Unity 人物换装实现

发表于 2021-11-07 更新于 2024-09-17 分类于 Unity Waline：

最近对Unity的换装方式和原理产生了一定的兴趣，所以，就去网上搜了一些文档，实现了一个简单版本的换装系统，这里简单总结一下。

在正式了解如何进行换装之前，我们需要了解几个概念。

骨骼，蒙皮和动画

目前游戏开发中常用的两种动画：顶点动画和蒙皮动画

顶点动画
通过在动画帧中直接修改mesh顶点的位置来实现，通常在mesh顶点数目较少，动画简单的情况下使用，如草的摆动，树的摆动，水的波动等
蒙皮动画
通过在动画中直接修改bone的位置，让mesh的顶点随着bone的变化而变化，通常用于人形动画，如人物的跑动，跳跃等

骨骼是什么

当我们倒入带有骨骼的Model时，我们可以在其中发现一个嵌套的GameObject，这个GamoeObject以及它的所有的子GameObject都只有一个属性，就是transforms的坐标信息，这些坐标信息组成了该模型的骨骼信息。

蒙皮是什么

我们知道Mesh是由顶点和面组成的，如果不绑定蒙皮数据，称之为静态mesh，不具有动画效果的，如游戏中的房子，地面，桥，道路等；

对于绑定蒙皮的mesh，我们称之为SkinMesh，在SkinMesh中每个mesh的顶点会受到若干个骨骼的影响，并配以一定的权重比例；

就像我们真实的人一样，首先支撑并决定位置和运动的是一组骨骼，头+身体+四肢，而身上的肌肉是受到骨骼的影响而产生运动的，每一块肌肉的运动可能会受到多个骨骼的影响；

蒙皮中需要的数据

在unity中主要是通过SkinnedMeshRenderer组件来实现蒙皮动画的计算

计算蒙皮动画所需要的数据：

SkinnedMeshRenderer.bones：所有引用到bone的列表，注意顺序是确定的，后续顶点的BoneWeight中bone的索引，就是基于这个数组顺序的索引
SkinnedMeshRenderer.sharedMesh：渲染所需的mesh数据，注意相比普通的MeshRender所需的顶点和面数据，还会有一些额外的计算蒙皮相关的数据
Mesh.boneWeights：每个顶点受到哪几根bone的影响的索引和权重（每个顶点最多受到四根骨骼的影响，详见结构体BoneWeight的定义）
Mesh.bindposes：每根bone从mesh空间到自己的bone空间的变换矩阵，也就是预定义的bone的bone空间到mesh空间的变换矩阵的逆矩阵，注意顶点受到bone影响所做的变换都是基于在bone空间做的变换

根据Unity文档, Unity中BindPose的算法如下:

OneBoneBindPose = bone.worldToLocalMatrix * transform.localToWorldMatrix;
骨骼的世界转局部坐标系矩阵乘上Mesh的局部转世界矩阵

注意：美术一般在绑定蒙皮时，会将骨骼摆成一个Tpose的样式，这个时候的bone的transform转换出矩阵也就是bindpose，所有的骨骼动画都是在这个基础上相对变换的，最终会作为mesh本身的静态数据保存下来。

SkinnedMeshRenderer是一种不同于普通Mesh Renderer的渲染器，普通的渲染器是使用Mesh Filter定义的网格信息加上Material（会指定使用的Shader）对GameObject进行渲染，而SkinnedMeshRenderer不同，它还会有bones等属性，用于表明对应的骨骼信息。
这些信息都是在导入模型时自带的，在建模工具中就会定好每个点受到每个骨骼信息的影响，即当骨骼中的某个点位置发生改变时，相应的Mesh如何变化。

换装的两种方式

替换SkinnedMeshRender的方式

主要适用于衣服，裤子，发型等

替换步骤：

1：一般根据是否单独部位可以换装，将单独部位或者整套模型制作成一个Prefab

2：加载prefab，并实例化为GameObject

3：查找到新实例化的SkinnedMeshRender对应的原有的SkinnedMeshRender

4：替换bones

5：替换mesh

6：替换material

7：替换完成，销毁新实例化的Prefab

节点挂载的方式

主要适用于武器，翅膀，尾巴等

替换步骤：

1：一般将单独一套模型制作成一个Prefab

2：加载prefab，并实例化为GameObject

3：查找挂点（比如武器一般会挂载在手的骨骼节点上）

4：销毁原有的装备

5：将实例化的GameObject的父节点设置为挂点

6：设置好GameObject的偏移，缩放，旋转（一般都为0）

具体实现举例

首先是一种简单的方式，将所有的衣服的SkinnedMeshRenderer都拿出来，然后全部加到骨骼根节点上

SkinnedMeshRenderer CombineSuitsToSkeleton(GameObject skeleton, SkinnedMeshRenderer[] meshes)
{
    var transforms = new List<Transform>(skeleton.GetComponentsInChildren<Transform>(true));

    var materials = new List<Material>();

    var combineInstances = new List<CombineInstance>();

    var bones = new List<Transform>();

