角色骨骼绑定

第一章角色设定

毫无疑问，角色动画是电脑动画当中最富挑战性，最具成就感的工作之一。3维艺术家们通过数字骨骼运动的配合蒙皮表面的变形，塑造出栩栩如生的动画形象来。一部动画作品离开了角色，就好像水里没有了鱼，天空中没有了鸟，缺乏生气。

但是，想让没有实体，缺乏思想的数字角色动起来，可不是一件得轻松的事儿。试想一下，你怎样才能使一个雕塑走动起来呢？更何况没有实体的数字模型？所以，一个角色从模型到动画，还需要一些必要的设定工作。

而这些设定工作，可不止是要让数字角色可以像木偶或者皮影那样简简单单的动起来，更重要的是，还要动的真实。

如果说，角色动画就像是三维动画工作中的灵魂。那么，角色设置就是角色动画的脊梁。没有进行设置的角色，就好像鱼没有鳍，鸟失去了翅膀，失去了活力。

而且在Maya的世界里面角色并不像人们通常认为的那样，只是人或者动物。很多时候，三维艺术家们需要通过跳舞的酒瓶，飞动的旗帜，摇曳的树木……向观众传达某种信息。而这些通过自身的运动，向观众传达信息的物品，也被认为是角色。

由此可见，设定所涉及的范围之广，对象之复杂。可以说，所有的模型都可能成为角色，都可能需要适当的设定，使其便利而且正确的完成需要的表演。

下面通过实际的设置案例，逐步介绍角色设定的详细内容和必要技巧。

第一节骨骼系统及运动学工具

教学目的：清楚骨骼系统和运动学的概念，熟悉Maya骨骼系统的创建方法，掌握骨骼系统的运动方式。

调皮的台灯

Pixar公司所作的电影，几乎部部经典。就连片头那个小小的台灯，也独具个性。现在我们也来为一盏台灯做个简单的设定，看看能不能让它活起来。

我们先来观察一下这个台灯的结构，看看它有几个关节，想想一下这些关节是怎么转动的。

通过对这个模型的观察，我们可以发现：

如图所示：关节1是整个台灯可以在水平方向转动。2、3、4为台灯提供了纵向的转动能力。

一. 创建骨骼

根据刚才观察的结果，我们按照1、2、3、4的次序对应各点创建关节：

1.选择Skeleton > Joint Tool > 命令，弹出Tool Settings面板（如图6-1-02）。

观察Tool Defaults标签下的Auto Joint Orient中的选项是否为xyz。如果

是，调整为none选项。暂时不要关闭面板。

2.这个命令用来创建关节。在试图中的任意位置点击左键就可以创建关节

（joint），我们先在如下图所示的位置创建joint1。

3.回到Tool Settings面板把Auto Joint Orient的选项改为xyz。或者使用Reset

tool键还原为默认设置，此时Auto Joint Orient也应该为xyz。此时就可

以关闭面板了。

4.然后依次创建joint2、joint3、joint4。

这样就完成了一个关节链。

骨骼系统是由关节（joints）这种基本元素构成的，关节和关节之间的连接就是骨头(bones)。我们可以看到骨头总是从先创建的关节指向下一个关节。这种指向，体现了两个关节之间的层级关系。

关节和骨头构成了关节链或者肢体链。关节链是指任何一个关节都没有连接三个或者三个以上的骨头的骨骼。

而当一套骨骼中存在有三个或者更多骨头连接的关节的时候，就成为肢体链。

在Maya中没有明确定义兄弟关节，但实际上，在如图6-1-04所示的情况下，我们可以通过键盘上的左右方向键，在joint2、3、4、5之间来回的切换。所以习惯上，我们称之为兄弟关节。关节链中不存在兄弟关节。

通过方向键，我们会发现Maya中一些有趣的现象，比如向上键是选择其上一级的父关节，向下键是选择其长子关节（这里又是借用Maya没有定义的一个概念）。

二. 骨骼的命名

为了查找方便，我们需要把关节的名称改为比较具有意义的名字。我们把它们按创建的顺序依次修改为：light_downAxis、light_middleAxis、light_upAxis、light_headAxis。

