Ogre引擎源码——资源之Skeleton

http://blog.****.net/hunter8777/article/details/6407477

Ogre中Resouce资源有以下几种类型：Texture、Compositor、Font、GpuProgram、Material、Mesh、Skeleton、BspLevel。

本文聚焦于资源Skeleton，这部分资源是Ogre处理动画的环节。Ogre支持三种动画方式：骨骼动画（Skeletal）、变形动画（Morph）以及姿态动画（Pose）。

相关的头文件如下：
OgreNode.h
OgreBone.h
OgreKeyFrame.h
OgreAnimation.h
OgreAnimationTrack.h
OgreSkeleton.h
OgreSkeletonFileFormat.h

1、OgreNode与OgreBone

Ogre中的骨骼动画，Bone就是相应的骨骼类。在关注这个Bone类之前，我们需要来看下它的父类——Node类。在Ogre场景组织中，Node是一个重要的基类，一个Node对应了场景中的一个组成部分。场景中的所有节点都被组织成一颗结构树，父节点的变换可以影响它相应的子节点。这些基础的变换实现正好符合Bone的需求。

先来看下Node类中重要的数据成员：

/// Pointer to parent node Node* mParent; /// Collection of pointers to direct children; hashmap for efficiency typedef HashMap<String, Node*> ChildNodeMap; ChildNodeMap mChildren; String mName; /// Stores the orientation of the node relative to it's parent. Quaternion mOrientation; /// Stores the position/translation of the node relative to its parent. Vector3 mPosition; /// Stores the scaling factor applied to this node Vector3 mScale;

每个Node节点保存了自己的父节点指针，所有的子节点指针，以及当前节点的基本空间信息：方向、位置、缩放。

Node类的成员函数主要有两类功能：
（a）管理子节点

virtual Node* createChildconst Vector3& translate, const Quaternion& rotate ); virtual void addChild(Node* child); virtual unsigned short numChildren(void) const; virtual Node* removeChild(unsigned short index); virtual Node* removeChild(Node* child);

其中儿子节点可以以名字或者索引两种Key形式。

（b）进行变换

virtual void scale(const Vector3& scale); virtual void translate(const Vector3& d, TransformSpace relativeTo); virtual void roll(const Radian& angle, TransformSpace relativeTo); virtual void pitch(const Radian& angle, TransformSpace relativeTo); virtual void yaw(const Radian& angle, TransformSpace relativeTo); virtual void rotate(const Vector3& axis, const Radian& angle, TransformSpace relativeTo); virtual Matrix3 getLocalAxes(void) const;

Node类里还有个重要的函数

virtual void _update(bool updateChildren, bool parentHasChanged);

这个函数从父类获取（如果有父类的话）变换信息，对自身和子类施加变换操作。

主要的代码片段如下：

ChildNodeMap::iterator it, itend; itend = mChildren.end(); for (it = mChildren.begin(); it != itend; ++it) { Node* child = it->second; child->_update(true, true); } mChildrenToUpdate.clear();

这里就是一个迭代的过程，对本节点所有的儿子节点同样调用它们的_update函数，使该变换不断传递下去。

可以看出Node类是一个封装了节点变换信息的类，该变换是以树节点的形式进行组织，父类的变换会影响它的所有/部分子节点。

下面就来关注下Bone类。
关于骨骼动画，目前Ogre只支持关键帧形式的正向动力学（FK）；也就是说没有提供对逆向动力学（IK）骨骼动画的内建支持。
所谓的正向动力学（FK, forward kinematics,也称为前向动力学）是指完全遵循父子关系的层级，用父层级带动子层级的运动。这也正如我们在_update函数中所看到的那样，变换递推过程从父类不断向子类传递。正向动力学的优点是：计算简单，运算速度快，缺点是：需指定每个关节的角度和位置，而由于骨架的各个节点之间有内在的关联性，直接指定各关节的值很容易产生不自然协调的动作。

