Nội Suy Và Hòa Trộn Hoạt Hình Xương 3D

Anonymous trong Công Cụ và Backend

2009-11-01 Khoảng 900 từ 5 phút

Nội dung

Sau ba ngày vật lộn với vấn đề đã làm tôi đau đầu suốt nửa năm trời, hôm nay tâm trạng vô cùng hào hứng muốn chia sẻ. Vấn đề nằm ở hệ thống hoạt hình xương trong engine 3D của chúng tôi - khi chuyển đổi giữa hai animation có sự khác biệt lớn, hiệu ứng chuyển động luôn bị “giật” hoặc “vỡ” không tự nhiên. Điều này khiến tôi nhận ra một thực tế thú vị trong đồ họa 3D: sự chính xác không chỉ dựa trên số liệu mà còn phụ thuộc vào cảm nhận thị giác con người.

Vấn đề “giấy mỏng” và cội nguồn của nó

Hiện tượng kỳ lạ này khiến nhân vật trông như những tấm giấy mỏng uốn éo thay vì chuyển động tự nhiên. Khi chỉ hiển thị các keyframe (khung hình chính) do nghệ sĩ tạo ra trong 3ds Max hoặc thu thập từ motion capture, hiệu ứng lại đẹp hơn hẳn. Rõ ràng, vấn đề nằm ở khâu nội suy thông tin biến đổi giữa các xương.

Đoạn code xử lý phần này đã tồn tại từ lâu, được sửa chữa qua nhiều đời lập trình viên nhưng không ai thực sự hiểu rõ bản chất. Người trước để lại đống code rối như canh hẹ, người sau chỉ biết vá víu qua loa. Dù không gây crash hay ảnh hưởng tiến độ, nhưng với một người perfectionist như tôi, đây là điều không thể chấp nhận.

Hành trình từ Vertex Animation đến Skeletal Animation

Hồi tưởng lại lịch sử phát triển, các game thế hệ đầu như Quake sử dụng phương pháp Vertex Animation - lưu trữ từng đỉnh mesh ở từng khung hình. Cách này tốn kém khủng khiếp khi game cần nhiều animation phức tạp. Sự ra đời của Skeletal Animation đã cách mạng hóa ngành công nghiệp game bằng cách mô phỏng chuyển động như cơ thể con người: hệ xương (skeleton) điều khiển các đỉnh mesh thông qua ma trận biến đổi.

Các xương (bones) trong hệ thống này không phải vật thể 3D mà là tập hợp các phép biến đổi không gian (translation, rotation, scale). Mỗi đỉnh mesh được “da” (skin) liên kết với một hoặc nhiều xương, và vị trí cuối cùng được tính bằng cách nhân các ma trận tương ứng.

Thách thức trong nội suy animation

Khi cần chuyển đổi mượt giữa các animation hoặc chạy chậm-motion, hệ thống phải nội suy giữa các keyframe. Vấn đề phát sinh khi trực tiếp nội suy ma trận biến đổi - các thành phần rotation không thể tách biệt xử lý do tính chất phi giao hoán của phép nhân ma trận.

Giải pháp nằm ở việc phân tích ma trận thành các thành phần độc lập:

Scale (Tỷ lệ): Tách riêng vì không bị ảnh hưởng bởi hệ thống xương phân cấp
Rotation (Xoay): Biến đổi thành quaternion để nội suy SLERP (Spherical Linear Interpolation)
Translation (Dịch chuyển): Nội suy tuyến tính thông thường

Đột phá từ phân tích không gian cha-con

Một bước ngoặt quan trọng là nhận ra cần phân tích chuyển động trong không gian địa phương của xương cha. Ví dụ, khi nội suy chuyển động của ngón tay, ta chỉ cần xét tương quan với bàn tay chứ không phải không gian thế giới. Công thức then chốt:

M_local = M_current * M_parent_inverse

Từ đây, ma trận biến đổi được phân tích thành:

Rotation riêng (R2): Chuyển động xoay quanh trục của chính xương
Translation dọc trục (T): Dịch chuyển dọc theo trục chính (thường là trục X)
Rotation chung (R1): Chuyển động xoay quanh xương cha

Giải pháp tối ưu cho nội suy

Thay vì nội suy riêng lẻ rotation và translation, tôi xây dựng mô hình nội suy dựa trên:

Chuyển động quỹ đạo (Orbit): Xoay quanh xương cha
Tự quay (Spin): Xoay quanh trục riêng
Kéo giãn (Stretch): Thay đổi độ dài dọc trục

Công thức tổng quát: M = R1 * T * R2

Việc phân tích này đảm bảo khoảng cách giữa các khớp gần như không đổi, tránh hiện tượng “giấy mỏng” trước đây.

Nén dữ liệu animation

Trong game MMORPG 3D, dữ liệu animation chiếm dung lượng khổng lồ. Giải pháp nén hiệu quả:

Lưu trữ 2 quaternion (R1 và R2) + 1 giá trị scale cho mỗi xương tại mỗi keyframe
Dùng 32-bit fixed-point cho mỗi quaternion (1 bit dấu + 3x10 bit giá trị)
Cache kết quả chuyển đổi quaternion để tăng tốc

Kiến trúc module hoạt hình

Thiết kế module cần:

Che giấu độ phức tạp nội suy phía backend
Giao diện đơn giản: Yêu cầu thông tin xương tại frame X hoặc nội suy giữa frame A/B với tỷ lệ α
Tối ưu cache quản lý dữ liệu hơn là tính toán từng frame

Kết luận

Dự án này không chỉ giải quyết vấn đề kỹ thuật mà còn là hành trình học lại toán học ứng dụng - từ quaternion đến không gian affine. Thành quả cuối cùng không chỉ là code chạy ổn định mà còn là nền tảng cho các tính năng nâng cao như inverse kinematics hay procedural animation trong tương lai.