[Из песочницы] Скелетная анимация в играх. Обзор техник и ресурсов
Anima — это душа, отличающая живое от мертвого. Аристотелевская душа — это принцип движения, проявляющегося в четырёх видах: перемещение, превращение, убывание и возрастание. Спустя почти две с половиной тысячи лет мы используем те же категории в компьютерной графике. Скелетная анимация определяет перемещение, морфинг служит для превращений, а убывание и возрастание это обычное масштабирование. Анимированная графика оживляет образ, вдыхает в картинку душу, и это, на мой взгляд, даже важнее, чем достоверная игра света и тени.
Создание качественных скелетных 3D анимаций сегодня, пожалуй, самая труднодоступная для инди разработчиков задача. Вероятно поэтому так мало инди игр в 3D, и так много проектов в стилях пиксель арта или примитивизма, а также бродилок без персонажей в кадре. Но теперь это соотношение может измениться…
Попробуйте сосчитать количество разнообразных анимаций в Uncharted 4. По моим оценкам там около часа уникальных движений, не считая лицевой анимации (850 выражений по словам авторов). Подобные игры задают фантастическую планку качества.
Если физический рендеринг и создание качественно освещенных статичных сцен становятся доступны энтузиастам благодаря мощным бесплатным игровым движкам и инструментам 3D моделирования, то создание хорошей анимации требует оборудования для захвата движений и длительной кропотливой работы по их внедрению. Одна из самых доступных систем это костюм neuronmocap стоимостью порядка $1.5к без учета доставки.
Мне не удалось отыскать примеров создания хотя-бы близкой по уровню анимации при помощи ручного кадрового подхода или какой-либо процедурной анимации. Максимум что возможно сделать вручную, на мой взгляд, — это простые удары, быстрые движения и стилизованная мультяшная анимация. Но как сделать реалистичную ходьбу по лестнице, где очень много деталей, связанных с переносном центра тяжести и балансом тела? Невозможно их все воспроизвести вручную. Может быть я ошибаюсь, и кто-нибудь покажет работы специалистов такого уровня?…
Все это я вспоминаю для того, чтобы оценить по достоинству щедрый подарок от Mixamo. Он буквально открывает дверь на новый уровень для независимых разработчиков: компания Adobe купила Mixamo, и теперь 2.5 тысячи скелетных анимаций для персонажей они отдают совершенно бесплатно «for unlimited commercial or non commercial use»:
www.mixamo.com
Еще пол года назад можно было их получить только выложив порядка $36 000 (ну или спиратив в сети). Помимо анимаций компания также предлагает бесплатную версию инструмента для ригинга и скининга персонажей, инструмент для создания множественных уровней детализации с минимальными потерями качества (LOD), генератор персонажей и плагин для захвата лицевой анимации.
Существуют и не менее проработанные наборы анимаций, доступные для приобретения энтузиастами. Но такой гигантский и качественный набор впервые оказался доступен совершенно бесплатно. Еще одним неплохим источником клипов остается база анимаций Университета Карнеги — Меллон и ее адаптированная под Unity версия, однако качество и содержание этой базы не так хороши.
Кроме ручной кадровой анимации и захвата движения актера, существуют и интересные процедурные методы симуляции движений: эволюционное моделирование, нейронные сети, task based locomotion. Что интересно, на конференции SIGGRAPH 2016 этим непростым техникам уделяют много внимания. Но широким кругам независимых разработчиков эти вещи пока не доступны, и мне самому хотелось бы больше узнать о возможности их реального применения. Однако сегодня есть и доступные инструменты, симулирующие мускульную динамику (Euphoria Engine и Puppet Master для Unity3d), которые позволяют привнести разнообразные реакции персонажей на обстоятельства.
Получить качественные и разнообразные анимационные клипы это только первая часть задачи.
Вторая часть заключается в том, чтобы корректно использовать полученные анимации при управлении персонажем. Для этого сначала нужно решить, как вообще сдвигать персонажа в сцене: на основании данных самой анимации (1), либо на основании каких-то иных соображений (например физики твердого тела) (2). То есть, либо анимация будет вычисляться исходя из произвольного (физического) движения объекта в пространстве (2), либо само смещение в пространстве будет исходить из записанной анимации, игнорируя иные вмешательства (1).
У обоих подходов есть достоинства и недостатки. В прежние времена, до массового использования захвата движений, вопрос об этом почти не стоял — персонажи двигались процедурно, на основании каких-то простых принципов, а анимационные клипы просто проигрывались для некоторого соответствия этому движению. Но чем лучше становилась анимация и графика в целом, тем заметнее становилось несоответствие движения ног и смещения персонажа, а также неестветсвенность динамики движения.
