網(wǎng)格模型動(dòng)畫一般有兩種：一種是漸變動(dòng)畫；另一種是骨骼動(dòng)畫，這種動(dòng)畫包含在網(wǎng)格模型之中，通過網(wǎng)格模型不同部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫。

骨骼動(dòng)畫基本原理

骨骼動(dòng)畫是目前最流行也最復(fù)雜的角色動(dòng)畫，它包含以下幾個(gè)重要元素：骨骼、動(dòng)畫。骨骼動(dòng)畫思想的起源很簡單，自然界中的大多數(shù)動(dòng)物都擁有一套骨骼，身體的皮毛血肉都依附于骨骼，當(dāng)骨骼開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，依附于對(duì)應(yīng)骨骼的皮毛血肉都隨骨骼一起運(yùn)動(dòng)。在三維圖形編程領(lǐng)域，角色的軀體是由網(wǎng)格模型來表示的，網(wǎng)格模型通常由大量三角形圖元組成，而三角形又是由頂點(diǎn)組成的。為了模仿現(xiàn)實(shí)世界中角色自身的動(dòng)作，就需要為角色網(wǎng)格模型添加一套骨骼，同時(shí)需要確定哪些頂點(diǎn)依附于哪塊骨骼，這樣當(dāng)骨骼運(yùn)動(dòng)時(shí)就能牽引依附骨骼的頂點(diǎn)一起運(yùn)動(dòng)，這就是骨骼動(dòng)畫的基本原理。

骨骼動(dòng)畫模型的骨骼是以樹狀層次結(jié)構(gòu)組織起來的，整個(gè)骨骼結(jié)構(gòu)中有一塊根骨骼，其他的骨骼都直接或間接連接到根骨骼上，形成角色模型的整個(gè)骨骼框架。

一般每塊骨骼都帶有兩個(gè)矩陣，一個(gè)是初始變換矩陣（LocalTransformMatrix），表示骨骼的初始位置；另一個(gè)是組合變換矩陣（CombinedTransformMaitrx），用于對(duì)骨骼進(jìn)行各種變換，從而實(shí)現(xiàn)角色動(dòng)畫。在每次渲染角色模型前，需要更新整個(gè)骨骼層次結(jié)構(gòu)，組合每個(gè)連續(xù)的變換，將上層骨骼的運(yùn)動(dòng)傳遞到下層骨骼，這個(gè)原理可表示為：

（子骨骼的）CombinedTransformMaitrx = （子骨骼的）LocalTransformMaitrx x （父骨骼的）CombinedTransformMaitrx

骨骼的組合變換矩陣是隨動(dòng)畫的播放不斷變化的，而它的初始變換矩陣一般是不改變的，正是所有骨骼的這些矩陣相互作用才牽引著頂點(diǎn)的變化，從而實(shí)現(xiàn)了骨骼動(dòng)畫。因?yàn)橐淮巫儞Q只能將骨骼變換到一個(gè)特定位置，要形成連續(xù)的動(dòng)畫就需要一幀一幀地連續(xù)改變骨骼的位置，每次改變骨骼的位置都需要一個(gè)骨骼變換矩陣，在網(wǎng)格模型中不可能保存任意時(shí)刻骨骼的變換矩陣，通常是保存關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)骨骼的變換矩陣（即關(guān)鍵楨），然后在播放角色動(dòng)畫時(shí)，根據(jù)播放時(shí)間進(jìn)行插值得到任意時(shí)刻骨骼的變換矩陣，從而形成連續(xù)的角色動(dòng)畫。

骨骼動(dòng)畫是通過骨骼變換矩陣實(shí)現(xiàn)的，在網(wǎng)格模型中保存的也是關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)骨骼的變換矩陣，因此插值就是針對(duì)這些關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)上的骨骼變換矩陣進(jìn)行的。假設(shè)在s1時(shí)刻骨骼變換矩陣是mat1，在s2時(shí)刻骨骼變換矩陣是mat2，在s1和s2之間的任意時(shí)刻s，其骨骼變換矩陣mat為：

mat = (1-w) * mat1 + w * mat2

其中w是權(quán)值，通過這個(gè)權(quán)值來調(diào)節(jié)在s時(shí)刻骨骼變換矩陣中mat1和mat2所占的比重，對(duì)骨骼變換矩陣進(jìn)行插值最簡單的方法是線性插值，這時(shí)w = (s-s1) / (s2-s1)

骨骼動(dòng)畫類的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

我們需要將骨骼動(dòng)畫網(wǎng)格模型的相關(guān)操作封裝到一組類和結(jié)構(gòu)中，這一組類和結(jié)構(gòu)可以看成一套完整的骨骼動(dòng)畫網(wǎng)格模型接口，它們之間的關(guān)系如下圖所示：