这种做法不但在以后复杂的角色设定中帮助我们容易的选择修改，还能为角色以后在复杂的场景中动画提供了便利。

三. 给骨骼绑上IK手柄

现在我们给关节添加IK Handle(IK手柄)。

1.选择Skeleton > IK Handle Tool > 命令，弹出Tool Settings面板如下图。

在Tool Defaults标签下的IK Handle Options里，将Current Solver中的ikRP

solver(IK旋转平面手柄)改为ikSC solver(IK单链手柄)。

2.点击关节light-middleAxis，然后再点击（clampAxis）关节以创建ik SC

solver。

ikRP solver(IK旋转平面手柄)是引导关节链中所有的关节旋转，不能直接控制关节链的整体方向。

ikSC solver(IK单链手柄)是引导关节链中所有关节的旋转和关节链的整体方向。在这里我们要用这个工具。

两者的区别简单的来说就是：ikSC solver可以通过旋转手柄指针来控制关节链的旋转，如下图；而ikRP solver需要通过操作扭曲盘或者移动极向量来控制关节链的旋转，如下图。

四. 使骨骼控制机械手臂的运动

在物体与关节之间建立层级关系。

1.单击Window > Outliner命令，打开Outliner窗口。选择light_downPole

物体和light_beam1。用鼠标中键将它们拖动到light_downAxis关节中。

实际上，这种做法与先选择light_downPole和light_beam1，后选择light_downAxis，然后使用edit > parent一样。目的只是为了把downAxis和middlePole加为downAxis的子

物体。Parent命令有快捷键p。

2.单击进downAxis左边的图标，展开它的层级菜单观察它下面的层级关

系。这时它会显示为图标。如下图。

3.选择light_middleAxis、light_r_lawArm、light_l_lawArm、light_beam2和

light_beam3物体。用鼠标中键将它们拖动到light_middleAxis关节中。

4.同样单击middleAxis左边的图标，展开它的层级菜单。观察其下的层

级关系。

5.选择light_upAxis、light_r_upArm、light_l_upArm和light_beam4物体。

用鼠标中键将它们拖动到upAxis关节中。

6.单击进upAxis左边的图标，展开它的层级菜单观察。

7.选择light_headAxis、light_hand和light_head物体。用鼠标中键将它们拖

动到light_headAxis关节中。

8.单击进clampAxis左边的图标，展开它的层级菜单观察。

9.机械臂的层级设置已经完成。下面看一看它的运动。我们可以通过转动

关节，或者移动IK手柄来控制整个灯的动作。但是，灯罩部分却不受我

们的控制，无法像真实生活中的那样转动。

这是因为Maya当中，末关节（最后创建的关节），通常是不起作用的，所以我们现在需要给light_headAxis增加一个子关节，使它能够控制灯罩的转动。

10.使用关节创建命令，点击light_headAxis关节。

这时通过outliner我们可以看到，Maya并没有创建新的关节。在Maya中，当我们在创建关节的状态下第一次点击是在一个关节的位置，就等于告诉Maya你需要以这个关节为父关节，创建其子关节。

11.在灯罩中任意位置点击创建一个新的关节，改名为light_headTip。

现在，灯罩也可以任意转动了。

五. 限定关节的旋转方向和范围

通过对前面机械臂的运动，我们发现在根关节的位置有X轴、Z轴的旋转，这在实际生活中是不可能发生的，所以我们要限定根关节（downAxis）的旋转方

向。

1.选择根关节light_downAxis，单击Window > Attribute Editor命令或在键盘

上按Ctrl + A，打开属性面板。在joint属性中，有一个Degree Freedom

的选项，我们去掉X和Z前面的对勾，如下图。现在关节的转动已经被

正确的限定在Y轴方向上了。

2.同样的方法，把light_middleAxis和light_headAxis两个关节的旋转限定

在Z轴的方向上。

现在我们就完成了整个设定工作。

实际生活中，基本上不存在可以在任意方向，以任意角度旋转的关节，但是，的确有可以在任意方向旋转的，如：绳索、链条之类；也有可以在特定方向以任意角度旋转的，如：各种旋转轴承。为了能够正确的模拟如此复杂的情况，Maya提供了三种关节：球关节

