Unity 捏脸整理及基于骨骼的捏脸功能实现

目前实现捏脸功能的方式主要有两种。一个是Blendshape(融合变形),一个是基于骨骼驱动的方式,通过修改骨骼矩阵(bindpose)来影响SkinMesh。这两种方式的最终原理都是在shader 生效之前修改顶点。

融合变形

优点:可以控制非常细微的变化,通常用于面部动画。

缺点:Blendshape在捏脸制作上工作量非常大,我想把一个结构捏的多么细微就要制作多少张脸,这个细微度和工作量是成正比的。这样会导致后期修改不方便,更重要的是性能消耗非常大。另外跟我们第三方动画软件不兼容。

骨骼驱动

优点:制作量比较少,性能消耗相对少些,和现有动画系统兼容,另外捏脸骨骼和动画骨骼是同一套骨骼,就通过MorphemeConnect动画软件跟面部骨骼做了融合。当你捏出来任何形状的脸都可以套用同一个动画,这样也减少很大的工作量。

缺点:权重分配受限较多,捏脸的细致程度有限。

由于大多数使用Unity 开发的游戏都希望最终部署在移动平台上,综合考量时间成本,性能消耗和实际需求,以下介绍基于骨骼驱动的捏脸方案。(后续会整理出融合变形的方案)

什么是骨骼?为什么通过骨骼能够调整脸型?

骨骼是一些具有层次结构的“关节”点(在Unity 中是仅有一个根节点的树状的空物体)构成的,其引入最初是希望能籍此方便实现仿生动画,其核心原理简而言之就是通过骨骼带动“皮肤”(mesh)来运动,也就是通过移动骨骼(对骨骼做动画)并根据骨骼和皮肤的关系来计算mesh 跟随骨骼运动后所在的位置。

骨骼及蒙皮机制:

1.将绑定姿势(即模型原始状态,如人形模型的T型结构)状态下的模型(蒙皮)顶点(世界坐标)变换到各个骨骼空间下。

2.将骨骼变换(移动、旋转、平移)到新位置。

3.根据骨骼和蒙皮关系,将绑定姿势下的模型(蒙皮)顶点(骨骼空间下)变换到新的世界位置。

举例:

初始位置(绑定姿势)


骨骼变换后位置

1.计算小臂上一点S在小臂空间中的位置。

这个就要根据初始的骨骼位置和mesh上顶点的位置来计算了,也就是常说的绑定姿势状态。先说一下该例中每个坐标的意义:

(x1,y1,z1):左肩关节SL的世界坐标。

(x2,y2,z2):左肘关节在以左肩关节为原点的坐标系本地坐标。

(x3,y3,z3):附着于左小臂上的皮肤上的一点S的世界坐标。

这里为了简单,假设所有的关节都没有经过平移和缩放。实际上的变换一般会通过矩阵来表示。在Unity 中可以通过transform 之间的父子关系及子节点的local 信息组合出模型矩阵(即将骨骼空间坐标转到世界空间下的矩阵),然后通过求其逆矩阵获得绑定姿势矩阵(如果无法理解建议补充矩阵和空间变换的基本图形学知识):

绑定姿势矩阵

根据绑定姿势矩阵,我们可以将蒙皮上的顶点的世界坐标转化到骨骼空间下。

2.计算EL顺时针旋转90°后S点的位置。

直接通过左肩SL,左肘关节EL的缩放、旋转、平移信息计算小臂LA空间的模型矩阵,使用上一步算出的小臂LA空间坐标乘以该模型矩阵即算出了该点收到骨骼移动的影响后的位置。

模型矩阵反推变换后的蒙皮顶点世界坐标

3.顶点混合

顶点可能不止受到一个骨骼的影响,需要根据权重混合多个骨骼计算出新的世界坐标点。这也是为什么顶点受到骨骼影响越多,性能越差的原因。

总结:利用蒙皮与骨骼相对位置不变的性质,通过不变的bindpose 矩阵和变化的model 矩阵将蒙皮的世界坐标变换到实际的位置。

骨骼-蒙皮变换原理


综上,为了实现捏脸功能,我们可以在bindpose 矩阵上“添加”额外的变换,从而改变骨骼和蒙皮之间的关系。通常的做法是,在原有骨骼的基础上,增加一层子节点“代替”父节点计算bindpose 来蒙皮。

示例工程还在开发中,完成后贴出。


参考资料

【1】人物换装和捏脸

【2】骨骼动画原理及在Unity 中的使用

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 203,324评论 5 476
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,303评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,192评论 0 337
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,555评论 1 273
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,569评论 5 365
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,566评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 37,927评论 3 395
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,583评论 0 257
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,827评论 1 297
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,590评论 2 320
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,669评论 1 329
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,365评论 4 318
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,941评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,928评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,159评论 1 259
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 42,880评论 2 349
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,399评论 2 342

推荐阅读更多精彩内容