OpenGL实现骨骼动画平滑过渡技巧

前言：本文由技术分享平台整理发布，旨在深入解析 OpenGL 下骨骼动画平滑过渡的技术细节，帮助开发者提升游戏或应用中的动画效果。

本文将详细探讨如何在两个骨骼动画之间实现平滑的过渡效果，这对于提高动画的真实感和流畅性至关重要。

在现代游戏中，动画通常被分割成多个片段（clips），通过这些片段的组合来创建最终的动画效果。为了确保不同动作片段之间的平滑过渡，避免出现突兀的动作切换，通常需要对相邻的动作片段进行插值处理，从而实现自然的过渡效果。

概念介绍

在深入具体的技术实现之前，首先需要了解动画系统的几个核心概念，包括动画数据的存储方式及其在渲染流程中的处理方法。

在动画系统中，一个重要的问题是确定在运行时需要维护哪些数据，以及这些数据如何转换为最终用于渲染的形式。在简单的骨骼动画演示中，通常会按帧存储每个骨骼的蒙皮矩阵，这足以展示基本的动画效果。但在实际应用中，这种做法存在一些不足：

首先，动画数据通常是通过关键帧加曲线的方式在 DCC 工具中创建的，实时插值计算量不大且能有效减少数据存储量，因此动画数据往往会被压缩存储。其次，在进行动画混合等后处理时，仅依赖蒙皮矩阵可能不够灵活，建议存储局部变换矩阵或全局变换矩阵，以便于后续的计算和处理。

此外，还需考虑动画混合是否会影响动作的播放时长。理想情况下，混合过程不应改变原始动画的播放长度，而是通过调整动作的某部分姿态来实现平滑过渡，例如，可以通过对目标动作的起始几帧与源动作的最后一帧进行权重插值来实现。

实现细节

为了更好地支持动画混合，建议将动画数据存储为模型空间下的变换信息，而非最终的蒙皮矩阵。这意味着需要分别存储每个骨骼的位置、旋转和缩放信息，然后根据这些信息构造最终的变换矩阵。

struct STransform { QVector3D position = QVector3D(0, 0, 0); QVector3D scale = QVector3D(1, 1, 1); QQuaternion rotation = QQuaternion(0, 0, 0, 1); };

在进行混合操作时，对于每个骨骼，需要对其位置和旋转信息分别进行插值。特别是当切换到新动作时，若检测到需要混合，则应根据当前动作的时间点采样其变换信息，并将其缓存起来，以便后续的插值计算。

void CAnimationEngine::PlayAnimation(Object* obj, const string& path) { if(m_animators.find(path) == m_animators.end()) return; int frame = -1; string oldPath; if(m_events.find(obj) != m_events.end() && m_animators.find(m_events[obj].m_path) != m_animators.end()) { if(g_animParam.m_nBlendFrame) { oldPath = m_events[obj].m_path; frame = min(m_animators[oldPath].GetFrameNum(), static_cast(m_events[obj].m_time * FRAME_PER_MS)); } } m_events[obj] = SEvent(path, g_animParam.m_bLoop, g_animParam.m_nBlendFrame, g_animParam.m_eBlendCurve, g_animParam.m_fSpeed); if(!oldPath.empty()) { CAnimator& animator = m_animators[oldPath]; m_events[obj].m_cachePose = animator.GetTransform(frame); } }

在更新骨骼动画时，根据当前帧数和缓存的动作信息，对平移和旋转进行插值，混合权重基于时间t，可以采用线性或非线性的混合曲线。

bool CAnimationEngine::UpdateAnimation(Object* obj, QOpenGLShaderProgram* program) { // ... if (event.m_blendFrame > 0 && frame <= event.m_blendFrame && event.m_cachePose.size() > 0) { vector final; float ratio = static_cast(frame + 1) / (event.m_blendFrame + 1); if (event.m_eBlendCurve == EBlendCurve::Smooth) { ratio = ratio * ratio * (-2 * ratio + 3); } for(int i = 0; i GetBone(i)->m_invBindPose; QMatrix4x4 mat; mat.translate(trans); mat.rotate(quat); mat = mat * invBindPose; final.push_back(mat); } program->setUniformValueArray(location, final.data(), size); } else { // ... } // ... return true; }