MD5骨骼动画模型加载

前面我们分析了静态模型OBJ格式，桢动画模型MD2，这篇主要分析骨骼动画MD5的一些概念并且实现。

　　混合桢动画有计算简单，容易实现等优点，但是在需要比较细致的效果时，则需要更多的关键桢，每桢都添加相同的顶点，如果模型再细分一些，则比较恐怖了。在这基础上，则发展出了骨骼动画模型，原理说起来很简单，比如我们人类，做的各种动作具体都是由几个关节点来控制，比如你抬腿，你只把你大腿的骨骼调动起来，而大腿的肌肉跟着骨骼向上。由些我们只需要保存每桢的骨骼变动，然后再上面蒙上表皮。因此大量简单了顶点存储，并且，我们能方便的对骨骼实时改动就能添加不同的动画，但是因为骨骼的改变都是针对父骨骼来的，而蒙皮操作又是针对骷髅节点来做的，这些操作需要大量的运算。

　　下面我们来解析MD5骨骼模型中，一些基本的概念与实现，在MD5，除去纹理图片，有二个比较主要的文件，一个是后缀为md5mesh的文件，一个是后缀为md5anim的文件，二个文件如他们的后缀名所表达的意思一样，前者和OBJ模型里的描述比较类似，主要包含每部分的顶点，面，纹理组成，不同于OBJ模型的的，这些元素是变化的，因此在OBJ模型有一些新的元素，如顶点不是单独的顶点，而是由一个或多个权重点构成，每个权重点关联着对应着骨骼节点，这样骨骼节点的改变能引起权重点的改变，而权重点的改变又引起了顶点的改变，至于为什么要用到权重点来连接骨骼和顶点，而不是直接用骷髅和顶点关联，首先拿我们来说，我们身上有些位置并不是只和一个骨骼节点有关，更多是和多个节点有关，这样能让动画更真实，也避免在关节点产生重合和断裂的现象。

　　首先我们来解析md5mesh文件里的信息，在这个文件里，主要有二大元素，一个是骨骼节点信息，一个是多个部位蒙皮信息，下面我简化了一个md5mesh，实际肯定不可能这样，主要是用来说明各节点用的。

　　

　　在文件中我都加了注释，简单来说，第一行是版本信息，下面写的解析也是针对这个10的版本，然后是命令行，骨骼节点数，蒙皮组件数，然后是骨骼节点的具体信息，在这里包含每个骨骼的父索引，顶点位置，四元数(包含旋转信息).在这里特别说下，这个骨骼节点的顺序暗含他们自己的索引，还有特别一点，在md5mesh文件中，骨骼的顶点位置与旋转信息是针对模型空间的，后面我们会看到在md5anim也有骨骼节点下的顶点位置与旋转信息，但是那是针对父骨骼节点坐标来的。然后就是蒙皮各个部分的详细信息，包含纹理坐标位置，顶点数，面的信息，权重信息，如前面所说，一个面包含3个顶点，每个顶点包含多个权重，每个权重关联一个或多个骨骼信息。下面根据上面各个部位来定义我们代码里各个类：

 蒙皮节点描述类

　　这里的类与文件里各个描述部分差不多都是一一对应，很好理解，因元组在F#编译器级别的默认支持，使我们不用想尽办法组织结构，让结构和原始文件保持一致就行，然后要用到的时候因函数式操作相关便利性，很少的代码就能拿到需要组合的数据。

　　在下面，我们具体处理如何加载md5mesh文件。

 读取蒙皮文件信息

　　在这里，差不多就把蒙皮文件里的所有信息处理完毕。其实如果只是md5mesh，他就相当于一个复杂了些，包含了权重的OBJ模型，组织方式都大同小异，不信请看下面。我们记的在md5mesh前面骨骼也包含了顶点位置与四元数信息，根据这个，可以求得默认的权重点具体位置，然后就能得到顶点的具体位置，然后得到面，然后绘制，下面这段代码可以在没有md5anim文件里，绘制一个静态的，相当于OBJ模型一样功能的模型。　　

