Unity动画系统：动画系统基础

Hi~ o(*￣▽￣*)ブ

哈喽大家好，我是时光！经过将近一年的 Unity 学习，我已经对 Unity 的各个系统有了不少认知啦~欢迎大家看看我之前发布的一些文章哦：

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Unity2D制作的合成大西瓜小游戏

明日方舟

Unity实现的明日方舟战斗系统

我打算开一个系列介绍一下 Unity 动画系统的基础知识，也算是对我这段时间使用 Unity 动画系统的一个总结，欢迎大家评论转发φ(゜▽゜*)♪！

本文将从 Unity 动画系统的基本概念出发，介绍动画机的工作原理，并为动画添加动画事件。话不多说，那我们就正式开始吧！

什么是Unity动画系统？

Unity 的动画系统是引擎内置的一个强大的系统，可以帮助用户创建、导入和管理动画资产，为 Unity 的所有元素（包括对象、角色和属性）提供简单的动画工作流程和动画设置。

动画系统中有三个重要的概念：Animator Component（动画组件）、Animation Clip（动画剪辑）和 Animation Controller（动画控制器/动画状态机），这三者缺一不可。

Animation Clip

动画剪辑（Animation Clip）是 Unity 动画系统的核心元素之一，是动画内容的展示，它包含某些对象应如何随时间改变其位置、旋转或其他属性（包括自定义脚本中的属性） 的相关信息。开发者除了可以通过编辑器中的 Animation 窗口创建和制作动画之外，还可以从外部源导入动画。

为什么要从外部导入动画？

在实际的游戏开发过程中，动画资产往往由美术人员制作。对于 2D 美术来说，Spine 或龙骨的界面更友好，制作出的动画效果也更好（而在 Unity 中想做出这样的效果可能就要使用插件来完成了），导出之后再导入 Unity 中。这样也可以减少直接在 Unity 中制作动画资产带来的潜在冲突问题。
对 3D 美术动画资产来说，往往在建模软件（例如 Maya、ZBrush 等）中绑定骨骼并制作动画，导出 .fbx 模型时 Unity 将从中提取出动画，无需在引擎中创建。
还有一些动画是通过专业的动捕软件制作的，这些动画也需要从外部导入 Unity。

一些动画可能是特定模型所特有的，不能在其他模型上复用（例如，某些模型具有独特的骨骼，因此有自己的一组动画），但多数时候美术人员会对资源进行划分（例如按照体型将人物骨骼划分成成男、成女、少男、少女、儿童五套），并为每种类型的资源制作动画库，这样动画剪辑就是可以复用的。

Animation Controller

Animator Controller 的本质是一个状态机，负责决定当前应该播放哪个动画剪辑以及动画应该何时改变或如何混合（这会在后续的文章中提到）。当我们为某一游戏对象创建动画剪辑时，Unity 会自动为其创建一个 Animation Controller，Animation Controller 中会包含这一动画剪辑并将其设置为默认播放的动画。

我们也可以手动创建一个 Animation Controller，其中只包含 Any State、Entry 和 Exit 三个状态。我们可以将制作好的动画剪辑拖进窗口内，然后为不同的动画剪辑设置过渡关系（例如下图）。

一个复杂的 Animator Controller 可包含用于主角所有动作的几十段人形动画。
这毫不夸张，因此也需要做一些额外的措施来管理海量的动画，例如分层动画。

双击 Animation Controller 会进入 Animator 窗口，它也可以通过选项卡的 Windows/Animation/Animator 打开：

通过 Animator，我们可以为动画机设置分层（Layer）和动画参数（Parameters）：

• 分层：Animator的分层功能允许你同时播放多个动画，比如角色的下半身在跑步，上半身在挥手（这两个动画位于不同的层）。
• 动画参数：参数是动画逻辑的核心，可以通过设置 Bool、Float、Int 等类型的参数来动态切换动画，比如通过一个 Bool 类型的参数 isJumping 来控制玩家跳跃。

