Скиннинг в 3D

Скиннинг — это один из важнейших этапов в производстве 3D-анимации, стоящий между риггингом и анимацией. Он отвечает за то, как трехмерная модель (меш) деформируется при движении скелета (рига). Грамотно выполненный скиннинг — это тонкий баланс между анатомической достоверностью, технической точностью и производительной оптимизацией.

📌 Что такое скиннинг?

Скиннинг — это процесс привязки вершин меша к костям скелета, чтобы при движении костей соответствующим образом деформировалась геометрия. Цель — добиться естественных, реалистичных и управляемых деформаций.

Базовая структура: меш, риг, скин

Чтобы понимать суть скиннинга, важно разобраться в трех основных компонентах:

  • Меш — это полигональная модель, состоящая из вершин, рёбер и граней.

  • Риг (скелет) — набор иерархически связанных костей или джоинтов, определяющих структуру и движения.

  • Скин (оболочка) — результат взаимодействия меша и рига через веса вершин.

Веса вершин и влияние костей

Каждая вершина меша может быть привязана к одной или нескольким костям, каждая из которых влияет на неё с определённым весом (в диапазоне от 0.0 до 1.0). Сумма всех весов для одной вершины обычно равна 1.0.

Пример:

Вершина V1:
- Bicep_Joint: 0.7
- Elbow_Joint: 0.3

Это означает, что при движении Bicep_Joint вершина будет следовать на 70% за этой костью и на 30% — за Elbow_Joint.

Методы скиннинга

Существует два основных метода скиннинга, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы.

1. Linear Blend Skinning (LBS) / Classic Skinning

Это самый распространенный метод.

  • Принцип: линейная интерполяция позиций вершин на основе влияния костей.

  • Плюсы: простота, высокая производительность.

  • Минусы: характерные артефакты — "candy-wrapper effect" (скручивание) и объемная потеря при сгибании.

2. Dual Quaternion Skinning (DQS)

Продвинутая альтернатива, основанная на дуальных кватернионах.

  • Плюсы: сохраняет объём при вращении, устраняет скручивание.

  • Минусы: дороже по вычислениям, сложнее реализовать кастомно.

Алгоритм скиннинга: шаг за шагом

  1. Инициализация рига: Создание скелетной структуры с иерархией костей.

  2. Биндинг (Skin Binding): Привязка меша к скелету.

  3. Вычисление матриц влияния: Каждая кость имеет локальную и глобальную трансформации.

  4. Преобразование вершин: Для каждой вершины вычисляется результирующая позиция через интерполяцию позиций, заданных влияющими костями.

  5. Нормализация весов: Веса должны быть нормализованы для избежания некорректной деформации.

Автоматический и ручной вес

Автоматический (heat map, proximity, voxel)

3D-пакеты (Maya, Blender, 3ds Max) предлагают автоматическое распределение весов при биндинге:

  • Heat Map Binding — использует расстояние и геометрию для расчета влияния.

  • Voxel-Based Binding — более продвинутый, учитывает объем.

Ручной

Художник вручную раскрашивает веса (weight painting) с помощью кистей:

  • Smooth: сглаживание весов.

  • Add/Subtract: добавление или удаление влияния.

  • Normalize: балансировка.

Практические советы

  • Контроль ключевых зон: Колени, локти, плечи — зоны риска, требующие особого внимания.

  • Проверка деформаций: Используйте тестовые позы, чтобы выявить артефакты.

  • Разделение влияния: Не более 4 костей на вершину — оптимально для игр и real-time.

  • Blend Weights: Используйте dual quaternion только там, где это необходимо.

Поддержка в популярных DCC и движках

Платформа Linear Skinning Dual Quaternion Weight Painting
Blender ✅ ✅ (опция) ✅
Maya ✅ ✅ ✅
Unity ✅ ⚠️ (ограничено) ✅ (через плагины)
Unreal Engine ✅ ✅ (с 5.x) ✅

Автоматизация и Machine Learning

С развитием AI появились инструменты автоматического скиннинга:

  • Ziva VFX / ZRT: Мышечные симуляции и автоскиннинг с помощью машинного обучения.

  • Weight Transfer Tools: Перенос весов между персонажами схожей топологии.

Оптимизация и производительность

Для реального времени:

  • Сокращение влияний: ограничить до 4 костей на вершину.

  • LOD меши: для дальних LOD можно bake-ить деформации.

  • GPU Skinning: используется в игровых движках для разгрузки CPU.

Скиннинг — это не просто технический процесс. Это искусство, требующее понимания анатомии, математики трансформаций и нюансов рендера. Плохой скиннинг способен испортить даже идеальную анимацию, а качественный — придать модели жизнь, пластичность и убедительность.

Яндекс.Метрика