色的特點(diǎn)形成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，即骨骼結(jié)構(gòu)。骨骼結(jié)構(gòu)就是一系列的骨頭相結(jié)合形成的骨層級(jí)，這些骨骼按照父子關(guān)系是以樹狀結(jié)構(gòu)組織起來的，形成角色模型的整個(gè)骨骼框架。位于樹根處的骨頭稱為根骨骼，它是形成骨骼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)。而其他所有的骨骼被稱為子骨骼或者兄弟骨骼，它們都附屬于根骨骼，都直接或間接連接到根骨骼上。骨骼動(dòng)畫中一般每塊骨骼都帶有兩個(gè)矩陣，一個(gè)是初始變換矩陣，又稱相對(duì)矩陣，用于表示骨骼的初始位置；另一個(gè)是組合變換矩陣，又稱絕對(duì)矩陣，它是骨骼的最終矩陣，可以通過相對(duì)矩陣和其父骨骼的絕對(duì)矩陣相乘計(jì)算得到，主要用于對(duì)骨骼進(jìn)行變換。相鄰的骨骼由關(guān)節(jié)連在一起，可以做相對(duì)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)相鄰骨骼之間的夾角或位移發(fā)生改變時(shí)，組成動(dòng)畫角色的骨骼就可以做出不同的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)畫效果。而作為皮膚的網(wǎng)格模型則用于規(guī)定動(dòng)畫角色的外在形象，它是在骨骼運(yùn)動(dòng)影響下變化的一個(gè)可變形網(wǎng)格。

組成網(wǎng)格模型的每一個(gè)頂點(diǎn)都會(huì)受到一個(gè)或多個(gè)骨骼的影響。當(dāng)一個(gè)頂點(diǎn)受到一個(gè)或多個(gè)骨骼運(yùn)動(dòng)影響時(shí)，不同的骨骼按照其與該頂點(diǎn)的關(guān)系可以確定出對(duì)該頂點(diǎn)的影響權(quán)重，這一權(quán)重信息既可以通過建模軟件計(jì)算，也可以用手工設(shè)置完成。按照網(wǎng)格模型中各個(gè)頂點(diǎn)中保存的相應(yīng)的權(quán)重信息和影響它的骨骼索引，可以計(jì)算出該頂點(diǎn)的新位置，在骨骼動(dòng)畫中骨骼的位置是隨時(shí)間變化的，而頂點(diǎn)的位置是隨骨骼變化的。如果要改變頂點(diǎn)的位置，只需移動(dòng)模型中對(duì)應(yīng)的一根骨頭就可以，這樣就能實(shí)現(xiàn)在骨骼驅(qū)動(dòng)下的單一網(wǎng)格動(dòng)畫。

在骨骼動(dòng)畫文件中，一般只有一幀的頂點(diǎn)位置信息，而其他幀的頂點(diǎn)信息完全是在動(dòng)畫運(yùn)行中實(shí)時(shí)計(jì)算出來的，計(jì)算的方式，就是要了解骨骼的作用。也就是說，每一幀的頂點(diǎn)信息都是依靠“骨骼”計(jì)算出來的。這種時(shí)間換空間的做法，相對(duì)于頂點(diǎn)來說，骨骼需要的存儲(chǔ)量會(huì)少很多，但卻多了一些運(yùn)算。

3 骨骼動(dòng)畫的優(yōu)缺點(diǎn)

如今骨骼動(dòng)畫已經(jīng)成為渲染3D角色模型的主要技術(shù)，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中基于骨骼運(yùn)動(dòng)的角色造型具有很強(qiáng)的真實(shí)感。它對(duì)處理器性能的要求很高，占用磁盤空間相對(duì)比較小，可以更容易、更快捷地創(chuàng)建角色模型，不但比單一的網(wǎng)格模型動(dòng)畫更加靈活、逼真，還克服了關(guān)節(jié)動(dòng)畫中的接縫問題。骨骼動(dòng)畫只需要存儲(chǔ)骨骼變換數(shù)據(jù)，不需要在每一幀中存儲(chǔ)各個(gè)頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因此使用骨骼動(dòng)畫可以節(jié)省許多磁盤空間，并且能夠較好地控制網(wǎng)格模型的變換。不同的骨骼動(dòng)畫可以被組合到一起使用，一些引擎可以實(shí)時(shí)操縱單個(gè)骨骼，這樣可以使角色和環(huán)境更加準(zhǔn)確地進(jìn)行交互。

目前骨骼動(dòng)畫被廣泛地應(yīng)用在很多領(lǐng)域，特別是網(wǎng)絡(luò)游戲制作方面。骨骼動(dòng)畫具有很多優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)難度也很高。有了骨骼動(dòng)畫這種技術(shù)，在創(chuàng)建角色動(dòng)畫時(shí)，不再需要?jiǎng)赢嬆M幾何圖形數(shù)據(jù)。有了骨骼動(dòng)畫，就不用提前做好預(yù)處理，可以在游戲運(yùn)行時(shí)計(jì)算動(dòng)畫，這樣在游戲中可以有更真實(shí)的運(yùn)動(dòng)效果。因?yàn)椴皇撬械囊娑贾С止趋绖?dòng)畫，骨骼動(dòng)畫中大量的計(jì)算，對(duì)中央處理器來說是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)，容易造成系統(tǒng)利用率的不平衡，使骨骼動(dòng)畫的繪制效率降低。這一問題隨著可編程GPU技術(shù)的廣泛研究，一種基于GPU實(shí)現(xiàn)骨骼動(dòng)畫的方法被提出，已經(jīng)得以解決。

