概要
- Unreal 骨骼动画系统实质：把各个输入的动画姿势（Pose）资源（ AnimSequence ），通过动画蓝图等进行混合和更新，得到最终姿势。再对该 Pose 进行评估和计算，得到各骨骼顶点的目标 Transform 等数据。之后交由渲染线程绘制。
- Unreal 的动画系统主要基于 SkeletalMeshComponent 实现。在 USkeletalMeshComponent::InitAnim 中做初始化，在 USkeletalMeshComponent::TickComponent 中执行 USkeletalMeshComponent::TickPose 以便混合和更新动画 Pose。在 TickComponent 或 FParallelAnimationEvaluationTask 中执行 USkeletalMeshComponent::ParallelAnimationEvaluation 以更新计算骨骼 transform 。最后在帧尾 UWorld::SendAllEndOfFrameUpdates 时通过 USkinnedMeshComponent::SendRenderDynamicData_Concurrent 把数据提交渲染线程绘制。
流程
动画系统
说明
- 此段先说概要，再对每个大的步骤做必要的说明。
概要
- 动画系统的关键流程主要分为这几个部分：初始化、更新、运算、渲染。
- 流程图（简化版，忽略了执行条件等）
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- 时序图（简化版，部分复杂函数在对应章节单独列出。主要看类之间的关联和函数的调用，有注明执行条件）
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初始化（Initialize）
关键方法
- 对应的关键方法为 USkeletalMeshComponent::InitAnim
触发
- 由 USkeletalMeshComponent::OnRegister 或 USkeletalMeshComponent::InitializeComponent 在 AActor::FinishSpawning 后触发。
主要工作
- 主要是各种数据的清理（如 ClearAnimScriptInstance、ResetLinkedAnimInstances、EndNotifyStates）、初始化（如 RecalcRequiredBones）、创建和刷新（如 RefreshMorphTargets）等。
- 也会通过 FAnimInstanceProxy 执行各 FAnimNode_Base 的 Initialize_AnyThread （节点的详细机制见后文）。
流程时序图
- USkeletalMeshComponent::InitAnim
- 动画初始化关键函数，包括初始化方方面面，如数据的准备、清理和交换等及事件的派发。
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- UAnimInstance::InitializeAnimation
- 动画初始化主要函数，数据清理、准备等，也会触发蓝图相关事件和各节点的 Initialize_AnyThread 。
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备注
- 需要说明的是，可能在 InitAnim 中执行一次 TickAnimation ，因为：“在编辑器中，动画不会被勾选。 所以更新一次以获得准确的表示而不是 T-Pose。 pre-4.19 的引擎也可能需要这个设置。”
更新（Update）
关键方法
- 动画的更新对应的关键函数为 USkeletalMeshComponent::TickPose （及其父类 USkinnedMeshComponent 的同名方法）、UAnimInstance::UpdateAnimation 等
触发
- 由 USkeletalMeshComponent::TickComponent （或者说 USkinnedMeshComponent::TickComponent ）在引擎 Tick 循环中触发
主要工作
- 主要工作为更新动作Pose，基于 DeltaTime 更新动画（含montage）的进度，算权重（Weight），以及调用更新动画蓝图及各Node的相关方法。
- 该流程从 USkeletalMeshComponent::TickAnimation 进入，主要函数为 UAnimInstance::UpdateAnimation ，其涉及 PreUpdateAnimation 、Update 和 PostUpdate，在 PreUpdateAnimation 中初始化（FAnimInstanceProxy::InitializeObjects）基本数据、复制我们可能使用的任何 UObject、调用 FAnimInstanceProxy::PreUpdate 以及执行动画 Node 的 PreUpdate 。
流程时序图
- USkeletalMeshComponent::TickAnimation
- 计算所需曲线数据、更新动画、派发事件。
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- UAnimInstance::UpdateAnimation
- 动画更新的关键函数，包括 PreUpdate、Update和PostUpdate三部分，主要是montage和动画蓝图等的更新。
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- UAnimInstance::UpdateMontage
- montage的计算、播放和时间派发。
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- UAnimInstance::ParallelUpdateAnimation
- 在工作线程上运行更新动画，也会执行各节点的 CacheBones_AnyThread 和 Update_AnyThread 。
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计算（Evaluate）
关键方法
- USkeletalMeshComponent::PerformAnimationProcessing 和 USkeletalMeshComponent::EvaluateAnimation 等
触发
