一、骨骼動畫、關節動畫、關鍵（jiàn）幀動畫
　　在實際的遊戲中，用得較多的是這三種基本的動畫。

　　在關鍵幀動（dòng）畫（huà）中，模型在每個關（guān）鍵幀中都是一（yī）個固定（dìng）的姿勢，相當於一個“快照”，通過在不同的關鍵幀中進（jìn）行插值平滑計算，可以得到一（yī）個較為流暢的動畫表（biǎo）現。關鍵幀動畫的一個優勢是隻需要做插值計算，相對於其他的動畫計算量很小，但是（shì）劣勢也比較（jiào）明顯，基於固定的“快照”進行插值計算，表（biǎo）現大（dà）大被限（xiàn）製，同時插值如果不夠平（píng）滑容易出現尖刺等現象。

　　關節（jiē）動畫是早期（qī）出現的一種動（dòng）畫，在這種動畫中，模型（xíng）整體（tǐ）不是一（yī）個Mesh, 而（ér）是分為多個Mesh，通過父子的關係進行組織，這樣父節點的Mesh就會帶動子節點的Mesh進行變換，這樣層層的變換關（guān）係，就可以（yǐ）得到各個子Mesh在不同關鍵幀中的位置。關節動畫相比於（yú）關鍵幀動畫，依（yī）賴（lài）於各個關鍵幀的動畫（huà）數據，可以實時的計算出各個Mesh的位置，不再受限於固定的位置，但是由於是分散的各個Mesh，這樣在不（bú）同Mesh的結合處容易出現裂縫。
　　骨骼動畫是進（jìn）一步（bù）的動畫類型，原理構成很其簡單，但是（shì）解決問題很（hěn）其有優勢。將模型分為骨骼Bone和蒙（méng）皮（pí）Mesh兩個部分，其基本的原理可以闡（chǎn）述為：模型的骨骼（gé）可分為基本多層父子骨（gǔ）骼，在動畫（huà）關鍵幀數據的驅動下，計算出各個父子骨骼的位置，基於骨骼的控製通過頂點混合動態計算出蒙皮網格（gé）的（de）頂點。在骨骼動畫中，通常包含的是骨骼層次數據，網格Mesh數據， 網（wǎng）格蒙皮數據Skin Info和骨骼（gé）的動畫關鍵幀數（shù）據。
一、骨骼動畫、關節動畫、關鍵幀動畫
　　在實（shí）際的遊戲中，用得多的是這三種基本的動畫。
　　在關鍵幀動畫中（zhōng），模型在每個關鍵幀中都是一個固定的姿（zī）勢（shì），相（xiàng）當（dāng）於一個“快（kuài）照（zhào）”，通過在不同的關鍵幀中進行插值平滑計算，可以（yǐ）得到一個較為流暢的動畫表現。關鍵（jiàn）幀動畫的一個優（yōu）勢是（shì）隻需要做插值計算，相對（duì）於其他的動畫計算（suàn）量（liàng）很小，但（dàn）是（shì）劣勢也比較明顯，基於固（gù）定的“快照”進行插值計算，表現大大被限製，同時插值如果不夠平滑（huá）容易出現尖刺等現（xiàn）象。
　　關節動畫是早期出現的一種動畫，在這種動畫中，模型整體（tǐ）不是一個Mesh, 而是分為多個Mesh，通過父子的關係進行組織，這樣父節點的Mesh就會帶動子（zǐ）節點的Mesh進行變換，這樣層層的變換關係，就可以得到（dào）各個子Mesh在不同關鍵幀中的位（wèi）置。關節動畫相比於關鍵幀動畫，依賴於各個（gè）關鍵幀的動畫數據，可以實時的計算出各個（gè）Mesh的位置（zhì），不再受限於固定（dìng）的位置，但是由於是分散的各個Mesh，這樣在不同Mesh的結合（hé）處容易（yì）出現裂縫。
　　骨骼動畫是進一（yī）步的動畫類型，原理構成很其簡單，但是解決問題（tí）很其有優勢。將模（mó）型分為（wéi）骨骼Bone和蒙皮Mesh兩個部（bù）分，其基（jī）本的原理可以闡述為（wéi）：模型的骨骼可分為基本多層父子骨骼，在動畫關鍵幀數據的驅動下，計算出各個父子骨骼的（de）位（wèi）置，基於骨骼的控製通過頂點混合動（dòng）態計算出蒙皮網格的頂（dǐng）點。在骨骼動畫中，通（tōng）常包含（hán）的是骨骼層次數據，網格Mesh數據， 網格蒙皮數據Skin Info和骨骼（gé）的動畫關鍵幀數據。

