蒙皮/骨骼动画系统

对于游戏引擎中常用的蒙皮/骨骼动画系统，骨骼由刚性的“骨头”构建而成，渲染时并不会显示。

而称为“蒙皮”的光滑三角形网格（骨骼网格体，也可以叫做皮肤）会绑定于骨骼的“关节”上，其顶点会跟随骨骼的“关节”进行移动。

骨骼

骨骼由刚性的关节以层阶结构所构成，每个关节有且仅有一个父关节（除根关节）。而父关节与其子关节之间的长度就是一段骨骼的长度（关节可以理解为两根骨骼的连接处）。在骨骼文件中，存储的是关节信息。可以想象，如果旋转下图中的小臂，旋转的是小臂与大臂连接处的关节。

姿势

绑定姿势（参考姿势、放松姿势），是骨骼网格体绑定至骨骼之前的姿势。

在数学上，关节的姿势就是一个仿射变换，相对于父关节来指定，其仿射变换矩阵由平移矢量、33对角缩放矩阵、33旋转矩阵构成，整个骨骼的姿势就是所有关节姿势的仿射变换矩阵的集合。当把关节姿势的仿射变换施加到以该关节坐标系表示的点或矢量时，其变换结果是以父关节空间表示的该点或矢量，也就是把该关节坐标系的点或矢量变换到父关节坐标系。

上面提到的姿势还只是局部姿势，如果把关节姿势表示为模型空间（或者世界空间），称为全局姿势。

为了计算某个关节的全局姿势（或者说模型空间姿势），可以从该关节遍历至根关节，在每个关节上乘上其局部姿势即可（因为每乘一次局部姿势，就变换到上一级父关节空间）。

蒙皮

把三维网格顶点（骨骼网格体，或称皮肤）联系到骨骼的过程，即为蒙皮。初始时，骨骼网格体的顶点处于骨骼的绑定姿势所对应的位置，因此在资源中，通常骨骼资源和骨骼网格体资源的姿势是一样的。

三维建模师必须为每个顶点提供以下额外信息：

该顶点要绑定到的（最多4个）关节的索引；
每个被该顶点绑定的关节的权重因子（和为1，因此最后一个权重可以略去）。

游戏引擎通常限制每个顶点能绑定4个关节，原因在于：

4个8位的关节索引能方便得被包裹为一个32位字；
每个顶点绑定2、3、4个关节所产生的质量很容易区分，超过4个差别不大了

由于骨骼（实际上是关节）在动画过程中在不断变换，那么我们就需要蒙皮矩阵：把骨骼网格体的顶点从骨骼的绑定姿势（初始姿势）的模型空间变换至骨骼的当前姿势的模型空间。

下面介绍蒙皮矩阵的求法：

我们已知的是顶点处于绑定姿势（初始姿势）时在模型空间（初始位置）中的位置，而初始时，骨骼也是处于绑定姿势的。当某个顶点绑定到关节的位置时，它在该关节坐标空间中的位置是不变的，因此蒙皮矩阵的思路就是：

先将顶点处于绑定姿势（初始姿势）时在模型空间（初始位置）中的位置变换到所绑定的关节空间，即乘以该关节在绑定姿势时的全局姿势变换矩阵（将关节空间的点变换到根关节空间，即模型空间）的逆矩阵
由于整个的变换过程时关节在进行变换，所以改变的是关节的局部姿势，那么把关节从绑定姿势变换到当前姿势的变换矩阵是已知的，即乘以该变换矩阵
最后把顶点再转换回模型空间，乘以该关节在当前姿势时的全局姿势变换矩阵

联合后即得蒙皮矩阵。

UE动画原理

UE4 动画系统源码及原理剖析_ue4 动画更新_Papals的博客-CSDN博客

UE4动画系统的那些事（一）：UE4动画系统基础 - 知乎 (zhihu.com)

UE4的角色动画采用了目前最流行的骨骼动画系统。骨骼动画系统大致可以分为两步：

计算骨骼Pose：每一根骨骼可以看做一个点，而我们的Pose就是所有骨骼Transform（位移+旋转+缩放）的集合，注意，一般来说，这个Pose是基于骨架参考姿势（Reference Pose）的变换矩阵。
蒙皮：骨骼计算好后我们还是无法看到一个角色的造型，这时需要将3D美术制作好的网格体的顶点按照骨骼Pose进行变化。这里变换的依据是顶点的蒙皮权重和参考姿势的信息（一个顶点可能受到多个骨骼的影响）。

动画系统更新过程简述

UE4里主要承担这两步职责的是Skeletal Mesh Component。SkeletalMeshComponent继承自SkinnedMeshComponent。在SkeletalMeshComponent创建时，会创建一个Animation Instance,这就是主要负责计算最终Pose的对象，而我们制作的AnimationBlueprint也是基于UAnimationInstance这个类的。在SkeletalMeshComponent进行Tick时，会调用TickAnimation方法，然后会调用Animation Instance的UpdateAnimation()方法，此方法会调用一遍所有动画蓝图中连接的节点的Update_AnyThread()方法，用来更新所有节点的状态。

然后后续根据设置的不同会从Tick函数或者Work线程中调用SkeletalMeshComponent的RefreshBoneTransforms()方法，此方法进而会调用动画蓝图所有节点的Evaluate_AnyThread()方法（注：部分节点类型此方法可能被屏蔽，后续拓展动画节点时会进行说明）。

Evaluate的含义就是指根据特定的条件（从Update时获得的参数）计算出动画所有骨骼的Transform信息，最后输出一个Pose给到渲染线程并存在本地Component上。

插件介绍

AnimToTexture是UE5对VertexAnimToolset插件的改进，能在UE5.1中正常运行。
它可以将骨骼动画烘焙到材质贴图上，通过材质层读取贴图信息，结合Time实现动画效果。
该插件同时从选定的骨骼网格体创建静态网格体，可以将前面做好的材质应用到静态网格体上实现动画
这样一来，利用CPU计算骨骼动画的过程就通过材质信息移植到了GPU来计算，如果有大量网格体的时候，还可以享受合批渲染的性能节省。
除了骨骼动画贴图，该插件还可以生成顶点动画贴图，但是存储开销会变大，因此下面的介绍只涉及骨骼动画贴图。

原理简介

关于骨骼动画原理可见：

UE 动画原理

通过插件可以生成三张贴图分别存储的是骨骼动画的位置信息、旋转信息和顶点绑定的权重信息。

右上角的两张贴图（骨骼动画的位置信息、旋转信息），每一列都是一块骨骼（其实是关节），每一行都是一帧动画，第一行是参考姿势（或者说绑定姿势），下面是不同动画片段的信息。如上图包含两段动画，他们是前后衔接的。
下面的贴图保存了两个信息，一个是静态网格体的顶点所对应的参考姿势下的位置，一个是每个顶点所绑定的的骨骼的权重。

具体的内部实现，有时间看下源码再补充。