布娃娃（Ragdoll）系統(tǒng)
布娃娃系統(tǒng)，相信很多玩家已經(jīng)在大部分游戲中遇到過(guò)。作為一個(gè)已經(jīng)成熟并且普及的系統(tǒng)，Ragdoll被廣泛應(yīng)用于各種游戲，來(lái)提供一定程度上的物理模擬。
圖中是一個(gè)典型的Ragdoll應(yīng)用場(chǎng)景，敵人在被一拳打飛后，在地面翻滾倒地，整個(gè)過(guò)程顯得非常自然流暢。而且，在整個(gè)過(guò)程中，并沒(méi)有用到任何傳統(tǒng)“動(dòng)畫(huà)”，一切基于物理模擬效果。因而布娃娃系統(tǒng)，也是“程序生成動(dòng)畫(huà)”的一個(gè)重要手段。
模型與骨骼
模型
要理解Ragdoll系統(tǒng)為什么能實(shí)現(xiàn)物理模擬動(dòng)畫(huà)的效果，我們首先需要簡(jiǎn)單了解一下，傳統(tǒng)3D游戲中動(dòng)畫(huà)的實(shí)現(xiàn)方式。（已經(jīng)了解的同學(xué)可以直接跳到下一部分）
模型作為我們最常接觸的美術(shù)資源，其本身是由一系列頂點(diǎn)（坐標(biāo)）信息組成的數(shù)據(jù)集，因而顯然，單純的模型是純靜態(tài)的，我們?cè)赨nity->Gizoms中勾選Selection Wire就可以看到模型的線框圖。 在Unity中可以看到Mesh Renderer系列組件，其中Mesh就是模型的網(wǎng)格。
那么讓模型動(dòng)起來(lái)，要做的就是讓模型的各個(gè)頂點(diǎn)，按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)畫(huà)”效果，這也是經(jīng)典的“頂點(diǎn)動(dòng)畫(huà)”原理。
但是現(xiàn)代游戲，稍微復(fù)雜的一個(gè)模型常常有幾千上萬(wàn)的頂點(diǎn)，讓美術(shù)人員去手動(dòng)設(shè)置每個(gè)頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況顯然不現(xiàn)實(shí)，也很難實(shí)現(xiàn)合理的效果。
于是人們想到現(xiàn)實(shí)中，人類靠骨骼帶動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)，我們很少去直接控制身體上某塊肌肉運(yùn)動(dòng)，更多是去驅(qū)動(dòng)骨骼。只要骨骼按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，骨骼附帶的肌肉也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，骨骼動(dòng)畫(huà)的概念應(yīng)運(yùn)而生。
骨骼
“骨骼”其實(shí)是一個(gè)抽象概念，它參考了人體利用骨骼帶動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，為模型創(chuàng)建一個(gè)類似的、抽象的“骨骼”，如圖所示。
圖中就是一個(gè)包含骨骼的模型，這里利用了AnimationRigging插件中的BoneRenderer將骨骼以可視化的形式顯示了出來(lái)（不然骨骼是一個(gè)抽象概念，并不對(duì)應(yīng)某些可見(jiàn)實(shí)體）?？梢钥闯?，模型骨骼與人體骨骼非常相似，只是進(jìn)行了一定程度上的簡(jiǎn)化。
