[Из песочницы] Скелетная анимация в первый раз
Введение Доброго времени суток. Я пишу статью тут впервые, и цель моя очень проста, я хочу поделиться своим видением скелетной анимации и имею огромное желание получить критику и помошь. Все создание этой системы было путём проб и ошибок, я не нашёл никаких книг о том как это делать, что это вообще из себя представляет и как пользоваться. Но сейчас я зашёл в тупик, выход из которого хотелось бы найти именно тут.Что я использовал? MSVS 2013 Professional — это моя основная IDE Qt Creator — при помощи этого я писал программу для редактирования анимации Qt 5.1 — как GUI для редактора анимации SDL 2 — ввод/вывод команд и отображения графики в конечной программе (где и должна происходить анимация) OpenGL 2.1 — для отображения графики GLEW — для подключения расширений OpenGL Boost — для использования таймера Protobuf Google — Для сохранения в файлы анимации С++ — ЯП на котором я все и делал С чего начать? Я решил что для начала мне нужно определить структуры, и мне будет так легче понять как они должны затем работать.Для начала покажу мои #define’ы: #define M_PI 3.1415926535 #define M_PI_2 M_PI/2 #define M_PI_3 M_PI/3 #define M_PI_4 M_PI/4 #define RAD1 M_PI/180.0f #define DEG1 180.0f/M_PI #define RAD2DEG (rad) rad*DEG1 #define DEG2RAD (deg) deg*RAD1
#define MAX_CHILDREN_COUNT 10 #define MAX_KEYFRAME_COUNT 20 и вот к таким структурам я в итоге пришёл:
Joint — это сустав typedef struct _Joint { //inheritanse _Joint* root; /* Pointer to root element. All elements have it. */ _Joint* parent; /* Pointer to parent */
//simple joints variables float x, y; /* Position */ float angle; /* Angle of rotate. In radians!!! */ uint8_t level; /* Level of hierarchy. Root have 0, next level +1 */
float dX, dY; /* Default Position */ float dAngle; /* Default Angle */
float aX, aY; /* Animation Position */ float aAngle; /* Animation Angle */
//children uint8_t childCount; /* Number of children */ _Joint* child[MAX_CHILDREN_COUNT]; /* Array of children */
//index uint16_t indexCount; /* Last number for index. Only Root have the var. */ uint16_t index; /* Unique index of joint */
} S_Joint; dX, dY, dAngle — Это значения по умолчанию. Углы я решил хранить в радианах, от 0 до 6.28. И с этим у меня потом возникло куча проблем. Но об этом немного позже.aX, aY, aAngle — Это параметры анимации. Они обозначают наколько кадр уже интерполировался. Тоесть прошедшая анимация записывается именно в них. Например анимация длится 900 ms (TIME), сейчас происходит 450 ms (NOW), но анимация не может оновляться каждую милисекунду, поэтому если раньше было допустим 400 ms, а щас 450, и интерполируем X и представим, что есть 2 ключа в первом X = 50(KEY1), во втором 100(KEY2), то конечное значение X считаю так:_Joint.x += (KEY2 — KEY1) / TIME * NOW — _Joint.aX;_Joint.aX = (KEY2 — KEY1) / TIME * NOW;22,3 += (100–50) / 900×450 — 22,322,3 — Это X кости с учетом того что когда время (NOW) было равно 0, то X, тоже был равен нулю
KeyData и Keyframe — это структуры именно для анимации typedef struct _KeyData { float x, y, angle; } S_KeyData;
typedef struct _Keyframe { S_KeyData data; /* data of Joint */ uint16_t time; /* ~32 sec.(32768 ms) is maximum time for animation. Only Root have it */ uint16_t index; /* Index of joint, which we want interpolate */
_Keyframe* parent; uint8_t childCount; /* Number of children */ _Keyframe* child[MAX_CHILDREN_COUNT];
} S_Keyframe; Я долго думал, как можно организовать поиск костей для интерполяции. Поиск в дереве довольно затранный процесс для анимации на мой взгляд. У меня в голове было 2 решения. Первое решение, это использовать идексы для обозначения ветвей и это немного бы ускорило поиск, т.к. это была бы обычная адресация. Но выбрал я второе решение. На мой взгляд обновить дерево целиком куда проще и быстрее чем какие-то яего отдельные части. Очень просто, представим у нас есть главная кость, которая имеет по 10 детей, которые в свою очередь имеют ещё по 5. В итоге у нас всего 51 кость (кстати рутовый сустав у меня не видим вообще, изменение его x и y привдит к изменению положения всего обьекта).Нам понадобится 10 циклов по 5 итераций, тоесть всего 50 итераций. И в итоге получим 51 интерполяцию при обновлении всего дерева. В противном случае, если мы используем поиск кости, то для поиска последней добавленной кости потребуется 50 итераий, для предпоследней 49 и так далее, в сумме куда больше чем обновление всего дерева. _Keyframe имеющий индекс 0, хранит время этой анмации, все его дети имеют параметр времени 0.
