UE4 骨骼动画姿势提取过程源码浅析

陈卓

前言：本文主要介绍UE4骨骼动画Pose的获取大致过程，文章不一定全部正确，如有错误欢迎指正。本文分析的源码对应引擎版本为UE4.26。
1.问题引入

我们知道骨骼动画是通过Pose姿势来表现的，那这个姿势究竟是什么？又是怎么计算得到的呢？


2.Pose姿势介绍

其实所谓的Pose就是一个Transform数组，存储着每个骨骼当帧的位置、旋转、缩放信息，有了Pose数据和蒙皮信息就能渲染出当帧模型的最终表现。
那这个Transform数组存在哪儿，每帧又是怎么更新的呢，答案是在USkeletalMeshComponent中：


BoneSpace：
如USkeletalMeshComponent类图如所示，BoneSpaceTransforms存储的是每个骨骼的本地Transform信息，也就是相对于父骨骼的相对坐标，在预览界面其实就是如下的值：


ComponentSpace：
ComponentSpaceTransformsArray存储的是每个骨骼的组件Transform信息，也就是游戏里相对于SkeletalMeshComponent的Transform，也可以理解为以 root所在的坐标系为原点，每个骨骼在这个坐标系下的Transform。（注意不是相对于root，举个例子root坐标为（0，0，20），pelvis骨骼相对root为（0，0，50），那么pelvis的Component坐标就为（0，0，70）），在预览界面其实就是如下的值：


另外ComponentSpaceTransformsArray数组是两份数据，一份只读一份可写，USkinnedMeshComponent提供了几个函数用于获取只读的、可写的ComponentSpaceTransforms：


3.姿势提取过程

接下来我们来看下这些骨骼数据的提取过程。
如上面类图所示，在USkeletalMeshComponent上还有一个AnimEvaluationContext成员


这个结构也有一份ComponentSpaceTransforms和BoneSpaceTransforms，在进入Evaluate提取姿势之前，会先执行一次USkeletalMeshComponent::SwapEvaluationContextBuffers：


那这里交换两份数据的意义是什么呢，笔者的理解是：动画更新存在多线程执行，两份buffer骨骼数据的设计是为了避免线程冲突等问题，在动画线程上就访问AnimEvaluationContext成员来更新骨骼姿势，在主线程就访问USkeletalMeshComponent上的Transform数据。
在骨骼姿势提取到AnimEvaluationContext里面后，会再次调用SwapEvaluationContextBuffers函数来把最新骨骼tranfrom信息又交换回USkeletalMeshComponent上的tranform数据里。
即对于多线程动画更新：
// 进入动画线程前交互数据
USkeletalMeshComponent::DispatchParallelEvaluationTasks
    USkeletalMeshComponent::SwapEvaluationContextBuffers
   
// 在动画线程更新AnimEvaluationContext数据
USkeletalMeshComponent::ParallelAnimationEvaluation
   
// 完成动画更新回到主线程再次交互数据
USkeletalMeshComponent::CompleteParallelAnimationEvaluation
    USkeletalMeshComponent::SwapEvaluationContextBuffers  
对于主线程动画更新：
USkeletalMeshComponent::DoParallelEvaluationTasks_OnGameThread
    // 交互数据
    USkeletalMeshComponent::SwapEvaluationContextBuffers
   
    // 更新AnimEvaluationContext数据
    USkeletalMeshComponent::ParallelAnimationEvaluation
   
    // 再次交互数据
    USkeletalMeshComponent::SwapEvaluationContextBuffers
3.1 提取BoneSpaceTransform

在执行第一次交换后，在ParallelAnimationEvaluation函数就会更新AnimEvaluationContext数据：
USkeletalMeshComponent::ParallelAnimationEvaluation
    USkeletalMeshComponent::PerformAnimationProcessing:


如代码所示，首先创建FCompactPose临时对象EvaluatedPose，通过EvaluateAnimation函数将骨骼信息提到此对象中：


也就是获取名为Bones的FTransform数组，这个数组存的是每个骨骼的BoneSpace数据。
以一个动画序列的RawData(原始数据)提取过程为例，首先动画序列上有如下数据：


RawAnimationData数组的每个元素代表每个骨骼信息，具体信息包括起始帧到末尾帧的位置、旋转、缩放等；
TrackToSkeletonMapTable为RawAnimationData的元素下标所对应的BoneTreeIndex。
以UE自带的第三人称Walk动画资源为例，以上两个数组成员的元素下标均是按骨骼从上往下排列（仅供参考，不代表所有情况）：


提取动画序列的上的姿势过程如下：
USkeletalMeshComponent::EvaluateAnimation
    ...
        FAnimNode_SequencePlayer::Evaluate_AnyThread
            ...
                BuildPoseFromRawDataInternal:


遍历RawAnimationData数组元素，根据TrackIndex下标通过TrackToSkeletonMapTable映射得到SkeletonBoneIndex，再通过FBoneContainer的SkeletonToCompactPose映射得到PoseBoneIndex：




FCompactPoseBoneIndex PoseBoneIndex正是我们需要获取的FCompactPose对象中Bones数组的元素下标，接着就对骨骼Bones数组元素进行更新来提取我们最终的Pose：




将姿势提取到FCompactPose EvaluatedPose对象后，USkeletalMeshComponent会调用FinalizePoseEvaluationResult函数将姿势应用到AnimEvaluationContext的BoneSpaceTransforms数组中：


会先通过FBoneContainer的BoneIndicesArray将FCompactPoseBoneIndex转换成FMeshPoseBoneIndex：


然后再通过MeshPoseIndex下标根据FCompactPose中的骨骼位置等信息对BoneSpaceTransforms数组进行填充。
3.2 计算ComponentSpaceTransform

前文提到，BoneSpace是每个骨骼相对父骨骼的，ComponentSpace是每个骨骼相对root所在坐标系的，所以有了BoneSpaceTransforms就可以计算得到ComponentSpaceTransforms数据。这一步是在FillComponentSpaceTransforms函数中处理：
USkeletalMeshComponent::FillComponentSpaceTransforms:
root骨骼排在数组第一个元素，因为没有父骨骼，所以ComponentSpace和BoneSpace都是一致的，所以直接赋值：


然后按骨骼链依次计算，当前骨骼的ComponentSpace信息就等于当前骨骼的BoneSpaceTransform相对于父骨骼ComponentSpaceTransform后的结果（因为按骨骼链计算能保证父骨骼先算，如有了root就能计算出pelvis，有了pelvis就能计算出spine_01）：


至此，骨骼数组信息即姿势就提取到了AnimEvaluationContext中，最后就是执行上面提到的SwapEvaluationContextBuffers操作来把数据交换给USkeletalMeshComponent上的tranform数据里：



本文旨在交流学习，同时方便自己在实际开发中随时查阅笔记。感谢阅览，如有疏漏错误之处还望批评指正！

熊保柱

刚点进来就爆炸了

档下灬很忧郁

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