那么實(shí)際上， Unity 中的骨骼，只是一系列具有父子層級(jí)關(guān)系的空物體，其層級(jí)結(jié)構(gòu)一定程度上參考現(xiàn)實(shí)，父骨骼可以帶動(dòng)子骨骼運(yùn)動(dòng)（例如我們抬起大腿，小腿會(huì)跟隨大腿運(yùn)動(dòng)），Unity的父子結(jié)構(gòu)能夠很好的表達(dá)這一特點(diǎn)。從父骨骼向子骨骼連線，就得到了上圖中可視化的骨骼形狀，更易于表現(xiàn)出骨骼的形態(tài)。
圖中Armature表示的就是層級(jí)結(jié)構(gòu)的骨骼，body則是人物模型，再次說(shuō)明模型與骨骼是分離的。
蒙皮
所謂蒙皮，就是將模型的頂點(diǎn)附加到骨骼上的過(guò)程，也就是決定哪些“肌肉”受到哪些“骨骼”控制。建立好這樣的綁定關(guān)系后，當(dāng)我們驅(qū)動(dòng)手臂“骨骼”時(shí)，手臂部分的頂點(diǎn)也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，從而將動(dòng)畫(huà)制作中的控制“頂點(diǎn)”運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為了控制“骨骼”運(yùn)動(dòng)。
而頂點(diǎn)的蒙皮信息中，包含了該頂點(diǎn)受到哪些骨骼影響（可以有多個(gè)），及每根骨骼的權(quán)重，這樣在一些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，頂點(diǎn)跟隨變化的軌跡會(huì)更加細(xì)膩真實(shí)，同時(shí)能消除關(guān)節(jié)連接處的一些撕裂情況。
Unity 中使用 Skinned Mesh Renderer（帶蒙皮的網(wǎng)格渲染器）來(lái)實(shí)現(xiàn)這一效果。
骨骼動(dòng)畫(huà)
在拿到了一個(gè)蒙皮后的人物模型后，我們只需要控制骨骼運(yùn)動(dòng)便可以實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)模型頂點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。而動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)，實(shí)際上就是記錄了各個(gè)骨骼，在各個(gè)關(guān)鍵幀時(shí)的位置、旋轉(zhuǎn)信息。同時(shí)利用一些算法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀間的插值，實(shí)現(xiàn)骨骼的平滑移動(dòng)。（這部分一般交由動(dòng)畫(huà)師在專業(yè)軟件中制作，俗稱K動(dòng)畫(huà)，也就是K關(guān)鍵幀）
圖中所示就是一個(gè)動(dòng)畫(huà)文件的信息，可以看到各個(gè)骨骼在每個(gè)關(guān)鍵幀的位置信息。 有了以上準(zhǔn)備工作，我們的模型就可以動(dòng)起來(lái)啦。
Ragdoll
搞清楚傳統(tǒng)骨骼動(dòng)畫(huà)之后，Ragdoll的原理也就十分容易理解了。要想為人物添加Ragdoll效果，只需要在模型骨骼上掛載合適大小的碰撞體及剛體組件，讓骨骼運(yùn)動(dòng)受物理模擬驅(qū)動(dòng)（而非動(dòng)畫(huà)驅(qū)動(dòng)），即可實(shí)現(xiàn)基于物理效果的布娃娃系統(tǒng)。
Unity 原生Ragdoll
Unity原生是提供Ragdoll功能的，我們可以右鍵模型Prefab -> 3D Object -> Ragdoll...
