网易大咖分享之从Unity_RagDoll系统科普到动画全部基础原理

Posted 2021-12-30 avi9111

关注我博客的同学应该知道，这个星期都在做一些MMD动作相关的，刚好做到动作这快

十分惭愧！工作多年，还没好好系统地分析过动作这块

今天带来网易大咖（可能只是工作室内的小小员工，网易还有分大的产品组，下面才是各小小工作室，然后其中里面的一个员工，可以吊打市面80%游戏从业人员)的分享

（当然，以下内容和公司真正工作内容还是有些出入，各公司之间人员，做法等也会有很大差别，不能盲目相信或者模仿某一种做法，这里仅仅是转载一些基础知识，请按自身需要挑选食用）

关键还是大量的相关知识阅读，“内化”，举一反三，能快速解决自身当前的问题

 

一文搞懂 Unity 布娃娃（Ragdoll）系统 让角色更加真实 （附实用Ragdoll插件详解）

布娃娃（Ragdoll）系统

布娃娃系统，相信很多玩家已经在大部分游戏中遇到过。作为一个已经成熟并且普及的系统，Ragdoll被广泛应用于各种游戏，来提供一定程度上的物理模拟。 

图中是一个典型的Ragdoll应用场景，敌人在被一拳打飞后，在地面翻滚倒地，整个过程显得非常自然流畅。而且，在整个过程中，并没有用到任何传统“动画”，一切基于物理模拟效果。因而布娃娃系统，也是“程序生成动画”的一个重要手段。

模型与骨骼

模型

要理解Ragdoll系统为什么能实现物理模拟动画的效果，我们首先需要简单了解一下，传统3D游戏中动画的实现方式。（已经了解的同学可以直接跳到下一部分）

模型作为我们最常接触的美术资源，其本身是由一系列顶点（坐标）信息组成的数据集，因而显然，单纯的模型是纯静态的，我们在Unity->Gizoms中勾选Selection Wire就可以看到模型的线框图。 在Unity中可以看到Mesh Renderer系列组件，其中Mesh就是模型的网格。

那么让模型动起来，要做的就是让模型的各个顶点，按照一定规律运动起来，实现“动画”效果，这也是经典的“顶点动画”原理。

但是现代游戏，稍微复杂的一个模型常常有几千上万的顶点，让美术人员去手动设置每个顶点的运动情况显然不现实，也很难实现合理的效果。

于是人们想到现实中，人类靠骨骼带动肌肉运动，我们很少去直接控制身体上某块肌肉运动，更多是去驱动骨骼。只要骨骼按照一定规律运动，骨骼附带的肌肉也会随之运动，骨骼动画的概念应运而生。

骨骼

“骨骼”其实是一个抽象概念，它参考了人体利用骨骼带动肌肉运动的规律，为模型创建一个类似的、抽象的“骨骼”，如图所示。

图中就是一个包含骨骼的模型，这里利用了AnimationRigging插件中的BoneRenderer将骨骼以可视化的形式显示了出来（不然骨骼是一个抽象概念，并不对应某些可见实体）。可以看出，模型骨骼与人体骨骼非常相似，只是进行了一定程度上的简化。

那么实际上， Unity 中的骨骼，只是一系列具有父子层级关系的空物体，其层级结构一定程度上参考现实，父骨骼可以带动子骨骼运动（例如我们抬起大腿，小腿会跟随大腿运动），Unity的父子结构能够很好的表达这一特点。从父骨骼向子骨骼连线，就得到了上图中可视化的骨骼形状，更易于表现出骨骼的形态。

图中Armature表示的就是层级结构的骨骼，body则是人物模型，再次说明模型与骨骼是分离的。

蒙皮

所谓蒙皮，就是将模型的顶点附加到骨骼上的过程，也就是决定哪些“肌肉”受到哪些“骨骼”控制。建立好这样的绑定关系后，当我们驱动手臂“骨骼”时，手臂部分的顶点也会随之运动，从而将动画制作中的控制“顶点”运动简化为了控制“骨骼”运动。

