在開發遊戲的過程中，為了讓遊戲更加生動，我們一定會在角色上加上動畫，最常見的有走路、跑步、跳躍等等。
一般來說，我們只要將調好的動畫素材套用到Unity的Animator上，人物就可以根據動畫檔調整好的節點播放指定動畫。然而這些動作只是最基本的而已，如果遊戲中有更多複雜的操作，那我們就勢必得加入相應的動畫。

一般動畫有什麼難點

對於跑跳這類，不太需要跟角色本身以外的物體互動的動作來說，直接撥放事先錄製好的動畫檔就可以輕鬆滿足需求，同時也有很好的效果。
但是對於像是FPS遊戲中的持槍，動作遊戲中的攀爬等，這些需要與其他物體互動的動作來說，顯然使用事先錄製好的動畫檔的效果就會不理想，因為我們總不可能在錄製動畫檔時，就事先知道這些物體在遊戲開始後的位置，對吧。

如何解決？

因此，為了能讓角色的動作看起來更生動自然，我們希望動畫可以動態的根據目標物體進行調整。
也就是角色的手會根據槍的位置，或是牆壁上的頂點來移動。
要做到這個效果就必須學習反向運動學(Inverse Kinematics，簡稱IK)技術!

正向運動學FK v.s. 反向運動學IK

竟然叫做反向運動學，就代表一定有正向運動學(Forward Kinematics，簡稱FK)。
FK其實就是我們一般情況下使用的動畫，運動時是由模型的父節點帶動子節點，也就是如果我們移動了角色的手臂，手臂下的手肘、手掌、手指都會連帶一起移動，非常的直觀。
而IK就是整個反過來，運動時是由模型的子節點反向帶動父節點，也就是如果我們移動了手掌，手掌就會反向的帶動手肘、手臂移動。
因此我們就可以利用IK反向帶動父節點的特性，來讓指定物體帶動希望移動的部位，做出更逼真的動畫。

在Unity中實現IK的方法

現在想在Unity中實現IK非常的簡單，也有很多方式可以選擇。
像是Unity Avator就有自帶的IK系統，可以透過程式碼實現腳貼在地板上、頭的轉向等等功能。
Asset Store上也有很多強大的IK套件，最著名的非Final IK莫屬，雖然是不便宜的付費套件，但卻能做到非常細微IK控制，許多動畫大師都會使用他。
不過今天要介紹的是Unity近幾年推出的免費官方IK套件，Animation Rigging。
Animation Rigging 可以很簡單的對角色骨架設置約束(Constraint)，讓指定的部位跟隨指定物體移動，幫助我們這些即便不是專業動畫師的開發者，也能方便的製作高品質的角色動畫。

安裝Animation Rigging

使用Unity 2019後的版本，在Package Manager搜尋Animation Rigging 安裝就可以了。
安裝完就會看到工具列出現Animation Rigging 的菜單。

基本介紹

在使用Animation Rigging之前，要先了解一些基本的元件，以及他們的結構。
首先我們要先認識Animation Rigging的3個最基本的元件，Rig Builder、Rig、Constraints

  • Rig Builder: 使用Animation Rigging最核心的元件，負責控制所有Rig，必須要跟Animator放在同一個物件下。
  • Rig: 可以存放一個或多個Constraints的容器，並可以調整weight權重，控制Constraints影響整體動畫的比例。
  • Constraints: 動作的約束，也就是設定IK的元件，所有的IK效果都是透過這個元件實現。Animation Rigging提供多個Constraint元件，來實現各種不同的IK效果。


他們三者的階層關係必須是

  • Rig Builder要放在跟Animator同一個物件(根物件)
  • Rig要放在Rig Builder的子物件以下
  • Constrains要放在Rig的子物件以下

有了最基本概念之後，就可以開始使用Animation Rigging來製作IK動畫了。

準備

首先要準備一個角色模型跟動畫檔。這次範例使用的角色模型是Steven做的人物，動畫素材則是Asset Store上的Basic Motions FREE。
這裡大家可以隨意使用自己喜歡的模型與動畫素材，只要是標準的骨架就可以了。
因為Animation Rigging需要依賴Animator配合使用，所以也要先幫角色加入Animator元件。然後這個Animator Controller就是單純的循環撥放Idle動畫。

註:Player底下的Amature與Body是模型自帶的骨架與皮膚。

開始使用

那我們第一個來做的IK就是讓角色的頭可以看向指定物體，要做到這個效果可以透過Multi Aim Constraint元件來實現。

設置Rig Builder與Rig

首先我們要先在有Animator的Player物件下新增Rig Builder，因為前面有提到Rig Builder是Animation Rigging最核心的元件，所以要先加入才可以使用後續的功能。

再來是負責存放Constraint的Rig組件，我們可以在Player物件底下新增一個空物件，叫做Head Rig(名稱隨意)，並新增Rig元件。

新增後會看到Rig提示我們這個Rig元件還沒有跟Rig Builder關聯起來，我們可以回到Player物件，將Head Rig拖進Rig Builder裡面，如此一來Rig Builder就可以控制Head Rig了。

Multi Aim Constraint

接著在Head Rig物件下再新增一個空物件，叫做Multi Aim Constraint(名稱隨意)，並新增Multi Aim Constraint元件。

這個元件顧名思義，就是用來做瞄準動作的約束，最常見的使用場景就是即將要做的角色的頭看向指定物體的IK效果。
然後在Head Rig下再新增一個空物件，叫做Head Target(名稱隨意)，用來當作角色要看向的物體，並把這個物體拖進Multi Aim Constraint元件的Source Objects中。

這個Head Target不一定要放在Head Rig物件底下，只是為了方便管理選擇放這裡而已。
下一步要將被約束的骨頭放進Constrainted Object裡面，也就是角色的頭的骨頭。

設定好後，就可以按下Play執行遊戲，在場景中拖動Head Target物件，就會看到我們角色的頭會一直看向這個物件囉!