Одним из ярких примеров может быть игра Guild Wars 2 где анимация движений и графика уже достаточно хороши, но вот большой диапазон возможных скоростей и направлений движения персонажа не обеспечен столь же большим набором анимаций, и персонажи либо буксуют на месте, либо проскальзывают вперед как по льду. Та же проблема долгое время преследует и игры на движке Gamebryo (серия TES: Morrowind, Skyrim), да и многие другие.
Настоящее движение человека нелинейно — сначала мы наклоняемся вперед, затем выбрасываем ногу, и только потом начинаем движение, быстро ускоряясь после соприкосновения стопы с землей, и двигаемся по инерции до следующего шага. Подобрать функцию, точно описывающую подобное движение, сложно, и редко кто вообще об этом задумывается. Что уж говорить о более сложных движениях — стрейфе, переходах между направлениями, торможением и поворотами.
Поэтому для достижения реализма нам в любом случае потребуется гигантский набор разнообразных клипов с движениями в различных направлениях, с различной скоростью, и т.п… Кроме того, анимационные клипы редко можно использовать изолированно, воспроизводя один за другим. Чаще всего в игре присутствует множество анимаций, между которыми не заготовлено специальных анимированных переходов. Поэтому для их симуляции применяется плавное смешивание через линейную интерполяцию поворотов костей. Для удобной настройки таких переходов используется т.н. конечный автомат или машина состояний (State machine). В UE и Unity для этого есть специальные инструменты: Persona и Mecanim. Каждый узел там это некоторое состояние скелетной модели (заготовленный анимационный клип или результат их смешения — Blend Tree). Когда выполнены некоторые заданные условия, осуществляется плавный переход из одного состояния в другое, во время которого оба оказывают пропорциональное времени влияние на повороты костей и смещение объекта. Таким образом достигается иллюзия непрерывности движения.
Состояние может быть не одиночным клипом, а смешанным по тому же принципу набором клипов (Blend Tree / Blend Space). Например из клипов движений персонажа в стороны можно выбрать несколько, смешав их пропорционально вектору желаемого движения, и получить движение под любым произвольным углом. Однако существуют такие анимации, для которых смешивание оборачивается некорректными позами. Например когда одна анимация двигает ноги персонажа вперед, а другая вбок, линейное смешивание может привести к пересечению ног друг с другом. Чтобы этого избежать нужно тщательно подбирать анимационные клипы, синхронизировать их фазу, длину и скорость, либо добавлять отдельный клип специально для данного вида движений. Все это сложная и кропотливая работа. И чем больше возможных состояний и переходов между ними, тем сложнее привести их в согласие друг с другом, и проследить за тем, чтобы все нужные переходы срабатывали когда это требуется.
1) Самым очевидным решением является захват движений реального актера при помощи Motion Capture и привязка смещения персонажа в игре к смещению «корневой кости» в самой анимации — принцип Root Motion. Тогда персонаж будет двигаться ровно так, как двигался актер во время записи.
Выглядит очень реалистично. Более того, это единственный способ достоверно воспроизвести сложные маневры вроде выпадов, уворотов и паррирования атак холодным оружием.
Но этот подход несет в себе и очевидные проблемы.
Допустим, персонаж хочет подвинуться к краю обрыва: актер на записи наклоняется, поднимает ногу и делает смелый широкий шаг по сцене. А персонаж шагает прямо в пропасть… Чтобы этого избежать, нужно прервать шаг где-то посередине, но это не только выглядит неестественно, но и затрудняет игроку выбор нужного момента из-за нелинейности движения, в котором может быть долгая подготовка (наклон), а затем резкое уверенное движение (шаг). Можно записать несколько вариантов движений. Допустим: осторожные маленькие шаги, нормальные, и бег. А затем смешать их по параметру требуемой скорости, который можно увеличивать линейно и предсказуемо. Но что если нам нужны движения в стороны? Значит для каждого варианта ширины шага нам нужны еще три-четыре варианта (за вычетом зеркальных). А еще персонаж должен уметь поворачивать во время движения. Значит для каждого варианта нам нужны движения с поворотом. А если поворот может быть быстрым и медленным? Значит еще раз умножаем число необходимых клипов на два. А теперь нам нужно движение по наклонной поверхности! А потом нам захочется, чтобы персонаж умел делать тоже самое вприсяди. Итого — просто сотни и тысячи вариантов анимации которые нужно смешивать и следить за тем, чтобы это происходило корректно и приводило к движениям с нужной скоростью. И все равно, во многих случаях управление будет ощущаться как «ватное», поскольку инерция актера и наша невозможность предусмотреть все возможные человеческие маневры будет лишать игрока контроля над персонажем. Эту проблему, к слову, прочувствовали на себе игроки в The Witcher 3, поэтому в одном из крупных обновлений разработчики внедрили альтернативный вариант управления, где анимация быстрее отзывается на управление в ущерб реализму. В шутерах же проблема нелинейности движения обретает особенно выраженный характер: игроку часто приходится выглядывать из-за угла и быстро уходить обратно, и момент резкой смены направления может очень отличаться — игроку требуется как можно скорее вернуться обратно за укрытие, а у нас нет возможности предсказать заранее, какой ширины шаг он планировал и проиграть соответствующую анимацию. Игроку, в свою очередь, будет трудно привыкнуть к ширине шага, которую делает его персонаж, и к скорости этого шага, чтобы прервать его вовремя.
