一、傳統(tǒng)游戲動畫技術(shù)簡介

• 3D游戲動畫的骨骼動畫和蒙皮技術(shù)
• 動畫交互控制：狀態(tài)機、動作融合和IK
• 基于狀態(tài)機的動畫控制原理和問題

二、Motion Matching技術(shù)簡介

• 傳統(tǒng)狀態(tài)機動畫的缺陷
• Motion Matching的原理：根據(jù)角色狀態(tài)自動匹配動畫
• Dance Card動捕流程
• 動畫數(shù)據(jù)的預(yù)計算和運行時匹配算法
• Motion Matching的優(yōu)勢和問題

三、UE5 Motion Matching的實現(xiàn)和優(yōu)化

• Motion Matching在UE5中的實現(xiàn)
• 優(yōu)化方法：軌跡修正、編輯工具等
• Learned Motion Matching的引入
• 模型訓(xùn)練和推理優(yōu)化
• 多人場景下的性能優(yōu)化

四、基于深度學(xué)習(xí)的角色動畫技術(shù)

• PFNN和MANN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
• MotorNerve系統(tǒng)介紹
• 動畫間補技術(shù)簡介
• MotorNerve的軌跡控制和幀數(shù)預(yù)測擴展
• MotorNerve的應(yīng)用：交互過渡和行走過渡
• 基于深度學(xué)習(xí)的動畫生成技術(shù)在游戲開發(fā)中的重要作用

一、傳統(tǒng)游戲動畫技術(shù)簡介

1. 3D游戲動畫的骨骼動畫和蒙皮技術(shù)

在3D游戲動畫中，骨骼動畫和蒙皮技術(shù)是核心技術(shù)。骨骼動畫是通過控制3D模型中的骨骼來實現(xiàn)的，它將模型的動作分解為多個控制點（骨骼），通過改變這些控制點的位置和方向來模擬模型的動作。蒙皮技術(shù)則是將骨骼動畫應(yīng)用于3D模型表面，使得模型表面跟隨骨骼動畫進行變形。這種技術(shù)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)復(fù)雜的動作和表情，同時減少了動畫制作的難度和工作量。

2.?動畫交互控制：狀態(tài)機、動作融合和IK

動畫交互控制是3D游戲動畫中的重要部分，它通過控制角色的動作來實現(xiàn)角色與環(huán)境的交互。常用的動畫交互控制方法包括狀態(tài)機、動作融合和IK（Inverse Kinematics）。狀態(tài)機是一種基于事件驅(qū)動的控制方法，它通過定義不同的狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，來實現(xiàn)角色動作的控制。動作融合是一種將多個動作混合在一起的方法，可以實現(xiàn)平滑的動作過渡。IK是一種反向運動學(xué)方法，它可以實現(xiàn)角色與環(huán)境的高效交互，例如控制角色的手部動作。

3.?基于狀態(tài)機的動畫控制原理和問題

基于狀態(tài)機的動畫控制原理是通過定義不同的狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則來實現(xiàn)角色動作的控制。狀態(tài)機通常包括以下幾個部分：狀態(tài)、事件、條件和動作。狀態(tài)是角色當(dāng)前所處的動作狀態(tài)，例如站立、行走、奔跑等。事件是觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的信號，例如按鍵、碰撞檢測等。條件是狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，例如角色速度大于一定值時轉(zhuǎn)換為奔跑狀態(tài)。動作是狀態(tài)對應(yīng)的動作，例如站立狀態(tài)對應(yīng)的站立動畫。

然而，基于狀態(tài)機的動畫控制也存在一些問題。首先，狀態(tài)機的狀態(tài)是離散的，每個狀態(tài)是獨立的，對連續(xù)動畫的狀態(tài)切分過于直觀。其次，狀態(tài)機切換的復(fù)雜度為O(N^2)，其中N為狀態(tài)的總數(shù)。隨著狀態(tài)的增加，狀態(tài)機的切換總數(shù)會急劇膨脹，從而難以維護。此外，狀態(tài)機通常都需要開發(fā)來編輯、調(diào)試與測試，由此需要大量人力及時間成本。