Animation — хранит список ключей typedef struct _Animation { uint8_t keyNumber; uint8_t keyCount; S_Keyframe* key[MAX_KEYFRAME_COUNT]; } S_Animation; keyNumber — это индекс проигрываемой анимации, по умолчанию равен нулю. Все ключи анимации хранятся в массиве key, в хронологическом порядке. Все способы реализации, создания удаления структур и добавления в них новых обьектов я скрою чтоб бы не нагромождать тут много кода. Но покажу функции для самой анимации. bool doAnimation (S_Joint *root, S_Animation *anim, uint16_t time) { if (! root) return false; if (! anim) return false;
bool timeOut = true;
for (int i = 0; i < anim->keyCount; i++) { if (time < anim->key[i]→time) //search keyframes for interpolation { //первая анимация 1200, следующая 2400, 2400–1200=1200 uint16_t mtime = anim→key[i]→time — anim→key[i — 1]→time; //nowTime is 1560, mtime = 1200(ERROR), 1560 — 1200(last key)=360(realtime) uint16_t nowTime = time — anim→key[i — 1]→time;
if (i!= anim→keyNumber) //вот для чего нужен keyNumber, мы определили что перешли к следуюшему ключу { setDefaultAnimTree (root); //set to 0.0 animation changes (aX, yX, aAngle) } anim→keyNumber = i; //устанавливаем номер анимации
doInterpolate (root, anim→key[i — 1], anim→key[i], mtime, nowTime); timeOut = false; break; } } if (timeOut == true) { setDefaultTree (root); //если время истекло то обнуляем значение всех костей до дефолтных }
return timeOut; } Когда функция возвращает true, то таймер сбрасывется на ноль.(boost: timer)
И заключительная функция:
void doInterpolate (S_Joint* root, S_Keyframe* key1, S_Keyframe* key2, uint16_t time, uint16_t nowTime) { if (root→index!= key2→index) return;
float x = (key2→data.x — key1→data.x) / time * nowTime; //так анимция уже должна измениться для этого времени float y = (key2→data.y — key1→data.y) / time * nowTime; float angle = (key2→data.angle — key1→data.angle) / time * nowTime;
root→x += x — root→aX; //root→aX — это те изменения анимации которые мы уже имеем, вычитаем их из тех что должны быть root→y += y — root→aY; root→angle += angle — root→aAngle;
root→aX = x; //изменения которые должны у нас быть, они уже есть в x, y, angle root→aY = y; root→aAngle = angle; //рекурсивно обнавляем дальше все кости for (int i = 0; i < root->childCount; i++) { doInterpolate (root→child[i], key1→child[i], key2→child[i], time, nowTime); } } Вот такая скелетная анимация и работает она довольно не плохо. Туча проблем возникла на этапе создания программы в Qt, и самая первая это движения костей мышью, да и вообще движение костей. Длина вращения кости по кругу 6.28, тоесть 2*Pi или 360 градусов. Но получается движения происходит лишь в одну сторону. Если мы получаем допустим при расчётах 4.47, но хотим движение в другую сторону, впринципи можем сделать так:4,47–6.28=-1,81Вроде движение в другую сторону. Но это очень не удобно. так же я пробовал искать оптимальный путь до цели вращения. Если мы представим допустим наша позиция 1,57(A), цель наша 5.57(B), то:
negAngle = B-A; posAngle = (B-6.28)-A; if (fabs (posAngle) > fabs (negAngle)) { /*Выбираем меньшее*/ } Но, оптимальный путь нужен не всегда. Поэтому это тоже не совсем подходит. Я вот подумаю над двумя вариантами решения этих проблем. Первый вариант — это расчитвать строгую интерполяцию. Тоесть ключём будет являться именно кость в анимации. Второй способ это задавать ключём только движение, ничего более. Но по правде говоря я попал в тупик и не знаю, что делать дальше. Программа Qt работает с относительным успехом, но сама анимация вроде не плоха, но пока я писал GUI редактор я понимал её неэффективность и громоздкость. Как вообще пределать скелетную анимацию к физике (я горю желанием присоединения к Box2d), но как сделать это не имею ни малейшего представления. Я решил порлностью все переделать, но хочу услышать советы, критику, что и как я сделал неправильно. Ещё раз повторю, это моя система, сделана не по примеру, это мой взгляд на скелетную анимаию, не судите строго. Спасибо за внимание!
