动画技术简介
挑战1
- 互动性和动态性。
- 动画系统必须能够实时响应玩家的操作和环境的变化。
- 动画系统需要与其他游戏系统（如物理引擎、AI系统等）紧密合作。
挑战2
- 游戏动画需要在实时环境中每帧计算，这对性能提出了要求。
- 动画数据量巨大，包括模型、纹理和动画数据，需要有效的管理和优化以减少对磁盘和内存的占用。
挑战3
- 游戏动画追求更生动的表情和更真实的体验，这要求动画具有更高的细节和复杂性。
- 动画技术如面部动画、布娃娃物理（Ragdoll Physics）和动作匹配（Motion Matching）被用来增强游戏的真实感和玩家的沉浸感。
2D动画
Sprite animation
把动画中每一帧的动画记录播放。
doom用2D的方式做3D的动画。
特效系统中用到了序列帧的方式。
Live2D
把角色所有的元素（比如眼睛、头发）全部变成一个个小的图源，把图源拼在一起变成一个大资源。
每个图源通过旋转、放缩、warning（仿射变换）。
对图源设置深度，可以实现出现还是不出现。
对图源生成控制网格，拥有控制点。通过控制点，就可以调节不同的样式。
3D动画
动画就是基于对刚体运动、刚体自由度的一个表达。
6DoF
DoF Degress of Freedom：自由度，指一个物体可以在多少个维度进行变化。
对于刚体来说，在整个空间中运动的自由度就是6个自由度。
刚体有平移的3个自由度，3DoF。
刚体可以沿着x、y、z轴为中心，沿着其转，这里就是3个自由度3DoF。
Rigid Hierarchical Animation
刚体层次动画。
最基础的动画系统。
per-vertex Animation
顶点动画。
比如旗帜。
对一个顶点每一帧的变换存储下来。
基本上是先模拟出动画，然后存储下来变成texture，在实际中就直接使用。
Morph Target Animation
顶点影响权重。
每个顶点之间的权重会进行插值。
主要用于人脸中。实际中比如游戏中的捏脸系统。
3D Skinned Animation
3D的蒙皮动画。
每一个顶点都受到多个骨骼同时作用。
2D Skinned Animation
2D和3D中的原理是一致的。
Physics-based Animation
布娃娃系统。
衣料。
IK 反向动力学。
Animation Creation
编辑器中动画师手K（K Free）动画。
动捕。
蒙皮动画
让Mesh动起来
- 创建绑定姿态的网格：首先，你需要一个网格模型，它处于一个标准的姿态，这样便于后续的动画制作。
- 为网格创建绑定骨骼：然后，你要给这个网格模型添加一个骨骼结构，骨骼是用来控制模型动作的基础。
- 分配蒙皮权重：接下来，你要为网格上的每个顶点分配权重，这些权重决定了顶点如何随骨骼移动。
- 骨骼动画化：之后，你可以通过移动和旋转骨骼来制作动画，让角色或对象动起来。
- 通过骨骼和权重动画化蒙皮顶点：最后，当骨骼移动时，网格上的顶点会根据之前分配的权重跟着移动，这样就完成了整个动画过程。
坐标系
World Space：世界坐标系。
Model Space：以模型自己为中心的坐标系。
Local Space：局部坐标系。动画中的每一个骨骼自己的坐标系。
骨骼构建
- Humanoid Skeleton 类人形：树状结构，七点在人的胯部（脊椎的最后一个骨头）
- No-humanoid Skeleton 四足动物
Bone和Joint
游戏引擎中，骨骼（Bone）实际存储的是肘关节（Joint）的数据。
实际游戏中的骨骼
可能考虑到眼睛眉毛，人身上的变形（武器、翅膀）等等。
武器骨骼
一般来讲武器是在人物的主骨骼上有一个武器的骨骼，一般是绑在手上的。
包括人在骑乘时，也有一个骑乘的骨骼。
Root Joint
一般定在两腿之间。
当决定角色的移速、跳跃的高度等，都是用Root Joint来处理。
如果是非人骨骼，那么其Pelvis Joint骨骼放在马的尾椎处，而Root Joint则放在马肚子下面。
Bind Animation
人播放人的动画，马播放马的动画。
人上面有一个Bind Joint和马的Bind Joint重合在一起，这个Bind Joint空间、旋转等数值都是重合的。
Bind Pose
T-Pose角色的肩膀部分是被挤压的，需要做精细的肩胛处的变形的动画时，精度就不够。因此现在的3A会用站的比较自然的A-Pose。