按提示把骨骼對(duì)應(yīng)Transform拖入即可，注意的是，骨骼一般以髖關(guān)節(jié)為基礎(chǔ)，大概在人物腰部偏下 配置好后，Unity會(huì)自動(dòng)生成各肢體碰撞體，之后我們可以手動(dòng)調(diào)整碰撞體形狀以適應(yīng)模型
這時(shí)我們?cè)龠\(yùn)行游戲，發(fā)現(xiàn)人物已經(jīng)可以像布娃娃一樣癱倒了。
Unity原生的布娃娃系統(tǒng)功能非常簡(jiǎn)單，我們可以點(diǎn)進(jìn)之前配置有碰撞體的骨骼節(jié)點(diǎn)觀察一下。 可以看到肢體骨骼只是增加了一個(gè)RigidBody和Collider用于物理模擬，同時(shí)用CharacterJoint連接肢體模擬關(guān)節(jié)，剩余全部交給Unity物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。
原生 Ragdoll 系統(tǒng)不足
看過(guò)Unity Ragdoll系統(tǒng)后，很明顯能發(fā)現(xiàn)該套系統(tǒng)功能較為簡(jiǎn)單，有很大不足
- 碰撞體、剛體等組件直接掛載在骨骼物體上，影響骨骼結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，增加了耦合度
- 沒(méi)有Animator組件，意味著該Ragdoll系統(tǒng)只能單純受物理驅(qū)動(dòng)，無(wú)法與動(dòng)畫(huà)融合（因此Unity官方也建議僅將該系統(tǒng)用于角色死亡時(shí)表現(xiàn)）
- 狀態(tài)切換很困難、難以擴(kuò)展，且缺乏過(guò)渡（比如需要多套ragdoll不同表現(xiàn)時(shí)，要修改碰撞體和剛體參數(shù)同時(shí)控制啟用）
Ragdoll Mecanim Mixer
Ragdoll Mecanim Mixer 插件正是為了解決上面的這些痛點(diǎn)而出現(xiàn)的，對(duì)于這些問(wèn)題，該插件都實(shí)現(xiàn)了很好的解決方案（該插件可在Asset Store購(gòu)買，目前Unity最好的Ragdoll插件之一）
- Ragdoll碰撞體與骨骼分離，不直接關(guān)聯(lián)，降低耦合度
- 基于分離結(jié)構(gòu)，可以分別計(jì)算物理變換與動(dòng)畫(huà)變換，并實(shí)現(xiàn)融合
- 基于一套R(shí)agdoll碰撞體可以預(yù)設(shè)多種狀態(tài)，切換簡(jiǎn)單且可控制過(guò)渡平滑度
官方文檔：https://assetstore.altinqiran.kz/ramecan-mixer/files/GUIDE_ENG.pdf
該插件主要由兩個(gè)腳本組成
- Ragdoll Constructor
- Ramecan Mixer
Ragdoll Constructor
這個(gè)腳本主要用來(lái)為角色配置Ragdoll碰撞體及相關(guān)信息 掛載上腳本后，首先我們需要選擇為哪些骨骼創(chuàng)建碰撞體，規(guī)則和Unity原生Ragdoll基本一致。 選好后我們可以手動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)Ragdoll Avatar（Scriptable Object），用來(lái)保存配置信息（選擇已有配置可以避免每次重復(fù)設(shè)置）
之后我們就可以為每個(gè)骨骼設(shè)置碰撞體大小、質(zhì)量、關(guān)節(jié)可活動(dòng)范圍等配置
[圖片上傳失敗...(image-88e4e9-1661398137783)]
配置好Create后，我們就可以看到player外出現(xiàn)一個(gè)容器，其中Ragdoll作為單獨(dú)的物體進(jìn)行管理，與角色本身解耦
Ramecan Mixer
創(chuàng)建好Ragdoll后，我們可以看到player身上自動(dòng)添加了一個(gè)RamecanMixer組件，這個(gè)組件主要負(fù)責(zé)控制多種狀態(tài)切換及動(dòng)畫(huà)融合功能，可以配置每個(gè)骨骼的詳細(xì)參數(shù)，可以參考官方文檔，較容易理解
- 當(dāng)不需要Ragdoll物理效果時(shí)可以選擇 Is Kinematic 和 Only Animation，完全交由動(dòng)畫(huà)驅(qū)動(dòng)
- 當(dāng)需要Ragdoll物理效果時(shí)取消勾選 Is Kinematic，可以配置每根骨骼的詳細(xì)參數(shù)和角度限制
