淺析三維角色動畫骨骼設定與綁定方法

（三亞學院 傳媒與文化產(chǎn)業(yè)學院,海南三亞 572000）

一、骨骼設定和骨骼綁定的概述

骨骼綁定是在建模和動畫制作之間的關鍵環(huán)節(jié)，有效的為角色動畫模型設置骨骼，使得動畫角色可以動起來。現(xiàn)實中人體、動物的運動是具備客觀規(guī)律的，肌肉將力傳遞給骨骼，帶動身體產(chǎn)生動作，關節(jié)限制著運動角度，肢干控制著運動幅度，動畫高于現(xiàn)實但首先必須基于現(xiàn)實，操作人員在制作之前應首先認真研究角色原型，通過對真實形象的揣摩來進行骨骼綁定，確保之后動畫師編排動作的時候既有充足的調(diào)整能力，又可以適當限制過于離譜的情況。

骨骼的創(chuàng)建過程就是為已經(jīng)建好的角色模型設立骨骼，這些骨骼可以理解成是為了進行動作設計而準備的結(jié)構(gòu)架子。對于生物型動畫角色，動畫師需要借鑒現(xiàn)實中的實例，選取適用并且易于操作的骨骼部分，很多成熟的三維動畫軟件對常見的生物角色都能夠直接提供骨骼模板，稍加修改即可使用；對于非生物型動畫角色，如果動畫師希望為其設計動作，可能需要自主安排骨骼，比如一塊布料，最少使用2-3根骨骼已經(jīng)能基本展現(xiàn)飄動、起伏等動作了。

骨骼創(chuàng)建之后，需要與對應模型進行綁定的工作，這一環(huán)節(jié)也可以稱之為蒙皮。相對于三維動畫的其他工作環(huán)節(jié)而言，骨骼綁定是一項需要靜下心來踏踏實實完成的煩瑣工作，它的主要作用是將已經(jīng)創(chuàng)建好的骨骼和模型有機的聯(lián)系成一個整體，這樣動畫師就可以通過骨骼來帶動角色模型實現(xiàn)運動。骨骼綁定的難點在于各個約束點權重的分配，簡單來說就是約束點越近則權重越高，反之亦然，但實際操作的時候還是相當依賴動畫師的經(jīng)驗和對生物學等關聯(lián)學科的掌握程度。

二、如何創(chuàng)建骨骼

伴隨著三維動畫高速發(fā)展的是各種三維軟件的迅速進步，目前比較主流的三維軟件有很多，各有擅長的領域，在三維游戲動畫和三維影視動畫這里，相對常用的是3DS Max和MAYA，下面我們以3DS Max為載體來介紹下如何創(chuàng)建骨骼。

首先需要一個已經(jīng)建好的角色模型，本次介紹以人物動畫角色為基礎。3DS MAX軟件系統(tǒng)提供了Character Studio骨骼系統(tǒng)，動畫師可以直接通過這套系統(tǒng)來適配角色模型，這套系統(tǒng)當前開發(fā)的已經(jīng)非常成熟，可以大大節(jié)約創(chuàng)建骨骼的時間。想要做好骨骼設定，就首先要了解該模型的生物特征，角色動態(tài)是通過人物關節(jié)、神經(jīng)、包括肌肉組織來完成，那人體是如何產(chǎn)生運動的呢？人的大腦產(chǎn)生意識或者潛意識，通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給肌肉，接著帶動骨骼關節(jié)從而產(chǎn)生運動。動畫師應充分了解人體骨骼的大致分布，清楚哪些是關鍵骨骼和關節(jié)，更要知曉關節(jié)運動的X、Y、Z軸的方向和幅度，然后結(jié)合運動規(guī)律所設定出來的骨骼系統(tǒng)就會容易和精準很多，舉個簡單的例子，頸關節(jié)經(jīng)常要做的動作包括低頭、抬頭、偏頭、扭頭等，那么脛骨就需要具備在這三個互相垂直的平面上圍繞固定點旋轉(zhuǎn)的能力。