我们会在下一篇文章中介绍这两个概念的~

Animator Component

这里的 Animator 组件和上一小节中所提到的“Animator 窗口”并不一样，是挂载在要播放动画的游戏对象身上的组件。开发者可以为该组件挂载对应的 Animator Controller（动画状态机），然后就可以播放动画了。除了动画控制器之外，Animator 组件还有以下几个参数：

1. Avatar
   指的是“人形动画”，Unity 有专门为人形动画制作一套配置，开发者可以相对轻松地将同一组动画应用于各种角色模型。关于这个概念可以参考在 Mixamo 上为不同的人形模型绑定 Avatar，然后使用动画的过程，它们本质上差不多。

2. Root Motion
   绑定该组件的游戏对象的位置是否可以由动画进行改变。

3. Update Mode
   表示动画的更新模式，有三种选项：

   • Normal：跟随游戏的 Update 循环
   • Animate Physics：跟随游戏的 Fixed Update 循环，以固定时间步长计算，适合物理模拟
   • Unscaled Time：也属于 Update，但不受 TimeScale 影响，在 TimeScale = 0 的情况下仍然可以播放动画

4. Culling Mode
   表示当游戏对象被剔除（摄像机看不见）时动画的播放状态，有三种选项：

   • Always Animate：总是播放动画
   • Cull Update Transform：停止动画播放，但是位置会继续更新（但会剔除 IK），视觉上和上一个没有区别
   • Cull Completely：完全禁用动画

创建一个简单的动画

看到这里想必各位读者已经跃跃欲试，想要创建第一个动画了吧~本小节我就会介绍一下如何用 Animation 窗口在 Unity 中直接制作和调试动画。

创建动画剪辑

我们可以通过选中要创建动画的游戏对象（例如相机），点击 Create 按钮为其创建一个动画剪辑和 Animator Controller。Unity 会弹出一个窗口询问你新动画剪辑的名称和你想要存放的文件目录。

然后我们就可以在 Animation 面板上看到新建的动画剪辑了。面板上有几个要素：

• 录制按钮（红色圆圈）：点击后进入录制状态，所作的修改会被记录到动画中。
• 帧导航控件：包含快退到底、后退一个关键帧、播放、前进一个关键帧、前进到底。
  
• 当前所在的帧
• 动画剪辑名称：目前所编辑的动画剪辑，点击后可以通过底部的 Create New Clip 为该 Animator Controller 添加一个新的空白动画剪辑，也可以在这里切换想要编辑/察看的动画剪辑。
  
• 采样率：默认为 60，可以自行修改。默认的动画窗口可能没有展示采样率，可以在设置里打开。
• 过滤选择：
• 添加关键帧：在时间轴当前位置添加一个关键帧。
• 添加动画事件：在时间轴当前位置添加一个动画事件，动画播放到该位置时会执行事件。
• 游戏对象（或其子对象）的动画化属性：顾名思义，另外可以点击小三角形展开看详细的数据：
  
• 曲线：即 Curves 按钮，位于动画窗口的左下角。点击后将切换视图为曲线，可以点击 Dopesheet 按钮切换回来。
  

点击红色的录制按钮，我们就可以在时间轴上为相机添加关键帧了（相信有过 Flash 制作经验的人都不会觉得陌生），例如改变相机的旋转数据：

录制好之后，记得再点一下录制按钮退出录制模式。Unity 会自动为这些关键帧之间的普通帧做插值处理，得到关键帧与关键帧之间的平滑过渡。想要看一看动画效果如何的话，直接点击 Animator 视窗内的播放按钮就可以看到了，无需运行游戏。

动画曲线

动画曲线就是我们在点击 Animation 窗口左下角的 Curves 按钮时所展示的界面，它是一个非常强大的功能，不同于关键帧，我们可以查看和编辑动画属性的值以及它们之间的插值方式。

