人類一敗塗地挺有意思的。
1. 前言
基於物理的動畫（Physically Based Animation）是計算機圖形學中的一個有趣的領域，它包括剛體模擬（Rigid Body Simulation）、柔體模擬（Soft Body Simulation）、流體模擬（Fluid Simulation）、粒子系統（Particle Systems）、蜂擁行為（Flocking）、基於物理的角色動畫（Physically Based Character Animation）等。
在動畫中添加物理，會使動畫更豐富，與場景交互也會更真實。本文介紹角色物理動畫最常見的實現之一——佈娃娃模擬，本文包括概念、驅動物理跟隨動畫的方式、UE5中的物理動畫代碼介紹等。
和之前的文章一樣，本文依然隻介紹骨骼，且為基礎篇，所以有些內容可以適當跳過~
應用篇請見下一篇文章~：
2. 一分鐘實現最簡單的角色物理動畫模擬
開頭先實現一個最簡單的物理動畫模擬，按照Physical Animation / Ragdoll TUTORIAL in Unreal Engine 4 latest version：https://www.youtube.com/watch?v=_Xnx9L6DgfE流程來。
打開角色藍圖，添加PhysicalAnimation組件，並設置Bone的值為pelvis，然後按下圖操作：
- 選擇所有剛體，可以添加一個Physical Animation Profiles，然後選擇Assign，可以在Details面板中，看到PhysicalAnimation配置，這裡可以為每個剛體單獨配置數據。
- 添加PhysicalAnimation組件，然後選擇Mesh，修改Collision，修改膠囊體的大小。
- 然後編寫下面的邏輯，這裡創建瞭一個用於WorldSpace中的PhysicalAnimationData。
運行結果如下所示（效果與配置有關，不代表最終結果）：
（這個表現…哈哈哈哈，emm…隻是為瞭引出後面的內容…
3. 佈娃娃物理系統（Ragdoll Physics System）
Ragdoll將物理和動畫結合起來，是一種由物理引擎驅動的程序式動畫（procedural Animation）。它是多個剛體（rigid）的集合（在骨骼動畫系統中，每個剛體通常與骨骼綁定在一起），通過限制骨骼的移動來實現。當角色死亡時，每個joint的運動都受到瞭限制，表現也會更真實。
4 前置概念及介紹
遊戲引擎所指的“角色物理”，更精確地說應稱為剛體動力學（rigid body dynamics）模擬。
關於物理資產編輯器的介紹，請見官方文檔：https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/physics-asset-editor-in-unreal-engine/
4.1 剛體（Rigid Bodies）
在理想狀態下，剛體在運動中和受力作用後，形狀和大小不變。
在UE5中，FBodyInstance繼承於FBodyInstanceCore，它描述瞭剛體，是物理數據描述的基本單位，包括：
- TWeakObjectPtr< UBodySetupCore> BodySetup：共享的資源信息
- CollisionEnabled：碰撞類型
- LinearDamping、AngularDamping：線性阻尼、角速度阻尼
- DOFConstraint：自由度約束
- GetBodyMass()：質量
- GetBodyInertiaTensor()：慣性張量，張量描述瞭圍繞任何給定軸旋轉物體的難度，慣性張量越高越穩定。
- UpdatePhysicalMaterials()：更新材質的摩擦、恢復系數等。
UBodySetup繼承於UBodySetupCore，它包含與單個資源關聯的碰撞信息，單個UBodySetup實例可以在多個FBodyInstance之間共享。它包括：
- BoneName：骨骼名
- PhysicsType：物理類型
- Default：繼承父組件的設置
- Kinematic：不受物理影響，但可以與物理模擬的物體交互
- Simulated：使用物理模擬
USkeletalBodySetup繼承於UBodySetup，在父類的基礎上增加瞭一個bSkipScaleFromAnimation開放參數。
選擇物理資產編輯器中的body，可以在Details面板看到FBodyInstance含有的參數：
4.2 約束（Constraints）
無約束的剛體有6個自由度（degree of freedom, DOF）：可以在3個維度上平移，並可以繞3個笛卡爾軸旋轉。
在物理引擎中，約束用於模擬物體間的連接情況，如連桿、佈娃娃、吊燈等。在一定程度上削減瞭DOF。
常見的約束類型：
- point-to-point：點對點約束，剛體中某個指定的點與其他剛體的指定點對齊，比如球窩關節（ball and socket joint）。
- hinge：鉸鏈約束，將連接物理的剛體的運動約束在某一個軸上，限制關節中的旋轉，比如膝蓋I（knees）、肘部（elbows）。有限制鉸鏈隻能在預設的角度內旋轉，無限制鉸鏈則允許物體旋轉無線圈。
- ragdoll：身體上的約束，為模仿真實人體的關節運動而特別設計的，並使用約束鏈提高模擬的穩定性。
- powered constraint：富動力約束，這個將在後文介紹。
骨骼關節的數量通常比佈娃娃剛體的數量多，剛體與骨骼之間存在著映射關系，UBodySetupCore中的BoneName即表示剛體與skeletal mesh中的bone相關聯。UE5中的剛體與骨骼之間的關系可以在物理資產中的Skeleton Tree中查看：
在UE5中，選擇Constraint，可以配置右邊的參數，對應的類是FConstraintInstance：
4.3 剛體狀態（Rigid Body States）
動畫表現可以分為三種類型：
- 關鍵幀（KeyFramed）：完全由動畫驅動。通常禁用剛體上的碰撞，與其他物體碰撞時動畫表現不能被修改。
- 動力/動畫（Powered/Animated）：由動畫驅動，但可以使用脈沖（impulses）或其他碰撞修改動畫表現。物理跟隨動畫。
- 無動力/模擬（Unpowered/Simulated）：不能由動畫驅動，隻受重力和約束影響。
神秘海域4的GDC演講（https://www.youtube.com/watch?v=7S-_vuoKgR4）中介紹瞭兩種控制器，分別用於Local Space和World Space控制，來實現物理跟隨動畫。兩種控制分別是：
- 富動力約束控制器（Powered Constraint Controller），也稱為Motor。
- 控制Local Space下的Rotation。Rotation Matching。
- 難以匹配Animation Pose。
- Havok物理引擎（他們使用的物理引擎）建議在死亡或垂死角色制作動畫時使用Motor，因為Motor在Local Space中工作（控制joint，可以產生非常逼真的結果）。
- 剛體控制器（Rigid Body Controller），也稱為關鍵幀控制器（Keyframe Controller）。
- 控制World Space下的Position。Position Matching。
- 操縱單個剛體的速度以匹配動畫。線性的。
- Havok物理引擎建議將此控制器用於實時角色，因為它在World Space中工作。
- 代碼如下：（角速度也同樣）
currentLinearVelocity = getRigidBodyLinearVelocity(myRB)
currentLinearVelocity += Limit(poseLocalAcceleration, localAccelerationLimit) * localAccelerationGain
currentLinearVelocity += Limit(poseParentAcceleration, parentAccelerationLimit) * parentAccelerationGain
desiredVelocity = (currentRBPosition - desiredPosePosition) / deltaTime
currentLinearVelocity += (desiredVelocity - currentLinearVelocity) * positionGain
havokBody->setLinearVelocity(currentLinearVelocity