unreal中的捏脸系统

《楚留香》《逆水寒》《天涯明月刀》等一批武侠游戏都将捏脸系统作为了标配，并且开放了大量的参数给玩家，从而能够自由的发挥自己的想象力，捏出一堆鬼脸~在知乎（《Honey Select》）以及其他文章里对捏脸的原理进行了详细的分析，本文呢，主要记录基于骨骼的捏脸在Unreal4中的实现。

原理

基于调整骨骼进行捏脸的核心就是修改脸部骨骼的Scale、Rotation，Position，从而改变骨骼对应的蒙皮的顶点的位置，以达到捏脸的效果，

20191001201621 20191001201730

上图是在动画蓝图里添加一个内置的改变骨骼的节点（下图）来修改鼻子的x坐标的scale 的效果：

20191001202035.png
看起来捏脸也就这么回事了！但是呢，要想达到游戏中千人千面的效果，基于骨骼的捏脸有以下几点要求：
  1. 需要设计一套有足够表达能力的骨骼以及细致的脸部蒙皮；
  2. 大量的骨骼对应的大量参数带来的自由度过高，不易调节，应便于用户调节；
  3. 性能消耗相对较少；
  4. 跟现有的动画系统以及基于blendshape的表情兼容；
  5. 如果有AI能力，根据用户提供的照片自动生成对应的模型是最好不过的了；
  6. 有一套对应的妆容方案；

其中 1 主要由3D建模师操作，另外对于脸部的对称部分，设计其对应的骨骼为对称骨骼，从而方便调节；对于第二条，大部分的游戏会设计一套叫做controller的第二层骨骼，每个controller同时操纵多根骨骼的多个参数的不同组合来调节局部区域，controller1控制眼部的整体的大小，需要添加眼部骨骼到controller控制的骨骼的列表中，controller的示意图如下:

controller.png
这样用户通过操纵controller的滑竿便可以一次性调节一个局部区域，实际上，通过二层骨骼我们降低了局部骨骼参数的自由度，从而方便用户精细的调整角色脸部的细节表情。举例：controller1通过控制三根骨骼的缩放参数来达到整体调节眼部大小的目的：
controller2.png
3暂且按下不表；接下来4的话会涉及到如何在unreal里实现捏脸，因此会展开详细记录。

Unreal实现

分为捏脸部分和与动画系统融合部分

捏脸部分

首先，开篇所述的直接用ModifyBone蓝图节点来修改每根骨骼的话，对于程序非常的不友好，为了捏脸的效果和充分的表达能力，SkeletalMesh中通常设置较多的骨骼，因此直接使用ModifyBone节点是不太方便的。
我们整体的逻辑应该是这样：

  1. 根据json文件解析出的controller生成所有的调节滑杆，并加载其默认值；
  2. 如果滑杆值发生变化，则对应线性插值或者样条插值该controller对应的所有的骨骼的对应的参数；
  3. 然后将变化的相对Transform更新到骨架的transform上；
  4. Rendering。

第一步和第二步实现比较简单，略去。对于第三步在Unreal中针对骨架有多套数据结构，从捏脸的方便性上来说，这里我们选择PoseableMesh来操作
，查看PoseableMeshComponent.h的源码，可以看到以下函数：

class ENGINE_API UPoseableMeshComponent : public USkinnedMeshComponent
{
GENERATED_UCLASS_BODY()

/** Temporary array of local-space (ie relative to parent bone) rotation/translation/scale for each bone. */
TArray<FTransform> BoneSpaceTransforms;

UFUNCTION(BlueprintCallable, Category="Components|PoseableMesh")
void SetBoneTransformByName(FName BoneName, const FTransform& InTransform, EBoneSpaces::Type BoneSpace);

UFUNCTION(BlueprintCallable, Category="Components|PoseableMesh") 
FTransform GetBoneTransformByName(FName BoneName, EBoneSpaces::Type BoneSpace);

UFUNCTION(BlueprintCallable, Category="Components|PoseableMesh")
void ResetBoneTransformByName(FName BoneName);

UFUNCTION(BlueprintCallable, Category="Components|PoseableMesh")
void CopyPoseFromSkeletalComponent(const USkeletalMeshComponent* InComponentToCopy);
};

