3DS max精品详细教程（从入门到精通）15 高级动画

认识3ds Max中正向运动学的原理及设置

15.1 运动学

在设置一些复杂的动画时，如角色、机械装置的运动等，可以通过将对象链接在一起以形成层次来简化整个设置过程。形成链接关系后，设置其中的一个对象的动画会影响到其他的对象，这样既简化了整个对象的设置过程，又可以保持相应对象运动的一致性。在3ds Max中存在两种类型的运动学：正向运动和反向运动。这两种运动各有特点，正向运动可以非常方便的通过操控位于层次顶部的对象来设置层次动画。而反向运动则在设置比较复杂的动画，尤其对角色、机械臂的运动方面更加直观。下面就开始对这两种运动学分别进行讲解。

15.1.1 正向运动学

正向运动学的基本原理为：（1）轴点位置定义了链接对象的链接关节。（2）按照从父层次到子层次的顺序继承位置、旋转和缩放变换。形成链接关系后，被链接的对象称为父对象，链接的对象称为子对象。此时父对象的运动会带动子对象。

1.确定对象之间的层次关系

在进行链接之前，首先要确定好场景中的层次关系，即谁为父对象、谁为子对象。然后选择子对象，在主工具栏中单击“选择并连接”按钮，在子对象上单击并拖动鼠标至父对象上，此时在光标与子对象之间将会产生一条虚线。当光标到达父对象时，光标变为链接光标，如图15-1所示，松开鼠标，父对象和子对象通过他们的轴点链接到一起。

图15-1 建立链接关系

当用户为两个对象建立链接后，旋转父对象将影响子对象的位置和方向，如图15-2所示。

图15-2 旋转父对象将影响子对象的位置和方向

如果用户对建立链接的子对象进行旋转，它不会对父对象产生影响，如图15-3所示。

图15-3 旋转子对象不影响父对象

一个子对象只能有一个父对象，而一个父对象则可以拥有多个子对象，如果给子对象定义了第二个父对象，那么该子对象与第一个父对象的链接关系将自动解除。

如果场景中的对象比较多，而链接关系又比较复杂，此时可以通过“图解视图”窗口来进行观察，在主工具栏上单击

“图解视图（打开）”按钮，打开“图解视图”对话框，在这个对话框中可以清楚地看到各

物体之间的链接关系。图15-2为“图解视图”对话框。

图15-4 “图解视图”对话框

为对象建立链接后，如果用户想要移除两个对象间的层次关系或将子对象与其父对象分离开来，可通过“断开当前选择链接”命令来实现。首先需要选择要取消链接的子对象，然后单击个链接层次。

讲到正向运动，在此就不得不讲一下虚拟物体。因为虚拟物体在正向运动中的应用十分重要，往往在链接物体之间设置虚拟物体，这样可以使整个层次关系变得清晰，并且便于操控。而且虚拟物体在渲染时不会被渲染。下面就介绍一下虚拟对象的创建方法。 进入

“创建”主命令面板下的

“辅助对象”次命令面板，在“对象类型”卷展栏中单击“虚拟对象”

“断开当前选择链接”按

钮即可。通过双击父对象以选择该对象及其全部子对象，然后单击“断开当前选择链接”，可迅速取消整

按钮，通过单击并拖动鼠标的方式创建虚拟物体如图15-3所示。

图15-5 创建虚拟对象

2.设置对象的变换锁定

在不进行任何设置的情况下，子对象会继承父对象的全部运动，包括各个轴向的移动和旋转。但是有些动画却要求子对象不能全部继承父对象的运动，比如直升飞行器的螺旋桨带动飞行器运动，螺旋桨作为父对象，此时机身只能继承螺旋桨的移动，而不能继承其旋转。这就要应用到运动的锁定和继承的知识。通过选择对象并设置“层次”面板“锁定”卷展栏上的选项，可以锁定对象围绕其任何局部轴移动、旋转或缩放的能力。 在

