Ozz-Animation 3D骨骼动画系统

Ozz-Animation 是一款基于MIT协议开源的C++ 3D骨骼动画库及工具集，专注于为游戏和实时渲染应用提供高效的3D骨骼动画的播放功能（包括加载、采样和混合等）。通过其数据导向的设计，ozz-animation在性能和内存使用上表现出色，适用于各种游戏引擎和渲染器。其高度可移植性和跨平台特性使得在不同开发环境中使用非常方便。

Ozz-Animation的Github地址是：

https://github.com/guillaumeblanc/ozz-animation

Ozz-Animation包括runtime和offline两个部分:

• runtime 提供了运行时动画播放的核心功能，runtime代码只依赖于C++11，可以在Windows，Linux，MacOSX这些常见操作系统，以及ARM平台下运行。
• offline 包含了一套完整的预处理工具链，用于将主流的数字内容创作格式（如glTF 、FBX等）转换为Ozz-Animation优化的运行时结构。

Ozz-Animation和常见的3D骨骼动画库一样，由以下基本功能组成：

• 骨骼系统（Skeleton）： 角色的关节及之间的连接关系；
• 蒙皮系统（Skinning）： 角色模型网格的每个顶点与骨骼关节的映射关系以及权重（模型顶点受哪些关节运动的影响，影响的程度是多少）；
• 动画系统（Animation）： 每个关节移动和旋转的动画数据，以及多个动画之间的过渡、叠加关系的实现；
• 其它功能： IK系统（反向运动学），武器绑定系统，分部融合系统等。

预处理工具链

如果我们编译Ozz-Animation时，设置了FBX SDK，我们会得到fbx2ozz.exe、gltf2ozz.exe两个工具，和一个样例工具sample_fbx2mesh.exe。

fbx2ozz.exe和gltf2ozz.exe两个工具是为fbx、gltf等模型文件生成骨骼数据、动画数据。

fbx2ozz.exe --file=Tpose.fbx

sample_fbx2mesh.exe是根据模型的骨骼数据，生成模型蒙皮的mesh数据。mesh数据包括位置、法线、纹理坐标、切线、颜色等。

sample_fbx2mesh.exe --file=Tpose.fbx –skeleton=Tpose.skeleton.ozz --mesh=Tpose.mesh.ozz

这样我们就得到了ozz运行所需要的骨骼数据、动画数据、蒙皮的Mesh数据等。

Ozz-Animation的更新流程

Ozz-Animation的动画更新流程主要分为下面四个步骤：

• 动画数据的采样： 即根据上一帧到这一帧的时间间隔，计算动画应该经过的时间，进而从关键帧插值解算出每个关节点的局部坐标。
• 多个动画的融合： 将多个动画采样的结果按照独立的权重，融合在一起，得到最终叠加后每个关节点的局部坐标。这个步骤对于角色动画的过渡效果实现是至关重要的。
• 骨骼数据的更新： 将之前解算得到的角色动画关节点的局部坐标，匹配到实际角色的骨骼上，并计算得到骨骼坐标系（“世界”坐标系）下每个关节的实际位置矩阵。
• 蒙皮和模型网格的更新： 根据每个关节位置的变化，以及关节与模型各顶点之间的权重关系（即蒙皮），计算每个顶点更新后的位置坐标、法线等结果，更新模型网格。

Ozz-Animation将这套流程中的每个步骤都封装成独立的工作线程（Job）并负责负责每个Job的并行执行和效率效果，各个步骤之间输入和输出的中间数据，我们随时都可以介入修改或者替换，这也使得Ozz-Animation成为了一个非常灵活而且强大的中间件工具。

举个例子

假设我们有一个人物角色，有两个动画，分别为“站立”（idle）和“走路”（walking），我们的人物角色从站立姿态切换到走路姿态。如果直接切换，那么骨骼关节会从当前的姿态突变到一个新的姿态。这个过程显得比较突兀，有必要加入一个合理的过渡过程。这个过渡过程就是动画融合的过程。

假设从站立姿态切换到走路姿态，过渡时间为0.5s。那么这个过渡实质上就是：idle采样器的权重值从1到0，而walking采样器的权重值从0到1。每个时刻t的动画融合结果应该是：

sampler[idle] x (1.0 - t / 0.5) + sampler[walking] x (t / 0.5)，其中t∈[0, 0.5]

结合Ozz-Animation的工作流程大致过程为，我们为idle和walking建立两个独立的Sampling Job进行采样（每个动画设置不同的权重值，所有动画的权重之和不超过1.0，值得一提的是，Ozz-Animation不仅支持设置动画的权重，还支持设置动画中各个关节的权重，以实现精准的动画融合策略），将采样得到的动画数据在时间线上选择一个时刻，并计算该时刻对应的各关节位置姿态数据。每个采样器输出一组位置姿态数据，合并到Blending Job中，按照权重混合后，得到介于两个动画效果之间的一组新的位置姿态数据，经过坐标变换后，进行蒙皮计算，输出最终显示的模型网格数据。