Directx 11 скелетная анимация

Question

Я заблудился со скелетной анимацией. Я читал кое-что об этом, но я все еще не понимаю их. Это выводы, которые у меня есть. Я видел 3 способа анимировать меш с костями:

• У меня есть класс Mesh, который содержит вершины, буфер вершин, индексный буфер и текстурный шейдер, а также матрицу преобразования. Я мог бы использовать класс для каждой кости, добавить вес, и мне было бы легко анимировать модель. Но это означает, что используется слишком много памяти, потому что некоторые сохраненные вещи используются некоторое время, когда они должны быть только один раз.

• Используйте вершинный шейдер. Добавьте вес и индекс кости во входном параметре вершины и используйте матричный массив в качестве глобальной переменной, поэтому в шейдере мне просто нужно использовать матрицу кости. Мне кажется, что это решение более эффективно, но я помню, что в руководстве по directx 11 (от Rastertek) он сказал, что HLSL должен быть быстрым, потому что он использует много времени, и я думаю, что это будет слишком тяжело. В любом случае, это решение, которое я попробую, по крайней мере, узнать, работает ли это или нет.

• Используйте матрицу и обратную матрицу для каждой кости. Что касается чтения, это способ взять. Но так я не поняла. Почему здесь используется обратная матрица, и как матрицы "связаны" с вершинами. Я имею в виду, если я переместлю матрицу для правой кости, что сказано в коде, что будут использоваться только правые вершины?

Итак, мои вопросы:

• Является ли второй способ жизнеспособным? или это будет слишком много для GPU с какой-то сеткой и анимацией?
• Может кто-нибудь объяснить, как матрицы связаны с вершинами и почему используются обратные матрицы? Или связать мне что-нибудь по этому поводу.

Надеюсь, ты меня понял, потому что не уверен, что хорошо объяснил. И, пожалуйста, извините за мой английский, я сделал все, что мог. Заранее спасибо.

Answer 1

Первый подход может работать, если в модели есть только жесткие части. Как только появляются деформируемые детали, вы получаете отверстия или другие артефакты. Например, если у вас есть модель руки, и вы поворачиваете предплечье, в локте будет отверстие, а в изгибе - треугольники, перекрывающие друг друга.

Что касается второго подхода - ну, я действительно не знаю, как вы собираетесь это сделать. Пиксельный шейдер - определенно неподходящее место для этого. Все, что нужно сделать, можно сделать в вершинном шейдере.

Что приводит нас к подходу 3.

Я признаю, что скелетная анимация немного сложна для понимания. Рассмотрим приведенный выше пример: модель руки, состоящая из плеча и предплечья. Для этой модели нам понадобятся две кости: одна от плеча до локтя и одна от локтя до кисти.

Каждая вершина должна быть связана как минимум с одной костью. Это делается с весами вершин. Давайте предположим, что есть некоторые вершины плеча, на которые влияет только плечо. На вершины локтя влияют обе кости, а на вершины кисти влияет только кость предплечья. Это дает следующие веса:

bone:               | upper arm bone | forearm bone
--------------------+----------------+--------------
shoulder vertices:  |       1        |       0
elbow vertices:     |       0.5      |       0.5
hand vertices:      |       0        |       1

Первое, что нужно сделать, это рассчитать положение и ориентацию всех костей. Это делается с помощью матрицы для каждой кости. Обычно за расчет этих матриц отвечает аниматор. Эта матрица поместит кость из некоторой исходной позиции в ее текущую позицию. Референтная позиция одинакова для всех костей и может быть выбрана произвольно.

Следующее, что нужно сделать, это вычислить результирующие позиции вершин. Мы знаем, что вершины движутся вместе со своими костями. Поэтому нам нужны позиции вершин в локальной системе координат кости. Однако обычно положения вершин задаются в мировых координатах в позе связывания. Вот для чего обратная матрица. Он трансформирует вершины из мирового пространства (позы связывания) в локальное пространство кости. Существует одна обратная матрица для каждой кости.

Когда у нас есть вершина в локальной системе кости, мы должны преобразовать их в соответствии с движением кости. Для плечевых и ручных вершин эта задача тривиальна. Мы можем использовать матрицы костей и умножить их на обратные матрицы.

Для локтевых вершин это не так просто. На самом деле существует множество методов для расчета преобразования. Нам нужно смешать преобразования двух костей с заданными весами. Самый простой способ сделать это - умножить матрицы на их веса и сложить их вместе. Это дает окончательное преобразование, которое можно использовать для преобразования положения вершины.

Шаги (только для одной влияющей кости):

1. Преобразуйте положение вершины из позы связывания в местную костную систему.
2. Рассчитать матрицу трансформации кости с помощью аниматора.
3. Преобразуйте положение вершины из локальной костной системы в анимированную позицию с помощью костного матрикса.

Если имеется более одной влияющей кости, матрицы должны быть смешаны. Связь костей и вершин достигается с помощью веса вершин. Обычно вершина не сохраняет веса для всех костей. Вместо этого максимальное количество влияющих костей ограничено, например, 4. Затем вершина хранит индексы первых 4 наиболее влияющих костей и их веса.