“层次”主命令面板下单击“链接信息”按钮，可以打开“链接信息”命令面板，该命令面板可以设

置对象的变换锁定和继承锁定。图15-6为“链接信息”命令面板。

图15-6 锁定和继承面板

在“锁定”卷展栏中拥有“移动”、“旋转”和“缩放”三个选项组，其中每个选项组中都有X/Y/Z三个复选框，选择其中的任何一个复选框，则此时就限制该轴向上的运动。比如选择“移动”选项组中的Z复选框，则此时对象将不能在Z轴方向上移动。

在“继承”卷展栏中同样拥有“移动”、“旋转”和“缩放”三个选项组，取消任何一个选项组中的任一复选框，则此时子对象将不再继承父对象在该方向上的运动。比如，取消“旋转”选项组中的Y复选框的选择状态，则此时子对象将不再继承父对象在Y轴方向的旋转运动。

3.改变对象坐标轴的位置

使用“层次”面板的“调整轴”卷展栏中的按钮，可以随时调整对象轴点的位置和方向。调整对象的轴点不会影响链接到该对象的任何子对象。然而不能对“调整轴”卷展栏下的功能设置动画。调整任意帧上的某个对象的轴会改变整个对象的轴。如图15-7所示，可以任意改变轴点的位置。

图15-7 变换轴点的位置

认识3ds Max中反向运动学的原理及设置

15.1.2 反向运动学

反向运动学（IK）是一种设置动画的方法，它翻转层次操纵的方向。用子对象来带动父对象的运动。反向运动学在设置物体朝向目标对象运动的动画时，非常有效。

例如设置一个机械手臂的运动，如果应用正向运动需要设置各个关节运动，才可以实现整个手臂的运动。而应用反向运动则只需设置位于最末端的子对象的运动，便可带动其他的关节的运动，如图15-8和15-9所示分别为正向运动和反向运动的过程。

图15-8 正向运动（带有标示的为处于运动状态的关节）

图15-9 反向运动

通过上面两幅图的对比，可以看出反向运动在设置此类动画时要比正向运动方便的多，而且在设置时由于各个关节的相互影响，使得动画更为真实。下面就对反向运动学进行了解。

1.反向运动学的原理

反向运动学是通过子对象来控制父对象的运动，并且可以设置每个对象的运动范围，使得父对象在跟随子对象运动时不会超出设定的范围，这样的设置更加合理，正如人的头部不可能360度旋转，这就存在着限定范围的设置定问题。下面就对这部分的知识进行讲解。

2.使用反向运动设置动画的步骤

使用反向运动学可以快速地设置复杂的运动，并可设置它的动画。使用反向运动设置动画需要通过3个步骤来完成。

（1）创建模型。该模型可以是关节结构（例如机械或甲壳类的动物），也可以是许多个或单个的连续曲面模型（例如人或动物）。

（2）链接对象。将关节模型链接在一起并对轴点进行定义，对于连续曲面模型，创建骨骼结构以设置角色蒙皮的动画。

（3）将IK解算器应用到关节层次或骨骼。在轴点定义关节行为，根据所使用的IK解算器的类型来设置限制或首选角度，在这里可以设置滑动关节或转动关节。可能需要移动层次的根，也可能要在这个点上添加控制对象，诸如虚拟对象。

如图15-10所示为使用反向运动学所创建的挖掘机的动画效果。

图15-10 挖掘机的动画效果

3.IK控制面板的内容与作用

反向运动的设置就是在“层次”主命令面板下的IK子面板中设置完成。单击命令面板中的“层次”按钮，再单击该命令面板下的IK按钮，可以打开IK子命令面板，该面板提供了关于IK设置的全部内容。图15-11出示了IK子面板的全貌。当“反向运动学”卷展栏内的“交互式IK”按钮被激活时才能进入反向运动状态，如果该按钮未被激活，将不能实施反向运动。

