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Unity 动画系列七 Layer分层 和 IK

2021-12-01  本文已影响0人  合肥黑

参考
Unity动画系统详解7：Layer是什么？
学习笔记 --- Unity动画系统

“大智，我的Animator状态机里面的状态很多，现在太难管理了。我有很多姿势，比如不拿枪，拿手枪，拿冲锋枪，拿步枪，每种姿势都要做一个混合树，现在再去加蹲的状态，简直爆炸，有没有什么好办法？”
“那你想想这些动画之间有没有什么相似的地方可以提取出来的？”
“要说相似的话，它们腿部的动画是类似的，不管拿枪姿势如何，腿部都是一样的，只有胳膊的动画不太一样。”
“嗯，这你就算说到点子上了！这时候可以用下Animator Controller中的Layer
有了Layer，我感觉我的动画可以分为上半身和下半身两个Layer，这样一来就不需要对每个拿枪的动作设置移动的混合树了，应该能简化不少工作。”
“确实是这样，合理利用Layer不仅可以减少动画师的动画制作工作量，还能在性能上对游戏进行优化。”
使用Layer可以用来管理角色的不同身体部位。比如下半身用于行走或跑步，上半身用于射击或投掷物体。

使用动画分层的应用主要是以下情况

一、Layer
1.管理Layer

点击加号可以添加一个Layer。点击Layer旁边的齿轮图标，会弹出一个小窗口，可以设置该Layer对应的参数。


image.png 
animator.GetLayerWeight(layerIndex);
animator.SetLayerWeight(layerIndex, weight);
二、Avatar Mask

Avatar Mask，替身遮罩体，可以作为一种资源文件在Assert目录下创建


image.png

用来设置该Layer的动画会影响角色的哪一部分的遮罩。AvatarMask有两种定义身体遮罩的方式：

1.Humanoid

如果你的动画是人形动画，建议用这一种方式可以快速设置AvatarMask。

身体映射图包含以下几部分：

可以通过鼠标点击每一部分，绿色代表动画可以影响这一部分，红色代表动画不会影响。在空白处点击可以全选/全不选。手部和脚部的IK可以开关，表示该部分的IK曲线是否参与动画混合。IK又出现了，一会去问问大智

2.Transform

如果动画没有使用Humanoid，或者你想更精细的控制遮罩，你可以通过Transform层级结构来控制每一个骨骼。

3.Animation页签中设置Mask

在模型导入设置的Animation页签中，也可以设置Mask，设置后只会导入对应Mask的动画数据。

在这设置Mask的好处是：可以减少内存占用和CPU占用。因为不需要的身体部位的动画曲线不会被加载，并且不会参与计算。

三、混合示例一

我们需要实现这样的一个效果，人物能够进行正常的奔跑站立，只不过在我们摁下空格的时候，无论何种姿态，我们都希望人物能够挥舞自己的右手，而其它姿态保持原状态

1.Base Layer
在Base Layer上实现人物正常的站立行走效果
2.New Layer

在下层实现一个从空状态（不引用动画切片），到Wave动作的过渡，配置层遮罩限定右手，混合模式为Overrid绝对坐标重写


image.png
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3.运行

运行动画，下层空状态时不对上层产生影响。当下层过渡为Wave挥手动作时，由于层遮罩的配置，只重写右手部分的动作，因此人物右手产生挥手动作，其它部位仍保持Base Layer的效果。

四、混合示例二

我们需要在人物原有的正常站立奔跑动作上叠加一层摆臂效果（或者其它什么效果）

1.BaseLayer和之前一样，实现人物的走动和奔跑
2.下层动画使用Addicted叠加模式，这里我们不使用层Mask，而是用ClipMask实现
image.png
image.png
3.运行效果

当下层为摆臂动作时，由于ClipMask的配置，仅双臂部分的动作被叠加到了上层。这个摆臂的动作其实是从正常的跑步动画中得到的，但由于ClipMask的配置，仅双臂部分保留了跑动的摆臂动作，其它未激活节点被恒置于Default状态。

在进行Addicted，相对运动叠加混合时，双臂部分保留的动作就被叠加了上去，而其它部分由于恒置于Default状态没有相对运动，就不会产生影响。

这里其实通过层Mask配置，而不使用ClipMask，也可以实现，并且有些人也是这么去做的。注意！！！这两种做法其实都没有问题，针对这个简例也没有孰优孰劣之分。但我这里就是要借故去提一下ClipMask，去用一下这种做法，告诉你ClipMask可以这样用，以免参与到一些网课老师以及博主的，冷落ClipMask的队伍中去。

