スケルタルアニメーション

スケルタルアニメーションまたはリギングは、コンピュータアニメーションの技法であり、キャラクター（またはその他の関節オブジェクト）を2つの部分で表現します。オブジェクトの表面のポリゴンまたはパラメトリックメッシュ表現と、相互接続されたパーツの階層セット（ジョイントまたはボーンと呼ばれ、まとめてスケルトンを形成します）です。これは、メッシュをアニメーション化（ポーズとキーフレーム）するために使用される仮想アーマチュアです。 ^[1] この技法は、人間やその他の有機的な図形をアニメーション化するためによく使用されますが、アニメーションプロセスをより直感的にするだけであり、同じ技法を使用して、ドア、スプーン、建物、銀河など、任意のオブジェクトの変形を制御できます。アニメーション化されたオブジェクトが、たとえばヒューマノイドキャラクターよりも一般的な場合、「ボーン」のセットは階層的または相互接続されておらず、影響を与えるメッシュの部分の動きの高レベルの説明を表すだけです。

この手法は、1988年にナディア・マグナ・タルマン、リチャード・ラペリエール、ダニエル・タルマンによって導入されました。^[2]この手法は、ほとんどすべてのアニメーションシステムで使用されており、簡素化されたユーザーインターフェイスにより、アニメーターは複雑なアルゴリズムと膨大な量のジオメトリを制御できます。最も顕著なのは、逆運動学やその他の「目標指向」手法です。

ジョシュ・ペティの指導記事では次のように説明されている: ^[3]

リギングとは、キャラクターを動かせるようにすることです。リギングのプロセスでは、デジタル彫刻を取り、骨格や筋肉の構築を開始し、キャラクターに皮膚を取り付け、アニメーターが体を押したり引いたりするために使用するアニメーション コントロール セットも作成します。

この手法では、一連のボーン（実際の解剖学的特徴に対応している必要はありません）を構築します。これは、名詞の意味ではリギングと呼ばれることもあります。各ボーンには、デフォルトのバインド ポーズ（位置、スケール、方向を含む）からの 3 次元変換と、オプションの親ボーンがあります。したがって、ボーンは階層を形成します。子ノードの完全な変換は、親の変換と独自の変換の積です。したがって、大腿骨を動かすと、下肢も動きます。キャラクターがアニメートされると、ボーンは、何らかのアニメーション コントローラの影響下で、時間の経過とともに変換を変更します。リグは通常、相互に作用する可能性のある順方向運動学と逆方向運動学の両方のパーツで構成されます。スケルトン アニメーションは、リグの順方向運動学の部分を指し、完全なボーン構成のセットによって一意のポーズが識別されます。

スケルトンの各ボーンは、スキニングと呼ばれるプロセスで、キャラクターの視覚的表現 (メッシュ) の一部に関連付けられます。ポリゴン メッシュキャラクターの最も一般的なケースでは、ボーンは頂点のグループに関連付けられます。たとえば、人間のモデルでは、大腿部のボーンはそのモデルの大腿部のポリゴンを構成する頂点に関連付けられます。キャラクターのスキンの各部分は、通常、複数のボーンに関連付けることができ、各ボーンには、頂点ウェイトまたはブレンド ウェイトと呼ばれるスケーリング係数があります。したがって、2 つのボーンの関節付近のスキンの動きは、両方のボーンの影響を受ける可能性があります。最先端のグラフィック エンジンのほとんどでは、スキニング プロセスは、シェーダー プログラムによってGPU上で実行されます。

ポリゴンメッシュの場合、各頂点は各ボーンのブレンドウェイトを持つことができます。頂点の最終的な位置を計算するために、各ボーンの変換マトリックスが作成されます。このマトリックスが頂点に適用されると、まず頂点がボーン空間に配置され、次にメッシュ空間に戻されます。頂点にマトリックスを適用した後、対応するウェイトによってスケールされます。このアルゴリズムは、マトリックスパレットスキニングまたはリニアブレンドスキニングと呼ばれます。^[4]これは、ボーン変換のセット（変換マトリックスとして保存される）がスキンの頂点が選択するパレットを形成するためです。

• 骨は頂点の集合（または足など何かを表す他のオブジェクト）を表します。
  • アニメーターはモデルの特性をあまり制御する必要がなく、
    • アニメーターは大規模な動きに集中することができ、
  • 骨は独立して動かすことができます。
• アニメーションは、頂点ごと (ポリゴン メッシュの場合) ではなく、ボーンの単純な動きによって定義できます。

• ボーンでは頂点のセット (または他の正確に定義されたオブジェクト) のみを表すことができ、それ以上抽象的または概念的ではありません。
  • リアルな筋肉の動きと皮膚の動きを実現できません。この問題の解決策として考えられるもの:
    • 骨に取り付けられた特殊な筋肉コントローラー。
    • 生理学の専門家と協議し、より徹底した仮想解剖シミュレーションによって筋骨格のリアリズムの精度を高めます。

スケルタル アニメーションは、キャラクターや機械オブジェクトを長時間にわたってアニメーション化する標準的な方法です。ビデオ ゲーム アーティストや映画業界でよく使用されており、機械オブジェクトや、剛性のある要素とジョイントで構成されたその他のオブジェクトにも適用できます。

パフォーマンス キャプチャ(またはモーション キャプチャ) を使用すると、スケルトン アニメーションのプロセスを高速化し、リアリズムのレベルを高めることができます。

リグは、スケルトン フレームを使用して動作と抵抗の物理特性を自動的に計算するラグドール フィジックスによって駆動できます。手足の重さ、筋肉の反応、骨の強度、関節の制約などの仮想解剖学的特性を追加して、跳ね返り、座屈、骨折、回転などのリアルな効果を実現できます。

リグを作成できる一般的なソフトウェア パッケージには、Blender、Autodesk Maya、SideFX Houdini、Autodesk 3ds Max、Maxon Cinema 4D、Unreal Engineなどがあります。

• 3Dコンピュータグラフィックス
• モーフターゲットアニメーション
• インタラクティブなスケルトン駆動型シミュレーション
• 切り抜きアニメーション