Во-вторых, Root Motion плохо годится для сетевых игр. Нелинейность движения не только затрудняет игроку предсказание скорости, но и лишает нас возможности интерполировать и экстраполировать движение чтобы компенсировать сетевую задержку, что является очень важным и сложным аспектом в быстрых сетевых играх. Если смещение персонажа задается только анимацией, то трудно аналитически подобрать нужные параметры машины состояний (смешивающей разные анимации), которые приведут к движению персонажа в точно нужном нам направлении и с точно нужной нам скоростью (выбранных для компенсации расхождения). Если же сделать наоборот, так, что анимация будет ориентироваться на фактическое движение, то при коррекции расхождения между сервером и клиентом легко можно будет подобрать наиболее подходящую анимацию, и даже если она будет чуточку несоответствовать фактическому смещению, этого почти никто не заметит.
Поэтому техника Root Motion используется часто в одиночных играх от третьего лица, где управление осуществляется контекстуально — в зависимости от наличия укрытия, препятствия, режима движения или других обстоятельств, и редко применяется в сетевом режиме и MMOG.
Из последних заметных проектов, использующих Root Motion, можно выделить The Witcher 3. Трудно переоценить усилия, вложенные в производство всех его движений.
2) Другое решение обратно принципу Root Motion — нужно приводить анимацию в наиболее точное соответствие с произошедшим или планируемым движением. Тогда многие описанные выше проблемы решаются — движение персонажа можно сделать равноускоренным и предсказуемым с возможностью сколь угодно быстрой смены направления. Но как привести нелинейную и инерционную анимацию в соответствие с таким движением? Интересный комплексный подход описали разработчики игры Paragon. Суть его заключается в том, чтобы находить и проигрывать только нужную серию кадров анимации для достижения требуемого смещения/поворота, пропуская лишние. И использовать инверсную кинематику для модификации ширины шага.
Первая очевидная трудность при приведении анимации в соответствие с движением, в том, что движение уже произошло, а анимация еще не проиграна. Поэтому очень пригодится система предсказания движения, вычисляющая положение персонажа для следующего кадра. Затем, зная смещение, которое должен осуществить персонаж за следующий кадр, нужно пропустить столько кадров анимационного клипа движения, сколько будет нужно чтобы достичь требуемого смещения, и проиграть тот кадр, на котором требуемое смещение достигнуто. В таком случае анимация станет воспроизводиться с измененной скоростью, так, чтобы точно соответствовать фактическому смещению, и эта скорость может быть быстрее или медленнее оригинальной, поскольку невозможно заставить реального актера поддерживать постоянное ускорение или скорость. Данный подход позволит сгладить анимацию и привести в соответствие с любой сложной процедурной моделью движения, меняющейся во время игры (персонаж может выпить какое-нибудь ускоряющее зелье или оказаться замедлен противником). Недостатком, разумеется, является то, что анимация может стать менее реалистичной из-за сильных изменений в скорости. Однако на практике это дает очень хорошее окно доступных вариаций в котором нарушения скорости незаметны. А вкупе с поправками ширины шага при помощи инверсной кинематики, покрывает еще больший диапазон.
Но, к сожалению, этот метод довольно сильно нарушает привычный подход к анимированию, и поэтому я не смог найти простого способа реализовать его, например, с использованием стандартного анимационного компонента Unity. В Unreal Engine также пока нет необходимого функционала, однако разработчики обещают когда-нибудь перенести низкоуровневые наработки, сделанные для Paragon, в общедоступную версию движка. Основной сложностью является поиск и воспроизведение нужного кадра на основании данных о фактическом смещении и повороте. Для этого авторы предлагают делать пре-процессинг анимационных клипов и генерировать для каждого из них дополнительный блок данных: Distance Curve, в котором будут покадрово сохранены значения смещения и поворота корневой кости относительно начала или конца анимации. Затем, в ходе выборки, можно производить быстрый бинарный поиск нужного кадра, где достигнуты соответствующие параметры смещения и поворота, и воспроизводить его.
Пока же можно ограничиться прежним подходом, и делать менее точную подгонку скорости анимации к скорости планируемого движения, ориентируясь только на скорость персонажа за последний кадр. Самое главное — неплохой набор душ для экспериментов теперь имеется!
