浅析三维角色动画骨骼设定与绑定方法

（三亚学院 传媒与文化产业学院,海南三亚 572000）

一、骨骼设定和骨骼绑定的概述

骨骼绑定是在建模和动画制作之间的关键环节，有效的为角色动画模型设置骨骼，使得动画角色可以动起来。现实中人体、动物的运动是具备客观规律的，肌肉将力传递给骨骼，带动身体产生动作，关节限制着运动角度，肢干控制着运动幅度，动画高于现实但首先必须基于现实，操作人员在制作之前应首先认真研究角色原型，通过对真实形象的揣摩来进行骨骼绑定，确保之后动画师编排动作的时候既有充足的调整能力，又可以适当限制过于离谱的情况。

骨骼的创建过程就是为已经建好的角色模型设立骨骼，这些骨骼可以理解成是为了进行动作设计而准备的结构架子。对于生物型动画角色，动画师需要借鉴现实中的实例，选取适用并且易于操作的骨骼部分，很多成熟的三维动画软件对常见的生物角色都能够直接提供骨骼模板，稍加修改即可使用；对于非生物型动画角色，如果动画师希望为其设计动作，可能需要自主安排骨骼，比如一块布料，最少使用2-3根骨骼已经能基本展现飘动、起伏等动作了。

骨骼创建之后，需要与对应模型进行绑定的工作，这一环节也可以称之为蒙皮。相对于三维动画的其他工作环节而言，骨骼绑定是一项需要静下心来踏踏实实完成的烦琐工作，它的主要作用是将已经创建好的骨骼和模型有机的联系成一个整体，这样动画师就可以通过骨骼来带动角色模型实现运动。骨骼绑定的难点在于各个约束点权重的分配，简单来说就是约束点越近则权重越高，反之亦然，但实际操作的时候还是相当依赖动画师的经验和对生物学等关联学科的掌握程度。

二、如何创建骨骼

伴随着三维动画高速发展的是各种三维软件的迅速进步，目前比较主流的三维软件有很多，各有擅长的领域，在三维游戏动画和三维影视动画这里，相对常用的是3DS Max和MAYA，下面我们以3DS Max为载体来介绍下如何创建骨骼。

首先需要一个已经建好的角色模型，本次介绍以人物动画角色为基础。3DS MAX软件系统提供了Character Studio骨骼系统，动画师可以直接通过这套系统来适配角色模型，这套系统当前开发的已经非常成熟，可以大大节约创建骨骼的时间。想要做好骨骼设定，就首先要了解该模型的生物特征，角色动态是通过人物关节、神经、包括肌肉组织来完成，那人体是如何产生运动的呢？人的大脑产生意识或者潜意识，通过神经系统传递给肌肉，接着带动骨骼关节从而产生运动。动画师应充分了解人体骨骼的大致分布，清楚哪些是关键骨骼和关节，更要知晓关节运动的X、Y、Z轴的方向和幅度，然后结合运动规律所设定出来的骨骼系统就会容易和精准很多，举个简单的例子，颈关节经常要做的动作包括低头、抬头、偏头、扭头等，那么胫骨就需要具备在这三个互相垂直的平面上围绕固定点旋转的能力。

三维动画中角色动作是要有平衡感的，比如走、跑、跳等运动要有合适的重心和平衡表现才能站得住、不摔倒，而且这与接下来的绑定和动作设计直接相关。做骨骼设定首先要确定人物的重心位置，一般都会在角色的中心区域，这样我们做骨骼镜像的时候不会跑偏，也会很精准，接下来就从主要骨骼来找准设定的位置，比如腹腔、胸腔、胳膊、腿、脖子，头部等等，先调整大的关节，调整完成、基本精确之后，可以通过镜像来看大体是否合理；接下来调整小关节，比如手掌、手指、脚掌、脚趾等，做好Biped本身骨骼以后，通常用父子链接，把做好的Bone骨骼链接到Biped骨骼，来做衣服、武器、飘带等其他非本体的辅助骨骼，然后父物体带动子物体，这样的方法基本完成了Max中角色骨骼对模型的匹配。动画角色的动作姿态是不断变化的，相应地，重心位置也应随之不断调整，即使是一个简单的呼吸动作，重心也有轻微的变化。角色运动重心位置的调整也非常关键，动画师需要考虑每个关节的xyz轴，要了解每个关节轴的属性，以及每个关节的旋转限定。

最后在匹配过程中，动画师要注意以下几点内容：1.为了更方便地骨骼适配，首先可以把模型冻结，并在右面命令面板中选择创建命令中的系统，点选Biped，2.适配前要点选运动里面中的体型模式，这样就可以对整个角色进行骨骼适配；3.因为是3D模型，整个角色呈现立体形态，首先视图调整到前视图来工作，接下来从侧视图来观察和调整到符合模型形态的相应位置，正视图和侧视图调整好以后，再进入透视图来整体观察，所有视图都合理就继续调整小细节了。