可以看到利用PoseableMesh我们可以方便的操纵Transform，从而达到捏脸的目的。下面放两张Demo的截图，左侧为直接调节单根骨骼，右侧为调节controller：

boneTransform.png 20191001223023.png

与动画系统的融合

PoseableMesh虽好，可不要贪杯哦（划掉），但是不支持动画，不支持Blendshape，换句话说，PoseableMesh就像专门的一套方便处理骨架transform的数据结构，其他的功能还是交由SkeletalMesh来做，那么问题就来了，如何将那捏脸的数据传到SkeletalMesh中，从而与动画以及BlendShape融合呢？这里我选择在AnimationBlueprint里实现一个自定义的AnimNode ModifyTransform来将PoseableMesh处理好的捏脸数据喂到SkeletalMesh的Render_Thread中，整个流程如下图所示:

20191001221824.png

  1. 因为我们有两套mesh来处理不同的数据，因此在蓝图中我们选择挂载俩mesh，将其中的PoseableMesh设为不可见：

    20191001222415.png

  2. 新建一个UAvatarAnimInstance继承自UAnimInstance，并添加以下数据：

     UCLASS()
 class AVATAR_UE4_API UAvatarAnimInstance : public UAnimInstance
 {
     GENERATED_BODY()
     public:
     UAvatarAnimInstance(const FObjectInitializer& ObjectInitializer);

     UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = BoneTransform)
     TArray BonesTranslation;

     UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = BoneTransform)
     TArray BonesRotation;

     UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = BoneTransform)
     TArray BonesScale;

     UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = BoneTransform)
     TArray BonesName;
 };

  3. 在计算完捏脸滑杆逻辑即将捏脸的transform更新到PoseableMesh后，添加并调用以下函数将数据传入到AnimInstance中：

    void UAutoPinch::TransformBoneData2AnimInstance()
{
    if(Animation)
    { 
        for (int i = 0; i < Animation->BonesName.Num(); i++)
        {
            Animation->BonesTranslation[i] = PoseableMesh->GetBoneLocationByName(Animation->BonesName[i], EBoneSpaces::ComponentSpace);
            Animation->BonesRotation[i] = PoseableMesh->GetBoneRotationByName(Animation->BonesName[i], EBoneSpaces::ComponentSpace);
            Animation->BonesScale[i] = PoseableMesh->GetBoneScaleByName(Animation->BonesName[i], EBoneSpaces::ComponentSpace);
        }
    }
}

  4. 创建一个蓝图类继承自UAvatarAnimInstance，并将其指定为第一步中的skeletalMesh的AnimClass中的动画蓝图的父类。

  5. 接下来创建自定义动画蓝图节点，主要分为编辑器部分和runtime部分，编辑器部分的创建可参考其他文档，这里我们只记录如何创建自定义动画蓝图节点的runtime部分。

  6. 创建FAnimNode_ModifyTransform类继承自FAnimNode_SkeletalControlBase

     USTRUCT()
 struct AVATAR_UE4_API FAnimNode_ModifyTransform :public FAnimNode_SkeletalControlBase
 {
 GENERATED_USTRUCT_BODY()
 public:

 /*New Transform to use*/
 UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = Translation, meta = (PinShownByDefault))
     FBonesTransfroms BonesTransfroms;

 /** Whether and how to modify the translation of this bone. */
 UPROPERTY(EditAnywhere, Category = Translation)
     TEnumAsByte TranslationMode;

 /** Whether and how to modify the translation of this bone. */
 UPROPERTY(EditAnywhere, Category = Rotation)
     TEnumAsByte RotationMode;

 /** Whether and how to modify the translation of this bone. */
 UPROPERTY(EditAnywhere, Category = Scale)
     TEnumAsByte ScaleMode;

 /** Reference frame to apply Translation in. */
 UPROPERTY(EditAnywhere, Category = Translation)
     TEnumAsByte TranslationSpace;

 /** Reference frame to apply Rotation in. */
 UPROPERTY(EditAnywhere, Category = Rotation)
     TEnumAsByte RotationSpace;

 /** Reference frame to apply Scale in. */
 UPROPERTY(EditAnywhere, Category = Scale)
     TEnumAsByte ScaleSpace;
 FAnimNode_ModifyTransform();
 //  // FAnimNode_Base interface  
 virtual void GatherDebugData(FNodeDebugData& DebugData) override;
 //  // End of FAnimNode_Base interface  