- 通过 USkeletalMeshComponent::DoParallelEvaluationTasks_OnGameThread 或 FParallelAnimationEvaluationTask::DoTask 调用。由 USkeletalMeshComponent::InitAnim 、USkinnedMeshComponent::TickComponent 或异步子任务 FParallelAnimationEvaluationTask::DoTask 触发。
主要工作
- 根据前面更新步骤得到的曲线数据、权重等数据，计算新的目标 Pose，更新骨骼的 Transform 等，为渲染准备数据。
流程时序图
- USkeletalMeshComponent::ParallelAnimationEvaluation
- 异步更新、数据计算、数据交换、事件派发等。
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- UAnimInstance::ParallelEvaluateAnimation
- 动画计算的关键函数，也会反向递归调用动画节点的 CacheBones_AnyThread 和 Evaluate_AnyThread 。
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- USkeletalMeshComponent::EvaluateAnimation
- 其实就是对 UAnimInstance::ParallelEvaluateAnimation 的调用。
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- USkeletalMeshComponent::FinalizeAnimationUpdate
- 动画更新完毕，标记一下，可以发数据给渲染了。注意这里的更新完毕包括计算。一般发生在 PostAnimEvaluation 中。
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- USkeletalMeshComponent::PostAnimEvaluation
- 计算完毕后的处理，如数据的存储和交换（为渲染做准备），也会触发动画事件。
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- USkeletalMeshComponent::FinalizeBoneTransform
- 骨骼数据更新完毕后的处理，比如拷贝和赋值。发生在计算处理之后。
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备注
- 这个操作即可能在主线程也可能在异步子任务中执行，因为很多操作是数据的计算，可以异步。
渲染（Render）
说明
- 基本步骤可分为3部分：创建、更新和销毁。
- 本文不对渲染框架和底层机制做过多分析，相关部分请查看对应文章。
主要作用
- 基于前面准备的各种数据（如骨骼 transform 等），利用 ENQUEUE_RENDER_COMMAND 等宏，调用渲染线程，请求渲染线程对动画进行渲染绘制。
触发
- 创建发生在组件注册时。更新发生在引擎循环 tick 的帧尾 UWorld::SendAllEndOfFrameUpdates 。销毁发生在组件销毁时。
- 更新的触发流程相对较为重要和复杂一点点，流程图如下
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关键类和方法
- USkinnedMeshComponent
- USkinnedMeshComponent::CreateRenderState_Concurrent
- USkinnedMeshComponent::SendRenderDynamicData_Concurrent
- USkinnedMeshComponent::DestroyRenderState_Concurrent
- USkinnedMeshComponent::UpdateMorphMaterialUsageOnProxy
- FSkeletalMeshObject
- FSkeletalMeshObjectGPUSkin
- FSkeletalMeshObjectCPUSkin
- FSkeletalMeshObjectStatic
- FGPUBaseSkinVertexFactory::FShaderDataType::UpdateBoneData
- GpuSkinVertexFactory.ush
- GetMaterialVertexParameters
- FSkeletalMeshObjectGPUSkin
- FSkeletalMeshObjectGPUSkin::Update
- FSkeletalMeshObjectGPUSkin::UpdateDynamicData_RenderThread
时序图
- 创建、更新和销毁
- 主要还是各种数据的准备和组装及对渲染线程的调用。
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- FSkeletalMeshObjectGPUSkin::Update
- 有利用 ENQUEUE_RENDER_COMMAND 宏触发渲染线程执行对应命令。
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其它重要操作
数据操作
- USkeletalMeshComponent::RefreshBoneTransforms
- 很重要的操作，更新和计算的桥梁。发生在初始化完毕或动画更新完毕后，此时需要对骨骼进行刷新和计算，以便为渲染提供数据。在初始化、tick 等时均可能触发。
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- USkeletalMeshComponent::RecalcRequiredBones
- 根据当前的 SkeletalMesh、LOD 和 PhysicsAsset 重新计算此 SkeletalMeshComponent 中的 RequiredBones 数组。一般发生在初始化时。
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- USkeletalMeshComponent::RecalcRequiredCurves
- 根据当前所需的骨骼集重新计算此 SkeletalMeshComponent 的 RequiredBone 中的 AnimCurveUids 数组。一般发生在 animation tick 时。
