Animation: скелетная и морф

Персонаж в God of War выглядит живым: Кратос идёт по кривой поверхности - его ноги адаптируются к рельефу через foot IK. Поднимает камень - рука точно обхватывает форму через IK constraints. Говорит - 52 blend shape цели создают убедительную мимику. За каждым натуральным движением - skeletal animation, GPU skinning, blend shapes и IK, работающие вместе.

• **Metahuman Creator (Epic Games)** генерирует ультрареалистичных персонажей с 500+ blend shapes для лица и полным facial IK rig - доступно через Unreal Engine
• **Apple ARKit Face Tracking** использует 52 blend shapes на iPhone True Depth Camera: FaceTime Animoji, Snapchat AR фильтры, медицинские приложения для детей с аутизмом
• **Netflix 'Arcane'** (Fortiche Studio) использует GPU skeletal animation для 3D персонажей с ручной анимацией поверх - hybrid 2D/3D pipeline
• **Ghost of Tsushima** (Sucker Punch) - Самурайские фехтовальные анимации созданы через motion capture + procedural IK для адаптации к разным terrain и противникам

Skeletal Animation

**Skeletal animation** разделяет меш и движение: художник создаёт skeleton (иерархию костей), привязывает вершины меша к костям (skinning), аниматор двигает кости - меш следует. Вместо хранения позиции каждой вершины в каждом кадре - только трансформации костей. Персонаж с 20000 вершинами и 60 костями: хранить вершины = 20000 × 12 байт × fps; хранить кости = 60 × 64 байт × fps. Экономия: 60x.

Animation Blending: персонаж одновременно идёт (нижняя половина) и целится (верхняя). Это реализуется через blend masks - вес каждой кости из каждой animation clip. Unity Animator использует Avatar Mask для разделения верхней/нижней половины тела. Unreal Engine - Layered Blend Per Bone.

GPU Skinning

**Skinning** - процесс вычисления финальной позиции вершины на основе влияющих костей. Линейный blend skinning (LBS): каждая вершина имеет до 4 костей с весами (weights sum = 1.0). Финальная позиция = сумма (bone_transform × original_pos × weight). Современные игры вычисляют skinning на GPU через vertex shader.

Dual Quaternion Skinning (DQS) решает artifact Linear Blend Skinning - «candy wrapper» эффект при скручивании конечностей. LBS интерполирует матрицы линейно, что некорректно для вращений (матрицы не образуют линейное пространство). DQS использует dual quaternion representation - математически корректная интерполяция вращений. Metal API в Apple A-series чипах имеет аппаратную поддержку quaternion операций.

Blend Shapes (Morph Targets)

**Blend shapes** (morph targets) хранят дельты позиций вершин для выражений лица. Нейтральная поза + набор targets: «улыбка» смещает углы рта, «брови вверх» смещает вершины бровей. Финальная поза = neutral + sum(target_i × weight_i). Apple Face ID использует 52 blendshapes для ARKit - точная модель лица в реальном времени.

Apple ARKit 52 facial action units (blend shapes) соответствуют Facial Action Coding System (FACS) - психологической системе описания выражений лица. Pixar использует сотни blend shapes для персонажей: Incredibles 2 - 1000+ per character для кинематографического качества. В реальном времени iOS ограничена 52 targets, но это достаточно для убедительной мимики.

Inverse Kinematics (IK)

**Forward Kinematics (FK):** задаём углы каждой кости, получаем позицию конечной точки. **Inverse Kinematics (IK):** задаём позицию конечной точки (рука на объект), автоматически вычисляем углы костей. IK решает задачу, которую FK не может: «нога должна касаться земли» - нужно вычислить углы бедра, колена и лодыжки чтобы стопа была в точной позиции.

Procedural IK в современных играх: Horizon: Zero Dawn движение всех 6 ног роботов-машин - процедурная IK. Каждая нога независимо находит точку опоры, поддерживает баланс тела. Spider-Man (Insomniac) - паутина прикрепляется к поверхностям через IK в реальном времени. Full Body IK в Unreal Engine 5 позволяет персонажу адаптироваться к любому terrain без ручной анимации.

Ключевые идеи

• **Skeletal Animation:** иерархия костей + skinning weights; компактнее vertex animation в 60x; animation blending через bone masks
• **GPU Skinning:** vertex shader вычисляет LBS; bone palette = inverse(bind_pose) × current_pose; DQS исправляет candy wrapper artifact при скручивании
• **Blend Shapes:** дельты позиций вершин; идеальны для мимики; ARKit 52 targets - production standard; Pixar использует 1000+ для кино
• **IK:** задаём цель, вычисляем углы костей; FABRIK - итеративный алгоритм; Foot IK и Hand IK - procedural адаптация к окружению

Связанные темы

Анимационные системы взаимодействуют с несколькими областями CG:

• Particle Systems и VFX — Skeleton и blend shapes используются для VFX driven анимаций: cloth simulation привязывается к skeleton, fluid simulation интерактивна через IK constraints
• Graphics Engine Architecture — Animation system - отдельный модуль rendering pipeline: skinning на GPU, animation evaluation на CPU job threads, результат идёт в vertex buffer
• Neural Rendering: NeRF — Neural avatars (NeRF-based) дополняют skeletal animation для ультрареалистичного рендеринга лица и тела

Вопросы для размышления

• Linear Blend Skinning создаёт candy wrapper artifact при скручивании предплечья. Dual Quaternion Skinning решает это. Но DQS имеет свой artifact - 'bulging' при сложных позах. Почему нет идеального метода skinning, и как Pixar решает это в RenderMan?
• FABRIK IK сходится итеративно, но не гарантирует минимальный energy pose (наиболее естественное вращение). Как constraint-based IK (как в Unreal Full Body IK) добавляет joint limits и preferred angles для биомеханически корректного решения?
• Apple ARKit отслеживает 52 facial blend shapes в реальном времени через TrueDepth камеру. Как нейронная сеть трансформирует depth map в 52 числа, и почему именно 52 значения (FACS) оказались достаточны для убедительной мимики?

Связанные уроки

• la-06-transformations