我在《程序員》2008年2月刊上看到的（上），一搜果然搜到了。好文共分享！


游戲程序中的骨骼插件（上）

文/潘李亮

引言

　　在3D引擎中，骨骼動畫系統是非常重要的一個組成部分，雖然在一個游戲的真正開發過程中，一個優秀的游戲引擎也許不需要用戶去關心它的骨骼動畫系統是如何實現的，但是還是有很多人希望了解這樣的一個技術。

本文將會介紹骨骼動畫系統里的一個基礎部件：3Ds MAX 的骨骼動畫導出插件。

3Ds Max SDK和插件系統

最新版本MAX9的MAXSDK包含在安裝光盤里，在安裝完MAX后直接安裝SDK，并在工程里添加maxsdk的包含路徑和庫的路徑就可以開始編譯max插件了。MAX SDK還提供了3Ds Max Help for Visual Studio，這個幫助系統可以集成到Visual Studio .NET的幫助系統中，非常方便。建議在安裝的時候一起裝上。

MaxSDK主要目的就是用來開發MAX插件，雖然Max也提供了MaxScript，也可以用來做插件，但是對C++程序原來說，MaxSDK則更順手一些。

Max插件根據用途分為好幾種，每種對應不同的擴展名，在游戲開發中，我們通常比較關心三種類型的插件，他們分別是: 導入/導出插件，對應擴展名為dli/dle， utility 插件，對應擴展名為dlu，以及擴展名為dlm的modifier。導入導出插件基本上說是MAX與其它工具交互的接口。Utility插件則可以為MAX增加很多操作功能面板。Modifier則是3DsMAX

3DsMax自帶的插件放在X:\3DsMax\maxsdk\stdplugs目錄下，而我們自己編寫的插件通常會放到X:\3DsMax\maxsdk\ plugins目錄下。只要把插件放到這兩個目錄下，Max在啟動的時候就會自動加載你的插件。很多初學者可能會問dlm/dle這些插件是怎么生成的呢？其實這些都是一些標準的dll程序，只是擴展名不同而已。跟編譯一個普通的Windows DLL沒有區別。



初學MaxSDK最好的例子應該就是MAXSDK自帶的sample。在maxsdk的安裝目錄下可以找到，一般是X:\3DsMax\maxsdk\samples 下。這個目錄下已經對插件的種類進行了分類。一般在做骨骼動畫導出插件的時候，我們不會選擇導出插件而是選擇utility插件，這樣做的目的是ultility插件在max啟動的時候就處于激活狀態， 而導出插件則只會在用戶選擇export命令的那一刻，并且這些插件都可以訪問到MAX的整個環境，因此，使用utility插件會讓用戶更加的方便，本文的例子就是采用utility插件。

構造第一個3Ds Max 插件

       本節我將講述如何快速的建立一個utility插件的框架， 因為關心的是導出插件本身的功能，而不是插件框架本身，因此我給大家提供一個個比較簡潔的方法:使用3dsmaxPluginWizard. 這是MaxSDK提供的一個組件，位于X:\3dsmax\maxsdk\howto\3dsmaxPluginWizard下， 仔細閱讀一遍這個目錄下的ReadMe.txt文件的Installing一小節，就可安裝好3DsMaxPluginWizard. 這時候打開Visual Studio 2005.在新建工程中就可以看到3Ds Max Plugin Wizard一項，選擇后，看到標簽頁一共有三頁，在第一頁Plugin-Type里，選擇Utility項，在接下來的Plugin Detail里填入詳細信息如圖2所示。



最后在Project Detials 選項卡里填入maxsdk的路徑，插件輸出路徑和3dsmax.exe所在的路徑就可以生成一個utility工程了。

生成的工程僅僅是一個架子，它包含了兩個類和一個IDD_PANEL的對話框。第一個類MyMaxSkinExporter是從UtilityObj派生下來的，代表了插件本身。另外一個類從ClassDesc2派生，用來描述這個插件的一些信息。IDD_PANEL則是我們插件的主界面，我們可以簡單的理解它就是我們插件的主窗口。