class Bone
{
   Bone* m_pFirstChild;  
   Bone* m_pSibling;
   float m_x, m_y, m_z; // pos in parents' space
   float m_wx, m_wy, m_wz; // pos in world space
  //
  public:
  Bone(float x, float y, float z): m_pSibling(NULL),m_pFirstChild(NULL),m_pFather(NULL),m_x(x), m_y(y), m_z(z){}  //
  void SetFirstChild(Bone* pChild)
  {
      m_pFirstChild = pChild;
      m_pFirstChild->m_pFather = this;
  }
  //
   void SetSibling(Bone* pSibling)
   {
      m_pSibling = pSibling;
      m_pSibling->m_pFather = m_pFather;
    }
}

這樣，當父節點（diǎn）骨骼發生變換的時候（hòu），子節點的骨骼就（jiù）會做相應的變換，這樣的（de）操作可（kě）以稱為 UpdateBoneMatrix，這樣的操作可（kě）以用一個方法ComputeWorldPos來表示，這樣可以用遞歸的方式在Bone中實（shí）現：

class Bone
{
    void ComputeWorldPos(float fatherX, float fatherY, float fatherZ)
    {
         m_wx = fatherX + m_x;
         m_wy = fatherY + m_y;
         m_wz = fatherZ + m_z;
        //兄弟節點用父節點傳遞的參數
        if(m_pSibling ！=NULL)
             m_pSibling ->ComputeWorldPos(fatherX, fatherY, fatherZ)
        if(m_pFirstChild!=NULL)
             m_pFirstChild ->ComputeWorldPos(m_wx, m_wy, m_wz)
    }
}

　這樣，當父節點骨（gǔ）骼發生變換的時候，子（zǐ）節點的骨骼都會（huì）做出（chū）相應（yīng）的變換，從而得（dé）到（dào）新的位置、朝向等信息，骨骼（gé）發生變化，從（cóng）而會帶動（dòng）外在的mesh發生變化，所以整體的模型（xíng）就表現chu出運動起來。基於（yú）此，可以理解為什麽骨骼是骨骼動畫的核心。

2、骨骼動畫中的蒙皮

　　在說完骨骼後，對於整體模型在動畫中骨骼的變換，可以有一個大致的理解，當時模型隻是內在的，外在的表現是（shì）模型的蒙皮的變（biàn）化，所以骨骼動畫中的第（dì）二（èr）部分就是蒙皮的計算。這（zhè）裏的皮，就是前麵說過的Mesh。

　　首先（xiān），需要明確的是Mesh所在的空間。在建模的時候，模型的Mesh是和骨骼一樣處於同樣的空間中的，Mesh中的各個頂點是基於Mesh的原點來進行定（dìng）位的。但是（shì）模型在運動表現的時候，是根據骨骼的變換來做相應的動作的，對應的Mesh上的頂點就需要做出對應的轉換，所以Mesh的頂點需要轉換到對應的骨骼所在的坐標空間中（zhōng），進行相應的位置（zhì）變換，因此（cǐ）對應的需要添加蒙皮信（xìn）息，也就（jiù）是skin info，主要是當前頂點受到哪些（xiē）骨骼的影響，影響的權重等，借用文章1的（de）表述（shù），可以用C++表示（shì）一個頂點（diǎn）類，代碼依據於文章1：

#define MAX_BONE_VERTEX 4
class Vertex
{
     float m_x, m_y, m_z; // local pos in mesh space
     float m_wx, m_wy, m_wz; // pos in world space
     //skin info
     int m_boneNum;
     Bone* m_bones[MAX_BONE_VERTEX];
     float m_boneWeights[MAX_BONE_VERTEX];
}

