Скелетная анимация в первый раз

Введение

Доброго времени суток. Я пишу статью тут впервые, и цель моя очень проста, я хочу поделиться своим видением скелетной анимации и имею огромное желание получить критику и помошь. Все создание этой системы было путём проб и ошибок, я не нашёл никаких книг о том как это делать, что это вообще из себя представляет и как пользоваться. Но сейчас я зашёл в тупик, выход из которого хотелось бы найти именно тут.

Что я использовал?

• MSVS 2013 Professional — это моя основная IDE
• Qt Creator — при помощи этого я писал программу для редактирования анимации
• Qt 5.1 — как GUI для редактора анимации
• SDL 2 — ввод/вывод команд и отображения графики в конечной программе(где и должна происходить анимация)
• OpenGL 2.1 — для отображения графики
• GLEW — для подключения расширений OpenGL
• Boost — для использования таймера
• Protobuf Google — Для сохранения в файлы анимации
• С++ — ЯП на котором я все и делал

С чего начать?

Я решил что для начала мне нужно определить структуры, и мне будет так легче понять как они должны затем работать.
Для начала покажу мои #define'ы:

#define M_PI 3.1415926535
#define M_PI_2 M_PI/2
#define M_PI_3 M_PI/3
#define M_PI_4 M_PI/4
#define RAD1 M_PI/180.0f
#define DEG1 180.0f/M_PI
#define RAD2DEG(rad) rad*DEG1
#define DEG2RAD(deg) deg*RAD1

#define MAX_CHILDREN_COUNT		10
#define MAX_KEYFRAME_COUNT		20

и вот к таким структурам я в итоге пришёл:

Joint — это сустав

	typedef struct _Joint
	{
		//inheritanse
		_Joint*		root;		/* Pointer to root element. All elements have it. */
		_Joint*		parent;		/* Pointer to parent */

		//simple joints variables
		float		x, y;			/* Position */
		float		angle;		/* Angle of rotate. In radians!!! */
		uint8_t		level;	/* Level of hierarchy. Root have 0, next level +1 */

		float		dX, dY;		/* Default Position */
		float		dAngle;		/* Default Angle */

		float		aX, aY;		/* Animation Position */
		float		aAngle;		/* Animation Angle */

		//children
		uint8_t		childCount;      /* Number of children */
		_Joint*		child[MAX_CHILDREN_COUNT];	/* Array of children */

		//index
		uint16_t	indexCount;		/* Last number for index. Only Root have the var. */
		uint16_t	index;			/* Unique index of joint */

	} S_Joint;

dX, dY, dAngle — Это значения по умолчанию. Углы я решил хранить в радианах, от 0 до 6.28. И с этим у меня потом возникло куча проблем. Но об этом немного позже.
aX, aY, aAngle — Это параметры анимации. Они обозначают наколько кадр уже интерполировался. Тоесть прошедшая анимация записывается именно в них. Например анимация длится 900 ms(TIME), сейчас происходит 450 ms(NOW), но анимация не может оновляться каждую милисекунду, поэтому если раньше было допустим 400 ms, а щас 450, и интерполируем X и представим, что есть 2 ключа в первом X = 50(KEY1), во втором 100(KEY2), то конечное значение X считаю так:
_Joint.x += (KEY2 - KEY1) / TIME * NOW - _Joint.aX;
_Joint.aX = (KEY2 - KEY1) / TIME * NOW;
22,3 += (100-50) / 900 * 450 - 22,3
22,3 — Это X кости с учетом того что когда время (NOW) было равно 0, то X, тоже был равен нулю

KeyData и Keyframe — это структуры именно для анимации

	typedef struct _KeyData
	{
		float x, y, angle;
	} S_KeyData;

	typedef struct _Keyframe
	{
		S_KeyData	data;	/* data of Joint */
		uint16_t	time;		/* ~32 sec.(32768 ms) is maximum time for animation. Only Root have it */
		uint16_t	index;		/* Index of joint, which we want interpolate */

		_Keyframe*	parent;
		uint8_t		childCount;		/* Number of children */
		_Keyframe*	child[MAX_CHILDREN_COUNT];

	} S_Keyframe;

Я долго думал, как можно организовать поиск костей для интерполяции. Поиск в дереве довольно затранный процесс для анимации на мой взгляд. У меня в голове было 2 решения. Первое решение, это использовать идексы для обозначения ветвей и это немного бы ускорило поиск, т.к. это была бы обычная адресация. Но выбрал я второе решение. На мой взгляд обновить дерево целиком куда проще и быстрее чем какие-то яего отдельные части. Очень просто, представим у нас есть главная кость, которая имеет по 10 детей, которые в свою очередь имеют ещё по 5. В итоге у нас всего 51 кость(кстати рутовый сустав у меня не видим вообще, изменение его x и y привдит к изменению положения всего обьекта).
Нам понадобится 10 циклов по 5 итераций, тоесть всего 50 итераций. И в итоге получим 51 интерполяцию при обновлении всего дерева. В противном случае, если мы используем поиск кости, то для поиска последней добавленной кости потребуется 50 итераий, для предпоследней 49 и так далее, в сумме куда больше чем обновление всего дерева. _Keyframe имеющий индекс 0, хранит время этой анмации, все его дети имеют параметр времени 0.