Skeleton Pose
把很多的Pose连在一起时，会变成一个动画。
真正表达动画的Pose时，有九个自由度（9DoFs），还有个放缩。
放缩比如有人脸的变形、角色弹性变化时会用到。
三维旋转的数学原理
二维定向数学
普通的θ或者笛卡尔坐标系。
三维的定向数学
欧拉角
绕着任意轴旋转。分别沿着x、y、z旋转角度，叠加后可以得到一个旋转的矩阵（图中那个R方程）。
把任何一个空间上的点带入之后，就可以得到一个欧拉角。
Yaw-Roll-Pitch
Yaw-Roll-Pitch就是欧拉角的另一种表达
- Yaw：航向角
- Pitch：公角
- Roll：翻滚角
Gimbal Lock 万向锁
Gimbal Lock 万向节（万向锁）
相机的“稳定器”、无人机、“微云台”、陀螺仪
存在的问题
问题1：
计算是顺序依赖的。（旋转的顺序不同，得到的结果就不同）
使用欧拉角时，得提前定义旋转顺序。
问题2：
沿着y轴转了90°之后（β=90°），z轴实际是和x轴共轴了，那这时沿着z轴做的任何旋转实际上都没有意义。只有两个旋转之间（α和γ之间的差值）才有意义）
问题3：
比如有(α1,β1,γ1)和(α2,β2,γ2)。
这里非常难以得到差值，这两个的差值不能简单地在线性上加减得出来。
问题4：
如果要对一个物体先做一个(α1,β1,γ1)，再叠加一个(α2,β2,γ2)，这时的表达不能简单的用α1,β1,γ1,α2,β2,γ2这六个值加在一起就能表达出来。
问题5：
欧拉角通过xyz三轴的旋转来表达，但是实际中物体并不是严格的按照空间上的xyz去做的。
给定一个定轴时（定轴运算），就会非常难。
四元数
只有在三维空间中，才能用四元数。（群论的东西，但是看不懂，老师也看不懂。。。）
定义了三个虚部：i j k（对应3个单位轴），对于任意一个旋转，可以尝试用一套公式去表达（q的那个方程）。
乘法就是单位轴向量在做叉乘。
逆就是表示旋转的逆。
欧拉角转四元数
蒙皮动画的实现
Joint的表达处理
旋转变化
大多数的动画中，都只有旋转的变化，是动画中最核心的。
平移变化
站立和蹲下时，pelvis root（尾椎的那个骨骼）会发生变化。
表情动画、特殊的机械动画等都有平移动画。
放缩变化
面部表情中可能会用到，一般来说都不会用。
Affine Matrix 仿射矩阵
Joint数据存储
动画的数据一般是存在local space中，即只会存储相对于“父亲”的变化。
- 当动画全部存在model space中，做差值时，骨头会一会边长一会变短（如图中右侧那样）
对于骨骼来说，只需要知道其父骨骼和父骨骼在local space长什么样。
local space—>model space：从根节点开始，一个骨骼一个骨骼算下来。
Skinning Matrix 动画矩阵
- 没听懂。反正好像这个恒等式很重要。
大概的理解：通过这些矩阵的计算后，每个骨骼（joint）会一个自己的skinning matrix。这些在存储时，是由专门的数据结构来存储的：
然后在GPU中，为了用在shader中，又有一个公式去计算，算出一个skinning matrix palette：
多关节蒙皮动画
多关节蒙皮动画允许单个顶点与多个骨骼相关联，特别是当模型的某一部分需要由多个骨骼共同影响时。
例如，一个角色的上臂可能同时受肩膀和肘部的影响。
多关节蒙皮混合
蒙皮混合是多关节蒙皮动画中的一种技术，它通过计算顶点在不同骨骼影响下的位置，然后根据权重进行插值计算出最终位置。
这种方法可以避免模型出现不自然的变形
插值
后面这里讲了一堆的插值，应该是动画系统中实际的一些处理，实在是没听懂。。。。跳过了。
管道渲染
大量动画的clip，存在角色的各个pose（frame）。
差值算出真正的pose，转换到model pose中。
然后将每个骨骼算成自己的skinning matrix palette，接着就是GPU运算每一个顶点动起来。
动画数据压缩
- 大部分的骨骼放缩都是1，位移其实也可能是不变的，大量的数据是旋转。
对于不变的数据，直接只存一个值。
对于rotation，引入keyframe（关键帧）的概念，通过关键帧之间的插值可以算出。
动画制作流程
构建mesh。
制作骨骼骨架，增加一些物体的骨骼，root等。
蒙皮骨骼刷权重。
制作动画（制作关键帧）