其中，D3DXFRAME和D3DXMESHCONTAINER是Direct3D提供的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，D3DXMESHCONTAINER結(jié)構(gòu)用于保存模型的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，D3DXFRAME用于保存模型的骨骼框架。結(jié)構(gòu)D3DXMESHCONTAINER_DERIVED繼承自Direct3D提供的結(jié)構(gòu)D3DXMESHCONTAINER，結(jié)構(gòu)D3DXFRAME_DERIVED繼承自Direct3D提供的結(jié)構(gòu)D3DXFRAME，分別進(jìn)行了相應(yīng)的擴(kuò)充，使其能夠保存所需要的其他數(shù)據(jù)。

cAllocateHierarchy類負(fù)責(zé)從動(dòng)畫網(wǎng)格模型文件加載各種數(shù)據(jù)，該類繼承自Direct3D中的ID3DXAllocateHierarchy接口。

cAnimMesh類是唯一對(duì)外開放的類，它通過cAllocateHierarchy類的對(duì)象從模型文件中加載所需的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)處理骨骼動(dòng)畫信息以及網(wǎng)格模型的渲染。

繼承并擴(kuò)展結(jié)構(gòu)體D3DXFRAME

為了在渲染網(wǎng)格模型的同時(shí)播放包含在網(wǎng)格模型的動(dòng)畫，需要處理兩個(gè)單獨(dú)的實(shí)體：骨骼結(jié)構(gòu)（即框架結(jié)構(gòu)）和網(wǎng)格模型。框架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格模型的相關(guān)數(shù)據(jù)分別使用D3DXFRAME_DERIVED和D3DXMESHCONTAINER_DERIVED結(jié)構(gòu)保存。需要指出的是.x文件中的一個(gè)網(wǎng)格模型可以由多個(gè)框架和多個(gè)網(wǎng)格組成，但具體到某一個(gè)框架時(shí)，它一般只有一個(gè)網(wǎng)格，當(dāng)然它也可以有多個(gè)網(wǎng)格。

為了方便加載骨骼動(dòng)畫網(wǎng)格模型，Direct3D提供了兩個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體：D3DXFRAME和D3DXMESHCONTAINER，其中D3DXFRAME用來加載框架，其定義如下：

Encapsulates a transform frame in a transformation frame hierarchy.

typedef struct D3DXFRAME {
    LPSTR Name;
    D3DXMATRIX TransformationMatrix;
    LPD3DXMESHCONTAINER pMeshContainer;
    D3DXFRAME * pFrameSibling;
    D3DXFRAME * pFrameFirstChild;
} D3DXFRAME, *LPD3DXFRAME;

Members

Name

Name of the frame.

TransformationMatrix

Transformation matrix.

pMeshContainer

Pointer to the mesh container.

pFrameSibling

Pointer to a sibling frame.

pFrameFirstChild

Pointer to a child frame.

Remarks

An application can derive from this structure to add other data.

顯然在實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫網(wǎng)格模型的繪制前，不僅要得到每個(gè)框架的初始變換矩陣，同時(shí)還要得到從該框架的所有父節(jié)點(diǎn)到本級(jí)框架的組合變換矩陣，這是因?yàn)槿魏我粋€(gè)父框架的位置改變都會(huì)影響該框架自身位置的變化，所以在此將結(jié)構(gòu)D3DXFRAME擴(kuò)展為D3DXFRAME_DERIVED，在D3DXFRAME_DERIVED中添加一個(gè)成員變量CombinedTransformMaitrx，用TransformationMatrix記錄在任何動(dòng)畫數(shù)據(jù)未加載前框架的初始變換矩陣，也就是該框架的初始位置，用CombinedTransformMaitrx來記錄從所有的父框架到該框架自身所積累起來的組合變換矩陣，這樣就將整個(gè)網(wǎng)格模型很方便地組織起來了。

結(jié)構(gòu)D3DXFRAME_DERIVED的定義如下：

struct D3DXFRAME_DERIVED : public D3DXFRAME
{
	D3DXMATRIX CombinedTransformMatrix;
};

繼承并擴(kuò)展結(jié)構(gòu)體D3DXMESHCONTAINER

結(jié)構(gòu)體D3DXMESHCONTAINER用來加載每個(gè)具體網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)，其定義如下：

Encapsulates a mesh object in a transformation frame hierarchy.

typedef struct D3DXMESHCONTAINER {
    LPSTR Name;
    D3DXMESHDATA MeshData;
    LPD3DXMATERIAL pMaterials;
    LPD3DXEFFECTINSTANCE pEffects;
    DWORD NumMaterials;
    DWORD * pAdjacency;
    LPD3DXSKININFO pSkinInfo;
    D3DXMESHCONTAINER * pNextMeshContainer;
} D3DXMESHCONTAINER, *LPD3DXMESHCONTAINER;

Members

Name

Mesh name.

MeshData

Type of data in the mesh.

pMaterials

Array of mesh materials.

pEffects

Pointer to a set of default effect parameters.

NumMaterials

Number of materials in the mesh.

pAdjacency

Pointer to an array of three DWORDs per triangle of the mesh that contains adjacency information.

pSkinInfo

Pointer to the skin information interface.

pNextMeshContainer

Pointer to the next mesh container.

結(jié)構(gòu)體D3DXMESHCONTAINER中沒有記錄網(wǎng)格模型的紋理信息，所以將該結(jié)構(gòu)體擴(kuò)展為D3DXMESHCONTAINER_DERIVED，定義如下：

struct D3DXMESHCONTAINER_DERIVED : public D3DXMESHCONTAINER
{
	IDirect3DTexture9**	ppTextures;
};

其中ppTextures用來存儲(chǔ)網(wǎng)格模型的紋理對(duì)象。