     // FAnimNode_SkeletalControlBase interface  
 virtual void EvaluateSkeletalControl_AnyThread(FComponentSpacePoseContext& Output, TArray& OutBoneTransforms) override;

 bool IsValidToEvaluate(const USkeleton* Skeleton, const FBoneContainer& RequiredBones) override;
 // End of FAnimNode_SkeletalControlBase interface  

 private:
 // FAnimNode_SkeletalControlBase interface  

 virtual void InitializeBoneReferences(const FBoneContainer& RequiredBones) override;
 // End of FAnimNode_SkeletalControlBase interface  

 };

  7. 因为自定义蓝图节点不支持TArray做为输入，这里我们创建一个struct用来接收AnimInstance中传过来的数据：

    USTRUCT(BlueprintType)
struct FBonesTransfroms
{
GENERATED_BODY()
  UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = "BonesTransfroms")
  TArray BonesName;
  UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = "BonesTransfroms")
  TArray BonesTranslation;
  UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = "BonesTransfroms")
  TArray BonesScale;
  UPROPERTY(EditAnywhere, BlueprintReadWrite, Category = "BonesTransfroms")
  TArray BonesRotation;
};

  8. 然后实现FAnimNode_ModifyTransform中的虚函数，其中最重要的就是EvaluateSkeletalControl_AnyThread：

     void FAnimNode_ModifyTransform::EvaluateSkeletalControl_AnyThread(FComponentSpacePoseContext & Output, TArray& OutBoneTransforms)
 {
 check(OutBoneTransforms.Num() == 0);
 // the way we apply transform is same as FMatrix or FTransform
 // we apply scale first, and rotation, and translation
 // if you'd like to translate first, you'll need two nodes that first node does translate and second nodes to rotate.
 const FBoneContainer& RequiredBones = Output.AnimInstanceProxy->GetRequiredBones();
 const FBoneContainer& BoneContainer = Output.Pose.GetPose().GetBoneContainer();
 for (int i=0;iGetComponentTransform();

     FVector Scale = BonesTransfroms.BonesScale[i];
     FVector Translation = BonesTransfroms.BonesTranslation[i];
     FQuat Rotation(BonesTransfroms.BonesRotation[i]);

     if (ScaleMode != BMM_Ignore)
     {
         // Convert to Bone Space.
         FAnimationRuntime::ConvertCSTransformToBoneSpace(ComponentTransform, Output.Pose, NewBoneTM, CompactPoseBoneToModify, ScaleSpace);

         if (ScaleMode == BMM_Additive)
         {
             NewBoneTM.SetScale3D(NewBoneTM.GetScale3D() * Scale);
         }
         else
         {
             NewBoneTM.SetScale3D(Scale);
         }

         // Convert back to Component Space.
         FAnimationRuntime::ConvertBoneSpaceTransformToCS(ComponentTransform, Output.Pose, NewBoneTM, CompactPoseBoneToModify, ScaleSpace);
     }
     if (RotationMode != BMM_Ignore)
     {
         // Convert to Bone Space.
         FAnimationRuntime::ConvertCSTransformToBoneSpace(ComponentTransform, Output.Pose, NewBoneTM, CompactPoseBoneToModify, RotationSpace);

         const FQuat BoneQuat(Rotation);
         if (RotationMode == BMM_Additive)
         {
             NewBoneTM.SetRotation(BoneQuat * NewBoneTM.GetRotation());
         }
         else
         {
             NewBoneTM.SetRotation(BoneQuat);
         }

         // Convert back to Component Space.
         FAnimationRuntime::ConvertBoneSpaceTransformToCS(ComponentTransform, Output.Pose, NewBoneTM, CompactPoseBoneToModify, RotationSpace);
     }
     if (TranslationMode != BMM_Ignore)
     {
         // Convert to Bone Space.
         FAnimationRuntime::ConvertCSTransformToBoneSpace(ComponentTransform, Output.Pose, NewBoneTM, CompactPoseBoneToModify, TranslationSpace);

         if (TranslationMode == BMM_Additive)
         {
             NewBoneTM.AddToTranslation(Translation);
         }
         else
         {
             NewBoneTM.SetTranslation(Translation);
         }

         // Convert back to Component Space.
         FAnimationRuntime::ConvertBoneSpaceTransformToCS(ComponentTransform, Output.Pose, NewBoneTM, CompactPoseBoneToModify, TranslationSpace);
     }

     OutBoneTransforms.Add(FBoneTransform(MyBoneToModify.GetCompactPoseIndex(BoneContainer), NewBoneTM));
 }
 }

  9. 最后在skeletalMesh的动画蓝图中添加以下节点：

    20191001222159.png
    这样整个数据流就跑通了，从捏脸的数据到最后的rendering。

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