MyMaxSkinExporter有兩個重要的函數: BeginEditParams(Interface *ip，IUtil *iu)和EndEditParams(Interface *ip，IUtil *iu)這兩個函數。BeginEditParams可以簡單的理解成插件的初始化函數，EndEditParams則在插件退出時候被調用。參數Interface *ip 則代表整個Max對象，用它可以訪問到MAX程序的所有功能。

編譯這個工程，一個簡單的utility插件就已經生成了，你可以在剛才Project Detials選項卡里填入的插件輸出路徑里找到生成的插件。

3Ds MAX的場景組織和幾何管道

要編寫一個導出骨骼動畫的插件，必須先了解MAX是如何組織場景的，并了解MAX中一個mesh對象從建立到最終輸出都經歷那些階段。下面首先介紹一下MAX的場景組織。

MAX的整個場景是一個樹狀結構，樹的節點用INode來表示，整個樹的根節點可以通過Interface::GetRootNode來獲得，場景中的所有物體都是INode。INode中的NumberOfChildren函數和GetChildNode則用來訪問INode的子節點。要遍歷整個場景中對象，只需要通過Interface::GetRootNode和GetChildNode做一個遞歸Ѭ環就可以了。如果僅僅是想獲得在視口中選定的物體，則可以使用Interface::GetSelNodes函數。

INode僅僅是一個虛擬的節點，它本身僅僅包含一些標記和變換信息，并不表示實際的Object。實際的Object需要附著在INode上，并以INode的坐標系為Object的本地坐標系。Max中常見的Object有形狀(各種參數曲線)，Camera，Mesh等。Object有自己的變換矩陣(TM)， 在很多情況下這個矩陣都是單位矩陣。

INode的變換矩陣可以通過INode::GetNodeTM來獲得，而附著在INode上的Object的變換矩陣則通過INode::GetObjectTM來獲得，因為Object相對于Node的變換矩陣通常是單位矩陣，GetNodeTM和GetObjectTM獲得的矩陣通常也是一樣的，但是在必要的時候一定要加以區別。關于INode和Object的變換矩陣問題的詳細討論可以參考我blog上的一篇文章：MAX SDK的INode的變換矩陣,以及Object的一些常識(http://blog.csdn.net/Nhsoft/archive/2005/01/06/241629.aspx)

接下來我來看一下3DsMax一個幾何物體的Pipeline。前面說過Object是附著在INode上的，在MAX里，Node有一個Object Reference的指針，指向一個物體對象。熟悉MAX的操作方式的讀者都知道，我們在MAX里建立一個對象后，可以在上面添加各種修改器-Modifier。在Max的幾何管道中，我們建立的對象通常稱為Base Object。所有施加在這個物體上的修改器形成一個修改器堆棧-ModStack。BaseObject經過這個ModStack后形成一個新的Object Reference。ModStack中的每個Modifier都是輸入一個Object Reference，輸出一個Object Reference， 并且在應用第一個Modifier的時候會自動在幾何管道里插入一個Derived Object。最終INode的Object Reference將指向這個Derived Object。

Modifier在管道中的應用實例是ModApp對象，一個ModApp代表一個應用在Object上Modifier修改，ModApp包含一個ModContext的數據對象，Modifier用ModContext中的數據來對Object進行修改，以生成最終數據。

修改器按照應用的坐標系不同分成局部空間修改器和世界空間修改器(World Space Modifier)。局部空間修改器僅僅在Object的局部空間中修改Object，不會對坐標系造成影響。世界空間的修改器比如水波紋修改器則要求先將物體變換到世界空間后再進行修改，修改完成后的坐標也是世界空間的坐標。相對來說處理世界空間修改器會麻煩的多。（如果一個物體應用了世界空間修改器，則通過Mesh對象取得的坐標已經是世界坐標系中的了。不需要再乘以INode::GetObjectTM了）。

