Unreal动画实时重定向的源码分析

基本原理

每个动画(AnimSequence)要指定一个重定向源(RetargetSource),然后实时的时候根据重定向源的TPose和当前角色的TPose进行重定向的计算。

实时重定向的计算方法又分为五种: Animation, Skeleton, AnimationScale, AnimationRelative, OrientAndScale

骨骼重定向方法的设置粒度是骨骼级别,具体使用方法参见官方文档

官方文档:
https://docs.unrealengine.com/en-US/Engine/Animation/AnimationRetargeting/index.html

我印象中的常用操作,通常有问题都是用以下操作解决:

  • 某个动画重定向结果不对:在动画编辑器里指定下重定向源

  • 某根骨骼的效果结果不对:在骨骼树窗口里更改此骨骼的重定向设置

  • 新角色的动画,需要在最大化骨架编辑器里新增一下新角色的重定向源

  • 双手武器重定向后,挂接效果不对。这时候可能就需要ik了,ik和重定向是一个搭档。

实时重定向源码

UE中获取任何的骨骼动画数据,都会调用 UAnimSequence::GetBonePose

GetBonePose就像古代的关隘,连接动画逻辑(动画树、Montage等)与动画数据

压缩动画的重定向

压缩动画的重定向核心代码就直接在GetBonePose函数的末尾

由于压缩动画重定向和非压缩动画的重定向的原理是一样的,只是读取动画数据的方式不同,所以重定向源码分析放到下节

非压缩动画的重定向

GetBonePose函数并没有直接处理非压缩动画的重定向,而是通过如下调用栈:

BuildPoseFromRawData -> RetargetBoneTransform -> FAnimationRuntime::RetargetBoneTransform

所以非压缩动画的重定向核心逻辑如下

void FAnimationRuntime::RetargetBoneTransform(const USkeleton* MySkeleton, const FName& RetargetSource, FTransform& BoneTransform, const int32 SkeletonBoneIndex, const FCompactPoseBoneIndex& BoneIndex, const FBoneContainer& RequiredBones, const bool bIsBakedAdditive)
{
    if (MySkeleton)
    {
        switch (MySkeleton->GetBoneTranslationRetargetingMode(SkeletonBoneIndex))
        {
            case EBoneTranslationRetargetingMode::AnimationScaled:
            {
                // @todo - precache that in FBoneContainer when we have SkeletonIndex->TrackIndex mapping. So we can just apply scale right away.
                const TArray<FTransform>& SkeletonRefPoseArray = MySkeleton->GetRefLocalPoses(RetargetSource);
                const float SourceTranslationLength = SkeletonRefPoseArray[SkeletonBoneIndex].GetTranslation().Size();
                if (SourceTranslationLength > KINDA_SMALL_NUMBER)
                {
                    const float TargetTranslationLength = RequiredBones.GetRefPoseTransform(BoneIndex).GetTranslation().Size();
                    BoneTransform.ScaleTranslation(TargetTranslationLength / SourceTranslationLength);
                }
                break;
            }

            case EBoneTranslationRetargetingMode::Skeleton:
            {
                BoneTransform.SetTranslation(bIsBakedAdditive ? FVector::ZeroVector : RequiredBones.GetRefPoseTransform(BoneIndex).GetTranslation());
                break;
            }

            case EBoneTranslationRetargetingMode::AnimationRelative:
            {
                // With baked additive animations, Animation Relative delta gets canceled out, so we can skip it.
                // (A1 + Rel) - (A2 + Rel) = A1 - A2.
                if (!bIsBakedAdditive)
                {
                    const TArray<FTransform>& AuthoredOnRefSkeleton = MySkeleton->GetRefLocalPoses(RetargetSource);
                    const TArray<FTransform>& PlayingOnRefSkeleton = RequiredBones.GetRefPoseCompactArray();

                    const FTransform& RefPoseTransform = RequiredBones.GetRefPoseTransform(BoneIndex);

