淺析三維角色動(dòng)畫(huà)骨骼設(shè)定與綁定方法

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

一、骨骼設(shè)定和骨骼綁定的概述

骨骼綁定是在建模和動(dòng)畫(huà)制作之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效的為角色動(dòng)畫(huà)模型設(shè)置骨骼，使得動(dòng)畫(huà)角色可以動(dòng)起來(lái)?，F(xiàn)實(shí)中人體、動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)是具備客觀規(guī)律的，肌肉將力傳遞給骨骼，帶動(dòng)身體產(chǎn)生動(dòng)作，關(guān)節(jié)限制著運(yùn)動(dòng)角度，肢干控制著運(yùn)動(dòng)幅度，動(dòng)畫(huà)高于現(xiàn)實(shí)但首先必須基于現(xiàn)實(shí)，操作人員在制作之前應(yīng)首先認(rèn)真研究角色原型，通過(guò)對(duì)真實(shí)形象的揣摩來(lái)進(jìn)行骨骼綁定，確保之后動(dòng)畫(huà)師編排動(dòng)作的時(shí)候既有充足的調(diào)整能力，又可以適當(dāng)限制過(guò)于離譜的情況。

骨骼的創(chuàng)建過(guò)程就是為已經(jīng)建好的角色模型設(shè)立骨骼，這些骨骼可以理解成是為了進(jìn)行動(dòng)作設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的結(jié)構(gòu)架子。對(duì)于生物型動(dòng)畫(huà)角色，動(dòng)畫(huà)師需要借鑒現(xiàn)實(shí)中的實(shí)例，選取適用并且易于操作的骨骼部分，很多成熟的三維動(dòng)畫(huà)軟件對(duì)常見(jiàn)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(duì)于非生物型動(dòng)畫(huà)角色，如果動(dòng)畫(huà)師希望為其設(shè)計(jì)動(dòng)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(dòng)、起伏等動(dòng)作了。

骨骼創(chuàng)建之后，需要與對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行綁定的工作，這一環(huán)節(jié)也可以稱(chēng)之為蒙皮。相對(duì)于三維動(dòng)畫(huà)的其他工作環(huán)節(jié)而言，骨骼綁定是一項(xiàng)需要靜下心來(lái)踏踏實(shí)實(shí)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(jī)的聯(lián)系成一個(gè)整體，這樣動(dòng)畫(huà)師就可以通過(guò)骨骼來(lái)帶動(dòng)角色模型實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。骨骼綁定的難點(diǎn)在于各個(gè)約束點(diǎn)權(quán)重的分配，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是約束點(diǎn)越近則權(quán)重越高，反之亦然，但實(shí)際操作的時(shí)候還是相當(dāng)依賴(lài)動(dòng)畫(huà)師的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)生物學(xué)等關(guān)聯(lián)學(xué)科的掌握程度。

二、如何創(chuàng)建骨骼

伴隨著三維動(dòng)畫(huà)高速發(fā)展的是各種三維軟件的迅速進(jìn)步，目前比較主流的三維軟件有很多，各有擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，在三維游戲動(dòng)畫(huà)和三維影視動(dòng)畫(huà)這里，相對(duì)常用的是3DS Max和MAYA，下面我們以3DS Max為載體來(lái)介紹下如何創(chuàng)建骨骼。

首先需要一個(gè)已經(jīng)建好的角色模型，本次介紹以人物動(dòng)畫(huà)角色為基礎(chǔ)。3DS MAX軟件系統(tǒng)提供了Character Studio骨骼系統(tǒng)，動(dòng)畫(huà)師可以直接通過(guò)這套系統(tǒng)來(lái)適配角色模型，這套系統(tǒng)當(dāng)前開(kāi)發(fā)的已經(jīng)非常成熟，可以大大節(jié)約創(chuàng)建骨骼的時(shí)間。想要做好骨骼設(shè)定，就首先要了解該模型的生物特征，角色動(dòng)態(tài)是通過(guò)人物關(guān)節(jié)、神經(jīng)、包括肌肉組織來(lái)完成，那人體是如何產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的呢？人的大腦產(chǎn)生意識(shí)或者潛意識(shí)，通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給肌肉，接著帶動(dòng)骨骼關(guān)節(jié)從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。動(dòng)畫(huà)師應(yīng)充分了解人體骨骼的大致分布，清楚哪些是關(guān)鍵骨骼和關(guān)節(jié)，更要知曉關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的X、Y、Z軸的方向和幅度，然后結(jié)合運(yùn)動(dòng)規(guī)律所設(shè)定出來(lái)的骨骼系統(tǒng)就會(huì)容易和精準(zhǔn)很多，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，頸關(guān)節(jié)經(jīng)常要做的動(dòng)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(gè)互相垂直的平面上圍繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的能力。