- 參數(shù)配置參考 （模擬尸體）見(jiàn)最后一節(jié)
配置好后，我們可以添加一個(gè)新的狀態(tài)進(jìn)行保存，之后可以用腳本控制切換 RamecanMixer.BeginStateTransition(Name)
RamecanMixer 原理分析
RamecanMixer 插件能夠?qū)崿F(xiàn)ragdoll與骨骼分離、實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)融合等效果，其物理模擬依然是基于 Unity 物理引擎，主要在于其新增融合算法，并不難理解
在 Bone.cs 中我們可以看到對(duì)于Ragdoll骨骼的詳細(xì)定義，其中兩個(gè)參數(shù)可以留意一下
- animTransform
- physTransform
很明顯，Ragdoll 骨骼分別記錄了當(dāng)前由動(dòng)畫(huà)驅(qū)動(dòng)的骨骼 Transform（也就是模型骨骼），以及由物理驅(qū)動(dòng)的 Ragdoll 骨骼Transform （位于Ragdoll物體下的一系列碰撞體）
在 RamecanMixer.cs 中，可以看到實(shí)現(xiàn)物理效果及與動(dòng)畫(huà)融合主要遵循以下流程
- FixedUpdate() 中進(jìn)行關(guān)于 RigidBody 的物理運(yùn)算，主要是在 rigidbody 與動(dòng)畫(huà)骨骼出現(xiàn)偏差時(shí)，通過(guò)對(duì) rigidbody 施力的方式去“彌補(bǔ)”差距，這樣可以實(shí)現(xiàn)物體的“慣性”效果
- Update() 中只進(jìn)行簡(jiǎn)單的賦值操作，記錄上一幀動(dòng)畫(huà)骨骼的變換信息
- LateUpdate() 中進(jìn)行的是核心的動(dòng)畫(huà)融合運(yùn)算，同時(shí)會(huì)基于前一幀剛體變換與當(dāng)前幀剛體變換進(jìn)行插值，實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡
有興趣的可以仔細(xì)閱讀插件源碼，配有注釋比較容易理解
Ragdoll 參數(shù)配置心得
上面介紹了 Ragdoll 實(shí)現(xiàn)原理，但是要想實(shí)現(xiàn)較好的模擬效果，需要對(duì)各個(gè)骨骼進(jìn)行詳細(xì)配置，同時(shí)反復(fù)耐心的調(diào)試，最終才能達(dá)到想要的效果，這里可以對(duì)一些重要參數(shù)提供一些參考，主要用于模擬的角色死亡效果
質(zhì)量配比
要實(shí)現(xiàn)較好的布娃娃效果，最重要的是各骨骼的質(zhì)量分配，這里建議以實(shí)際人體的質(zhì)量分配為基準(zhǔn)
- 頭部 – 7.30％
- 軀干（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％
- 腳 – 1.45％
- 手 – 0.66％
大腿等四肢，均指單條質(zhì)量。人體總重設(shè)置60-100KG之間較為合理
即設(shè)置 Ragdoll 骨骼質(zhì)量時(shí)不要嚴(yán)格遵循實(shí)際人體質(zhì)量分布，要在實(shí)際質(zhì)量的基礎(chǔ)上乘以對(duì)應(yīng)百分比，這個(gè)系數(shù)從髖部開(kāi)始向上下逐漸遞減 實(shí)際測(cè)試效果確實(shí)比嚴(yán)格遵循實(shí)際質(zhì)量分布更為符合直覺(jué)
RamecanMixer參數(shù)
- 開(kāi)啟self Collision
- Rotation Accuracy設(shè)為0.2或更低（保證關(guān)節(jié)靈活度）
- 角度限制開(kāi)啟（具體角度在Construct階段已配置好，建議參考人體關(guān)節(jié)可動(dòng)范圍）
- Joint Drive 中 Spring Rotation設(shè)為較低數(shù)值，保證關(guān)節(jié)可以擺動(dòng)，數(shù)值較高會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)較硬（會(huì)努力回彈到原始形態(tài)）
總結(jié)
Unity 實(shí)現(xiàn) Ragdoll 效果還是較為容易的，尤其是在現(xiàn)成插件的基礎(chǔ)上，我們要做的主要工作就是詳細(xì)配置 Ragdoll 參數(shù)，使其符合我們希望的效果。