                    // Apply the retargeting as if it were an additive difference between the current skeleton and the retarget skeleton. 
                    BoneTransform.SetRotation(BoneTransform.GetRotation() * AuthoredOnRefSkeleton[SkeletonBoneIndex].GetRotation().Inverse() * RefPoseTransform.GetRotation());
                    BoneTransform.SetTranslation(BoneTransform.GetTranslation() + (RefPoseTransform.GetTranslation() - AuthoredOnRefSkeleton[SkeletonBoneIndex].GetTranslation()));
                    BoneTransform.SetScale3D(BoneTransform.GetScale3D() * (RefPoseTransform.GetScale3D() * AuthoredOnRefSkeleton[SkeletonBoneIndex].GetSafeScaleReciprocal(AuthoredOnRefSkeleton[SkeletonBoneIndex].GetScale3D())));
                    BoneTransform.NormalizeRotation();
                }
                break;
            }

            case EBoneTranslationRetargetingMode::OrientAndScale:
            {
                if (!bIsBakedAdditive)
                {
                    const FRetargetSourceCachedData& RetargetSourceCachedData = RequiredBones.GetRetargetSourceCachedData(RetargetSource);
                    const TArray<FOrientAndScaleRetargetingCachedData>& OrientAndScaleDataArray = RetargetSourceCachedData.OrientAndScaleData;
                    const TArray<int32>& CompactPoseIndexToOrientAndScaleIndex = RetargetSourceCachedData.CompactPoseIndexToOrientAndScaleIndex;

                    // If we have any cached retargeting data.
                    if ((OrientAndScaleDataArray.Num() > 0) && (CompactPoseIndexToOrientAndScaleIndex.Num() == RequiredBones.GetCompactPoseNumBones()))
                    {
                        const int32 OrientAndScaleIndex = CompactPoseIndexToOrientAndScaleIndex[BoneIndex.GetInt()];
                        if (OrientAndScaleIndex != INDEX_NONE)
                        {
                            const FOrientAndScaleRetargetingCachedData& OrientAndScaleData = OrientAndScaleDataArray[OrientAndScaleIndex];
                            const FVector AnimatedTranslation = BoneTransform.GetTranslation();

                            // If Translation is not animated, we can just copy the TargetTranslation. No retargeting needs to be done.
                            const FVector NewTranslation = (AnimatedTranslation - OrientAndScaleData.SourceTranslation).IsNearlyZero(BONE_TRANS_RT_ORIENT_AND_SCALE_PRECISION) ?
                                OrientAndScaleData.TargetTranslation :
                                OrientAndScaleData.TranslationDeltaOrient.RotateVector(AnimatedTranslation) * OrientAndScaleData.TranslationScale;

                            BoneTransform.SetTranslation(NewTranslation);
                        }
                    }
                }
                break;
            }
        }
    }
}

这个函数只是一根骨骼的重定向计算。

当前角色的TPose就存在RequiredBones里。

重定向源的TPose都是存在最大化骨架MySkeleton中的,根据AnimSequence.RetargetSource来获取当前的重定向源数据

大部分的实时重定向的方法主要改的就是骨骼的translation,scale和rotation不会动,AnimationRelative模式例外

  • Animation: 纯动画,不做任何重定向
  • Skeleton: 直接用角色TPose的translation
  • AnimationScale: 用动画的Translation,但是会根据当前角色的TPose和RetargetSource的TPose的比例对Translation进行缩放。 和AnimationRelative相比,delta是用除法算出来的,且只改Translation
  • AnimationRelative: 用动画的Translation,scale,rotation,但是会根据当前角色的TPose和RetargetSource的TPose的差值对动画的prs进行增减。和AnimationScale相比,delta是用减法算出来的。
  • OrientAndScale: 用动画的Translation,实时会根据OrientAndScaleData的信息对Translation进行变换