二、Motion Matching技術(shù)簡介

1. 傳統(tǒng)狀態(tài)機動畫的缺陷

傳統(tǒng)的基于狀態(tài)機的動畫控制方法在3D游戲動畫制作中存在一些固有的缺陷。首先，狀態(tài)機的狀態(tài)是離散的，每個狀態(tài)是獨立的，對連續(xù)動畫的狀態(tài)切分過于直觀，這導(dǎo)致動畫之間的過渡不夠平滑。其次，隨著動畫狀態(tài)的增加，狀態(tài)機的切換總數(shù)會急劇膨脹，狀態(tài)機切換的復(fù)雜度為O(N^2)，其中N為狀態(tài)的總數(shù)，這使得狀態(tài)機的維護變得極其困難。此外，狀態(tài)機通常都需要開發(fā)來編輯、調(diào)試與測試，由此需要大量的人力及時間成本。

2. Motion Matching的原理：根據(jù)角色狀態(tài)自動匹配動畫

Motion Matching技術(shù)旨在解決傳統(tǒng)狀態(tài)機動畫的缺陷，其基本原理是根據(jù)角色的當(dāng)前狀態(tài)自動匹配最合適的動畫。它通過計算當(dāng)前角色的狀態(tài)特征，如運動速度、運動軌跡、骨骼姿勢等，與動畫庫中所有動畫幀的特征進行比較，找出最匹配的動畫幀。這種技術(shù)可以實現(xiàn)平滑、自然的動畫過渡，同時大大減少了動畫師和開發(fā)者的工作量。

3. Dance Card動捕流程

為了實現(xiàn)Motion Matching，需要采集大量的角色動作數(shù)據(jù)。Dance Card是一種動捕流程，它包含了基礎(chǔ)移動所需動作數(shù)據(jù)的最簡動捕流程。動捕演員按照Dance Card預(yù)定的路線完成指定動作，根據(jù)需要可以對行走、慢跑、快跑、戰(zhàn)斗狀態(tài)下的行進等不同姿態(tài)的動作分別按Dance Card錄制。這樣可以確保動畫庫中的動作數(shù)據(jù)具有足夠的多樣性和覆蓋面。

4. 動畫數(shù)據(jù)的預(yù)計算和運行時匹配算法

為了提高Motion Matching的運行效率，需要對動捕數(shù)據(jù)進行預(yù)計算。預(yù)計算包括計算每幀動作的根骨骼速度、左右腳位置和速度、未來運動軌跡等。運行時匹配算法則根據(jù)當(dāng)前角色的狀態(tài)特征，與預(yù)計算的數(shù)據(jù)進行比較，找出最匹配的動畫幀。這種算法可以快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)動畫的自動匹配。

5. Motion Matching的優(yōu)勢和問題

Motion Matching相比傳統(tǒng)狀態(tài)機動畫控制，具有以下優(yōu)勢：

• 使用簡單、靈活，可以自動匹配動畫。
• 可以實現(xiàn)豐富的動作效果。
• 節(jié)省動畫師和開發(fā)者的工作量。

然而，Motion Matching也存在一些問題：

• 響應(yīng)速度和計算耗時較長。
• 需要大量的動捕數(shù)據(jù)。
• 匹配算法的優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整需要專業(yè)知識。

三、UE5 Motion Matching的實現(xiàn)和優(yōu)化

1. Motion Matching在UE5中的實現(xiàn)

UE5（Unreal Engine 5）作為最新的游戲開發(fā)引擎，提供了對Motion Matching技術(shù)的原生支持。在UE5中，Motion Matching的實現(xiàn)主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟：

• 動捕數(shù)據(jù)的采集：通過Dance Card流程，動捕演員完成指定的動作，以獲取高質(zhì)量的動捕數(shù)據(jù)。
• 動畫數(shù)據(jù)的預(yù)處理：對采集到的動捕數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括去除噪音、平滑處理、關(guān)鍵幀提取等。
• 特征提取：從預(yù)處理后的動畫數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征，如根骨骼速度、腳部位置和速度、運動軌跡等。
• 匹配算法：在游戲運行時，根據(jù)角色的當(dāng)前狀態(tài)（如速度、方向等），實時計算匹配算法，從動畫庫中找到最合適的動畫幀進行播放。

