【Maya】详解三维旋转动画的技术运用--下篇（技术运用）

雨辰

【Maya】详解三维旋转动画的技术运用--下篇（技术运用）【旋转层级—摄像机动画的制作】
场景中一个小车从斜坡上飞下，然后斜坡后的摄像机镜头跟随车子进行摇动。

因为使用目标摄像机（Camera and Aim），很多时候并不能满足我们对于动画的细节要求，因此这里我使用常规的摄像机来说明旋转顺序的重要性。
首先进入摄像机视点，移动到相应位置。在后面的动画设置中，将只对摄像机的旋转数值进行操作，不改变摄像机的位置。
1.在小车即将飞越斜坡时设置一个关键帧；

2.在小车飞到最高点时，再对摄像机设置一个关键帧；

3.小车落地时，对摄像机设置最后一个关键帧。

为了平滑动画效果，动画曲线使用默认的类型。播放观看动画效果。

从结果中可以看到，摄像机视点在过程中很不听话的偏离了预定路线，发生了严重的摇晃。
改变摄像机默认的旋转顺序（RotateOrder）xyz为zxy，然后重复前面的动画关键帧设置。

现在播放动画，可以看到，摄像机的跟随动画相对完善了很多。


对比一下两个不同旋转顺序的摄像机的动画曲线：camera1的曲线中，RotateX和RotateY轨道具有朝Y轴正向的趋势，而RotateZ则朝着Y轴负向，且曲线关键点之间的数值变化较大；camera2的曲线较为平缓，统一朝向Y轴负向。不难看出，如果需要调节动画曲线，camera2的曲线形态更容易控制。



旋转顺序对于动画的影响是很直接的，因此我们要根据动画的需要改变物体的旋转顺序。在上篇我已提到，旋转顺序的设置，关键点就在于“最高层级的旋转轴应该是动画中使用频率和数值范围变化最大的”。
现实拍摄中，摄像机最常发生的动作就是摇镜头，对于maya的坐标系就是Y旋转轴；在一定范围内，摄像机会有仰视和俯视的动作，那么对应的则是X旋转轴；摄像机左右倾斜（就像一个人歪着脑袋看景物）的几率并不大，那么Z旋转轴就是最低层级。因此，多数情况下，maya中摄像机最适合的旋转顺序就是zxy。

再举一个例子，赛车运动。同摄像机一样，赛车在地面上打转的几率最高，Y旋转轴依然是最高层级的；接着，X旋转轴是赛车前空翻时所需要的，Z旋转轴是赛车侧翻时所需要的。如果你要制作一段赛车前进中撞到障碍后向前翻腾的动画，那么最佳的旋转顺序就是zxy；如果你要制作一段赛车被旁边的金刚之类的怪物撞击后侧翻的动画，那么最佳的旋转顺序就是xzy。
如果在动画完成时发现物体选错了旋转顺序，可以通过欧拉过滤（EulerFilter）和四元插值来解决。选择camera1，然后在GraphEditor动画曲线编辑器中，执行Curves->EulerFilter。

此时动画曲线变得较为平缓，解决了可能产生万向节翻转的问题。播放动画，发现效果虽然有了改进，但是仍无法避免摄像机的晃动，此时涉及到的就是欧拉旋转的“绕远”问题。

选择三条旋转动画的曲线，执行Curves->ChangeRotationInterp->QuaternionSlerp，将欧拉曲线四元化。

*注意：四元化命令和EulerFilter 是分别独立的，两者并无直接联系。

经过四元插值计算的camera1的动画，现在看起来和camera2效果差不多了，而且具体的说来，此时的camera1旋转动画比camera2更为标准。

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以下是删除camera2动画中间关键帧的RotateY关键点后的效果，直接实现了流畅的镜头动画（未调节曲线的正切手柄）

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【欧拉过滤-万向节翻转的解决】
接下来，进一步介绍欧拉过滤（EulerFilter）的重要性：纠正万向节锁或者翻转的产生。
角色的手臂关节是旋转动画中运动最为灵活的部位，通常很难选用一个合适的旋转顺序。
1.在第1帧时，设置角色手臂关节的第一个关键帧；