    foreach (SkinnedMeshRenderer smr in meshes)
    {
        materials.AddRange(smr.materials);
        for (int sub = 0; sub < smr.sharedMesh.subMeshCount; sub++)
        {
            CombineInstance ci = new CombineInstance();
            ci.mesh = smr.sharedMesh;
            ci.subMeshIndex = sub;
            combineInstances.Add(ci);
        }
        foreach (Transform b in smr.bones)
        {
            var t = transforms.Find(t => b.name.Equals(t.name));
            if (t != null)
            {
                bones.Add(t);
            }
        }
    }

    var r = skeleton.AddComponent<SkinnedMeshRenderer>() ?? skeleton.GetComponent<SkinnedMeshRenderer>();
    r.bones = bones.ToArray();
    r.sharedMesh = new Mesh();
    r.sharedMesh.CombineMeshes(combineInstances.ToArray(), true, false);
    r.materials = materials.ToArray();

    return r;
}

通过上述方式，我们会在骨骼的根节点上添加多个Materials，这样在性能上不是最优，我们可以优化一下，将所有衣服的Material都合并起来，然后作为一个整体添加到骨骼上。

SkinnedMeshRenderer CombineSuitsToSkeleton(GameObject skeleton, SkinnedMeshRenderer[] meshes)
{
    var transforms = new List<Transform>(skeleton.GetComponentsInChildren<Transform>(true));

    var materials = new List<Material>();

    var combineInstances = new List<CombineInstance>();

    var bones = new List<Transform>();

    foreach (SkinnedMeshRenderer smr in meshes)
    {
        materials.AddRange(smr.materials);
        for (int sub = 0; sub < smr.sharedMesh.subMeshCount; sub++)
        {
            CombineInstance ci = new CombineInstance();
            ci.mesh = smr.sharedMesh;
            ci.subMeshIndex = sub;
            combineInstances.Add(ci);
        }
        foreach (Transform b in smr.bones)
        {
            var t = transforms.Find(t => b.name.Equals(t.name));
            if (t != null)
            {
                bones.Add(t);
            }
        }
    }

    var newMaterial = new Material(Shader.Find("Standard"));
    var oldUV = new List<Vector2[]>();
    // merge the texture
    var Textures = new List<Texture2D>();
    foreach (Material m in materials)
    {
        Textures.Add(m.GetTexture("_MainTex") as Texture2D);
    }

    Texture2D newDiffuseTex = new Texture2D(1024, 1024, TextureFormat.RGBA32, true);
    Rect[] uvs = newDiffuseTex.PackTextures(Textures.ToArray(), 0);
    newMaterial.mainTexture = newDiffuseTex;
    newMaterial.EnableKeyword("_SPECULARHIGHLIGHTS_OFF");
    newMaterial.SetFloat("_SpecularHighlights", 0f);

    // reset uv
    Vector2[] uva, uvb;
    for (int j = 0; j < combineInstances.Count; j++)
    {
        uva = (Vector2[])(combineInstances[j].mesh.uv);
        uvb = new Vector2[uva.Length];
        for (int k = 0; k < uva.Length; k++)
        {
            uvb[k] = new Vector2((uva[k].x * uvs[j].width) + uvs[j].x, (uva[k].y * uvs[j].height) + uvs[j].y);
        }
        oldUV.Add(combineInstances[j].mesh.uv);
        combineInstances[j].mesh.uv = uvb;
    }

    var r = skeleton.AddComponent<SkinnedMeshRenderer>() ?? skeleton.GetComponent<SkinnedMeshRenderer>();
    r.bones = bones.ToArray();
    r.sharedMesh = new Mesh();
    r.sharedMesh.CombineMeshes(combineInstances.ToArray(), true, false);
    r.material = newMaterial;

    return r;
}

代码过程分析

首先获取所有的骨骼信息（骨骼其实就是一个transforms的数组）：var transforms = new List(skeleton.GetComponentsInChildren(true));
声明一个新的材质的数组：var materials = new List();
声明一个CombineInstance（Struct used to describe meshes to be combined using Mesh.CombineMeshes）的数组：var combineInstances = new List();
声明一个保存所有骨骼信息的数组：var bones = new List();
然后是一段对meshs数组的循环，作用是将每个mesh的material保存进materials数组，然后将每个mesh的信息保存进combineInstances数组，最后根据名称从body的骨骼信息中获取与mesh的骨骼信息同名的骨骼保存进bones。
这段循环，是将衣服的材质信息保存进combineInstances中，骨骼信息保存进bones中。
获取人物body的SkinnedMeshRenderer，将它的骨骼信息绑定为所有的骨骼，它的mesh为一个新的mesh
创建一个新的材质，它的shader为默认的standard shader
保存旧有的UV信息：var oldUV = new List<Vector2[]>();
保存旧有的贴图信息：

var Textures = new List<Texture2D>();
foreach (Material m in materials)
{
    Textures.Add(m.GetTexture("_MainTex") as Texture2D);
}

创建新的贴图：Texture2D newDiffuseTex = new Texture2D(1024, 1024, TextureFormat.RGBA32, true);
根据旧的贴图数组为新的贴图生成UV信息：Rect[] uvs = newDiffuseTex.PackTextures(Textures.ToArray(), 0);
将新的材质的贴图设置为新的贴图。
根据刚才根据生成的新的UV信息，重新计算将衣服贴图合并以后新贴图的UV信息。

参考文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/87583171
https://zhuanlan.zhihu.com/p/94134459
https://gameinstitute.qq.com/community/detail/126729