註:如果在Play模式下，調整Head Target到你想要的位置後，要記得複製一下他的座標數值，不然結束Play後就會還原到原本的位置喔。

Two Bone IK Constraint

接下來介紹Two Bone IK Constraint，顧名思義，就是控制兩個骨頭IK的元件，使用場景是最常見的手部或腳部IK，像是角色要拿場景上的物品、FPS遊戲中的持槍、人物上樓梯腳會貼在階梯上、攀爬的效果等等，可以說是應用非常廣泛的元件。
一樣在Player物件下新增一個空物件，叫Hand Rig(名稱隨意)，並新增Rig元件，然後跟Rig Builder關聯起來。

然後在Hand Rig下新增叫Right Hand Constraint(名稱隨意)的空物件，並新增Two Bone IK Constraint
元件。

這個元件比較特別，需要3個被約束的骨頭，同時也需要2個Source Object。
3個被約束的骨頭Root、Mid、Tip，必須在骨架中是相連的父子關係，像是手臂、手肘、手掌或是大腿、小腿、腳掌。
這裡我們就將Player的手臂、手肘、手掌分別放進Root、Mid、Tip。

2個Source Object Target、Hint，分別是控制Tip與Mid骨頭位置的參考物件，這裡一樣在Hand Rig底下新增兩個空物件，Hand Target與Hand Hint，然後放進去Target、Hint。

Hand Target與Hand Hint也是不一定要放在Hand Rig物件底下，一樣只是為了方便管理選擇放這裡而已。
設定完後，按下Play進入遊戲後，拖動Hand Target與Hand Hint看看效果。

註:如果在Play模式下，調整Hand Target與Hand Hint到你想要的位置後，要記得複製一下他們的座標數值，不然結束Play後就會還原到原本的位置喔。

Multi Rotation Costraint

最後來介紹Multi Rotation Costraint，顧名思義，這就是一個可以控制骨頭旋轉量的元件，可以在像是需要讓角色彎腰的情況使用。
還是一樣先在Player下新增空物件，叫Spine Rig(名稱隨意)，新增Rig元件後與Rig Builder關聯起來。

在Spine Rig下新增空物件，叫Multi Rotation Costraint(名稱隨意)，新增Multi Rotation Costraint元件。

然後在Spine Rig下再新增空一個物件Spine Target(名稱隨意)，拖進Multi Rotation Costraint元件的Source Object。

接著設定要被約束的骨頭，就是角色的腰，把角色骨架中的spine02拖進Constrained Object裡面。

設定完後就可以Play進入遊戲，旋轉Spine Target看看效果囉!

註:如果在Play模式下，調整Spine Target到你想要的旋轉量後，要記得複製一下他的旋轉量值，不然結束Play後就會還原到原本的位置喔。

到這裡我們介紹了3個常用的Constraints，當然Animation Rigging還有其他好用的Constraints，像是Multi Position Constraint，使用上都大同小異，非常好上手。
另外如果想做更細微的控制的話，大家也可以自己調整看看這些Constraints的參數，像是權重、偏移量等等，官方文檔中也有完整的資料可以參考。

其他

Rig Transform

有的時候我們可能會把Source Object物件放在某個物件底下，並希望在移動這個物件的時候，也能夠控制IK動畫，但這是行不通的。

如果我們也想要可以藉由這個物件控制IK動畫的話，就需要在這個物件上新增Rig Transform元件。

新增Rig Transform元件後，這個物件就也可以控制IK動畫囉!

Bone Renderer

在我們對骨頭設置約束時，需要一層一層點開角色模型的骨架，這樣非常不方便，因此Animation Rigging提供Bone Renderer元件，讓我們可以看到角色的骨架，並且只需要點擊骨頭，就可以直接選中。
首先，選中角色的根物件，也就是Player，然後在Animation Rigging菜單中選擇Bone Renderer Setup，就會發現Player自動新增了Bone Renderer元件，並在Editor中顯示出藍色的骨架輪廓。

使用Animation Rigging的注意事項

注意在Rig Builder底下所有的子物件，及所有的後代物件的名稱不可以重複，不然會報錯。

總結

製作3D遊戲中，角色動畫往往都是成本非常高同時也是最重要的環節之一，任何一個小動作的動畫背後都需要大量的時間及專業知識，一般的獨立開發者通常只能望而卻步。
但隨著遊戲開發的技術日趨成熟，現在只需要熟悉掌握IK套件，任何人都可以更輕鬆地做出高品質的動畫，讓我們的遊戲更加生動!

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