MAYA三維動畫角色骨骼裝配技術研究

摘要：近幾年，隨著電影、動畫、廣告設計等行業的發展，數字藝術領域得到較大的發展，而三維動畫則是數字藝術創作的一個非常重要的手段。本文主要研究MAYA動畫角色骨骼中的關節鏈，IK和FK動力學系統，曲線控制系統制作技術，解決在三維動畫制作中的實際問題。

關鍵詞：骨骼裝配；正向動力學系統；反向動力學系統

1角色骨骼配置準備工作

動畫制作是流水線作業，角色骨骼配置是為了滿足動畫片動作調整制作需要，而制作角色骨骼配置的好壞，影響著動畫片動作調整這個模塊的制作效率。因此，骨骼裝配在三維動畫制作里起著關鍵作用。一套優秀的角色骨骼配置，必須要具備以下要素：1）在角色骨骼配置中，任何的設定都不能讓軟件自動運行完成工作。因為動畫師在調整動作過程中，會靈活運用多個骨骼設定進行制作，如果骨骼配置設定由電腦自動運行，動畫師就沒法對設定進行操作，這就會影響動畫師制作動畫的靈活性。2）骨骼配置層級清晰。3）要確保動畫師能夠方便操縱它。在三維動畫里面，一套角色會運用在多集短片里面，如果骨骼配置操作麻煩，就會影響多個動畫短片的制作效率。

為模型制作骨骼配置的時候，要去分析制作的模型的解剖結構，了解這個角色的運動模式，分析模型在影片里面需要完成動作的類型，還有使用制作這個角色的動畫師的操作習慣，分析要制作的骨骼裝配設定哪個部分最重要。然后把模型截圖并打印下來，在打印稿上繪制肌肉組，骨骼位置等等，并把繪制好的圖稿和使用這個角色的動畫師溝通，確保制作的骨骼設定能滿足動作調整的需要。在進行骨骼配置前，要檢查需要做骨骼裝配模型的布線。檢查模型是否有破面或裂痕，如果不處理這些問題，會讓你在下一步工作，制作骨骼權重的時候產生困難。檢查布線走向是否根據角色的主要解剖結構群進行布線，查看布線的精度是否能夠讓模型進行很好的變形。并把模型的每一部分按照習慣命好名。整理模型的層級和歷史。刪除模型的所有歷史節點和層級，同時新建一個圖層，把模型放置到圖層內，并把模型的位置放置到坐標原點，并凍結模型。

2創建關節鏈

首先，根據繪制好的模型圖稿上面的骨骼點位置，創建骨骼鏈。在創建時注意調整骨骼軸心。骨骼的軸心控制了骨骼鏈彎曲時的運動方向，因此調整軸心時，必須按照角色的結構和運動規律進行調整。如果骨骼彎曲時運動方向與世界坐標一致時，可以選擇NONE形式的骨骼軸心形式，骨骼 XYZ軸方向就會與世界坐標軸方向一致。骨骼彎曲時的運動方向與世界坐標不一致時，可以采用XYZ的骨骼軸心形式，然后旋轉骨骼軸心，讓骨骼軸心與運動方向匹配。一組一個或多個連接的關節鏈稱為肢體鏈。在創建肢體鏈時，要注意所有骨骼點的旋轉值都為0，因此我們不能直接通過旋轉骨骼的方法去匹配骨骼方向。但我們可以在骨骼層級上打組，通過旋轉組去匹配骨骼方向，然后再把組和上一級骨骼點作父子關系，這樣骨骼點上的旋轉值都為0，調整骨骼軸心會更加直觀。在創建肢體鏈的時候，要避免關節鏈的骨骼在一條直線上。這樣可以防止添加IK手柄后，IK手柄無法使用的問題。制作骨骼鏈時，要注意骨骼點疏密，在一些需要做非常柔軟的動作的關節，可以為它多創建一點骨骼點，比如尾巴，耳朵等。在需要做IK手柄的地方，可以減少點骨骼點，如手臂、大腿等。所有的骨骼點都要放置在與角色解剖結構相吻合的點上。創建肢體鏈時，使用鏡像骨骼的方法能提高我們的制作效率。我們可以通過制作角色一邊的肢體鏈，再通過鏡像復制出另一邊。例如，建立了角色的右臂和右手，然后使用鏡像來復制出左臂和左手。我們也可做角色全身骨骼的鏡像，創建過程與創建肢體鏈的鏡像復制方法一樣，但是骨骼將會以全局坐標原點（XYZ=0，0，0）為軸心鏡像。因此，我們必須把模型放置在坐標原點。