導出骨骼動畫數據

       了解了MAX的場景管理和幾何管道以后，我們就可以很方便的建立一個如何取得MAX場景中定點數據的流程了。

骨骼動畫系統，首先應該包括物體的蒙皮數據和頂點與骨骼的綁定信息。我們分兩部分介紹皮膚數據的導出。第一步，我們要導出蒙皮數據，為了簡單起見，在這里只導出蒙皮的位置，法向量與切向量紋理坐標等信息留給讀者自己去研究。在3DsMax里。要建立骨骼動畫模型，可以使用兩種修改器Skin和，Physique。其中Physique是屬于CharacterStudio的，他的API相對比較復雜，本文只介紹使用Skin修改器制作的骨骼動畫模型文件。

在界面上增加一些按鈕

在了解了那么多理論后，我們可以開始做一些實質上的事情了，首先我們要給我們的插件增加一些按鈕，通過這些按鈕，使用可以下達保存/加載骨架，導出動作，導出皮膚等任務。

我們在第三節中生成的IDD_PANEL的對話框中加入幾個按鈕，分別用于保存骨架，加載骨架，導出動作，導出皮膚。并在對話框的WM_COMMAND消息中加入按鈕響應代碼。對話框的窗口過程為MyMaxSkinExporterDlgProc。

增加完的IDD_PANEL對話框看上去如圖4。

定義頂點數據類型

       骨骼動畫的頂點數據應該包含頂點位置，紋理坐標，法向量，影響的骨骼編號和權重，一般影響到某個頂點的骨骼數目不會超過４個。同時，頂點位置也有兩種記錄方法：相對于世界空間的和相對骨骼空間的，這里我們采用相對于世界空間的記錄方法，因為這種方案比較直觀，只需要記錄一個頂點位置就可以。麻煩的地方在于，因為骨骼的變換矩陣要求頂點是相對于該骨骼的局部空間的，因此頂點在參與骨骼蒙皮計算的時候，需要先乘上骨骼的初始位置的矩陣的逆，以變換到骨骼空間。

  

struct Vertex_t

   {

       Point pos , normal , texCoord；

      int    matID;

       int   nEffBone;

       struct{

          int    boneIdx;

           float weight;

       }Bone[4];

   };

導出骨架

       骨骼動畫系統中骨架為動畫的載體，所有的蒙皮都附著在骨架之上。同時要保證屬于一個角色的所有的蒙皮都使用同一個骨架來建立和導出，這是一套換裝系統的基本需求。因此骨架的導出和保存通常是一次性的，后續導出皮膚的時候都應該以這個骨架為基準。這也要求我們在導出骨架的時候就需要導出所有的骨骼。

       骨架上的骨骼其實也是一個INode，骨骼僅僅是一些變換矩陣的信息而已。目前沒有特別好的辦法鑒定哪些INode是骨骼，比較可行的辦法是把所有Skin修改器使用到的INode都列為骨骼，同時美工還可以手動指定哪些Node為骨骼，并把這些標記用INode:: SetUserPropBool("IsBone"，bIsBone);記錄到MAX文件中。

保存骨架的時候，需要保存骨骼的父子關系。并需要保存這個骨骼的第一幀數據。這要求如果美工在兩個不同的MAX文件里制作不同的動作的時候，除了保證骨架相同以外，第一幀也需要完全相同．

骨架的保存和加載代碼如下：

  

struct Bone_t{

    Matrix NodeInitTM;

    char   Name[32]，ParantName[32];

   };

   class CSkeleton {

   public:    vector<Bone_t> m_Bones;

       void loadSkeleton(const char* skeFileName){

    ifstream in(skeFileName , ios::binary);

       while(!in.eof()){

       Bone_t _bone;

       in.read((char*)&_bone , sizeof(Bone_t));

       m_Bones.push_back(_bone);

       }

       in.close();

       }

   int findBoneIndex(INode* pNode)    {//

   for(int i = 0 ; i < m_Bones.size() ; i ++)

        if(string(m_Bones[i].Name) == pNode->GetName() )    return i;

           return -1;

