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使用虚幻引擎中在不相关的骨架间共享动画

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By RemRemRemRe
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使用虚幻引擎中在不相关的骨架间共享动画

目标效果

本文主要介绍一种实现下图动画效果的方法：

Zomboid Dog

与正常的，通过动画重定向正确缩放并共享动画相反，本方法可以用于得到与模型无关的，完全一致的骨骼数据。即不论用什么模型，播放动画得到的骨骼数据是一样的。

前置知识

首先让我们快速回顾下，虚幻引擎动画系统的基础的动画资产 ：

骨架，骨骼模型，动画序列是虚幻引擎中播放动画所必须的基础资产

理想情况下，每种资产各司其职（单一职责），

骨架提供骨骼层级数据， 与动画序列一起得到每帧的姿势数据 骨骼模型提供蒙皮信息， 用于后续将姿势数据转换到顶点数据，最终渲染出来在动的模型

下面我们逐项了解一下本文关注的数据项

骨架

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/**
 *	USkeleton : that links between mesh and animation
 *		- Bone hierarchy for animations
 *		- Bone/track linkup between mesh and animation
 *		- Retargetting related
 */
class USkeleton

其核心成员变量及用途：

TArray<struct FBoneNode> BoneTree

  • 描述骨骼间的层级信息（多叉树）

TMap<TObjectKey<USkinnedAsset>, TUniquePtr<FSkeletonToMeshLinkup>> SkinnedAssetLinkupCache

  • 与若干个骨骼模型的参考骨架之间的骨骼下标的映射关系 (骨架的骨骼下标与模型的参考骨架的骨骼下标的映射)

TMap< FName, FReferencePose > AnimRetargetSources

  • 用于动画重定向

FReferenceSkeleton ReferenceSkeleton

  • 参考骨架，保存了来自于原始模型的初始骨骼及姿势信息，包括参考姿势

  • 以及其它很多信息

    TArray<TSoftObjectPtr<USkeleton>> CompatibleSkeletons

    • 兼容的其它骨架（兼容性骨架）

    TArray<FAnimSlotGroup> SlotGroups

    • 蒙太奇插槽和分组

    TArray<FVirtualBone> VirtualBones

    • 虚拟骨骼

    TArray<TObjectPtr<class USkeletalMeshSocket>> Sockets

    • 插孔

    TArray<TObjectPtr<UBlendProfile>> BlendProfiles

    • 混合用的配置文件

骨骼模型

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/**
 * SkeletalMesh is geometry bound to a hierarchical skeleton of bones which can be animated for the purpose of deforming the mesh.
 * Skeletal Meshes are built up of two parts; a set of polygons composed to make up the surface of the mesh, and a hierarchical skeleton which can be used to animate the polygons.
 * The 3D models, rigging, and animations are created in an external modeling and animation application (3DSMax, Maya, Softimage, etc).
 *
 * @see https://docs.unrealengine.com/latest/INT/Engine/Content/Types/SkeletalMeshes/
 */
class USkeletalMesh

其核心成员变量及用途：

TObjectPtr<USkeleton> Skeleton

  • 关联的骨架

FReferenceSkeleton RefSkeleton

  • 参考骨架

  • 其它信息

    TObjectPtr<USkeletalMeshLODSettings> LODSettings

    • 细节层级配置

    TArray<TObjectPtr<class USkeletalMeshSocket>> Sockets

    • 插孔

    TArray<TObjectPtr<UMorphTarget>> MorphTargets

    • 形变动画（顶点动画）

动画序列

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class UAnimSequence : public UAnimSequenceBase

其核心成员变量及用途：

TObjectPtr<class USkeleton> Skeleton

  • 关联的骨架

FRawCurveTracks RawCurveData

  • 动画曲线原始值

TArray<struct FAnimNotifyEvent> Notifies

  • 动画通知

  • 其它

    TScriptInterface<IAnimationDataModel> DataModelInterface

    • 动画源数据载体 （Raw Data）

    TObjectPtr<class UAnimBoneCompressionSettings> BoneCompressionSettings

    • 骨骼压缩设置

    TObjectPtr<class UAnimCurveCompressionSettings> CurveCompressionSettings

    • 曲线压缩设置

    FName RetargetSource

    • 重定向来源

    TArray<FAnimSyncMarker> AuthoredSyncMarkers

    • 同步标记

USkeletalMeshComponent

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/**
 * SkeletalMeshComponent is used to create an instance of an animated SkeletalMesh asset.
 *
 * @see https://docs.unrealengine.com/latest/INT/Engine/Content/Types/SkeletalMeshes/
 * @see USkeletalMesh
 */
class USkeletalMeshComponent

其核心成员变量及用途：

TArray<FBoneIndexType> RequiredBones

  • 当前模型的细节层级下所需要的骨骼所对应的模型的参考骨架的下标：如；0, 5, 10, 13...

