角色动画原理

1.精灵动画

精灵动画（Sprite Animation）是一种电子版的序列帧动画，它的诞生起源于最早期的卡通动画，既快速的连续的播放不同的画面，来产生角色的动态效果，就像电影胶片一般，通过快速切换来产生动画效果。

所谓精灵，就是一张张大小相同的位图。通常我们使用带有透明通道的图片格式保存，每一个区域都代表这个精灵在某一静止时刻的动作体现。下图展示了一个精灵动画的图像：

图 1 精灵动画位图

通常这组序列帧被设计为可重复循环播放，用来模拟一个运动周期，比如人物的行走奔跑等循环性的动作。

获取精灵动画的位图资源之后，在程序中只需将资源按单个动作图像大小进行切割，并存于数组中，在程序循环中根据时间的改变，顺序的循环显示不同的精灵动作，就可以实现出角色的动画效果。

这种动画技术的优点是通俗易懂，使用简单。缺点是一套动作通常需要很多动作片段组成，占用磁盘空间大，完全没有可扩展性。虽然它有如此多的缺点，但时至今日，在许多游戏中，仍然能看到它的身影。在某些特殊情况下，精灵动画的方案仍是首要选则。

2.刚性阶层动画

随着三维技术的出现，精灵动画已经不能满足高仿真角色动画的实现需求了，无论从开发的效率上，还是所呈现的效果的角度，需要一种新的技术来解决这些问题，这种新技术就叫做刚性阶层动画（Rigid hierarchical animation）。

在此方法中，一个完整的角色由多个刚性部分组合而成，比如人形角色一般会拆分成左右上手臂、左右下手臂、躯干，头部、左右大腿，左右小腿等部位。这些部位通过层级的形式互相约束，类似于人体的骨骼，是互相关联的，这样能产生比较真实的角色动画效果，下图是人类足部动画的示例图片：

图 2 刚性阶层动画

通过设定不同时刻，某一骨骼的旋转数据，可以快速的模拟出简单的人类角色动画。这种技术的优点是它减少了美术人员的工作量，也给程序层面提供了更多的可扩展性。

该技术最大的问题则是，角色的身体关节位置会出现明显的“裂缝”，如下图所示：

图 3 关节裂缝

对机器人等角色来说，这也许不是问题，但是对有血有肉的生物来说，这样就会很别扭。

3.目标变形动画

为了解决刚性阶层动画所出现的“裂缝”问题，出现了目标变形动画（Morph target animation），简单的讲，这种技术就是三维版本的精灵动画。此技术通过设置关键帧来存储不同时刻，某一三维角色在当前状态的顶点列表，即其当前时刻的动作表现。通过在不同的关键帧内进行插值操作，可以得到平滑的变换效果。下图是一个目标变形动画的例子：

图 4 目标变形动画

可以看到，通过在不同时刻，修改模型网格的位置变换，可以产生栩栩如生的人物面部表情。这种技术，通常用于人物得到面部动画，因为人物的面部具有非常复杂的解剖结构，动画师可以用目标变形动画来轻松的模拟人物的面部表情。

这种动画方式的优点是动画效果细腻逼真，而缺点与精灵动画相同，都需要大量的本地数据存储空间。

4.蒙皮动画

蒙皮动画（Skinned Animation）则是以上诸如关节裂缝等小问题的最佳解决方案。此技术融合了目标变形动画与刚性阶层动画的优点，允许三角网格进行形变，也允许角色有与阶层动画相同的层级关系。使得蒙皮动画同时拥有了高性能与高表现力。

在蒙皮动画中，角色的形变由其骨骼（Skeleton）表示，骨骼是有刚性的骨头（Bone）所组成的，其原理和刚性阶层动画相同。然而这些刚性的部件不会在渲染时显示，而是作为预处理数据，输入给蒙皮计算函数。称为“皮肤”的三角形网格会通过一定的规则绑定在不同的骨头上，所有的顶点会追踪关节（Joint）的变换（旋转，平移，缩放）。每个顶点可以以不同的权重绑定至多个关节，因此不会出现刚性阶层动画的“裂缝”问题，下图展示了一个成年男性的蒙皮动画模型：

图 5 角色蒙皮