MAYA三维动画角色骨骼装配技术研究

摘要：近几年，随着电影、动画、广告设计等行业的发展，数字艺术领域得到较大的发展，而三维动画则是数字艺术创作的一个非常重要的手段。本文主要研究MAYA动画角色骨骼中的关节链，IK和FK动力学系统，曲线控制系统制作技术，解决在三维动画制作中的实际问题。

关键词：骨骼装配；正向动力学系统；反向动力学系统

1角色骨骼配置准备工作

动画制作是流水线作业，角色骨骼配置是为了满足动画片动作调整制作需要，而制作角色骨骼配置的好坏，影响着动画片动作调整这个模块的制作效率。因此，骨骼装配在三维动画制作里起着关键作用。一套优秀的角色骨骼配置，必须要具备以下要素：1）在角色骨骼配置中，任何的设定都不能让软件自动运行完成工作。因为动画师在调整动作过程中，会灵活运用多个骨骼设定进行制作，如果骨骼配置设定由电脑自动运行，动画师就没法对设定进行操作，这就会影响动画师制作动画的灵活性。2）骨骼配置层级清晰。3）要确保动画师能够方便操纵它。在三维动画里面，一套角色会运用在多集短片里面，如果骨骼配置操作麻烦，就会影响多个动画短片的制作效率。

为模型制作骨骼配置的时候，要去分析制作的模型的解剖结构，了解这个角色的运动模式，分析模型在影片里面需要完成动作的类型，还有使用制作这个角色的动画师的操作习惯，分析要制作的骨骼装配设定哪个部分最重要。然后把模型截图并打印下来，在打印稿上绘制肌肉组，骨骼位置等等，并把绘制好的图稿和使用这个角色的动画师沟通，确保制作的骨骼设定能满足动作调整的需要。在进行骨骼配置前，要检查需要做骨骼装配模型的布线。检查模型是否有破面或裂痕，如果不处理这些问题，会让你在下一步工作，制作骨骼权重的时候产生困难。检查布线走向是否根据角色的主要解剖结构群进行布线，查看布线的精度是否能够让模型进行很好的变形。并把模型的每一部分按照习惯命好名。整理模型的层级和历史。删除模型的所有历史节点和层级，同时新建一个图层，把模型放置到图层内，并把模型的位置放置到坐标原点，并冻结模型。

2创建关节链

首先，根据绘制好的模型图稿上面的骨骼点位置，创建骨骼链。在创建时注意调整骨骼轴心。骨骼的轴心控制了骨骼链弯曲时的运动方向，因此调整轴心时，必须按照角色的结构和运动规律进行调整。如果骨骼弯曲时运动方向与世界坐标一致时，可以选择NONE形式的骨骼轴心形式，骨骼 XYZ轴方向就会与世界坐标轴方向一致。骨骼弯曲时的运动方向与世界坐标不一致时，可以采用XYZ的骨骼轴心形式，然后旋转骨骼轴心，让骨骼轴心与运动方向匹配。一组一个或多个连接的关节链称为肢体链。在创建肢体链时，要注意所有骨骼点的旋转值都为0，因此我们不能直接通过旋转骨骼的方法去匹配骨骼方向。但我们可以在骨骼层级上打组，通过旋转组去匹配骨骼方向，然后再把组和上一级骨骼点作父子关系，这样骨骼点上的旋转值都为0，调整骨骼轴心会更加直观。在创建肢体链的时候，要避免关节链的骨骼在一条直线上。这样可以防止添加IK手柄后，IK手柄无法使用的问题。制作骨骼链时，要注意骨骼点疏密，在一些需要做非常柔软的动作的关节，可以为它多创建一点骨骼点，比如尾巴，耳朵等。在需要做IK手柄的地方，可以减少点骨骼点，如手臂、大腿等。所有的骨骼点都要放置在与角色解剖结构相吻合的点上。创建肢体链时，使用镜像骨骼的方法能提高我们的制作效率。我们可以通过制作角色一边的肢体链，再通过镜像复制出另一边。例如，建立了角色的右臂和右手，然后使用镜像来复制出左臂和左手。我们也可做角色全身骨骼的镜像，创建过程与创建肢体链的镜像复制方法一样，但是骨骼将会以全局坐标原点（XYZ=0，0，0）为轴心镜像。因此，我们必须把模型放置在坐标原点。