3IK反向動力學和FK正向動力學系統

IK和FK為我們提供兩種骨骼運動方式。FK是根據骨骼父關節的旋轉來計算，得出每個子關節的位置。它主要通過旋轉方式來運動，使用FK動力學的骨骼運動的曲線通常為弧線，它能模擬出流暢，柔軟的動畫效果。比如說動物耳朵的自然擺動，手臂的擺動等等。IK主要根據末端子關節的位置移動，來計算得出每個父關節的旋轉。它的運動是直線運動，它可以模擬出肢體帶有目標性，攻擊性的直線動畫效果。例如角色出拳動畫，拿水杯動作，下蹲動作等等。在三維動畫里，我們主要用兩個類型的IK反向動力系統：旋轉平面IK 與Spline IK。在旋轉平面IK中，我們能通過IK 旋轉平面手柄控制關節旋轉，并且能控制關節鏈的全部旋轉。旋轉平面IK可以創建在手臂，大腿等關節，例如，可以在肩骨骼和肘骨骼間設置旋轉平面IK，IK解算器設為IK_RPsolver，然后選擇IK效果器（Effctor）節點，按Insert鍵進入樞紐點模式，把效果器的軸心放置在手腕骨骼上。這樣我們就可以通過控制旋轉平面IK去控制骨骼的旋轉運動。Spline IK，是IK樣條手柄。我們可以使用NURBS曲線去控制骨骼的移動，旋轉。使用IK樣條手柄，可以去控制如毛發，尾巴等比較柔軟的物體擺動的效果。在角色骨骼配置中，可以用它來制作脊椎的設定。依次點擊脊椎第二個關節和末端關節，創建IK，然后選擇IK上的曲線，進入構成模式，為曲線上的每個點添加一個簇（Cluster），我們就可以通過控制簇的運動去控制脊椎的擺動。我們也可以為曲線添加上動力學屬性，讓IK可以使用動力學運動。例如制作頭發設定，首先根據頭發布線結構創建一段骨骼鏈，為骨骼鏈上加上IK樣條手柄，選擇IK的曲線，使用Hair/Make Selected Curves Dynamic命令，為IK添加毛發動力學，這時我們就可以創建一個毛發系統，然后我們把曲線作為毛囊（follicle）的子物體，設置毛囊（follicle）的動力學屬性，選擇毛發的根部為固定點。創建好角色骨骼和IK反向動力學系統，角色全身骨骼創建基本完成了。

4制作曲線控制系統

為了方便動畫師更加容易控制骨骼系統，在制作角色骨骼設定過程中，可以創建NURBS曲線控制器，通過對骨骼和IK進行約束，來控制骨骼的旋轉和IK手柄的運動。例如，制作手臂骨骼控制器，首先使用create菜單下的CV曲線工具，創建一段NURBS曲線，清除歷史，把它吸附到手臂IK手柄上，然后凍結它的屬性，再把它和手臂IK作點約束，和手腕骨骼做旋轉約束。再創建一個曲線控制器，放置在肘部外側，刪除歷史，凍結屬性，把曲線控制器和手臂IK添加一個極向量約束。這樣，曲線控制器就可以控制手臂的移動和旋轉了。我們要養成良好的習慣，每新建一個曲線控制器，都要刪除它的歷史，凍結屬性，隱藏在動畫制作中不需要使用的屬性。曲線控制器可以通過驅動去控制骨骼運動。通過曲線的一個屬性去驅動骨骼的另一個屬性，這樣我們在骨骼設置過程中就可以更加靈活。

5鎖定屬性

在骨骼創建完成后，我們要鎖定一些在動畫制作中不需要使用，或是不可以更改的屬性。這樣可以避開我們在動畫制作階段的誤操作。鎖定和隱藏掉動畫制作過程中不使用的，控制器通道和屬性。在鎖定屬性過程中，要鎖定和隱藏關節的移動和縮放屬性、隱藏屬性。旋轉屬性不需要鎖定。

6小結

骨骼裝配設定作為連接角色模型制作和動作調整作的重要一環，在制作的過程中，要盡量滿足動作調整工作的需求，層級清晰，刪除多余的節點和隱藏沒用的屬性，這樣，在下一步骨骼蒙皮的制作中，才不會出現錯誤。

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作者簡介：李天昊（1983—），男，廣東懷集人，本科，助教，主要研究方向：動畫設計。