我们可以在取信中找到很多点，这些点其实就是参数的各个关键帧。曲线的变化描述了参数的数据在两个关键帧之间的变化情况。我们可以通过点边上的两条伸出的左右两条杠（曲线的切线）来调整参数的变化程度。

右键关键点可以看到几个选项，默认情况下一般如下图所示：

上图显示了关键点的切线类型：

• Clamped Auto： 默认切线类型。
  • 自动设置切线，使曲线平滑地经过该关键点。当编辑该关键点的位置或时间时，自动调整切线，以避免曲线被过度调整。在 Clamped Auto 模式下，如果你手动调整了该关键点的切线，切线类型会被切换为 Free Smooth 模式。
    
• Auto：这是一个遗留切线模式，保留该模式是为了向后兼容旧项目。
  • 除非你有特殊原因必须使用该模式，否则请使用默认的 Clamped Auto。当关键点被设置为该模式时，切线被自动设置，使曲线平滑地经过该关键点。但是，相比 Clamped Auto 模式，有两点差异：
    • 当编辑该关键点的位置或时间时，切线不会自动调整；切线仅仅在该关键点被第一次设置为 自动（Auto） 模式（初始化）时才会进行调整。
    • Unity 在计算切线时，不会考虑避免过度调整（即可能会导致过度调整）。
      
• Free Smooth: 拖动切线图柄来自由地设置切线。
  • 切线被锁定为共线，以确保平滑度。
    
• Flat: 切线被设置为水平（自由平滑的一种特殊情况）。
  
• Broken: 有时你可能不希望曲线平滑地通过某个关键点。想要在曲线中创建剧烈的变化，请选择 Broken 切线模式。
  • Broken-Free: 拖动切线图柄来自由地设置切线。
    
  • Broken - Linear: 切线指向相邻的关键点。
    • 要创建直线型的曲线片段，请将切换的两边都设置为 Linear。下面的 3 个关键点都被设置为 Broken - Linear，以实现关键点到关键点的直线。
      
  • Broken - Constant: 曲线在两个关键点之间保持为一个常量值。左侧关键点的值决定了曲线片段的值。
    

如果觉得曲线形状不满意，也可以双击曲线，在理想的位置添加一个新的点，调整点的位置、切线类型和变化程度拟合出想要的形状。

骨骼动画

关于骨骼动画，我感觉麦扣老师的这一系列视频讲的很好，因此就不费笔墨了。

《一个月开发明日方舟》中的角色动画也都是基于骨骼动画制作的（剑气是通过 LineRenderer 实现的）：

动画事件

动画事件（Animation Events）是 Unity 动画系统中的一个强大的功能，它可以被放在动画剪辑中特定的某一帧，当该动画播放至事件所在的这一帧时，就会触发相应的动画事件。

我们可以在需要的帧右键创建动画事件，也可以通过动画事件按钮图标创建。完成创建后，点击事件的小图标，就可以在检查器中为其绑定事件了。动画事件可以调用挂载在动画对象上的脚本里的公有方法，例如我在攻击动画中调用 Attack 方法：

完成后。鼠标点击事件的小图标，就能发现事件的名字变成了方法名。

Animator窗口

双击 Animator Controller 文件（或者在菜单栏中选择 Window > Animation > Animator）就可以打开 Animator 窗口中，在其中你可以看到各个动画剪辑的连接可视化界面。当我们创建了多个动画状态，就可以在中间形成切换和过渡关系（如上图）。除此之外，Animator窗口还包含了动画层、动画参数、混合树、子状态机等。由于篇幅有限，状态机的大部分内容会被我放到下一篇文章中介绍，尽请期待！

Animator Controller 是状态机的核心，后续的状态与过渡都将在这个界面中编辑。

状态（State）

在 Animator Controller 中，状态表示某个动画剪辑的执行。每个状态通常对应于角色的一个行为，比如“站立”或“行走”。

状态的创建与设置：

1. 添加状态：
   在 Animator 窗口空白处右键，选择 Create State > Empty 或 From New Clip。
   如果选择 From New Clip，Unity 会自动为状态生成一个新的 Animation Clip。