    當（dāng）然，這兒（ér）隻是一個簡單的表述，具體（tǐ）的在引擎中會有規範的設計。那麽我們的（de）頂點在跟隨骨骼（gé）做運動的時候，是如何計算自己的位置的？我們就需要引入BoneOffsetMatrix 和 Transform Matrix的概念。
     在前麵，我們已經（jīng）提到，頂點需要依（yī）附於骨骼進行位置計算，但是建模（mó）的時候，頂點的位置是基於（yú）Mesh原點進行建模的，通常情況下，Mesh的原點（diǎn）是和模型（xíng）的骨骼的根（gēn）骨骼處於同（tóng）一個坐標空（kōng）間中，那（nà）麽 BoneOffsetMatrix就是用來將Mesh中頂點（diǎn）從Mesh空間轉換到骨骼所在空間中。
　　在建模的時候，對於每個骨骼，我們（men）是可以得到其對應的Transform Matrix（用來層層計算到父節點所在空間（jiān）中），其中根骨骼的（de）Transform Matrix是基於世（shì）界空間的轉（zhuǎn）換，所以對於（yú）每一個下麵的子骨骼，要（yào）計算其（qí）Transform Matrix，需要進行一個矩陣的（de）連乘操作。*後得到的（de）*終矩陣連乘結果矩陣就是（shì）Combined Transform Matrix，基於這（zhè）個矩陣，就可以將頂點從骨骼所在（zài）的空間轉換到世界空間中。反過來，這個矩陣的逆矩陣（一般（bān）隻考慮可以取逆的操作），就是從世界（jiè）空間中轉換到該骨骼的空間中，由於Mesh的定義基於Mesh原點，Mesh原點（diǎn）就在世界空間中，所以這個逆矩陣就是要（yào）求的 Offset Matrix，也被稱為Inverse Matrix，這個逆矩陣一般實在初始位（wèi）置（zhì）中求得，通過取逆即可獲得。
　　在實際的計算中，每個（gè）骨骼可能會（huì）對應（yīng）多個（gè）頂點，如果每個頂點都保存其對應的骨骼的變換矩陣，那麽大量的（de）頂點就會報錯比較多的變換矩陣。所以我們隻需要保存當前（qián）該骨骼在初始（shǐ）位置，對應的從世界空間到其（qí）骨骼空間的變換（huàn）矩陣，那麽其對（duì）應的每個頂點（diǎn）在每（měi）次變（biàn）換操作的（de）時候，隻需要對應的用offset Matrix來操作即可。
      對於上麵的Transform Matrix和offset Matrix，是納入了旋轉、平移和縮放的。其實offset Matrix取決（jué）於骨骼（gé）的初始位置，此時一（yī）般隻包含了平移（此時還沒有動畫，所以沒有旋（xuán）轉和縮放），在動畫中，一般（bān）也以縮放為主（所以大部分的動畫的關鍵幀用四元數表示）。在矩陣中都包含，是處於兼容性考慮。
　　這兒就基於平移，做一個基本的蒙皮的計算（suàn）過程：

class BoneOffset
{
 public:
    float m_offx, m_offy, m_offz; //暫時隻（zhī）考慮平移（yí）
}class Bone
{
   public :
       BoneOffset* m_boneOffset;
      //
      void ComputeBoneOffset()
      {
           m_boneOffset.m_offx -= m_wx;
           m_boneOffset.m_offy -= m_wy;
           m_boneOffset.m_offz -= m_wz;            if(m_pSibling != NULL)
               m_pSibling->ComputeBoneOffset();
            if(m_pFirstChild !=NULL)
               m_pFirstChild->ComputeBoneOffset();
      }
}      //頂點類的計算
class Vertex
{
 public:
     void ComputeWorldPosByBone(Bone* pBone, float &outX, float& outy, float& outz)
    {
   //從（cóng）mesh空間轉換（huàn）到bone空間（jiān）
       outx = m_x + pBone->m_boneOffset.m_offx;
       outy = m_y + pBone->m_boneOffset.m_offy;
       outz = m_z + pBone->m_boneOffset.m_offz;
 //從（cóng）bone空間轉換到世界空間
       outx += pBone->m_wx;
       outy += pBone->m_wy;
       outz += pBone->m_wz;
    }
    //GPU中計算頂點的位置
    void BlendVertex()
     ｛
       float m_wx = 0;
       float m_wy = 0;
       float m_wz = 0;
    