而顶点的蒙皮信息中，包含了该顶点受到哪些骨骼影响（可以有多个），及每根骨骼的权重，这样在一些复杂运动的过程中，顶点跟随变化的轨迹会更加细腻真实，同时能消除关节连接处的一些撕裂情况。

Unity 中使用 Skinned Mesh Renderer（带蒙皮的网格渲染器）来实现这一效果。

骨骼动画

在拿到了一个蒙皮后的人物模型后，我们只需要控制骨骼运动便可以实现带动模型顶点运动。而动画数据，实际上就是记录了各个骨骼，在各个关键帧时的位置、旋转信息。同时利用一些算法实现关键帧间的插值，实现骨骼的平滑移动。（这部分一般交由动画师在专业软件中制作，俗称K动画，也就是K关键帧）

图中所示就是一个动画文件的信息，可以看到各个骨骼在每个关键帧的位置信息。 有了以上准备工作，我们的模型就可以动起来啦。

Ragdoll

搞清楚传统骨骼动画之后，Ragdoll的原理也就十分容易理解了。要想为人物添加Ragdoll效果，只需要在模型骨骼上挂载合适大小的碰撞体及刚体组件，让骨骼运动受物理模拟驱动（而非动画驱动），即可实现基于物理效果的布娃娃系统。

Unity 原生Ragdoll

Unity原生是提供Ragdoll功能的，我们可以右键模型Prefab -> 3D Object -> Ragdoll...

按提示把骨骼对应Transform拖入即可，注意的是，骨骼一般以髋关节为基础，大概在人物腰部偏下 配置好后，Unity会自动生成各肢体碰撞体，之后我们可以手动调整碰撞体形状以适应模型

这时我们再运行游戏，发现人物已经可以像布娃娃一样瘫倒了。

Unity原生的布娃娃系统功能非常简单，我们可以点进之前配置有碰撞体的骨骼节点观察一下。 可以看到肢体骨骼只是增加了一个RigidBody和Collider用于物理模拟，同时用CharacterJoint连接肢体模拟关节，剩余全部交给Unity物理系统进行模拟。

原生 Ragdoll 系统不足

看过Unity Ragdoll系统后，很明显能发现该套系统功能较为简单，有很大不足

• 碰撞体、刚体等组件直接挂载在骨骼物体上，影响骨骼结构的简单性，增加了耦合度
• 没有Animator组件，意味着该Ragdoll系统只能单纯受物理驱动，无法与动画融合（因此Unity官方也建议仅将该系统用于角色死亡时表现）
• 状态切换很困难、难以扩展，且缺乏过渡（比如需要多套ragdoll不同表现时，要修改碰撞体和刚体参数同时控制启用）

Ragdoll Mecanim Mixer

Ragdoll Mecanim Mixer 插件正是为了解决上面的这些痛点而出现的，对于这些问题，该插件都实现了很好的解决方案（该插件可在Asset Store购买，目前Unity最好的Ragdoll插件之一）

• Ragdoll碰撞体与骨骼分离，不直接关联，降低耦合度
• 基于分离结构，可以分别计算物理变换与动画变换，并实现融合
• 基于一套Ragdoll碰撞体可以预设多种状态，切换简单且可控制过渡平滑度

官方文档：assetstore.altinqiran.kz/ramecan-mix…

该插件主要由两个脚本组成

• Ragdoll Constructor
• Ramecan Mixer

Ragdoll Constructor

这个脚本主要用来为角色配置Ragdoll碰撞体及相关信息 挂载上脚本后，首先我们需要选择为哪些骨骼创建碰撞体，规则和Unity原生Ragdoll基本一致。 选好后我们可以手动创建一个Ragdoll Avatar（Scriptable Object），用来保存配置信息（选择已有配置可以避免每次重复设置）

之后我们就可以为每个骨骼设置碰撞体大小、质量、关节可活动范围等配置

配置好Create后，我们就可以看到player外出现一个容器，其中Ragdoll作为单独的物体进行管理，与角色本身解耦

Ramecan Mixer

创建好Ragdoll后，我们可以看到player身上自动添加了一个RamecanMixer组件，这个组件主要负责控制多种状态切换及动画融合功能，可以配置每个骨骼的详细参数，可以参考官方文档，较容易理解