球关节可绕它的三个局部坐标轴旋转。也就是既可以在任意方向又可以以任意角度旋转的理想关节，可以通过对其在旋转角度上的限制模拟绳索铁链等关节。

普通关节

普通关节可绕其中的两个局部坐标轴旋转。人的腕关节就是一个普通关节的典型例子，人的手也有旋转角度的限制。

铰链关节

铰链关节仅能绕一个局部坐标轴旋转。人的膝关节是铰链关节的典型例子，同样具有旋转角度的限制。

可以通过对这三种关节的旋转角度，加以适当的限定来模拟生活中的各种关节。我们可以通过调整关节属性面板中的Limit Information选项中的Rotate分项中的各项参数来加以控制。如下图所示，这六个参数分别控制了关节在三个轴向上的所能旋转到的最大位置。Min是沿对应轴反方向所能旋转的最大角度，而max是沿正方向的最大旋转角度。

第二节卡通角色设定：

教学目的：通过对于卡通角色的模型进行骨骼设定和绑定，帮助我们进一步提高对于模型分析的能力；掌握自己设计骨骼方案的能力，并借此探讨一下传统的两足类动物的设定方法。

活泼的女孩

现在我们通过一个实例的来学习如何为二足角色设定骨骼系统。

一、 骨骼系统的创建

1．选择Skeleton > Joint Tool > 命令，弹出Tool Settings面板，将Joint Settings标签下的Orientation中的选项调整为none。

2．在侧视图里依次创建关节。完成关节的创建后，按Enter键结束操作，按照下图所示在通道栏中将关节依次命名为Girl_L_Leg、Girl_L_Knee、Girl_L_Ankle、Girl_L_Heel、Girl_L_Ball和Girl_L_toe。

如果创建关节的时候，发现关节过大，妨碍观察，可以通过Display > Joint Size来调整关节显示的大小

3．上一步创建出来的骨骼位于两腿中间，在正视图中将骨骼移动到左腿的位置，如上图所示。

4．点击Skeleton > Mirror Joint > 打开Mirror Joint Options窗口，选择YZ作为镜像轴面，把Replacement names for duplicated joints选项中的Search For改成“_L_”，Replace With改成“_R_”，如图所示，然后点击Mirror按钮完成镜像复制。这样就可以将复制的右腿骨骼自动命名包含“_R_”的名称。

5．在模型的骨盆处创建一个关节，将其命名为Girl_L_Pelvis，选择腿部骨骼，按住Shift 键选择刚才创建的Girl_L_Pelvis关节，按P键将腿部骨骼作为它的子对象。

6．根据模型的身型创建上半身与头部的关节和骨骼，如下图所示。按住V键将刚才创建的第一节关节捕捉到Girl_L_Pelvis关节上，如下图所示。

2．将上半身与头部的关节从下到上依次命名为Girl_Back1、Girl_Back2、Girl_Back3、Girl_Back4、Girl_Back5、Girl_Neck、Girl_Head、Girl_HeadTop，如图3-1-6所示。

3．在前视图中胳膊的顶端创建一节关节，然后选择Skeleton > Joint Tool > 命令，把Joint Settings标签下的Orientation中的选项更改为xyz项，创建胳膊的骨骼，如图所示，使

用键盘上“P”键将胳膊的骨骼作为先前创建的单个关节的子对象。

4．在顶视图中选择胳膊中间的关节，按Insert键，移动位置，使其不再笔直，方便以后的操作，如图所示。

5．创建手指的骨骼，如下图所示。

6．检查手指骨骼，发现大拇指骨骼的弯曲方向不对，如图所示，选择状态栏中的、

和图标，此时在骨骼上会出现小的坐标轴，对骨骼进行轴向调整，使大拇指能按正确的方向弯曲，如下图所示，

7．选择手指的骨骼，通过按键盘上“P”键将它们作为胳膊骨骼的子物体。

8．给胳膊上的骨骼命名，依次为：Girl_L_Shoulder，Girl_L_Arm，Girl_L_Elbow，Girl_L_Hand，如图3-1-13所示。将手指部分的关节依次命名为，大拇指：