OrientAndScale模式下的OrientAndScaleData的计算

  • OrientAndScaleData.TranslationDeltaOrient是一个四元数旋转: 是从重定向源的骨骼translation(SourceSkelTransDir)到当前角色TPose的骨骼Translation(TargetSkelTransDir)的一个旋转
  • OrientAndScaleData.TranslationScale是一个scale的除法: 当前角色TPose的骨骼Translation的长度(TargetSkelTransLength) / 重定向源的骨骼translation的长度(SourceSkelTransLength)
const FRetargetSourceCachedData& FBoneContainer::GetRetargetSourceCachedData(const FName& InRetargetSourceName) const
{
    FRetargetSourceCachedData* RetargetSourceCachedData = RetargetSourceCachedDataLUT.Find(InRetargetSourceName);
    if (!RetargetSourceCachedData)
    {
        RetargetSourceCachedData = &RetargetSourceCachedDataLUT.Add(InRetargetSourceName);

        // Build Cached Data for OrientAndScale retargeting.

        const TArray<FTransform>& AuthoredOnRefSkeleton = AssetSkeleton->GetRefLocalPoses(InRetargetSourceName);
        const TArray<FTransform>& PlayingOnRefSkeleton = GetRefPoseCompactArray();
        const int32 CompactPoseNumBones = GetCompactPoseNumBones();

        RetargetSourceCachedData->CompactPoseIndexToOrientAndScaleIndex.Reset();

        for (int32 CompactBoneIndex = 0; CompactBoneIndex < CompactPoseNumBones; CompactBoneIndex++)
        {
            const int32& SkeletonBoneIndex = CompactPoseToSkeletonIndex[CompactBoneIndex];

            if (AssetSkeleton->GetBoneTranslationRetargetingMode(SkeletonBoneIndex) == EBoneTranslationRetargetingMode::OrientAndScale)
            {
                const FVector SourceSkelTrans = AuthoredOnRefSkeleton[SkeletonBoneIndex].GetTranslation();
                const FVector TargetSkelTrans = PlayingOnRefSkeleton[CompactBoneIndex].GetTranslation();

                // If translations are identical, we don't need to do any retargeting
                if (!SourceSkelTrans.Equals(TargetSkelTrans, BONE_TRANS_RT_ORIENT_AND_SCALE_PRECISION))
                {
                    const float SourceSkelTransLength = SourceSkelTrans.Size();
                    const float TargetSkelTransLength = TargetSkelTrans.Size();

                    // this only works on non zero vectors.
                    if (!FMath::IsNearlyZero(SourceSkelTransLength * TargetSkelTransLength))
                    {
                        const FVector SourceSkelTransDir = SourceSkelTrans / SourceSkelTransLength;
                        const FVector TargetSkelTransDir = TargetSkelTrans / TargetSkelTransLength;

                        const FQuat DeltaRotation = FQuat::FindBetweenNormals(SourceSkelTransDir, TargetSkelTransDir);
                        const float Scale = TargetSkelTransLength / SourceSkelTransLength;
                        const int32 OrientAndScaleIndex = RetargetSourceCachedData->OrientAndScaleData.Add(FOrientAndScaleRetargetingCachedData(DeltaRotation, Scale, SourceSkelTrans, TargetSkelTrans));

                        // initialize CompactPoseBoneIndex to OrientAndScale Index LUT on demand
                        if (RetargetSourceCachedData->CompactPoseIndexToOrientAndScaleIndex.Num() == 0)
                        {
                            RetargetSourceCachedData->CompactPoseIndexToOrientAndScaleIndex.Init(INDEX_NONE, CompactPoseNumBones);
                        }

                        RetargetSourceCachedData->CompactPoseIndexToOrientAndScaleIndex[CompactBoneIndex] = OrientAndScaleIndex;
                    }
                }
            }
        }
    }

    return *RetargetSourceCachedData;
}
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