Boneanimation per Vertexshader
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Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Dieser Artikel richted sich an alle, die schon weit Fortgeschritten sind. Ein sicherer Umgang mit Shadern und Vertexbufferobjekten ist hier Vorrausetzung. Bei der Boneanimation per Vertexshader geht es darum, möglichst viel Arbeit auf die Grafikkarte auszulagern. Wer schon immer mal einen hochdetailierten Dinosaurier oder Octobus sein Unwesen treiben lassen will ist hier genau richtig.
Grundlagen
Was sind Bones
Bones entsprechen nicht nur Knochen. Mathematisch gesehen repräsenteriert jeder Bone eine Transformationsmatrix, der einen gewichteten Einfluss auf verschiedene Vertices nehmen kann. Da Bones sehr häufig in einem Animationsskelet zusammengefast sind, werden sie durch Gelenke verbunden, die Drehpunkten der Matrizen entsprechen. Sehr häufig werden Bones als Stab oder ähnliches dargestellt, sie können jedoch auch komplexer Formen haben (z.B. das Becken einen Menschen). Bones die durch die durch ein festes Gelenk verbunden sind sollten umbedingt vermiedern werden, da sie nur Resurcen kosten ohne einen Nutzen zu bringen. Grundsätzlich sollte alles was sich unabhängig voneinander bewegen können muss durch einen eigenen Bone dargestellt werden. Neben den nachgebildeten Kochen, gehören auch andere bewegliche Modelteile dazu wie Mimik und Augen.
Woher kommen die Animationsdaten?
Die Animationen können entweder aufgezeichnete Daten sein, durch Inverse Kinematik erzeugt werde oder aus einer Physikengine stammen. Bei einfachen Modellen ist es auch möglich diese Daten per Scripsprache zu erzeugen. In diesem Artikel werden die Bones eher als Schnittstelle dienen.
Limits
Aktuelle Grafikkarten erlauben 256 Uniformvariablend des Typs Float4. Für einen Bone werden 3 Float4 benötigt. Damit lassen sich etwa 80 Bones gleichzeitig verwenden. Wird dies schon beim Entwurf des Modells beachtet, stellt diese Wert kaum ein Limit dar. Bei einem symetrischem Modell lässt sich dieser Wert fast verdoppeln. Wenn die nicht ausreicht macht es Sinn Objekte mit vielen Bones wie Hände oder Gesichter getrennt zu Rendern. Vorausgesetzt werden sollte eine Grafikkarte, die wenigstends das Shadermodel 2.0 unterstützt. Besser ist jedoch eine Grafikkarte, die Shadermodel3.0 unterstützt, damit der Code durch dynamisches Branching teilweise übersprungen werden kann.
Technik
Modeldaten
Das Vertexbufferobjekt muss zu den sonst verwendeten Daten wie Vertices, Normalen, Texturkoordinaten und gegebenfalls Tangent und Bitangent noch zusätzliche Daten über die Abhängigkeit zu den Bones gespeichert werden.
Im einfachstem Fall kann jedem Vertex nur ein Bone zugewiesen werden. Hier genügt ein einzelner Integer, der als Index dient.
Wenn zwischen meheren Bones interpoliert werden soll, ist als erstes ein Wert nötig nötig, der angibt wie viele Bones einen Einfluss auf den Vertex haben. Dann muss für jeden Bone die Gewichtung als Float und der Index als Int gespeichert werden. In den meisten Fällen sollte der Einfluss von vier Bones ausreichen. Sollten die Atributevariablen knapp werden ist es sinvoll die Gewichtung mit 0.999 zu Multiplizieren und die Indexnummer dazuzuaddieren. Solang dies nicht nötig ist koste es jedoch nur unötig Performance beim trennen.
In den Meisten Fällen beinflussen nur zwei Bones einen Vertex. Ein Knie sieht etwas seltsam aus wenn am Gelenk linear interpoliert wird. Hier lohnt sich der Aufwand die Gelenkposition zu speichern und den Abstand nach der Interpolation zu korrigieren.