三維動(dòng)畫(huà)中角色動(dòng)作是要有平衡感的，比如走、跑、跳等運(yùn)動(dòng)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(lái)的綁定和動(dòng)作設(shè)計(jì)直接相關(guān)。做骨骼設(shè)定首先要確定人物的重心位置，一般都會(huì)在角色的中心區(qū)域，這樣我們做骨骼鏡像的時(shí)候不會(huì)跑偏，也會(huì)很精準(zhǔn)，接下來(lái)就從主要骨骼來(lái)找準(zhǔn)設(shè)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(guān)節(jié)，調(diào)整完成、基本精確之后，可以通過(guò)鏡像來(lái)看大體是否合理；接下來(lái)調(diào)整小關(guān)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(lái)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(dòng)子物體，這樣的方法基本完成了Max中角色骨骼對(duì)模型的匹配。動(dòng)畫(huà)角色的動(dòng)作姿態(tài)是不斷變化的，相應(yīng)地，重心位置也應(yīng)隨之不斷調(diào)整，即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的呼吸動(dòng)作，重心也有輕微的變化。角色運(yùn)動(dòng)重心位置的調(diào)整也非常關(guān)鍵，動(dòng)畫(huà)師需要考慮每個(gè)關(guān)節(jié)的xyz軸，要了解每個(gè)關(guān)節(jié)軸的屬性，以及每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)限定。

最后在匹配過(guò)程中，動(dòng)畫(huà)師要注意以下幾點(diǎn)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(diǎn)選Biped，2.適配前要點(diǎn)選運(yùn)動(dòng)里面中的體型模式，這樣就可以對(duì)整個(gè)角色進(jìn)行骨骼適配；3.因?yàn)槭?D模型，整個(gè)角色呈現(xiàn)立體形態(tài)，首先視圖調(diào)整到前視圖來(lái)工作，接下來(lái)從側(cè)視圖來(lái)觀察和調(diào)整到符合模型形態(tài)的相應(yīng)位置，正視圖和側(cè)視圖調(diào)整好以后，再進(jìn)入透視圖來(lái)整體觀察，所有視圖都合理就繼續(xù)調(diào)整小細(xì)節(jié)了。

三、如何進(jìn)行骨骼綁定

在完成骨骼設(shè)定以后，這個(gè)模型和骨骼仍然是兩個(gè)不相干的個(gè)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(dòng)作，需要一個(gè)非常重要的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，這就是接下來(lái)要介紹的骨骼綁定也稱(chēng)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(chēng)之為角色模型和骨骼之間的驅(qū)動(dòng)器，讓骨骼對(duì)模型有支配能力，這項(xiàng)工作要非常的認(rèn)真和精準(zhǔn)，因?yàn)橹苯佑绊懙较乱徊絼?dòng)作制作的效果。

一般來(lái)說(shuō)，在國(guó)內(nèi)外大型三維動(dòng)畫(huà)公司中，分工是非常細(xì)致的，會(huì)有專(zhuān)門(mén)的綁定組來(lái)做動(dòng)畫(huà)動(dòng)作前的模型綁定和測(cè)試工作，蒙皮環(huán)節(jié)看似只是工作單一、負(fù)荷大，但其實(shí)除了要求動(dòng)畫(huà)師認(rèn)真仔細(xì)耐心以外，更需要結(jié)合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)的積累，這只能通過(guò)長(zhǎng)期大量的專(zhuān)項(xiàng)練習(xí)來(lái)加以提高，否則不但事倍功半，還經(jīng)常因?yàn)橐恍┬∈д`給動(dòng)作設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困擾，而且難以檢查出來(lái)。下面介紹下在蒙皮操作過(guò)程中需要注意的幾點(diǎn)細(xì)節(jié)：

1.檢查。在開(kāi)始工作之前應(yīng)該要首先檢查模型，看角色模型上是否有多余的點(diǎn)，如果有，則應(yīng)先進(jìn)行處理，模型布線和頂點(diǎn)分配正確了，接下來(lái)再進(jìn)行蒙皮權(quán)重的分配。

2.鏈接。點(diǎn)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(guān)的骨骼不用點(diǎn)選。骨骼添加好使用Select進(jìn)行點(diǎn)選，這樣就可以把骨骼鏈接到模型了，于是兩個(gè)原先完全沒(méi)有關(guān)系的個(gè)體就鏈接到一起了，然后按照模型上每個(gè)頂點(diǎn)來(lái)設(shè)置骨骼中的各個(gè)關(guān)節(jié)，調(diào)節(jié)對(duì)周?chē)趋烙绊懙姆秶稻涂梢粤恕?/p>