五、Sync 复用其他层中的状态机

有时能够在不同的Layer重用其他Layer的状态机非常有用。比如你想模拟一个“受伤”的状态，你有受伤状态的各种动画比如走跑跳。这时候你可以选中Sync复选框，选择你想要同步的Layer。状态机的结构会保持一致，但是可以设置不同的Animation Clip。选中时，Layer旁边会有一个S小图标。

这意味着，同步出来的Layer不需要再去定义状态机，并且源Layer中状态机的任何变化都会同步到这一同步Layer。唯一需要你做的就是设置每个State中使用的动画。

Sync复选框旁边还有一个Timing复选框。

镜像层与源层的状态，动画组，过渡设置是被绑定在一起的，修改一方会同时影响另一方。在游戏运行时，镜像层会与源层保持状态的同步（按照其中一方Clip的时间为标注，对另一方的时间进行控制）。但不同的是，镜像层可以在动画状态中，引用与源层不同的动画片段。从而我们可以通过镜像层，对一些同步执行，动作不一，可复用状态配置的分层动作可以通过镜像层进行快速的创建。例如对之前的挥手效果，我们创建一个镜像层，引用挥舞另一只手的动画片段。


image.png
六、IK

参考
Unity动画系统详解8：IK是什么？
学习笔记---3dMax动画系统（机械、角色动画篇）

1.概念

大智，我看完了，这个东西还是很强大的呀，正好符合我的需要。不过这里面有好多地方提到了IK，这个IK是什么东西呢？”
“IK是Inverse Kinematics的缩写，也就是反向动力学。”

“那是不是还有正向动力学？”
“没错，你都会举一反三了！大多数动画是通过旋转骨骼来实现的。子骨骼的位置跟着父骨骼的旋转而改变，因此关节链的终点可以根据前面的各个骨骼的角度和相对位置确定。这种构成骨骼动画的方法称为正向动力学。”

“那反向动力学是不是就是根据骨骼的最终节点，反向推算之前的骨骼节点的位置？”
“哟，不错哦，有长进。正如你所说的一样。有些时候我们需要根据空间中的位置来确定骨骼节点的位置，比如让角色拿枪，不同的枪可能握持的位置不太相同，就需要根据握持的位置来决定角色手的位置。Unity中的IK支持所有人形动画。”

其他的用途其实还有比如：角色的头的旋转，这样可以和你视角的方向一致。角色的脚的位置，这样可以让角色踩在地面更贴合。”Unity中IK能设置的部位就是5个，分别是：头、左右手、左右脚。所以没有其他部位的IK了，我们常见的其实也都是这些。

“这样说我就有些明白了，Animator中的State设置中的Foot IK是不是就是设置脚部受IK的影响？”
“是的。”

“那Layer中的IK Pass是什么意思呢？”
“选中IK Pass的时候，每帧会调用脚本中的OnAnimatorIK方法，可以在这个方法中动态设置IK。

2.如果对反向动力学还是不太理解，可以参考Inverse Kinematics 逆向运动学

逆向动力学的过程在一些场景下十分有用，例如一个机械臂，你需要它去抓取一个放置在特定的空间位置的物体，那么就需要利用逆向动力学去计算出机械臂各个关节的旋转角度，进而驱动机械臂去抓取物体。此外，在游戏编程以及CG动画制作等领域，逆向运动学也扮演这非常重要的角色。

为了使得以上的描述更加形象，这里举一个2D逆向运动学的例子：

给定两段长度固定的刚性关节，并固定住了一个关节作为起点，最后给出一个固定的目标位置（target）。此时只能对两个关节进行任意角度的旋转，来让关节的末端达到给定的目标位置，下面的图例中给出了无解，唯一解，两个解的情形。


无解，关节长度不够，无论如何旋转都无法让末端达到目标位置。
一个解，任何除此之外的旋转角都无法让末端达到目标位置。
两个解，此外任何其他的旋转角度都不能使得末端达到目标位置。
当有2个以上的关节时，会有多个解。

但是，某些解决方案将比其他解决方案更好。 例如，若结构代表一个动画人物的手臂，则某些解看起来会更舒适和自然，而另一些解则会显得僵硬及不合理。 所以通常会有一个最佳解决方案。