 根据蒙皮文件绘制模型

　　这段代码比较简单，就是上面所说，求面中的顶点，顶点根据权重求，权重根据骨骼当前状态来得到，还是和上面一样说明下，md5mesh里的骨骼节点是模型坐标系下的，所以骨骼节点不需要做转化。

　　这里说下四元数，在3D中，我们表示旋转一般有矩阵，欧拉角，四元数，平常我们所用都是矩阵与欧拉角，四元数用到复数，理解起来比较麻烦，我现在也只是记着一些四元数的特性，能实现平滑插值，点p用四元数旋转后得到点p1=ap(a的逆).四元数和矩阵一样，满足结合律，但是不满足交换律。四元数的有向量部分v(x,y,z)和一个分量w,几何意义可以描述为对于一个向量n,旋转@角，四元数就是[w=cos(@/2),sin(@/2)*n]=[w=cos(@/2),sin(@/2)*nx,sin(@/2)*ny,sin(@/2)*nz],根据这个定义，可以推导出一些四元数的特性，如四元数的共轭和四元数代表相反的角位移，上面的p1=ap(a的逆).

　　如果没有md5anim文件，MD5文件也就和OBJ文件一样，只是一个静态的模型，下面让我们来分析md5anim的相关格式。下面一样给出一个简化了的样式。

　　各信息我给出了基本标注，比较重要的每秒多少桢，桢的具体信息，这个顺序与前面md5mesh是对应的，父索引也是一样的，不同的是，后面二个整数，一个表示应该读frame的那些数据，一个表示读的位置的起点。给出对应的代码格式。

 MD5动画格式

　　分别定义了，Md5JointInfo，Md5BaseFrame，Md5Frame，大家可以看出多了Md5SkeletonJoin与Md5FrameSkeleton，没有与文件里的信息对应，这里就是要大家前面老注意的一个地方，在md5mesh文件，给的骨骼节点坐标已经是模型坐标系下的，而md5anim给出的骨骼节点坐标只是针对父骨骼节点里的，Md5SkeletonJoin与Md5FrameSkeleton就是Md5Frame根据父骨骼节点求出的在模型坐标系下的坐标。

　　下面首先是加载md5anim信息的代码：

 加载MD5动画模型

　　这部分代码也是一些IO操作，把读到的信息都放入Md5Animation里去，这个类主要做二件事，一是得到正确的Md5SkeletonJoin与Md5FrameSkeleton，就是得到Md5Frame根据父骨骼节点求出的在模型坐标系下的坐标。然后一些，就是根据当前时间，当前桢率得到正确的插值，这部分和MD2插值差不多。请看主要代码：

 MD5动画计算模型坐标下骨骼节点与线性插值

　　关键部分我都写了注释，应该容易看明白，如上面所说，二件事，一是CreateFrameSkeleton，这个首先根据flag与startIndex读取文件，然后把在父骨骼坐标系中的点转化成模型坐标系下的点。二是GetCurrentFrameSkeleton，分别得到所在时间的当前桢与下一桢，然后根据在这桢之间的位置插值得到各骨骼节点正确的坐标。渲染部分在这里，考虑到因为一个MD5模型本来包含几部分Mesh,然后每部分Mesh又包含各桢的情况，再想用MD2中关键桢顶点信息做VBO不现实，故直接用VA来输出渲染。　　

 输出MD5动画

　　到此，整个过程就差不多了，下面给出效果图：

　　

　　代码：源码与执行文件 http://files.cnblogs.com/zhouxin/MD5Load.zip 其中\bin\Release\CgTest.exe为可执行文件

　　其中EDSF前后左右移动，鼠标右键加移动鼠标控制方向，空格上升，空格在SHIFT下降。再发现，整个工程中，去掉OBJ，MD2模型后，加上DLL一共27M，压缩下才5M，能上传上来，前面每次都分开上传给大家造成不便了，其中为了突出MD5的重点，相应的法线没有自动生成，相关方法可以看前面OBJ，MD2里的，计算过程一样。

　　CPU和GPU各应该执行的操作让我的理解应该是，一次计算很久变一次应该交给CPU，而在渲染过程快速，大量执行的代码应该交给GPU来算，下一步目标，改进里面关于骨骼位置的计算，以及相应蒙皮的操作应该交给GPU，也就是放到着色器中去处理。