2.優(yōu)化方法：軌跡修正、編輯工具等

為了提高Motion Matching在UE5中的效果，可以進行多種優(yōu)化。軌跡修正是一種自動修正動畫軌跡的方法，它可以使得動畫軌跡更加符合玩家的輸入，減少誤差。編輯工具則提供了直觀的界面，允許動畫師和開發(fā)者實時查看和調(diào)整Motion Matching的參數(shù)，以便快速優(yōu)化動畫效果。

3. Learned Motion Matching的引入

Learned Motion Matching（LMM）是一種基于機器學(xué)習(xí)的Motion Matching方法。與傳統(tǒng)的Motion Matching相比，LMM通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測最合適的動畫幀，從而提高匹配的準(zhǔn)確性和效率。在UE5中，可以通過LMM來減少對大量動捕數(shù)據(jù)的需求，同時提高動畫的流暢度和真實感。

4. 模型訓(xùn)練和推理優(yōu)化

在UE5中，LMM模型的訓(xùn)練和推理優(yōu)化是實現(xiàn)高效Motion Matching的關(guān)鍵。模型的訓(xùn)練通常需要大量的數(shù)據(jù)集，包括不同動作、不同視角的動捕數(shù)據(jù)。訓(xùn)練后的模型需要在游戲運行時進行實時推理，以確定當(dāng)前應(yīng)該播放的動畫幀。為了提高推理速度，可以采用批處理、GPU加速等技術(shù)。

5. 多人場景下的性能優(yōu)化

在多人在線游戲中，每個角色的Motion Matching都會消耗一定的CPU和內(nèi)存資源。為了確保多人場景下的流暢體驗，UE5提供了多種性能優(yōu)化技術(shù)，如實例化技術(shù)、LOD（Level of Detail）技術(shù)、多線程處理等。這些技術(shù)可以有效地減少資源消耗，提高多人場景下的性能。

四、基于深度學(xué)習(xí)的角色動畫技術(shù)

1. PFNN和MANN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

PFNN（Phase-Functioned Neural Networks）和MANN（Mode-Adaptive Neural Networks）是兩種基于深度學(xué)習(xí)的角色動畫控制技術(shù)。PFNN通過使用相位函數(shù)來控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，從而實現(xiàn)對角色動畫的連續(xù)控制。MANN則通過門網(wǎng)絡(luò)和周期標(biāo)記來控制四足動物的動畫，使其更加真實和自然。這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都可以從動捕數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到角色的運動規(guī)律，并實時生成動畫。

2. MotorNerve系統(tǒng)介紹

MotorNerve是由騰訊游戲開發(fā)的一種基于深度學(xué)習(xí)的角色動畫系統(tǒng)。它結(jié)合了PFNN和MANN的優(yōu)點，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來生成高質(zhì)量的動畫。MotorNerve不僅可以從動捕數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)動畫，還可以根據(jù)角色的當(dāng)前狀態(tài)和環(huán)境信息實時生成動畫，實現(xiàn)了高度的真實感和流暢性。

3. 動畫間補技術(shù)簡介

動畫間補技術(shù)是一種基于深度學(xué)習(xí)的動畫生成方法，它可以根據(jù)關(guān)鍵幀生成中間動畫。這種技術(shù)可以用于生成交互式動畫的過渡，也可以用于生成與軌跡匹配的行走動畫。通過深度學(xué)習(xí)模型，動畫間補技術(shù)可以學(xué)習(xí)到關(guān)鍵幀之間的運動規(guī)律，并生成平滑自然的過渡動畫。