3.设置头部IK
image.png
“那Layer中的IK Pass是什么意思呢？”
“选中IK Pass的时候，每帧会调用脚本中的OnAnimatorIK方法，可以在这个方法中动态设置IK

大智：“我们先来看看如何设置人物的头部根据视角旋转。需要用到这两个API：

public void SetLookAtPosition(Vector3 lookAtPosition);

“这个方法用来设置头部看向的位置，比如看向你左边的窗户，头就会相应的旋转。”
“这个看起来很简单嘛。”
“对，这个方法确实很简单，不过还有另外一个：”

public void SetLookAtWeight(float weight, float bodyWeight = 0.0f, 
float headWeight = 1.0f, float eyesWeight = 0.0f, float clampWeight = 0.5f);

“这个方法用来设置IK的权重，这个IK会和原来的动画进行混合。如果权重为1，则完全用IK的位置旋转；如果权重为0，则完全用原来动画中的位置和旋转。至少要设置第一个参数，后面的几个参数都有默认值，但是你也要了解所有参数的含义：”

大智：“有了这两个方法你就可以实现头部的IK了，不过还有两点需要注意：”

void OnAnimatorIK(int layerIndex)
{
    _animator.SetLookAtPosition(pos);
    _animator.SetLookAtWeight(1);
}

上面的代码就是人物的头部看向一个位置的代码。需要注意的是这个OnAnimatorIK方法有一个参数layerIndex，这个就是对应的Layer的序号，只有勾选了IK Pass的layer才会调用到这个方法里，每个勾选了IK Pass的layer调用一次。

小新：“这样我就能实现人物的头跟着视角移动了，哦也”
大智：“是的哦”

4.设置手脚IK

小新：“那手脚的IK是不是也跟这个类似的？”
大智：“是的，手脚的IK是和这个类似的，不过API有些不一样，我们来看看”

public void SetIKPosition(AvatarIKGoal goal, Vector3 goalPosition);
public void SetIKRotation(AvatarIKGoal goal, Quaternion goalRotation);

设置头部时，因为头不会移动，所以只需要设置LookAt的位置，头部跟随旋转即可。
但是对于手和脚，需要同时设置位置和旋转。

goal AvatarIKGoal枚举类型，包含：

goalPosition/goalRotation IK目标位置/旋转

同样还有设置权重的API：

public void SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal goal, float value);
public void SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal goal, float value);

goal AvatarIKGoal枚举类型
value IK的权重，1代表完全使用IK值，0代表使用原动画的值

常见的设置手部IK的代码是（一般需要4行代码设置一个部位）：

void OnAnimatorIK(int layerIndex)
{
    _animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.LeftHand, position);
    _animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.LeftHand, 1);

    _animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.LeftHand, rotation);
    _animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.LeftHand, 1);
}

人物左手与球体的绑定示例：


这里也可以在球体下挂一个空节点，将手绑定到空节点上，调整空节点进行偏移，从而让手能够接触到球体 
    public Transform IKBall_1;//绑定目标
    public Vector3 IKMove_1;//偏移量

    private void OnAnimatorIK(int layerIndex)
    {
        if (layerIndex == 0)
        {
            if (animator.GetCurrentAnimatorStateInfo(0).shortNameHash == idleHash)
            {
                animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.LeftHand, 1);
                animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.LeftHand,IKBall_1.position + 
                    transform.forward * IKMove_1.z + transform.right * IKMove_1.x + transform.up * IKMove_1.y);
                animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.LeftHand, 1);
                animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.LeftHand,
                    Quaternion.LookRotation(transform.forward, -transform.right));

            }
        }
    }
5.IK位置/旋转调节小技巧

小新：“大智，这个IK的位置好难调整啊，我想让角色拿枪的手能够贴合这个枪，有没有什么简单的办法？我这调了一个多小时了，还不是特别完美。。。”
大智：“调IK是个慢活，不过呢，确实有一些小技巧在里面。IK相关的代码涉及到位置和旋转，这时候不要傻傻的直接定义一个位置和旋转来手动设置，最好的办法是设置两个参照物，作为IK的位置和旋转的参考，这样只需要调这两个参照物就可以了。”
小新：“对对对，这样的话就不用去修改位置和旋转的值，而是直接修改这俩参照物的位置和旋转就可以了。我来试一下。”