2. 状态的配置：
   点击某个状态，在 Inspector 面板中可以设置：
   Motion：绑定的 Animation Clip。
   Speed：动画播放速度，默认为 1。

3. 默认状态：
   一个状态会被标记为“默认”（橙色），表示动画初始播放的状态。
   改变默认状态：右键某个状态 -> Set as Layer Default State。

过渡（Transition）

过渡定义了状态之间如何切换，比如从“行走”切换到“跑步”。过渡不仅决定切换的时机，还可以通过混合实现平滑过渡。

创建过渡：

1. 添加过渡：
   右键某个状态 -> Make Transition，然后点击目标状态。
   在状态之间会出现一个箭头，这就是过渡的可视化表现。

2. 过渡的配置：
   选中过渡箭头，在 Inspector 面板中可以设置：

   • Has Exit Time：是否等待当前动画结束再切换。
   • Transition Duration：过渡的持续时间，影响动画的混合效果。
   • Conditions：指定触发过渡的条件（如参数变化）。

3. 条件的设置：
   条件是过渡的重要部分，基于参数驱动：

   • 首先，在 Animator 窗口点击左侧 Parameters 面板，添加一个参数（如 float 类型的 Speed）。
   • 在过渡的条件中，设置“Speed > 1”作为触发条件。

4. 默认过渡设置建议：
   通常开启 Has Exit Time，确保动画不会过早切换。
   设置合理的 Transition Duration 以实现流畅过渡。

动画复用

当我们制作完成一个动画（例如 开门动画 ）之后，肯定希望它能作用于多个不同的“门”上实现复用，这样就不要为不同的门创建几乎同样的动画了，该怎么做呢？

以我们创建一个相机旋转动画为例，新建动画时实际上是创建了一个 .anim 文件，而这个文件本质上是一个 .yaml 文件。文件中记录了关于动画的数据，例如当我们修改了门的旋转 Rotation 时，就会在文件中找到一个叫 m_EularCurve 的项：

m_Curve:
    - serializedVersion: 3
        time: 0
        value: {x: -25, y: 0, z: 0}
        inSlope: {x: 0, y: 0, z: 0}
        outSlope: {x: 0, y: 0, z: 0}
        tangentMode: 0
        weightedMode: 0
        inWeight: {x: 0.33333334, y: 0.33333334, z: 0.33333334}
        outWeight: {x: 0.33333334, y: 0.33333334, z: 0.33333334}
    - serializedVersion: 3
        time: 0.16666667
        value: {x: -25, y: 4, z: 0}
        inSlope: {x: 0, y: 24, z: 0}
        outSlope: {x: 0, y: 24, z: 0}
        tangentMode: 0
        weightedMode: 0
        inWeight: {x: 0.33333334, y: 0.33333334, z: 0.33333334}
        outWeight: {x: 0.33333334, y: 0.33333334, z: 0.33333334}
    - serializedVersion: 3
        time: 0.25
        value: {x: -25, y: 6, z: 0}
        inSlope: {x: 0, y: 18, z: 0}
        outSlope: {x: 0, y: 18, z: 0}
        tangentMode: 0
        weightedMode: 0
        inWeight: {x: 0.33333334, y: 0.33333334, z: 0.33333334}
        outWeight: {x: 0.33333334, y: 0.33333334, z: 0.33333334}
    - serializedVersion: 3
        time: 0.33333334
        value: {x: -25, y: 7, z: 0}
        inSlope: {x: 0, y: 0, z: 0}
        outSlope: {x: 0, y: 0, z: 0}
        tangentMode: 0
        weightedMode: 0
        inWeight: {x: 0.33333334, y: 0.33333334, z: 0.33333334}
        outWeight: {x: 0.33333334, y: 0.33333334, z: 0.33333334}
    m_PreInfinity: 2
    m_PostInfinity: 2
    m_RotationOrder: 4
path: Player_Camera

time 表示变换发生的时间点，value 代表该点的值，Unity 会自动使用插值算法计算两点中间的帧的值（如果未设置曲线）。注意到最后一项 path 的值是 Player_Camera，这代表动画是作用在动画根物体的 Player_Camera 子物体上的：