Girl_L_Thumb1，Girl_L_Thumb2，Girl_L_Thumb3；食指：Girl_L_FingerA1，

Girl_L_FingerA2，Girl_L_FingerA3，Girl_L_FingerA4；中指：Girl_L_FingerB1，

Girl_L_FingerB2，Girl_L_FingerB3，Girl_L_FingerB4；无名指：Girl_L_FingerC1，Girl_L_FingerC2， Girl_L_FingerC3，Girl_L_FingerC4；小拇指：Girl_L_FingerD1，Girl_L_FingerD2，Girl_L_FingerD3，Girl_L_FingerD4。

9．选择左臂骨骼，点击Skeleton > Mirror Joint > 打开Mirror Joint Options窗口，选择YZ作为镜像轴面，选择Mirror Function选项中的Behavior，把Replacement names for duplicated joints选项中的Search For改成“_L_”，Replace With改成“_R_”，然后点击Mirror按钮完成镜像复制。

10．在顶视图上将Girl_L_Shoulder关节稍稍前移，使其更符合真实情况。

11．选择Girl_L_Shoulder和Girl_R_Shoulder关节，将它们作为Girl_Back4关节的子对象，如下图所示。

12．选择Skeleton > IK Handle Tool命令，依次点击Girl_L_Leg和Girl_L_Ankle关节，在两个关节之间创建IK，此时骨骼会变成褐色。再分别在Girl_L_Ankle和Girl_L_Ball 关节，Girl_L_Ball和Girl_L_Toe关节之间创建IK。依次命名为Girl_L_AnkleIK，Girl_L_BallIK和Girl_L_ToeIK。

13．用同样的方法创建右腿的IK，并依次命名为Girl_R_AnkleIK，Girl_R_BallIK和Girl_R_ToeIK。

14．在Outliner窗口中使用Ctrl键和P键将Girl_L_AnkleIK和Girl_L_BallIK成组，命名为Girl_L_BallRot，按键盘上的Insert键，然后按住V键将中心点吸附到Girl_L_Ball 关节上。将Girl_R_ToeIK单独成组，命名为Girl_L_ToeRot，也将其中心点吸附到Girl_L_Ball关节上。将Girl_L_BallRot和Girl_L_ToeRot成组，命名为

Girl_L_AnkleRot，将它的中心点吸附到Girl_L_Ankle关节上。将该组再成组，命名为Girl_L_TopRot，将它的中心点吸附到Girl_L_Toe关节。将该组再次成组，命名为Girl_L_FootCon，将它的中心点吸附到Girl_L_Heel关节。

15．用同样的方法对右腿进行操作。

16．将上半身与下半身的骨骼成组，命名为Girl_CG，将中心点移动到它们重合的点上。17．将所有的组成组，命名为Girl_Master。

18．选择所有骨骼，再选择所有的模型，点击工具架上的图标进行蒙皮。完成角色

的骨骼设定。

二、 调整平滑蒙皮的权重

在蒙皮操作完成之后，会发现如果转动胳膊，模型的脸部以及头发、帽子都会随着手臂的移动发生变化，同时模型的腋下变形严重，这就需要我们对模型的权重进行调整。1．将胳膊移动一个位置，使脸部、头发、帽子发生改变。

2．选择要调整的模型。

3．选择Skin > Edit Smooth Skin > Paint Skin Weights Tool > ，或者双击工具架内的

图标，打开Paint Skin Weights Tool窗口。

4． 选择模型对应的关节，把Paint Weights 下Paint Operation 选项更改为Add 。

5． 点击底部Flood 按钮，就可以使所选的对象变成不受影响的原始形态，如下图所示。

图3-2-4 图3-2-5 6． 将胳膊移动一个位置，打开Paint Skin Weights Tool 窗口，选择影响腋下的骨骼，调整笔刷的大小以及数值，把笔刷定位在对应的区域，按住鼠标左键移动增加骨骼对这一区域的影响，如图所示。模型上白色部分表示有权重影响的区域，黑色部分表示没有权重影响的区域。把模型摆出出各种姿势，观察变形，调整权重，直到模型做各种动作时，变形都比较自然，如图所示。

权重的分配在要求比较高的角色动画中并不能最终解决变形的所有问题。所以，正常情况下会需要变形器的辅助，甚至可能使用驱动关键帧和表达式等技巧来完成一个角色动作造成的真实变形。