4. MotorNerve的軌跡控制和幀數(shù)預(yù)測擴展

MotorNerve系統(tǒng)在動畫間補技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了擴展，增加了軌跡控制和幀數(shù)預(yù)測功能。軌跡控制允許用戶設(shè)置目標(biāo)軌跡，使角色沿特定軌跡移動。幀數(shù)預(yù)測可以根據(jù)當(dāng)前幀和目標(biāo)幀的姿勢預(yù)測要生成的幀數(shù)，使生成的動畫更加自然和流暢。

5. MotorNerve的應(yīng)用：交互過渡和行走過渡

MotorNerve系統(tǒng)可以用于生成角色動畫的交互過渡和行走過渡。交互過渡是指從當(dāng)前行走姿勢到即將播放的交互式動畫之間的過渡，例如從行走狀態(tài)過渡到拾取物品、開門等交互動作。行走過渡則是指生成與軌跡匹配的行走動畫，例如從靜止?fàn)顟B(tài)過渡到行走狀態(tài)，或者改變行走方向等。

6. 基于深度學(xué)習(xí)的動畫生成技術(shù)在游戲開發(fā)中的重要作用

基于深度學(xué)習(xí)的動畫生成技術(shù)在游戲開發(fā)中具有重要作用。它可以大大減少動畫師的工作量，提高動畫生成的效率。同時，深度學(xué)習(xí)模型可以學(xué)習(xí)到更加真實的運動規(guī)律，生成更加流暢和自然的動畫。此外，基于深度學(xué)習(xí)的動畫生成技術(shù)還可以實現(xiàn)實時動畫生成，為游戲帶來更加豐富的交互體驗。因此，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在游戲動畫領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

總結(jié)

基于深度學(xué)習(xí)的角色動畫技術(shù)正在引領(lǐng)游戲行業(yè)的發(fā)展，為游戲體驗帶來革命性的改變。本文深入探討了這一領(lǐng)域的最新進展和關(guān)鍵技術(shù)。

首先，介紹了傳統(tǒng)游戲動畫技術(shù)的基本原理，包括3D骨骼動畫、蒙皮技術(shù)以及狀態(tài)機、動作融合和IK等動畫交互控制方法。雖然這些技術(shù)可以實現(xiàn)基本的動畫效果，但存在狀態(tài)機復(fù)雜度高、動畫過渡不自然等問題。

為了解決這些問題，Motion Matching技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)通過計算角色當(dāng)前狀態(tài)的特征，與動畫庫中的所有動畫幀進行匹配，實現(xiàn)了動畫的自動匹配。Dance Card動捕流程用于采集高質(zhì)量的動捕數(shù)據(jù)，而預(yù)計算和運行時匹配算法則提高了匹配的效率。盡管Motion Matching技術(shù)具有自動化和靈活性等優(yōu)點，但也存在響應(yīng)速度慢、數(shù)據(jù)量大等問題。

在UE5中，Motion Matching得到了進一步的實現(xiàn)和優(yōu)化。軌跡修正和編輯工具等優(yōu)化方法提高了動畫的自然度，而Learned Motion Matching則通過機器學(xué)習(xí)模型預(yù)測最佳動畫幀，減少了數(shù)據(jù)需求并提高了流暢性。模型訓(xùn)練和推理優(yōu)化，以及多人場景下的性能優(yōu)化，使得Motion Matching在復(fù)雜游戲場景中也能保持良好的表現(xiàn)。

此外，基于深度學(xué)習(xí)的角色動畫技術(shù)也在快速發(fā)展。PFNN和MANN等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以學(xué)習(xí)角色運動規(guī)律，實時生成動畫。MotorNerve系統(tǒng)則進一步擴展了這些技術(shù)，實現(xiàn)了軌跡控制和幀數(shù)預(yù)測。MotorNerve可以用于生成交互過渡和行走過渡動畫，使得動畫更加自然和流暢。

MotorNerve：一種使用機器學(xué)習(xí)的角色動畫系統(tǒng)【GDC 2024】 - GameRes游資網(wǎng)

新一代動畫技術(shù)：Motion Matching - 知乎

Motion Matching 技術(shù)介紹和實現(xiàn) - 知乎