虛擬現實技術中基于DirectX的骨骼蒙皮技術

摘要：本論文研究的是基于DirectX技術的虛擬現實VR(Virtual Reali-ty)技術。使用骨骼蒙皮動畫原理和結構分析，以vC++為開發工具，在關節動畫的基礎上。利用頂點混合《vertex Blend)技術實現了一個小型3D模型的蒙皮。

關鍵詞：虛擬現實技術 基于DirectX 骨骼蒙皮

1 虛擬現實基本概念：

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱V R)，是一種基于可計算信息的沉浸式交互環境。具體地說，就是利用三維圖形的生成技術、多傳感的交互技術以及高分辨率的顯示技術，生成三維逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境。使用者通過特殊的頭盔、數據手套等傳感設備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設施，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環境中的一員，與虛擬環境進行實時交互、感知和操作虛擬世界中的各種對象。從而產生親臨等同真實環境的感受和體驗。

一個完整的虛擬現實系統由下面三部分構成。

1.1 虛擬環境產生器。一個能產生三維世界的軟、硬件環境是VR系統的核心部件。它的主要功能是接收被試相關的運動信息(如頭部、眼、手等)，并融合成三維立體圖像，同時進行三維聲音合成和發出觸覺、壓力等反饋信號。

1.2 輸入輸出設備。其目的是使被試能通過視覺、聽覺和觸覺等方式與虛擬環境實現信息的交互作用。主要包括頭盔顯示器、操縱桿和數據手套等，它們是被試與虛擬環境建立聯系的關鍵。

1.3 數據接口。其作用是將虛擬環境產生器、輸入輸出設備以及被試等有機連接成一體，這不僅包括硬件協配問題，也包括軟、硬件聯調以及人機界面等技術內容。

2 虛擬現實的基本特征：

VR技術的發展始終圍繞它的三個特征而前進，即沉浸感、交互性和構想。

2.1 沉浸感。是指計算機生成的虛擬世界能給人一種身臨其境的感覺，如同進入了一個真實的客觀世界。

2.2 交互性。是指人能夠很自然地跟虛擬世界中的對象進行交互操作或者交流。計算機能根據使用者的頭、手、眼、語言及身體的運動，來調整系統呈現的圖像及聲音。使用者通過自身的語言、身體運動或動作等自然技能，就能對虛擬環境中的對象進行考察或操作。

2.3 構想。由于虛擬現實系統中裝有視、聽、觸、動的傳感及反映裝置。因此可使人沉浸其中并且獲取新的知識，提高感性和理性認識.從而深化概念并萌發新意，啟發人的創造性思維。

3 骨骼蒙皮技術

3.1 理解骨骼和骨骼層次結構首先要明確一個觀念：骨骼決定了模型整體在世界坐標系中的位置和朝向。模型又有靜態模型和動畫兩種。靜態模型沒有骨骼，在世界坐標系中放置靜態模型時，只要指定模型自身坐標系在世界坐標系中的位置和朝向即可。在骨骼動畫中。不是把Mesh直接放到世界坐標系中，Mesh只是作為Skin使用的，是依附于骨骼的，真正決定模型在世界坐標系中的位置和朝向的是骨骼。在渲染靜態模型時，由于模型的頂點都是定義在模型坐標系中的，所以各頂點只要經過模型坐標系到世界坐標系的變換后就可進行渲染。而對于骨骼動畫，我們設置模型的位置和朝向，實際是在設置與骨骼的位置和朝向，然后根據骨骼層次結構中父子骨骼之間的變換關系計算出各個骨骼的位置和朝向，然后根據骨骼對Mesh中頂點的綁定計算出頂點在世界坐標系中的坐標，從而對頂點進行渲染。在骨骼動畫中，骨骼才是模型主體，Mesh不過是一層皮，一件衣服。

蒙皮(skinning)就是給物體附上皮膚。三維網絡構成物體，如人形時，在關節與關節之間會出現斷裂的現象，與真人有很大的差別。消除這種斷裂現象的技巧就是蒙皮技巧。就像人的骨架一樣，一旦有了蒙皮就將看不到關節了。蒙皮是一種高級編程技巧，沒有蒙皮就會嚴重影響視覺效果。對于三維人物動畫而言，首先是使用建模工具創建模型，然后創建人物模型的骨骼，接下來便是將模型與骨骼綁定在一起，綁定的過程稱為“蒙皮”。骨骼被蒙皮后，可以使人物的模型隨骨骼一起運動，并在骨骼運動時產生相應的變形。

在關節動畫的基礎上，利用頂點混合(Vertex BIend)技術，對于關節附近的頂點，由影響這些頂點的兩段{或多段)骨骼運動，分別賦以權值，共同決定頂點位置。相當于在骨骼關節上動態蒙皮，有效解決了裂縫問題。

3.2 骨骼蒙皮動畫原理和結構分析骨骼蒙皮動畫(SkinnedMesh)包含骨骼(Bone)和蒙皮(Skinned Mesh)兩個部分。Bone的層次結構和關節動畫類似，Mesh則和關節動畫不同：關節動畫中是使用多個分散的Mesh，而Skinned Mesh中Mesh是一個整體，也就是說只有一個Mesh.實際上如果沒有骨骼讓Mesh運動變形，Mesh就和靜態模型一樣了。骨骼蒙皮動畫技術的精華在于蒙皮。所謂的皮并不是模型的貼圖，而是Mesh本身，蒙皮是指將Mesh中的頂點附著(綁定)在骨骼之上，而且每個頂點可以被多個骨骼所控制，這樣在關節處的頂點由于同時受到父子骨骼的拉扯而改變位置就消除了裂縫。

為了有皮膚功能，Mesh還需要蒙皮信息，即Skin數據，沒有SkIn數據就是一個普通的靜態Mesh了。Skin數據決定頂點如何綁定到骨骼上。頂點的Skin數據包括頂點受哪些骨骼影響以及這些骨骼影響該頂點時的權重(weight)，另外對于每塊骨骼還需要骨骼偏移矩陣(BoneOffsetMatrix)用來將頂點從Mesh空間變換到骨骼空間。骨骼動畫中的Mesh特指這個皮膚Mesh，模型是指骨骼動畫模型整體。骨骼控制蒙皮運動，而骨骼本身的運動當然就是動畫數據了。每個關鍵幀中包含時間和骨骼運動信息，運動信息可以用一個矩陣直接表示骨骼新的變換，也可用四元數表示骨骼的旋轉。也可以隨便自己定義，只要能讓骨骼動就行。除了使用編輯設定好的動畫幀數據，也可以使用物理計算對骨骼進行實時控制。

4 結束語

利用骨骼蒙皮技術，實現了一個三維物體在動畫過程中連續、自然的發生位移，給人以視覺上的滿足。