图15-11 IK子命令面板 （1）“反向运动学”卷展栏

“交互式IK”：激活该按钮后，进入反向运动模式，此时调整末端子对象的位置，可以影响到父对象的运动，从而实现整个层次的运动。

“应用IK”：需要将IK结构的一个或多个部分绑定在一起，以设置跟随对象的动画。绑定之后，可以选择运动学链中的任何对象，然后单击“应用IK”按钮。该操作将会为动画的每一帧计算IK解决方案，并为IK链中的每个对象放置变换关键点。

当希望位于运动学链中的对象完全匹配其他对象的运动时，“应用IK”的动画方法能够发挥极大的功效。如图15-12所示为“应用IK”按钮后的动画效果。

图15-12 运用“应用IK”按钮

“仅应用于关键点”：启用该复选框后，只把IK影响指定给末端引导物体的已存在关键帧。 “更新视口”：启用该复选框后，每一帧的内容会随着IK的设置变化而进行更新。 “清除关键点”：启用该复选框后，此时IK链中所有的关键帧将被删除。 “开始”和“结束”：用于设置IK的计算范围。 （2）“对象参数”卷展栏

“对象参数”卷展栏中可以进行终结点的设置，指定绑定对象，以及对滑动和转动关节的IK值进行复制和粘贴的操作。如图15-13所示为“对象参数”卷展栏。

图15-13 “对象参数”卷展栏

“终结点”：该复选框用于指定IK影响终结的位置，可以选择IK链中的一个或几个对象，然后启用“终结点”复选框。此时IK设置不会影响到所选的对象。

“位置”：该选项组用于设置绑定的控制选项，主要控制是否绑定以及绑定的位置和轴向。 “方向”：该选项组用于将选择的对象绑定到世界坐标上。

“绑定到跟随对象”：在该选项组中单击“绑定”按钮，然后选择一个层级末端的子对象，在选择对象上端单击并拖动鼠标至绑定目标对象上端，这时光标同子对象形体之间将会产生一条虚线。当光标到达绑定目标物体上端时，光标将转变为一个图钉的形状，如图15-14所示，此时松开鼠标子对象被绑定在引导物体上。

图15-14 创建“绑定关系”

用户可通过使用3个关节优先级控件来改变计算IK解决方案的方式。默认的关节优先级为0。此优先级适用于许多IK解决方案，其假设距离应用力量位置（末端效应器）最近的关节移动速度比远离力量的关节快。 “优先级”：手动为IK链中的任何对象指定优先级值。高优先级值在低优先级值之前计算，相同的优先级值以“子>父”的顺序计算。

“子->父”：自动设置关节优先级，以减少从子到父的值。这将导致应用力量位置（末端效应器）最近的关节移动速度比远离力量的关节快。

“父->子”：自动设置关节优先级，以减少从父到子的值。这将导致应用力量位置（末端效应器）最近的关节移动速度比远离力量的关节慢。

“滑动关节、转动关节”：这两个选项组的功能是用来复制和粘贴对象的活动范围。选择一个物体单击“滑动关节”选项组下的“复制”按钮后，选择物体在“滑动关节”卷展栏内设置的IK值将被复制，“复制”按钮后的“粘贴”按钮也处于可选状态。在场景中选择另一个对象，单击“粘贴”按钮，复制的IK值将被施加于这一物体。“转动关节”选项组与“滑动关节”选项组的功能相同。

“镜像粘贴”：该选项组用于在“粘贴”操作期间关于X、Y或Z轴镜像IK关节设置。 （3）“自动终结”卷展栏

该卷展栏中的参数可向终结器临时指定从选定对象开始特定数量的上行层次链链路。这只使用交互式IK，而不使用应用式IK或IK解算器。如图15-15所示为“自动终结”卷展栏。