2.第50帧时，设置手臂关节的第二个关键帧。

3.播放动画。

我使用了一个粒子发射器跟随手臂运动，绘制出旋转动画的路线。从动画效果中可以看到，角色手臂并没有按预计的动作过程干脆利索的完成一个抬手动作，而是绕了一个大圈子，甚至穿插到角色身体模型中才到达终点位置。
选择手臂关节，在GraphEditor中执行Curves->EulerFilter，再次播放动画。

万向节翻转的问题得到了不错的解决。欧拉过滤除了在手工调节的旋转动画中需要用到，在导入动作捕捉数据时也会很有帮助。例如，捕捉动画数据过程中因复杂的动作而导致旋转曲线变形，使用欧拉过滤可使变形的曲线正常化。不过，经过欧拉过滤修正后的动画曲线，若非需要，尽量不要添加新关键帧，否则会导致相应的X,Y,Z关键帧异常。
3DS Max中，欧拉过滤对应的位置：
Graph Editors->Track View->Utilities-> TrackViewUtilities->Euler Filter

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【四元数-欧拉旋转问题的解决】
上篇提到“解决翻转问题使用的是欧拉过滤（EulerFilter），解决绕远问题则是使用四元插值来计算动画曲线（四元插值也能同时解决万向节翻转的问题）”。
欧拉过滤仅解决了旋转动画异常翻转的问题，但是并不能改进动画的最佳过程，虽然很多时候动画效果在我们看来已经可以接受。以下就介绍四元数的运用。
1.在第1帧时，设置角色手臂关节的第一个关键帧；

2.第50帧时，设置手臂关节的第二个关键帧。

3.播放动画。



这次，手臂并没有发生异常的万向节翻转，使用EulerFilter也没有任何效果，但是从粒子绘制的动画路线中可以看出，角色的手臂进行了一个较为夸张的向外伸展动作后才到达终点位置，这说明欧拉旋转插值造成了明显的“绕远”动画路线。欧拉旋转下，这个问题只能通过增加过渡关键帧来解决，而使用四元数可以得到快速的纠正。在GraphEditor中选择手臂关节的旋转轨道或者动画曲线，执行
Curves->ChangeRotationInterp->QuaternionSlerp。
播放动画，可以看到动画效果得到了纠正。



四元数能解决欧拉旋转产生的各种问题，但它无法制作关键帧之间超过360度的旋转，并且在欧拉曲线转换为四元曲线后，很难再编辑关键帧的位置和正切手柄。当然，转换为四元插值计算的动画曲线，你可以加入新的关键帧并通过旋转手柄对其进行调节。四元数比较适合制作旋转幅度较大且运动较为单一的旋转动画。
如果确实需要对四元曲线进行正切手柄的操作，可以使用maya的TraxEditor轨道编辑器中的TimeWarp（时间变形）功能，对新增加的TimeWarp曲线进行类似动画曲线的调节。因为这个操作属于TraxEditor和GraphEditor的使用技术，此处我就不详细说明了。相对于3dsMax，目前的maya在四元数的操作上稍显复杂，因此四元数的直接应用并不是很流行。

在3dsMax中，四元数就是TCB类型的动画曲线控制器：赋予“TCB旋转”的控制器给旋转属性，也就相当于把“EulerXYZ”的控制器类型转为了四元数控制。TCB类型的动画控制器，可以通过更改TCB（张力，连续性，偏移）数值来改变动画曲线，控制十分方便。

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【总结】
虽然四元数具有很大的优势，但是多数动画师都会很谨慎的对待欧拉旋转和四元数的转换。毕竟转换为四元数后，动画的编辑将缺少灵活性，相对说来，EulerFilter欧拉过滤会更为实用。相比增加关键帧来改善欧拉旋转的动画效果，四元数象征着标准规范，不过普遍的动画就是一种视觉上“看上去那么一回事”就可以了，因此四元数被很多动画师忽略也是情有可言的。

附语：在游戏引擎中，四元数是常用的动画插值计算方式，尤其作为动作之间的过渡动画的计算插值；景观软件VUE中的动画插值采用的也是四元数。  

dalee001

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pivisy

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baiping2015

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zh35766

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1860xj

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pivisy

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九蛇女帝

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