三、如何进行骨骼绑定

在完成骨骼设定以后，这个模型和骨骼仍然是两个不相干的个体，他们是不能互相影响的，要想赋予角色生命力，想让模型完成走、跑、跳、唱歌、跳舞等动作，需要一个非常重要的驱动环节，这就是接下来要介绍的骨骼绑定也称为蒙皮。骨骼绑定就是把骨骼和模型链接到一起，为了更好地理解，也可以称之为角色模型和骨骼之间的驱动器，让骨骼对模型有支配能力，这项工作要非常的认真和精准，因为直接影响到下一步动作制作的效果。

一般来说，在国内外大型三维动画公司中，分工是非常细致的，会有专门的绑定组来做动画动作前的模型绑定和测试工作，蒙皮环节看似只是工作单一、负荷大，但其实除了要求动画师认真仔细耐心以外，更需要结合运动规律的经验的积累，这只能通过长期大量的专项练习来加以提高，否则不但事倍功半，还经常因为一些小失误给动作设计带来了很大的困扰，而且难以检查出来。下面介绍下在蒙皮操作过程中需要注意的几点细节：

1.检查。在开始工作之前应该要首先检查模型，看角色模型上是否有多余的点，如果有，则应先进行处理，模型布线和顶点分配正确了，接下来再进行蒙皮权重的分配。

2.链接。点选软件右边命令面板里面的Skin，然后在参数面板中选择添加（Add）骨骼，此处要注意骨骼的后缀名，不想适配到角色模型上的骨骼也就是不相关的骨骼不用点选。骨骼添加好使用Select进行点选，这样就可以把骨骼链接到模型了，于是两个原先完全没有关系的个体就链接到一起了，然后按照模型上每个顶点来设置骨骼中的各个关节，调节对周围骨骼影响的范围值就可以了。

3.去封套。3DS Max软件提供了封套工具用以快速蒙皮，这对于节约时间有着非常大的帮助，不过对于部分蒙皮操作者来说，自主调整参数会使得动画画面更加细腻逼真，所以先去封套再设置角色模型的权重也是常用的做法。调节过程中点选模型，在右面的命令菜单里面选择Skin中的封套(Envelope)，接着点击骨骼显示，这样就会出现封套，通常在动画师处理蒙皮的时候可以看封套的影响范围；取消封套的方法是在右面命令面板里选显示（Display）中的取消封套(Show no envelope)，这样就可以去掉了。

4.骨骼影响值的范围设置。修改影响周围骨骼的参数，在Skin面板中有Adcanced Parameters这个展卷栏，点开其中的骨骼影响设置（Bone affect limit），调整数值即可，一般把这个数值调成3，也可以理解为模型的一个点最多会受3根骨骼影响。

5.范围值匹配。在命令面板里打开参数面板（Parameters），点击属性，勾选vertices，这样动画师直接可以选角色模型的点来进行范围值的匹配，为了更方便选择目标点的范围，可以在上方工具栏里面选择适合选点的方式（Lasso selection region）套索来选择区域。

6.蒙皮应用方法。以手部的蒙皮为例，首先选择合适的封套，然后选择权重工具（Weight tool），为了使该手部区域不受其他部位影响，可以把手部的封套数值全部给到最大的数值1，接下来对手指头进行骨骼绑定，指尖部分也就是手指最上方，因为只受到一根骨骼的影响，所以非常简单，简单把数值设置为1即可，指骨关节部位，如果关节的骨节活动会受到两根骨骼影响而且受力平均就可以把数值给到0.5。基本上，顶点的权重离骨骼越远的部分影响范围越弱，给到的数值就越小，越近则相反，所以这个点无论受3根骨骼影响、2根骨骼影响，还是一根骨骼影响，都按照这样的规律来分配权重即可。

骨骼绑定的方法有很多，每个人可以根据自己的绑定习惯来设置，先确定要适配范围内整体都给到最大的权重值，既先整体分配再细分，先处理简单有规律的范围再设定复杂的范围。蒙皮相对烦琐，但其实掌握规律以后也不难，需要细心和耐心的勤加练习，就一定会把这项工作做得恰到好处。

四、结论

三维动画的制作对动画师的要求是很高的，既需要懂得物理、生物、计算机等知识，也需要绘画、艺术品鉴和思想表达等能力，对于三维动画的镜头语言、表演技巧的追求也是永远都需要不断提高，一名优秀的动画师光有知识储备是远远不够的，更加珍贵的是综合素养、知识更新及经验的积累，对于运动规律的严格要求和对于高品质艺术表现的执着精神。

骨骼设定和骨骼绑定也是在整个三维动画制作流程中非常关键的两个环节，需要非常严谨和认真的态度，虽然制作过程烦琐单一，但却是动作设计的基础，很大程度上决定了之后动画动作的流畅程度和表现效果，因此也是非常重要的。能将这两项工作既快又好完成的动画师，在就业市场上也受到各大动画公司的青睐，因此踏踏实实的学习、练习，积累经验也尤为重要。