图15-15 “自动终结”卷展栏

“交互式IK自动终结”：启用该复选框后，将启用自动终结功能。 “上行链接数”：指定终结应用链路的上行程度。 （4）“转动关节”卷展栏

在反向运动学中，操作关节的方法是在一根或更多的轴上允许运动，在其余的轴上限制运动。在“转动关节”卷展栏中，启用“活动”复选框，可以设置对象是否能沿着给定的轴移动或转动。如图15-16所示为“转动关节”卷展栏。

图15-16 “转动关节”卷展栏

这个卷展栏是用来设置物体在反向运动时的转动轴向和转动范围。“转动关节”卷展栏可以限制物体的转动范围。该卷展栏下有“X轴”、“Y轴”、“Z轴”三个选项组，分别用来设置对象在三个轴向的运动。下面以其中一个选项组为例进行讲解。

“活动”：启用该复选框后，允许选定的对象围绕激活的轴上转动。

“受限”：启用该复选框后，可以限制对象活动轴上所允许的转动范围。调整“从”参数栏的微调器，被选择物体会在视图中沿当前所激活的轴向转动至一个新位置，此时在参数栏内会显示一个参数。当松开鼠标时，选择对象会恢复至原来的位置。同样调整“到”参数栏的微调器，选择物体会沿当前激活的轴向，向相反的方向移动至另一个新的位置。在参数栏中也会出现一个相应的参数，这两个参数就定义了对象在激活轴向上的转动范围。

“减缓”：启用该复选框后，指定物体的运动速度会减慢，关节的运动越接近被限制的运动范围的极限，所受到的阻力也就越大，所以速度也就越慢。

“弹回”：启用该复选框，“弹回”参数栏能够设置关节的静止位置，该参数以度为单位设置物体静止的角度，调整这个参数时，可以看到物体的方向和位置，释放微调器后，物体回到原来的位置。

“弹簧张力”：用于设置为将物体推回到静止位置而产生的力的大小，数值越大，对象运动所受的阻力也就越大。

“阻尼”：该参数用于设置对象的运动阻力。当该值为0时，前一个关节运动到极限位置时，下一个关节开始运动，但阻尼大于0时，其他的关节运动不到极限时，设置阻尼的关节即开始运动。

认识3ds Max中几种常用控制器

15.2 动画控制器

在3ds Max中很多的动画设置都可以通过控制器完成。利用动画控制器可以设置出很多应用关键帧或IK值方法很难实现的动画效果。控制器可以约束对象的运动状态，比如可以使对象沿特定的路径运动和使对象始终注视另一个对象等特殊效果。

动画控制器主要控制物体的“位置”、“旋转”和“缩放”各控制项的数据。“位置”控制项的默认控制器是“位置XYZ”控制器；“旋转”控制项的默认控制器是Euler XYZ控制器；“缩放”控制项的默认控制器是“Bezier缩放”控制器。

用户可通过两种方法来为对象添加控制器，第一种方法是单击主工具栏中的“轨迹视图（打开）”按钮，在“轨迹视图”对话框中为对象添加控制器。第二种方法是进入“运动”主命令面板，从该命令面板中为对象添加控制器。

15.2.1 几种常用控制器

3ds Max中提供的动画控制器很多，在此不再一一介绍，而是介绍几种很常用的控制器，这些控制器都很有代表性。在本章将对“链接约束”、“路径约束”、“注释约束”和“方向约束”4种动画控制器进行介绍。

1.链接约束

链接约束可以用来创建对象与目标对象之间彼此链接的动画，它可以使对象继承目标对象的位置、旋转度以及比例。也就是可以是一个子对象在不同的时间可以拥有不同的父对象。下面先介绍添加“链接约束”控制器的方法。 选择一个对象，进入项，然后单击

“运动”主命令面板，展开“指定控制器”卷展栏，在显示窗口内选择“变换”选

“指定控制器”按钮，打开“指定 变换 控制器”对话框，在该对话框内选择“链接约束”