Animation — хранит список ключей

	typedef struct _Animation
	{
		uint8_t keyNumber;
		uint8_t keyCount;
		S_Keyframe* key[MAX_KEYFRAME_COUNT];
	} S_Animation;

keyNumber — это индекс проигрываемой анимации, по умолчанию равен нулю. Все ключи анимации хранятся в массиве key, в хронологическом порядке. Все способы реализации, создания удаления структур и добавления в них новых обьектов я скрою чтоб бы не нагромождать тут много кода. Но покажу функции для самой анимации.

bool 
doAnimation(S_Joint *root, S_Animation *anim, uint16_t time)
{
	if (!root) return false;
	if (!anim) return false;

	bool timeOut = true;

	for (int i = 0; i < anim->keyCount; i++)
	{
		if (time < anim->key[i]->time)	//search keyframes for interpolation
		{
                        //первая анимация 1200, следующая 2400, 2400-1200=1200
			uint16_t mtime = anim->key[i]->time - anim->key[i - 1]->time;
                       //nowTime is 1560, mtime = 1200(ERROR), 1560 - 1200(last key)=360(realtime)
			uint16_t nowTime = time - anim->key[i - 1]->time; 

			if (i != anim->keyNumber)	//вот для чего нужен keyNumber, мы определили что перешли к следуюшему ключу
			{
				setDefaultAnimTree(root);		//set to 0.0 animation changes(aX,yX,aAngle)
			}
			anim->keyNumber = i;			//устанавливаем номер анимации

			doInterpolate(root, anim->key[i - 1], anim->key[i], mtime, nowTime);
			timeOut = false;
			break;
		}
	}
	
	if (timeOut == true)
	{
		setDefaultTree(root);	//если время истекло то обнуляем значение всех костей до дефолтных
	}

	return timeOut;
}

Когда функция возвращает true, то таймер сбрасывется на ноль.(boost::timer)

И заключительная функция:

void
doInterpolate(S_Joint* root, S_Keyframe* key1, S_Keyframe* key2, uint16_t time, uint16_t nowTime)
{
	if (root->index != key2->index) return;

	float x = (key2->data.x - key1->data.x) / time * nowTime; //так анимция уже должна измениться для этого времени
	float y = (key2->data.y - key1->data.y) / time * nowTime;
	float angle = (key2->data.angle - key1->data.angle) / time * nowTime;

	root->x += x - root->aX;	//root->aX - это те изменения анимации которые мы уже имеем, вычитаем их из тех что должны быть
	root->y += y - root->aY;
	root->angle += angle - root->aAngle;

	root->aX = x;	//изменения которые должны у нас быть, они уже есть в x,y,angle
	root->aY = y;
	root->aAngle = angle;
	
        //рекурсивно обнавляем дальше все кости
	for (int i = 0; i < root->childCount; i++)	
	{
		doInterpolate(root->child[i], key1->child[i], key2->child[i], time, nowTime);
	}
}

Вот такая скелетная анимация и работает она довольно не плохо. Туча проблем возникла на этапе создания программы в Qt, и самая первая это движения костей мышью, да и вообще движение костей. Длина вращения кости по кругу 6.28, тоесть 2*Pi или 360 градусов. Но получается движения происходит лишь в одну сторону. Если мы получаем допустим при расчётах 4.47, но хотим движение в другую сторону, впринципи можем сделать так:
4,47-6.28=-1,81
Вроде движение в другую сторону. Но это очень не удобно. так же я пробовал искать оптимальный путь до цели вращения. Если мы представим допустим наша позиция 1,57(A), цель наша 5.57(B), то:

negAngle = B-A;
posAngle = (B-6.28)-A;
if(fabs(posAngle) > fabs(negAngle))
{ /*Выбираем меньшее*/ }

Но, оптимальный путь нужен не всегда. Поэтому это тоже не совсем подходит. Я вот подумаю над двумя вариантами решения этих проблем. Первый вариант — это расчитвать строгую интерполяцию. Тоесть ключём будет являться именно кость в анимации. Второй способ это задавать ключём только движение, ничего более. Но по правде говоря я попал в тупик и не знаю, что делать дальше. Программа Qt работает с относительным успехом, но сама анимация вроде не плоха, но пока я писал GUI редактор я понимал её неэффективность и громоздкость. Как вообще пределать скелетную анимацию к физике(я горю желанием присоединения к Box2d), но как сделать это не имею ни малейшего представления. Я решил порлностью все переделать, но хочу услышать советы, критику, что и как я сделал неправильно. Ещё раз повторю, это моя система, сделана не по примеру, это мой взгляд на скелетную анимаию, не судите строго. Спасибо за внимание!

Автор: ermolaevym

Источник