3.去封套。3DS Max軟件提供了封套工具用以快速蒙皮，這對(duì)于節(jié)約時(shí)間有著非常大的幫助，不過(guò)對(duì)于部分蒙皮操作者來(lái)說(shuō)，自主調(diào)整參數(shù)會(huì)使得動(dòng)畫(huà)畫(huà)面更加細(xì)膩逼真，所以先去封套再設(shè)置角色模型的權(quán)重也是常用的做法。調(diào)節(jié)過(guò)程中點(diǎn)選模型，在右面的命令菜單里面選擇Skin中的封套(Envelope)，接著點(diǎn)擊骨骼顯示，這樣就會(huì)出現(xiàn)封套，通常在動(dòng)畫(huà)師處理蒙皮的時(shí)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(shè)置。修改影響周?chē)趋赖膮?shù)，在Skin面板中有Adcanced Parameters這個(gè)展卷欄，點(diǎn)開(kāi)其中的骨骼影響設(shè)置（Bone affect limit），調(diào)整數(shù)值即可，一般把這個(gè)數(shù)值調(diào)成3，也可以理解為模型的一個(gè)點(diǎn)最多會(huì)受3根骨骼影響。

5.范圍值匹配。在命令面板里打開(kāi)參數(shù)面板（Parameters），點(diǎn)擊屬性，勾選vertices，這樣動(dòng)畫(huà)師直接可以選角色模型的點(diǎn)來(lái)進(jìn)行范圍值的匹配，為了更方便選擇目標(biāo)點(diǎn)的范圍，可以在上方工具欄里面選擇適合選點(diǎn)的方式（Lasso selection region）套索來(lái)選擇區(qū)域。

6.蒙皮應(yīng)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(quán)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(lái)對(duì)手指頭進(jìn)行骨骼綁定，指尖部分也就是手指最上方，因?yàn)橹皇艿揭桓趋赖挠绊?，所以非常?jiǎn)單，簡(jiǎn)單把數(shù)值設(shè)置為1即可，指骨關(guān)節(jié)部位，如果關(guān)節(jié)的骨節(jié)活動(dòng)會(huì)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?；旧?，頂點(diǎn)的權(quán)重離骨骼越遠(yuǎn)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(gè)點(diǎn)無(wú)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(lái)分配權(quán)重即可。

骨骼綁定的方法有很多，每個(gè)人可以根據(jù)自己的綁定習(xí)慣來(lái)設(shè)置，先確定要適配范圍內(nèi)整體都給到最大的權(quán)重值，既先整體分配再細(xì)分，先處理簡(jiǎn)單有規(guī)律的范圍再設(shè)定復(fù)雜的范圍。蒙皮相對(duì)煩瑣，但其實(shí)掌握規(guī)律以后也不難，需要細(xì)心和耐心的勤加練習(xí)，就一定會(huì)把這項(xiàng)工作做得恰到好處。

四、結(jié)論

三維動(dòng)畫(huà)的制作對(duì)動(dòng)畫(huà)師的要求是很高的，既需要懂得物理、生物、計(jì)算機(jī)等知識(shí)，也需要繪畫(huà)、藝術(shù)品鑒和思想表達(dá)等能力，對(duì)于三維動(dòng)畫(huà)的鏡頭語(yǔ)言、表演技巧的追求也是永遠(yuǎn)都需要不斷提高，一名優(yōu)秀的動(dòng)畫(huà)師光有知識(shí)儲(chǔ)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更加珍貴的是綜合素養(yǎng)、知識(shí)更新及經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)于運(yùn)動(dòng)規(guī)律的嚴(yán)格要求和對(duì)于高品質(zhì)藝術(shù)表現(xiàn)的執(zhí)著精神。

骨骼設(shè)定和骨骼綁定也是在整個(gè)三維動(dòng)畫(huà)制作流程中非常關(guān)鍵的兩個(gè)環(huán)節(jié)，需要非常嚴(yán)謹(jǐn)和認(rèn)真的態(tài)度，雖然制作過(guò)程煩瑣單一，但卻是動(dòng)作設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，很大程度上決定了之后動(dòng)畫(huà)動(dòng)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(xiàng)工作既快又好完成的動(dòng)畫(huà)師，在就業(yè)市場(chǎng)上也受到各大動(dòng)畫(huà)公司的青睞，因此踏踏實(shí)實(shí)的學(xué)習(xí)、練習(xí)，積累經(jīng)驗(yàn)也尤為重要。