}

    void saveBone(ostream& out , INode* pNode , bool bRoot){

       Bone_t _bone;

       _bone.NodeInitTM = pNode->GetNodeTM(0) ;

       strncpy(_node.Name， pNode->GetName() , 32);

       if(bRoot) _bone.ParantName[0] = 0;

       else{

    INode* pPNode =pNode->GetParantNode();

      strncpy(_bone.ParantName， pPNode->GetName() , 32);

       }

     out.write( (char*)&_bone , sizeof(Bone_t) );

     for(int i = 0 ; i < pNode->NumberOfChildren() ; i ++)

     saveBone(out，pNode->GetChildNode(i)， false)；

}

     void saveSkeleton(const char* skeFileName , INode* pRootNode){

    ofstream out(skeFileName , ios::binary);

    saveBone(out , pRootNode , true);

    out.close();

   }

   };

findBoneIndex函數的目的是在把從文件中加載的骨骼和MAX中的Node對應起來.因為是根據名字來進行查找比較，因此要求所有的Node都必須要有唯一的名字．同時，骨骼之間的父子關系也是通過名字來標記的．每個Bone都記錄了它的父節點的名字．Save Skeleton骨架的按鈕響應代碼如下:

   void OnSaveSkeleton()

   {

          CSkeleton* pSkeleton = GetGlobalSkeleton();

              Assert(ip->GetSelNodeCount() == 1); //導出骨架的時候只能選擇一個節點



              const char* filename = GetSaveFileName() ;



              if(filename){

              pSkeleton-> saveSkeleton(filename , ip->GetSelNode(0) );

}

   }

導出骨架動作

骨架導出后，我們需要進一步導出這個骨架的動作。在導出動作的時候，需要加載一個事先已經導出的骨架。然后遍歷這個骨架中所有的骨骼，找到這個骨骼對應的INode對象。然后確定動畫的長度和幀數，為每一個骨頭的保存一個變換矩陣。

void OnExportAnimation()

   {

           const char* fileName = GetSaveFileName();

ofstream out(fileName , ios::binary);

Interval ARange = ip->GetAnimRange(); //獲得動畫的長度



            TimeValue   tAniTime = ARange.End() - ARange.Start();

       TimeValue   tTime = ARange.Start();

       int nFrame = tAniTime/GetTicksPerFrame();

//計算動畫幀數

out.write((char*)&nFrame , sizeof(int));

//記錄有多少frame;

                for(int i = 0 , ; i < nFrame ; i ++ ,tTime += GetTicksPerFrame()){

   CSkeleton* pSkeleton = GetGlobalSkeleton();

   for(int iBone = 0 ; iBone < pSkeleton->m_Bones.size() ; iBone ++){

   Bone_t& bone = pSkeleton->m_Bones[iBone];

   INode* pBoneNode = GetNodeByName(bone.Name);

//通過名字獲得INode指針

   Matrix mat = pBoneNode->GetNodeTM(tTime，NULL);

                        out((char*)&mat , sizeof(Matrix));

              }

   }

                out.close();

   }

這里演示里我們記錄的是骨骼的絕對變換矩陣，而不是相對父骨骼的變換矩陣，這省去了我們從根骨骼開始計算骨架的麻煩，但是也多了很多限制，比如不能進行動作混合，不能做動作的插值等，使用相對父骨骼的局部矩陣的算法留給讀者自己去實現，也可以參考Cal3D和我開源的XReal3D的導出插件。 此外，因為我們在頂點數據中只保存了相對世界空間的位置，所以骨骼中的NodeInitTM將用來把相對世界空間的頂點位置變換到骨骼的局部空間中，皮膚混合的時候計算公式將如下：

其中M(t，i)為第i塊骨頭在t時刻的變換矩陣。

同樣的，我們只是簡單的導出每一幀的變換矩陣，而沒有處理關鍵幀，使用關鍵幀加上相對父節點的局部變換矩陣的四元數插值，在保準動作的準確性前提下能大大的降低動作文件磁盤占用。