三維動畫中角色動作是要有平衡感的，比如走、跑、跳等運動要有合適的重心和平衡表現(xiàn)才能站得住、不摔倒，而且這與接下來的綁定和動作設計直接相關。做骨骼設定首先要確定人物的重心位置，一般都會在角色的中心區(qū)域，這樣我們做骨骼鏡像的時候不會跑偏，也會很精準，接下來就從主要骨骼來找準設定的位置，比如腹腔、胸腔、胳膊、腿、脖子，頭部等等，先調(diào)整大的關節(jié)，調(diào)整完成、基本精確之后，可以通過鏡像來看大體是否合理；接下來調(diào)整小關節(jié)，比如手掌、手指、腳掌、腳趾等，做好Biped本身骨骼以后，通常用父子鏈接，把做好的Bone骨骼鏈接到Biped骨骼，來做衣服、武器、飄帶等其他非本體的輔助骨骼，然后父物體帶動子物體，這樣的方法基本完成了Max中角色骨骼對模型的匹配。動畫角色的動作姿態(tài)是不斷變化的，相應地，重心位置也應隨之不斷調(diào)整，即使是一個簡單的呼吸動作，重心也有輕微的變化。角色運動重心位置的調(diào)整也非常關鍵，動畫師需要考慮每個關節(jié)的xyz軸，要了解每個關節(jié)軸的屬性，以及每個關節(jié)的旋轉(zhuǎn)限定。

最后在匹配過程中，動畫師要注意以下幾點內(nèi)容：1.為了更方便地骨骼適配，首先可以把模型凍結(jié)，并在右面命令面板中選擇創(chuàng)建命令中的系統(tǒng)，點選Biped，2.適配前要點選運動里面中的體型模式，這樣就可以對整個角色進行骨骼適配；3.因為是3D模型，整個角色呈現(xiàn)立體形態(tài)，首先視圖調(diào)整到前視圖來工作，接下來從側(cè)視圖來觀察和調(diào)整到符合模型形態(tài)的相應位置，正視圖和側(cè)視圖調(diào)整好以后，再進入透視圖來整體觀察，所有視圖都合理就繼續(xù)調(diào)整小細節(jié)了。

三、如何進行骨骼綁定

在完成骨骼設定以后，這個模型和骨骼仍然是兩個不相干的個體，他們是不能互相影響的，要想賦予角色生命力，想讓模型完成走、跑、跳、唱歌、跳舞等動作，需要一個非常重要的驅(qū)動環(huán)節(jié)，這就是接下來要介紹的骨骼綁定也稱為蒙皮。骨骼綁定就是把骨骼和模型鏈接到一起，為了更好地理解，也可以稱之為角色模型和骨骼之間的驅(qū)動器，讓骨骼對模型有支配能力，這項工作要非常的認真和精準，因為直接影響到下一步動作制作的效果。

一般來說，在國內(nèi)外大型三維動畫公司中，分工是非常細致的，會有專門的綁定組來做動畫動作前的模型綁定和測試工作，蒙皮環(huán)節(jié)看似只是工作單一、負荷大，但其實除了要求動畫師認真仔細耐心以外，更需要結(jié)合運動規(guī)律的經(jīng)驗的積累，這只能通過長期大量的專項練習來加以提高，否則不但事倍功半，還經(jīng)常因為一些小失誤給動作設計帶來了很大的困擾，而且難以檢查出來。下面介紹下在蒙皮操作過程中需要注意的幾點細節(jié)：

1.檢查。在開始工作之前應該要首先檢查模型，看角色模型上是否有多余的點，如果有，則應先進行處理，模型布線和頂點分配正確了，接下來再進行蒙皮權重的分配。

2.鏈接。點選軟件右邊命令面板里面的Skin，然后在參數(shù)面板中選擇添加（Add）骨骼，此處要注意骨骼的后綴名，不想適配到角色模型上的骨骼也就是不相關的骨骼不用點選。骨骼添加好使用Select進行點選，這樣就可以把骨骼鏈接到模型了，于是兩個原先完全沒有關系的個體就鏈接到一起了，然后按照模型上每個頂點來設置骨骼中的各個關節(jié)，調(diào)節(jié)對周圍骨骼影響的范圍值就可以了。