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小新：“太棒了，这样我就能在运行时调整这个参考位置，调到一个完美的位置和角度。”
小新三下五除二，就调到了一个合适的位置和角度。
“调好了！”小新高兴地喊道，随即退出了Play状态。
大智：“高兴早了吧？你这么就退出来了，修改的能保存下来么？” 记好了，点击Transform组件右上角的小图标，可以Copy Component，在运行时点击，退出运行后，再点击小图标，选择Paste Component Values，这样就可以将数据粘贴回来了。”
6.关节绑定

关节绑定是在使用四肢绑定，产生了人物手/脚部对目标位置绑定的基础上，对人物的肘关节/膝关节进行位置绑定。注意！！！必须在使用了对应的四肢绑定，才能令关节绑定生效，不能单独进行关节绑定（必须绑定了左手位置，才能对左臂肘关节进行绑定）

关节绑定的方法：

animator.SetIKHintPositionWeight(AvatarIKHint, Weight);
animator.SetIKHintPosition(AvatarIKHint, Position);

其中AvatarIKHint是一个枚举类型，包括人物的左右肘关节，左右膝关节


image.png

通常我们会根据四肢绑定的目标位置，结合人物的Transform物体坐标，按一定的算法/偏移量去推算关节绑定的位置。例如下面的示例代码，让人物踩在圆球上并保证小腿竖直：


image.png 
    public Transform IKBall_1;//目标球体


    public Vector3 IKMove_1;//右脚绑定偏移量
    public float kneeMove;//膝关节偏移量


    private void OnAnimatorIK(int layerIndex)
    {
        if (layerIndex == 0)
        {
            if (animator.GetCurrentAnimatorStateInfo(0).shortNameHash == idleHash)
            {
                animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.RightFoot, 1);
                animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.RightFoot, IKBall_1.position +
                    transform.forward * IKMove_1.z + transform.right * IKMove_1.x + transform.up * IKMove_1.y);

                animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.RightFoot, 1);
                animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.RightFoot, Quaternion.LookRotation(transform.forward, Vector3.up));

                animator.SetIKHintPositionWeight(AvatarIKHint.RightKnee, 1);
                animator.SetIKHintPosition(AvatarIKHint.RightKnee, IKBall_1.position +
                    transform.up * (IKMove_1.y + kneeMove) + transform.forward * IKMove_1.z + transform.right * IKMove_1.x);

            }

        }
    }
7.IK的相互影响

如果IK方法与方法之间会产生相互影响，那么它们不能被置于同一个层中。

相互影响是指一方的IK绑定，会导致另一方需要绑定的位置有所改变。这是由于进行IK绑定的瞬间，IK效果并不会立即被体现出来，导致一方对另一方绑定位置的影响具有滞后性，导致后绑定的一方绑定位置出错。

如果你分别启用两端IK绑定，效果无误，而在同一层中同时启用时出错，那么就可以断定是相互影响的滞后性导致的。此时我们可以创建一个空的动画层并勾选IK Pass用于运行IK逻辑，在OnAnimatorIK中使用逻辑分支在不同的层中运行两段逻辑。

例如人物的注视+手部绑定，由于绑定位置是头部下方的一个节点，导致同时启用时出错


本例中为实现一个人物肩扛圆柱体对准球体的效果

此时我们可以创建一个空层开启IKPass，并在Animator中对不同的分层分别使用两端绑定逻辑

if (animator.GetCurrentAnimatorStateInfo(0).shortNameHash == idleHash)
{
    if (layerIndex == 0)
    {
        //注视绑定
        animator.SetLookAtWeight(1, 1, 1, 1, 1);
        animator.SetLookAtPosition(Aim.position);

    }
    else if (layerIndex == 1)
    {
        //双手绑定
        animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.LeftHand, 1);
        animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.LeftHand, IKBall_1.position);
        animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.LeftHand, 1);
        animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.LeftHand, 
            Quaternion.LookRotation(transform.forward, transform.TransformDirection(new Vector3(-1f, -1.73f, 0f))));

        animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.RightHand, 1);
        animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.RightHand, IKBall_2.position);
        animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.RightHand, 1);
        animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.RightHand, Quaternion.LookRotation(transform.up, transform.right));


    }
}
分层后绑定效果正确
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