TSharedPtr<struct FBoneContainer> SharedRequiredBones

  • 骨骼动画计算所需的关键数据结构，在此组件上所有动画实例间共享

骨骼容器

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struct FBoneContainer

它是骨骼动画计算的核心数据，无论最终动画表现时，使用的模型和骨架是什么，在动画计算时，所有动画实例及其节点正常应当只会使用来自BoneContainer的数据

其核心成员变量及用途：

TArray<FBoneIndexType> BoneIndicesArray

  • 当前细节层级下所需要的骨骼所对应的参考骨架的下标

TWeakObjectPtr<USkeletalMesh> AssetSkeletalMesh

  • 当前使用的骨骼模型

TWeakObjectPtr<USkeleton> AssetSkeleton

  • 当前使用的骨架
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    // @see FBoneContainer::RemapFromSkelMesh
	SkeletonToPoseBoneIndexArray = LinkupTable.SkeletonToMeshTable;
	PoseToSkeletonBoneIndexArray = LinkupTable.MeshToSkeletonTable;

TArray<int32> SkeletonToPoseBoneIndexArray

  • 骨架的骨骼下标到模型参考骨架的骨骼下标的映射（感觉变量名有歧义，看上面的代码更直观）

TArray<int32> PoseToSkeletonBoneIndexArray

  • 模型参考骨架的骨骼下标到骨架的骨骼下标的映射（感觉变量名有歧义，看上面的代码更直观）

TSharedPtr<FSkelMeshRefPoseOverride> RefPoseOverride

  • 参考姿势覆盖

bool bDisableRetargeting

  • 禁用重定向的开关

可以看到，实际情况比理想中复杂得多，由于系统功能的拓展，例如动画通知和重定向，这些资产类型被加入了许多数据

并且除了骨架资产本身外，骨骼模型有自己的参考骨架，动画序列有自己的骨架，这导致资产间的关系复杂了起来，它们也是需要引入动画重定向的原因

实现方案

在对上述的资产对象及代码流程理解充分之后，实现方案应该就呼之欲出了：

基于默认的USkeletalMeshComponent::InitAnim流程，在初始化SharedRequiredBones时，想办法覆盖SharedRequiredBones::AssetSkeleton，然后再执行后续步骤，即建立与AssetSkeletalMesh的骨骼下标映射等：

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FBoneContainer::InitializeTo
FBoneContainer::Initialize
// ... 覆盖 AssetSkeleton
FBoneContainer::RemapFromSkelMesh

目前由于引擎默认未开放相关接口，只能通过改引擎的方式实现，且有少量代码需要适配，官方后续也未必会支持。这是目前方案的风险点

套用到僵尸毁灭工程中德牧翻越的例子，就是先使用德牧模型执行InitAnim，在初始化SharedRequiredBones时，将角色骨架覆盖到AssetSkeleton，然后执行后续FBoneContainer::RemapFromSkelMesh （需要德牧骨架与角色骨架的层级相似，且共同层级的骨骼名字一致）

相关思考

骨骼下标的映射是如何建立的？

默认通过骨骼名映射，即骨骼名字相同的骨骼，互相映射

参见：

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USkeleton::BuildLinkupData

CopyPoseFromMesh

参见：

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FAnimNode_CopyPoseFromMesh::BoneMapToSource
FAnimNode_CopyPoseFromMesh::Evaluate_AnyThread
FAnimNode_CopyPoseFromMesh::ReinitializeMeshComponent

UPoseableMeshComponent

参见：

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UPoseableMeshComponent::CopyPoseFromSkeletalComponent

LeaderPoseComponent

参见：

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USkinnedMeshComponent::LeaderPoseComponent

// 更新下标映射
USkinnedMeshComponent::UpdateLeaderBoneMap

// 渲染相关
UpdateRefToLocalMatricesInner (SkeletalRender.cpp)

// 获取骨骼变换
USkinnedMeshComponent::GetBoneTransform

可以看到，引擎通过下标映射实现了名字各不相同但相似的功能

也就是说，只要建立好下标映射，一定程度上，就能在任意模型上强制共享动画

更新速率优化（URO）

判断是否可跳过更新

参见：

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USkinnedMeshComponent::TickUpdateRate
FAnimUpdateRateManager::TickUpdateRateParameters
USkeletalMeshComponent::ShouldTickAnimation

FAnimUpdateRateParameters::SetTrailMode

插值骨骼数据

参见：

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USkeletalMeshComponent::RefreshBoneTransforms
USkeletalMeshComponent::ParallelAnimationEvaluation
USkeletalMeshComponent::ParallelDuplicateAndInterpolate
FAnimationRuntime::LerpBoneTransforms

当动画蓝图的图表为空时，动画计算的输出结果是什么？

参考姿势

参见：

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UAnimInstance::ParallelEvaluateAnimation
FPoseContext::ResetToRefPose
FBaseCompactPose::ResetToRefPose
FBoneContainer::FillWithCompactRefPose

CacheBones_AnyThread缓存的是什么数据？

参考姿势的骨骼数据

参见：

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UAnimInstance::ParallelEvaluateAnimation
FAnimInstanceProxy::EvaluateAnimation_WithRoot
FAnimInstanceProxy::CacheBones / FAnimInstanceProxy::CacheBones_WithRoot

参考姿势如何与动画序列的数据混合/交互/应用

骨骼数据解压流程：

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UAnimSequence::GetAnimationPose
UAnimSequence::GetBonePose
UE::Anim::Decompression::DecompressPose

// ACLImpl.h

跟压缩算法有关：如果动画数据在压缩时没有剔除参考姿势的数据，即全量数据压缩，则动画序列的骨骼数据会覆盖掉参考姿势。旧版压缩算法就是如此。

在虚幻引擎5.3版本后，动画的默认压缩算法切换到了ACL，默认配置下，它在压缩动画时，会剔除参考姿势数据，相对它进行增量数据压缩，增量为零，即数据与参考姿势一致的轨道会被跳过； 对应的，解压时也会跳过数据与参考姿势数据一致的轨道。所以它可以做到压缩率更高，解压速度更快。也因为如此，解压时需要获取参考姿势的信息。

探索

给定一个骨骼下标，如何最快判断它是否来自一个虚拟骨骼？

禁用重定向且使用ACL压缩时，参考姿势不同的，比例接近的骨骼模型，播放同一动画序列时，动画结果是否会一致？

如果名字不同的骨骼也能互相映射下标，会有什么用？

Unreal Engine, Animation
gameplay animation tutorial
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