3.去封套。3DS Max軟件提供了封套工具用以快速蒙皮，這對于節(jié)約時間有著非常大的幫助，不過對于部分蒙皮操作者來說，自主調(diào)整參數(shù)會使得動畫畫面更加細膩逼真，所以先去封套再設置角色模型的權重也是常用的做法。調(diào)節(jié)過程中點選模型，在右面的命令菜單里面選擇Skin中的封套(Envelope)，接著點擊骨骼顯示，這樣就會出現(xiàn)封套，通常在動畫師處理蒙皮的時候可以看封套的影響范圍；取消封套的方法是在右面命令面板里選顯示（Display）中的取消封套(Show no envelope)，這樣就可以去掉了。

4.骨骼影響值的范圍設置。修改影響周圍骨骼的參數(shù)，在Skin面板中有Adcanced Parameters這個展卷欄，點開其中的骨骼影響設置（Bone affect limit），調(diào)整數(shù)值即可，一般把這個數(shù)值調(diào)成3，也可以理解為模型的一個點最多會受3根骨骼影響。

5.范圍值匹配。在命令面板里打開參數(shù)面板（Parameters），點擊屬性，勾選vertices，這樣動畫師直接可以選角色模型的點來進行范圍值的匹配，為了更方便選擇目標點的范圍，可以在上方工具欄里面選擇適合選點的方式（Lasso selection region）套索來選擇區(qū)域。

6.蒙皮應用方法。以手部的蒙皮為例，首先選擇合適的封套，然后選擇權重工具（Weight tool），為了使該手部區(qū)域不受其他部位影響，可以把手部的封套數(shù)值全部給到最大的數(shù)值1，接下來對手指頭進行骨骼綁定，指尖部分也就是手指最上方，因為只受到一根骨骼的影響，所以非常簡單，簡單把數(shù)值設置為1即可，指骨關節(jié)部位，如果關節(jié)的骨節(jié)活動會受到兩根骨骼影響而且受力平均就可以把數(shù)值給到0.5。基本上，頂點的權重離骨骼越遠的部分影響范圍越弱，給到的數(shù)值就越小，越近則相反，所以這個點無論受3根骨骼影響、2根骨骼影響，還是一根骨骼影響，都按照這樣的規(guī)律來分配權重即可。

骨骼綁定的方法有很多，每個人可以根據(jù)自己的綁定習慣來設置，先確定要適配范圍內(nèi)整體都給到最大的權重值，既先整體分配再細分，先處理簡單有規(guī)律的范圍再設定復雜的范圍。蒙皮相對煩瑣，但其實掌握規(guī)律以后也不難，需要細心和耐心的勤加練習，就一定會把這項工作做得恰到好處。

四、結(jié)論

三維動畫的制作對動畫師的要求是很高的，既需要懂得物理、生物、計算機等知識，也需要繪畫、藝術品鑒和思想表達等能力，對于三維動畫的鏡頭語言、表演技巧的追求也是永遠都需要不斷提高，一名優(yōu)秀的動畫師光有知識儲備是遠遠不夠的，更加珍貴的是綜合素養(yǎng)、知識更新及經(jīng)驗的積累，對于運動規(guī)律的嚴格要求和對于高品質(zhì)藝術表現(xiàn)的執(zhí)著精神。

骨骼設定和骨骼綁定也是在整個三維動畫制作流程中非常關鍵的兩個環(huán)節(jié)，需要非常嚴謹和認真的態(tài)度，雖然制作過程煩瑣單一，但卻是動作設計的基礎，很大程度上決定了之后動畫動作的流暢程度和表現(xiàn)效果，因此也是非常重要的。能將這兩項工作既快又好完成的動畫師，在就業(yè)市場上也受到各大動畫公司的青睞，因此踏踏實實的學習、練習，積累經(jīng)驗也尤為重要。