当我们想复用这个动画到其他相机上时，把相机命名为 “Player Camera”，把它设成一个空对象的子物体，再将动画放到相机的父对象上即可。在实现动画复用的过程中，命名、结构（对象层级）、属性能够对应上的话，就能够实现动画的复用了。

Avatar

对于人形模型来说，由于不同的建模软件（MAYA、3DMax、Blender 等）的人物模型的骨骼名字甚至层级都可能并不相同，如果按照上面的逻辑为骨骼改名来实现复用的话，工作量也太大了。

Unity 为人形模型提出了一套解决方案：Avatar（替身系统）。当一个人物模型导入 Unity 之后，我们可以把模型的骨骼和 Avatar 对应起来：

1. 在模型的 Rig 面板，选择 Animation Type 为 Humanoid。
2. 设置 Avatar Definition 为 Create from this model。如果已经有配置好的 Avatar（例如成女、成男等），也可以选 Copy。
3. 点击 Avatar，可以看到 Mapping 面板中模型的骨骼已经自动对应上去了。如果没有的话，就需要麻烦动动手喽。

从优化角度考虑，因为已经有 Avatar 了，模型的骨骼就可以被删除了，因此可以勾选 Optimize Game Objects 选框。

为我们需要复用动画资产的人形模型们都创建这一套，然后找到动画资产，在动画资产的 Rig 面板将 Avatar Definition 设置为 Copy from this model，将源设置为最初模型的 Avatar。

最后，在模型的 Animator 组件中，将对应的 Avatar 挂载上去就可以了。

IK系统

IK 即 Inverse Kinematic（反向动力学），研究的是如何通过手/脚/头等肢体末端来逆向控制其他骨骼的变换。在 Unity 等游戏引擎中，IK 往往比较简单，因此一般采用 CCD IK（Cyclic Coordinate Descent，循环坐标下降），从末端骨骼依次计算到根骨骼的旋转来实现。

在 Unity 中使用了 Avatar 系统之后，人物模型由于正向动力学的计算是从根节点出发的，因此在末梢会存在一定的偏移，这些偏移会导致动画看起来有点“怪”。这时候我们就可以通过设置末端 IK 的权重，类似于 footIK 那样，让模型实际的手脚更靠近 IK goal（Unity 在生成 Avatar 时保存的双手双脚末梢的位置）所在的位置。

在动画机的任意一个层级中打开 IK Pass，Unity 就会在生命周期函数中计算 OnAnimatroIK 了：

// 左手 IK Goal 位置
public Transform leftHandIKPos;
// 右手 IK Goal 位置
public Transform rightHandIKPos;

private void OnAnimatorIK(int layerIndex){
    // 设置 IK goal 的位置和旋转
    animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.LeftHand, leftHandIKPos.position);
    animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.LeftHand, leftHandIKPos.rotation);
    animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.RightHand, rightHandIKPos.position);
    animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.RightHand, rightHandIKPos.rotation);
    // 左手 IK Goal 权重
    animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.LeftHand, 1f);
    animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.LeftHand, 1f);
    // 右手 IK Goal 权重
    animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.RightHand, 1f);
    animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.RightHand, 1f);
}

我们可以把 IK goal 的位置放在一个合适的地方，例如持枪下的右手以胸口作为参照、左手放在武器上。接下来在动画中调整 IK goal 的位置，找到合适的角度应用就好啦！