      for(int i=0; i < m_boneNum; i++)
       {
           float tx, ty,tz;           
           ComputeWorldPosByBone(m_bones[i], tx, ty,tz);            tx *= m_boneWeights[i];
            ty *= m_boneWeights[i];
            tz *= m_boneWeights[i];
  
            m_wx += tx;
            m_wy += ty;
            m_wz += tz;
        }
     ｝
}  

 仔細捋一捋上麵的代碼（mǎ），就可以理（lǐ）解整體的蒙皮變換的過程，當然，這兒隻用了矩陣變換（huàn）中（zhōng）的平移（yí）變（biàn）換，如果考慮加上旋轉和縮放，則回到*初的計算公（gōng）式中了。至此，對（duì）於基本的骨骼（gé）動畫中的骨骼變換和蒙皮變換（huàn），有了一個詳（xiáng）細的解釋。下麵說說（shuō）Unity中是如何（hé）處理骨骼變換的。
三、Unity3D骨骼動畫處理
 　　前麵講解的對於骨骼動（dòng）畫中的骨骼變換，蒙皮的計算，都是（shì）在CPU中進行的。在實際的遊戲引擎中，這些都是分開處理的，較為通用的處理是將骨骼的動畫（huà）數據驅動放在CPU中，計算出骨骼的（de）變（biàn）換矩陣，然後傳遞給GPU中進行蒙皮計算。在DX10的（de）時候，一般的（de）shader給出的（de）寄存器的大小在128的大小，一個變換矩陣為4x4，如果去除*後一行(0,0,0,1)就（jiù）可（kě）以用3個float表示，那麽*多可以表示，嗯，42個左右，如（rú）果（guǒ）考慮進行性（xìng）能優化，不完全占用寄存器的大小，那麽一般會限製在30根骨骼的大小上。將這些骨骼的變換矩陣在（zài）CPU進行計算後，就可以封裝成skin info傳遞到GPU中。
      在GPU的計算中，就會取出這些mesh上的（de）頂點進行對應的位置（zhì）計算，基於骨骼的轉換矩陣（zhèn）和骨骼的權（quán）重，得到*新的位（wèi）置，從（cóng）而進行（háng）一次頂點計算（suàn）和描繪。之（zhī）所以將（jiāng）骨骼動畫的兩個部分分（fèn）開（kāi）處理，一個原因就是CPU的處理能力相對而言沒有GPU快捷，一般一個模型的骨（gǔ）骼數（shù）量是較小的，但（dàn）是mesh上的頂（dǐng）點數量較大，利用GPU的並（bìng）行處（chù）理能（néng）力優勢，可以分擔CPU的計算壓力。
      在DX11還是DX12之（zhī）後（記不太清楚），骨骼變換矩陣的（de）計算結果不（bú）再存儲在寄存器中，而是存儲在一個buffer中，這樣的buffer大小基於骨骼數量的大小在第一次（cì）計算（suàn）的時候設定，之後每次骨骼動畫（huà）數據驅動得到新的變換矩陣，就依次更改對應的buffer中存儲（chǔ）的變換（huàn）矩陣，這樣就不再（zài）受到寄存器的大小而限製骨骼的根數的大（dà）小（xiǎo）。但是實際的優化中（zhōng），都（dōu）會盡量優化模（mó）型的骨骼（gé）的數量，畢竟數量越多（duō），*是影響（xiǎng）頂（dǐng）點的骨骼數量越多，那麽計算量（liàng）就會越大，正常的思維是優化骨骼數量而不是去（qù）擴展buffer的大（dà）小：D
      在文章2中（zhōng），對於GPU的蒙皮計算（suàn）做了較大的性能優（yōu）化，主要的思維也是這（zhè）樣，在CPU中進行骨骼變換（huàn），將變（biàn）換的結果傳遞到GPU中，從而進行蒙皮計算。基本的思維和前麵說的變換思維一致，其基本的（de）優化重點也（yě）是想利用一個buffer來緩存（cún）變換矩陣，從而優化性能。這兒我就重點（diǎn）分析一下shader部分的代碼，其在cpu部分的代碼處理（lǐ）基本和前麵的代碼思想一致：
      如果（guǒ）采用CPU的計算（suàn）骨骼變換，那麽GPU的shader:

聲明： 本文轉自網絡, 不做盈利目的，如有侵權，請與我們聯係處理（lǐ），謝謝。

uniform float4x4 _Matrices[24]; //設置的骨骼數量*大為24struct appdata
{
    float4 vertex:POSITION;
    float2 uv:TEXCOORD0;
   //存儲的就是骨骼的變換矩陣（zhèn），x/y為第一個骨骼的索引和權重，z/w為第二個的索引和權重
    float4 tangent:TANGENT;
}；v2f vert(appdata v)
{
    v2f o;
    //蒙皮計算（suàn）位置,注（zhù）意看，其實就（jiù）是矩陣變化加權重的表（biǎo）示
    float4 pos = 
    mul(_Matrices[v.tangent.x], v.vertex)* v.tangent.y +
    mul(_Matrices[v.tangent.z], v.vertex)* v.tangent.w
    //通用的mvp計算
    o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, pos);
    o.uv  = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
    return o;
}//怎（zěn）麽計算（suàn）index和權重,此處一個蒙皮頂點受到2根骨骼的影（yǐng）響
Vector4[] tangents = new Vector4[mesh.vertexCount];
for(int i=0; i < mesh.vertexCount;++i)
{
   BoneWeight boneWeight = mesh.boneWeights[i];
   tangents[i].x = boneWeight.boneIndex0;
   tangents[i].y = boneWeight.weight0;
   tangents[i].z = boneWeight.boneIndex1;
   tangents[i].w = boneWeight.weight1;
}newMesh.tangents = tangents;

其優化的（de）策略，就是用貼圖的方式來存儲這個變換（huàn）矩（jǔ）陣，參看一下代（dài）碼吧：

inline float4 indexToUV(int index)
{
    int row = (int) (index /_MatricesTexSize.x);
    int col   = (index - row * _MatricesTexsize.x; 
    return float4(col/_MatricesTexSize.x, row/_MatricesTexSize.y, 0 , 0);
}
//算出當前的變換矩（jǔ）陣
inline float4x4 getMatrix(int frameStartIndex, float boneIndex)
{
     int matStartIndex = frameStartIndex + boneIndex*3;
     float4 row0 = tex2Dlod(_MatricesTex, indexToUV(matStartIndx));
     float4 row1 = tex2Dlod(_MatricesTex, indexToUV(matStartIndx + 1));
     float4 row2 = tex2Dlod(_MatricesTex, indexToUV(matStartIndx + 2));
      float4 row3 = float4(0,0,0,0);
      float4x4 mat = float4x4(row0, row1, row2, row3);
      return mat;
}v2f vert(appdata v)
{
     v2f o;
      float time = _Time.y;
     //算（suàn）出當（dāng）前時間對應的index
     int framIndex = (int)(((_Time.y + v.uv2.x)*_AnimFPS)%(_AnimLength * _AnimFPS));
     int frameStartIndex = frameIndex * _MatricesTexFrameTexls;
     //去（qù）除對應（yīng）的（de）變換矩陣
     float4 mat0 = getMatrix(frameStartIndex, v.tangent.x);
     float4 mat1 = getMatrix(frameStartIndex, v.tangent.z);
   
     float4 pos =
        mul(mat0, v.vertex) * v.tangent,y + 
        mul(mat1, v.vertex) * v.tangent.w;
 
    o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, pos);
    o.uv = TRANSFOR_TEX(v.uv, _MainTex);
    return o;
}