3IK反向动力学和FK正向动力学系统

IK和FK为我们提供两种骨骼运动方式。FK是根据骨骼父关节的旋转来计算，得出每个子关节的位置。它主要通过旋转方式来运动，使用FK动力学的骨骼运动的曲线通常为弧线，它能模拟出流畅，柔软的动画效果。比如说动物耳朵的自然摆动，手臂的摆动等等。IK主要根据末端子关节的位置移动，来计算得出每个父关节的旋转。它的运动是直线运动，它可以模拟出肢体带有目标性，攻击性的直线动画效果。例如角色出拳动画，拿水杯动作，下蹲动作等等。在三维动画里，我们主要用两个类型的IK反向动力系统：旋转平面IK 与Spline IK。在旋转平面IK中，我们能通过IK 旋转平面手柄控制关节旋转，并且能控制关节链的全部旋转。旋转平面IK可以创建在手臂，大腿等关节，例如，可以在肩骨骼和肘骨骼间设置旋转平面IK，IK解算器设为IK_RPsolver，然后选择IK效果器（Effctor）节点，按Insert键进入枢纽点模式，把效果器的轴心放置在手腕骨骼上。这样我们就可以通过控制旋转平面IK去控制骨骼的旋转运动。Spline IK，是IK样条手柄。我们可以使用NURBS曲线去控制骨骼的移动，旋转。使用IK样条手柄，可以去控制如毛发，尾巴等比较柔软的物体摆动的效果。在角色骨骼配置中，可以用它来制作脊椎的设定。依次点击脊椎第二个关节和末端关节，创建IK，然后选择IK上的曲线，进入构成模式，为曲线上的每个点添加一个簇（Cluster），我们就可以通过控制簇的运动去控制脊椎的摆动。我们也可以为曲线添加上动力学属性，让IK可以使用动力学运动。例如制作头发设定，首先根据头线结构创建一段骨骼链，为骨骼链上加上IK样条手柄，选择IK的曲线，使用Hair/Make Selected Curves Dynamic命令，为IK添加毛发动力学，这时我们就可以创建一个毛发系统，然后我们把曲线作为毛囊（follicle）的子物体，设置毛囊（follicle）的动力学属性，选择毛发的根部为固定点。创建好角色骨骼和IK反向动力学系统，角色全身骨骼创建基本完成了。

4制作曲线控制系统

为了方便动画师更加容易控制骨骼系统，在制作角色骨骼设定过程中，可以创建NURBS曲线控制器，通过对骨骼和IK进行约束，来控制骨骼的旋转和IK手柄的运动。例如，制作手臂骨骼控制器，首先使用create菜单下的CV曲线工具，创建一段NURBS曲线，清除历史，把它吸附到手臂IK手柄上，然后冻结它的属性，再把它和手臂IK作点约束，和手腕骨骼做旋转约束。再创建一个曲线控制器，放置在肘部外侧，删除历史，冻结属性，把曲线控制器和手臂IK添加一个极向量约束。这样，曲线控制器就可以控制手臂的移动和旋转了。我们要养成良好的习惯，每新建一个曲线控制器，都要删除它的历史，冻结属性，隐藏在动画制作中不需要使用的属性。曲线控制器可以通过驱动去控制骨骼运动。通过曲线的一个属性去驱动骨骼的另一个属性，这样我们在骨骼设置过程中就可以更加灵活。

5锁定属性

在骨骼创建完成后，我们要锁定一些在动画制作中不需要使用，或是不可以更改的属性。这样可以避开我们在动画制作阶段的误操作。锁定和隐藏掉动画制作过程中不使用的，控制器通道和属性。在锁定属性过程中，要锁定和隐藏关节的移动和缩放属性、隐藏属性。旋转属性不需要锁定。

6小结

骨骼装配设定作为连接角色模型制作和动作调整作的重要一环，在制作的过程中，要尽量满足动作调整工作的需求，层级清晰，删除多余的节点和隐藏没用的属性，这样，在下一步骨骼蒙皮的制作中，才不会出现错误。

参考文献：

[1] 杨桂民.Maya角色动画规律及设定[M].人民邮电出版社，2007.

[2] 张宝荣.Maya总动员――角色动画篇[M].兵器工业出版社，2007.

[3] 完美动力.兄弟连讲解分析[J].72数码设计，2010（1）.

[4] 完美动力.Maya必备手册 [M].北京科海电子出版社，2008.

作者简介：李天昊（1983―），男，广东怀集人，本科，助教，主要研究方向：动画设计。