4 骨骼動(dòng)畫的發(fā)展與應(yīng)用

近年來國內(nèi)外有很多學(xué)者都在研究骨骼動(dòng)畫，目前已經(jīng)取得了一些成果。如孔德慧等提出了一種增強(qiáng)骨骼動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的關(guān)鍵幀插值方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變速運(yùn)動(dòng)和手臂擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)模擬的動(dòng)畫效果。張典華等提出用頂點(diǎn)索引法存貯數(shù)據(jù)，大大降低了骨骼動(dòng)畫的運(yùn)算量。陳志榮等討論并實(shí)現(xiàn)了骨骼混合算法。Merrick等研究與分析了幾種骨骼動(dòng)畫算法的性能。季卓爾等提出了一種可以提升骨骼動(dòng)畫繪制效率的方法。骨骼動(dòng)畫有很強(qiáng)的兼容性，它可以與動(dòng)作捕捉技術(shù)、可編程Shader技術(shù)和正向反向動(dòng)力學(xué)等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。

研究骨骼動(dòng)畫的計(jì)算過程發(fā)現(xiàn)，骨骼動(dòng)畫的計(jì)算量特別大，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)頂點(diǎn)受到許多骨骼影響時(shí)，求一個(gè)頂點(diǎn)的新位置會(huì)牽涉到大量的矩陣與乘法運(yùn)算，骨骼動(dòng)畫技術(shù)也因此一度發(fā)展比較緩慢。現(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高，特別是3D硬件技術(shù)的快速發(fā)展，骨骼動(dòng)畫已經(jīng)走向成熟，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電影、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、建筑和教育等領(lǐng)域。

我國中等職業(yè)教育培養(yǎng)的是高素質(zhì)的勞動(dòng)者，需要學(xué)生在就業(yè)前具備很強(qiáng)的實(shí)踐操作能力，即學(xué)生在接受中等職業(yè)教育階段應(yīng)該熟練掌握相關(guān)專業(yè)對(duì)應(yīng)的崗位所需要的理論知識(shí)和基本技能。目前，中等職業(yè)教育主要還是以教師講授為主，盡管增加了很多實(shí)訓(xùn)課，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，不能滿足實(shí)際教學(xué)需求，特別是汽修、數(shù)控和計(jì)算機(jī)專業(yè)。學(xué)生來源主要是初中畢業(yè)生，這些學(xué)生絕大多數(shù)的基礎(chǔ)都很差，更缺乏自我約束力和學(xué)習(xí)能力，很多專業(yè)知識(shí)無法理解，比較厭學(xué)。這一狀況一直困擾著中職教育工作者。同時(shí)，中等職業(yè)學(xué)校的學(xué)生因?yàn)槟挲g偏低，喜歡動(dòng)畫和游戲，有很強(qiáng)的好奇心和模仿力。因此，作為一名中等職業(yè)學(xué)校的計(jì)算機(jī)專業(yè)教師，幫助認(rèn)為如果能將骨骼動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用于中等職業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)，模擬各個(gè)就業(yè)崗位中的實(shí)際動(dòng)畫效果開展教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，可以使學(xué)生看到以往只能在動(dòng)畫電影中才能看到的各種生動(dòng)逼真的動(dòng)畫效果，親身體會(huì)學(xué)習(xí)和工作帶來的快感，來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這樣會(huì)得到事半功倍的效果。

將骨骼動(dòng)畫技術(shù)引入中職課堂教學(xué)，是一件龐大的工程，需要一個(gè)教師團(tuán)隊(duì)和一些企業(yè)單位共同參與來完成?？梢韵冗x擇一個(gè)專業(yè)的某一門課程進(jìn)行試點(diǎn)，利用骨骼動(dòng)畫技術(shù)的實(shí)時(shí)性、靈活性和仿真性，通過對(duì)企業(yè)工作崗位的調(diào)研分析，結(jié)合課程內(nèi)容制作教學(xué)動(dòng)畫或游戲。在教學(xué)過程中使用這些教學(xué)動(dòng)畫或游戲，讓學(xué)生有身臨其境的感受，在玩中學(xué)，這將是中等職業(yè)教育的一次大的變革。

5 結(jié)論與展望

本文以一名中等職業(yè)學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教師的視角簡(jiǎn)要分析了骨骼動(dòng)畫的原理及其發(fā)展與應(yīng)用。目前，骨骼動(dòng)畫是最流行也是最復(fù)雜的動(dòng)畫技術(shù)，隨著這一技術(shù)的發(fā)展與普及，可以想象，在不久的將來，骨骼動(dòng)畫的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)更加廣泛，一定能在中等職業(yè)教育的課堂中展現(xiàn)出無窮的魅力。

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