Node类几乎都实现了Bone类最重要的变换信息保存以及变换信息的传递操作。Bone类只是在此基础上添加了一些很简单的内容。

/// The numeric handle of this bone unsigned short mHandle; Skeleton* mCreator; /// The inversed derived scale of the bone in the binding pose Vector3 mBindDerivedInverseScale; /// The inversed derived orientation of the bone in the binding pose Quaternion mBindDerivedInverseOrientation; /// The inversed derived position of the bone in the binding pose Vector3 mBindDerivedInversePosition;

Handle是一个用来标示Bone的值。
Skeleton（后面会介绍）是集中管理Bone的类。所以在Bone中保存了一个指向创建自己的Skeleton指针。
最后的3个变量值是子节点反变换回父节点位置的变换信息。
这些信息是在函数void _getOffsetTransform(Matrix4& m)中用来生成变换矩阵：

Vector3 scale = _getDerivedScale() * mBindDerivedInverseScale; Quaternion rotate = _getDerivedOrientation() * mBindDerivedInverseOrientation; Vector3 translate = _getDerivedPosition() + rotate * (scale * mBindDerivedInversePosition); m.makeTransform(translate, scale, rotate);

2、OgreKeyFrame、OgreAnimationTrack与OgreAnimation
Bone类定义动画中的骨骼。我们需要接着定义相应的动画信息，然后将每个动画动作的变换信息赋予这些骨骼，这样我们就可以是物体按照我们设定的规则“运动”起来。而这些动画的信息就保存在这一组类中。

最右侧有个类KeyFrame，它是这组类中最基本的一个。我们就从它开始吧。
类如其名，KeyFrame对应的就是动画中的一帧。它是一个基类，派生出四种不同类型的子类。

class _OgreExport KeyFrame : public AnimationAlloc { public: KeyFrame(const AnimationTrack* parent, Real time); virtual ~KeyFrame() {} Real getTime(void) const { return mTime; } virtual KeyFrame* _clone(AnimationTrack* newParent) const; protected: Real mTime; const AnimationTrack* mParentTrack; };

KeyFrame类的定义就这样简单的几行。它的成员变量只有两个。一个是表示该帧在整个动画轨迹中的时间位置；还有一个就是创建该帧的AnimationTrack类。

KeyFrame类并没有保存每帧需保存的空间变换信息，因为Ogre只是四种不同的关键帧，它们各自有自己需要保存的变换信息，所以在KeyFrame的派生类中可以找到相应的内容。

KeyFrame的四个派生类：
数字关键帧（NumericKeyFrame）
变换关键帧（TransformKeyFrame）
顶点变形关键帧（VertexMorphKeyFrame）
顶点姿态关键帧（VertexPoseKeyFrame）

比如：数字关键帧（NumericKeyFrame）中就保存了相应的数字数据；变换关键帧（TransformKeyFrame）中则保存了变换、缩放和旋转信息等。（这些关键帧会在相应Track里再提到）

在UML图的*，我们可以看到，KeyFrame类是由AnimationTrack的类负责创建和管理的。KeyFrame的四个子类对应了三种动画轨迹类型（最后两种KeyFrame子类对应同一种AnimationTrack），也就定义了Ogre所支持的三种动画轨迹方式。

先来看下这些动画轨迹的父类AnimationTrack
AnimationTrack的主要成员变量如下：

typedef vector<KeyFrame*>::type KeyFrameList; KeyFrameList mKeyFrames; Animation* mParent; unsigned short mHandle;

一个Track表示一个动画序列，也就是一组有序的KeyFrame，用来指示一个可运动物体的某个动作轨迹。
mKeyFrames就是该Track保存的一组关键帧
mParent指向创建和管理Track的Animation类
mHandle则与Bone类中出现的一样，用来标示一个Track

一些重要的成员函数：（虚函数，用以子类接口继承）
virtual void getInterpolatedKeyFrame(const TimeIndex& timeIndex, KeyFrame* kf) const = 0;
纯虚函数，根据制定的timeindex，返回插值后的KeyFrame kf。
virtual void apply(const TimeIndex& timeIndex, Real weight = 1.0, Real scale = 1.0f) = 0;
纯虚函数，应用这个动画轨迹。子类根据自己所属的不同关键帧方式来实现相应的动画轨迹。
virtual void optimise(void) {}
虚函数，优化这个动画轨迹，方法为删除重复帧。

