关键帧动画与骨骼动画
关键帧动画在选定时间点指定运动，并在这些时间点之间进行插值；骨骼动画通过底层的骨骼层级驱动角色的表面。
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Definition
关键帧动画在艺术家设定的关键姿态之间对场景参数进行插值，而骨骼动画则根据分层骨骼结构的姿态来变形角色网格。
Scope
本主题涵盖位置和方向的插值，包括旋转的四元数插值、关节骨骼和正向运动学、将网格绑定到骨骼的蒙皮，以及求解关节角度以达到位置目标的逆向运动学。
Core questions
- 如何从关键姿态生成平滑的中间帧？
- 如何在不失真的情况下插值旋转？
- 骨骼层级如何使角色表面变形？
- 如何找到关节角度以达到目标位置？
Key concepts
- 关键帧插值
- 样条和四元数插值
- 骨骼层级
- 正向运动学
- 逆向运动学
- 蒙皮和蒙皮权重
Key theories
- 四元数旋转插值
- 将方向表示为单位四元数，并使用球面线性插值对其进行插值，可以实现平滑、最短路径的旋转，避免了欧拉角插值中出现的万向节锁和失真问题。
- 正向运动学和逆向运动学
- 正向运动学根据骨骼层级中的关节角度计算角色的姿态，而逆向运动学则解决了更困难的逆问题，即找到使末端执行器（end effector）位于所需位置的关节角度。
Clinical relevance
关键帧动画和骨骼动画是电影和游戏角色动画、虚拟现实和增强现实中化身（avatar）以及机器人技术和生物力学可视化中关节运动的基础。
History
关键帧系统源自传统动画；Shoemake于1985年提出的四元数曲线解决了平滑旋转插值问题，而结合逆向运动学的蒙皮技术成为生产流程中关节角色的标准。
Key figures
- Ken Shoemake
- Rick Parent
Related topics
Seminal works
- shoemake1985
- parent2012
Frequently asked questions
- 动画中的骨骼是什么？
- 它是角色内部不可见的骨骼层级；通过蒙皮技术，移动骨骼会使附着的表面网格变形，因此动画师可以摆弄简单的骨骼，而不是每个顶点。
- 为什么旋转要使用四元数？
- 四元数可以沿着最短路径平滑地插值旋转，并避免万向节锁（gimbal lock）问题，该问题会导致欧拉角表示失去一个自由度，并产生抖动或不确定的运动。