• 当不需要Ragdoll物理效果时可以选择 Is Kinematic 和 Only Animation，完全交由动画驱动
• 当需要Ragdoll物理效果时取消勾选 Is Kinematic，可以配置每根骨骼的详细参数和角度限制
• 参数配置参考 （模拟尸体）见最后一节

配置好后，我们可以添加一个新的状态进行保存，之后可以用脚本控制切换 RamecanMixer.BeginStateTransition(Name)

就可以看到细腻的物理效果啦

RamecanMixer 原理分析

RamecanMixer 插件能够实现ragdoll与骨骼分离、实现动画融合等效果，其物理模拟依然是基于 Unity 物理引擎，主要在于其新增融合算法，并不难理解

在 Bone.cs 中我们可以看到对于Ragdoll骨骼的详细定义，其中两个参数可以留意一下

• animTransform
• physTransform

很明显，Ragdoll 骨骼分别记录了当前由动画驱动的骨骼 Transform（也就是模型骨骼），以及由物理驱动的 Ragdoll 骨骼Transform （位于Ragdoll物体下的一系列碰撞体）

在 RamecanMixer.cs 中，可以看到实现物理效果及与动画融合主要遵循以下流程

• FixedUpdate() 中进行关于 RigidBody 的物理运算，主要是在 rigidbody 与动画骨骼出现偏差时，通过对 rigidbody 施力的方式去“弥补”差距，这样可以实现物体的“惯性”效果
• Update() 中只进行简单的赋值操作，记录上一帧动画骨骼的变换信息
• LateUpdate() 中进行的是核心的动画融合运算，同时会基于前一帧刚体变换与当前帧刚体变换进行插值，实现平滑过渡

有兴趣的可以仔细阅读插件源码，配有注释比较容易理解

Ragdoll 参数配置心得

上面介绍了 Ragdoll 实现原理，但是要想实现较好的模拟效果，需要对各个骨骼进行详细配置，同时反复耐心的调试，最终才能达到想要的效果，这里可以对一些重要参数提供一些参考，主要用于模拟的角色死亡效果

质量配比

要实现较好的布娃娃效果，最重要的是各骨骼的质量分配，这里建议以实际人体的质量分配为基准

• 头部 – 7.30％
• 躯干（胸部，背部和腹部） – 50.80％
• 大腿 – 9.88％
• 小腿 – 4.65％
• 上臂 – 2.7％
• 前臂 – 1.60％
• 脚 – 1.45％
• 手 – 0.66％

大腿等四肢，均指单条质量。人体总重设置60-100KG之间较为合理

在研究了顽皮狗在 GDC2017 上关于 Ragdoll 的演讲（Physics Animation in Uncharted 4: A Thief's End）后，发现他们对于质量分布有一套经验规律

即设置 Ragdoll 骨骼质量时不要严格遵循实际人体质量分布，要在实际质量的基础上乘以对应百分比，这个系数从髋部开始向上下逐渐递减 实际测试效果确实比严格遵循实际质量分布更为符合直觉

RamecanMixer参数

• 开启self Collision
• Rotation Accuracy设为0.2或更低（保证关节灵活度）
• 角度限制开启（具体角度在Construct阶段已配置好，建议参考人体关节可动范围）
• Joint Drive 中 Spring Rotation设为较低数值，保证关节可以摆动，数值较高会导致关节较硬（会努力回弹到原始形态）

总结

Unity 实现 Ragdoll 效果还是较为容易的，尤其是在现成插件的基础上，我们要做的主要工作就是详细配置 Ragdoll 参数，使其符合我们希望的效果。 之后我会基于这套系统研究一下除死亡动画外，Ragdoll与其他动作的物理融合（如攀爬等），希望实现顽皮狗在神海4中的物理效果

顽皮狗GDC参考链接：www.youtube.com/watch?v=7S-…