AnimationTrack有三个子类
数字动画轨迹（NumericAnimationTrack）：对应的是数字关键帧（NumericKeyFrame）
该类比较简单，插值和轨迹应用都是根据数值来进行，就是简单的线性插值。

节点动画轨迹（NodeAnimationTrack）：对应的是变换关键帧（TransformKeyFrame）
每个变换关键帧都包含了两个三元向量和一个四元数，分别用来表现节点在当前帧的位置、缩放以及方向。所以该轨迹中的插值主要针对的是这些空间向量。插值的方式分为线性和样条曲线两种。
当内存空间够用时，可以定义如下样条并设置变量mSplineBuildNeeded为true来获得更好的插值效果。

struct Splines { SimpleSpline positionSpline; SimpleSpline scaleSpline; RotationalSpline rotationSpline; };

顶点动画轨迹（VertexAnimationTrack）：对应顶点变形关键帧（VertexMorphKeyFrame）和顶点姿态关键帧（VertexPoseKeyFrame），每个关键帧保存了特定时间的顶点位置数据，在姿态动画（Pose）中还保存了顶点混合权重。

两种不同的顶点动画：
变形动画：记录每个关键帧时刻所有顶点的快照集合。
姿态动画：记录所有顶点的偏移，根据不同的权重来融合不同的姿态，来产生最后的结果。在面部动画中，姿态动画应用比较广泛。

现在再来看Animation类就简单很多了：

/// Node tracks, indexed by handle NodeTrackList mNodeTrackList; /// Numeric tracks, indexed by handle NumericTrackList mNumericTrackList; /// Vertex tracks, indexed by handle VertexTrackList mVertexTrackList; String mName; Real mLength; InterpolationMode mInterpolationMode; RotationInterpolationMode mRotationInterpolationMode;

Animation类各保存有上述三个动画轨迹的一个列表，并记录下当前动画的名字、长度以及插值方式。

该类中最重要的是一组apply函数。该类函数的功能差不多相同，就是迭代相应的AnimationTrack列表，分别调用AnimationTrack的apply函数即可。

值得一提的是在这组apply函数API里，有用到Node（Bone的父类）和Skeleton作为参数类型的。可以猜测到，在这些apply函数中，关键帧的变换信息插值计算出来后，被附加到了骨骼Node上，也即对骨骼变换信息进行了更新。关键帧、动画和骨骼这三个概念在这个函数里汇集到了一起！

3、OgreSkeleton
最后集大成者就是Skeleton类了，先来看下UML图。

开篇已经提到，Skeleton是Ogre八种资源子类中的一种。Skeleton类中最重要的数据结构就是对Bone（本文的第一部分）和Animation（本文的第二部分）的管理。

如下是两个管理的列表：

/// Storage of bones, indexed by bone handle BoneList mBoneList; /// Storage of animations, lookup by name AnimationList mAnimationsList;

Skeleton类中较多的成员函数是对这两个列表成员的具体操作，如创建、添加、删除一个Bone或者AnimationList等。
_getAnimation成员函数获取相应的Animation类，然后在setAnimationState函数中将该动画变换附加所有骨骼上。_updateTransforms成员函数的作用是遍历所有Bone，调用每个Bone的update函数进行变换更新。

还有值得一提的是LinkedSkeletonAnimationSource结构，它允许Skeleton类使用其他的Animation类来实现动画。

本文完。

参考内容
网站：
http://www.ogre3d.cn/wiki/index.php?title=%E9%A6%96%E9%A1%B5
http://blog.****.net/pizi0475/archive/2010/03/11/5370338.aspx
http://hi.baidu.com/bdruiruili/blog/item/e2024135d351861f90ef399f.html
书籍：PRO OGRE 3D PROGRAMMING