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- USkeletalMeshComponent::RefreshMorphTargets
- 重置和刷新montage数据，一般发生在初始化时。
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- USkeletalMeshComponent::UpdateLODStatus
- 更新网格的 LOD 信息以及使用对应 LOD 的网格，在初始化和tick时均可能触发。
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事件
- USkeletalMeshComponent::ConditionallyDispatchQueuedAnimEvents
- 在动画执行到一定阶段后派发对应的事件
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- USkeletalMeshComponent::DispatchParallelEvaluationTasks
- 派发异步计算的子任务，可使 Evaluation 在主线程和子线程都能执行。
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- USkeletalMeshComponent::HandleExistingParallelEvaluationTask
- 接受处理异步计算子任务，让异步计算在指定位置执行。
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重要判断
- USkeletalMeshComponent::ShouldOnlyTickMontages
- 如果设置为 OnlyTickMontagesWhenNotRendered 并且最近没有被渲染，那么只更新蒙太奇并跳过其他所有内容。
- USkeletalMeshComponent::ShouldTickAnimation
- 是否应该更新动画（可能因为 URO 而跳过）
- USkeletalMeshComponent::ShouldTickPose
- 自主Tick允许每帧执行多次，因为可以接收和处理同一帧的多个网络更新。当播放联网的 Root Motion Montages 时，我们希望这些在DS和远程客户端上播放以便联网和位置校正。所以我们在这种情况下强制更新姿势以保持根运动和位置同步。
- USkinnedMeshComponent::ShouldUpdateTransform
- 如果最近被渲染过，并且 bForceRefPose 已打开至少一帧，或者 LOD 已更改，更新骨骼矩阵。
动画节点
概述
- Unreal 动画蓝图利用其图表中的各种节点对输入姿势执行操作，例如混合、直接骨骼操作等。
- 引擎中提供了几种不同类型的动画节点，包括事件、混合节点、骨骼控制器、空间节点和转换节点。
- 动画节点的基类为 FAnimNode_Base ，根节点为 FAnimNode_Root。
关键函数
- Initialize_AnyThread * 节点首次运行时调用。 如果节点在状态机或缓存的姿势分支内，则可以多次调用。
- CacheBones_AnyThread * 刷新节点引用的骨骼索引
- Update_AnyThread * 更新当前播放时间、混合权重等信息。此函数采用一个 FAnimationUpdateContext，它知道更新的 DeltaTime 和当前节点的混合权重 * 节点间通过 FAnimationUpdateContext 在动画树 Evaluate 期间传递的相关上下文，其包含 CurrentWeight 、 DeltaTime 等信息。
- Evaluate_AnyThread * 调用以根据 Update 中设置的权重等数据计算生成 Pose（骨骼变换列表）。 * 节点间通过 FPoseContext 在动画树 Evaluate 期间传递的相关上下文，其包含 Pose 、Curve 、 CustomAttributes等信息。
执行顺序
- 不论是 Initialize 、CacheBones 还是 Update、Evaluate，节点的执行都是反序遍历的。即从根节点 RootNode （FAnimNode_Root） 开始，通过其
XXX _AnyThread，调用 Result （FPoseLink） 的 XXX 函数，进而调用 LinkedNode （FAnimNode_Base） 的XXX_AnyThread，依次反向递归。内部通过 FPoseContext 进行数据的传递。
类图
关键类和关键方法类图
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说明
- USkeletalMeshComponent
- 可以看做是对动画系统的封装和接口，外部对动画系统的驱动等均通过本组件进行，其又通过 UAnimInstance 更新动画表现，通过 FAnimInstanceProxy 传递数据，以及通知渲染进行绘制。
- FAnimInstanceProxy
- 如其名字所示，一个代理，用于在动画更新期间进行数据的传递（有利于多线程操作）。
- UAnimInstance
- 负责操作动画表现。
- FAnimNode_Base
- 各动画节点的基类，通过 FAnimInstanceProxy 对节点进行反向递归操作。
相关链接
- 解析UE动画系统--核心实现 https://zhuanlan.zhihu.com/p/560801479
- UE4 动画系统 源码及原理剖析 https://blog.csdn.net/qq_23030843/article/details/109103433
- UE4/UE5 动画的原理和性能优化 https://zhuanlan.zhihu.com/p/545596818
- UE动画蓝图和动画节点拆解 http://www.lpq.design/2022/03/UE_AnimBP/
- 骨架网格体动画系统 https://docs.unrealengine.com/4.27/zh-CN/AnimatingObjects/SkeletalMeshAnimation
- $UE$ 浅析UE动画系统 https://zhuanlan.zhihu.com/p/393884450
- 【UE4】图解动画系统源码 https://zhuanlan.zhihu.com/p/446851284上原文链接（https://mp.weixin.qq.com/s/fjhVb1gJJRmjBTZIvyrOLg）及本声明。
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