选项，如图15-17所示。单击“确定”按钮退出该对话框。

图15-17 “指定 变换 控制器”对话框

此时在“运动”命令面板中会出现Link Params卷展栏，如图15-18所示。

图15-18 Link Params卷展栏

“添加链接”：单击该按钮，可以为对象添加一个新的目标点，此时在目标卷展栏内将出现目标对象的名称以及成为目标对象的帧数。在动画控制区调整时间滑块的位置，再次单击“添加链接”按钮，在场景中拾取另一个对象，确定第二个目标对象。

“链接到世界”：单击该按钮，可以将对象链接到世界（整个场景）。在“目标”展示窗口中选择一个选项，然后单击“删除链接”按钮，此时在“目标”展示窗口中选择的目标对象将被解除链接。 “关键点模式”：选择该选项组中的“无关键点”单选按钮，约束对象或目标中不会写入关键点。 “设置节点关键点”：选择该单选按钮后将关键帧写入指定的选项。其下具有两个单选按钮：子对象和父对象。选择“子对象”单选按钮后，仅在约束对象上设置一个关键帧。选择“父对象”单选按钮后，为约束对象和其所有目标设置关键帧。

“设置整个层次关键点”：选择该单选按钮后，用指定选项在层次上部设置关键帧。其下也具有两个单选按钮：子对象和父对象。“子对象”仅在约束对象和它的父对象上设置一个关键帧。“父对象”为约束对象、它的目标和它的上部层次设置关键帧。如图15-19所示为应用“链接约束”创建的动画。

图15-19 “链接约束”控制器设置动画

2.路径约束

“路径约束”控制器可以使对象沿指定的路径运动，并且可以产生绕路径旋转的效果。可以为一个对象设置多条运动轨迹，通过调节重力的权重值来控制对象的位置。其添加方法为展开“指定控制器”卷展栏，在显示窗口内选择“位置”选项，然后单击“指定控制器”按钮，打开“指定 位置 控制器”对话框，在该对话框内选择“路径约束”选项，单击“确定”按钮退出该对话框。这时会出现“路径参数”卷展栏，如图15-20所示。

图15-20 “路径参数”卷展栏

“添加路径”：单击该按钮，拾取二维型作为路径，此时该对象将沿着二维型运动。

“删除路径”：选择显示窗中所拾取的路径后，单击该按钮，可以删除“目标”显示窗口中的路径。 “权重”：该参数栏用于为每个目标指定权重值并为它设置动画。 “%沿路径”：该参数设置对象沿路径的位置百分比。

“跟随”：启用该复选框后，所选对象会随着路径的转折改变自身的运动方向。 “倾斜”：启用该复选框后，所选对象会随着路径的走势倾斜。 “倾斜量”：用于设置对象从一边到另一边的倾斜程度。

“平滑度”：该参数栏用于控制对象在经过路径中的转弯时翻转角度改变的快慢程度。 “允许翻转”：启用该复选框后，可避免在对象沿着垂直方向的路径行进时有翻转的情况。 “恒定速度”：启用该复选框后，对象将保持匀速运动。

“循环”：该复选框在默认情况下，是处于启用状态的，当约束对象到达路径末端时，它不会越过末端点。

“相对”：启用该复选框，将保持约束对象的原始位置不会改变。

“轴”选项组用于定义对象的轴与路径轨迹对齐。启用“翻转”复选框后，可以翻转应用轴的方向。如图15-21所示为路径约束的动画。

图15-21 “路径约束”控制器

3.注视约束

利用“注视约束”控制器可以使一个对象一直朝向另一个对象。同时它还可以锁定对象的旋转角度使对象的一个轴点朝向目标对象。

选择一个对象后进入“运动”命令面板，在该面板中的“指定控制器”卷展栏内的显示窗中选择“旋转”选项，单击“指定控制器”卷展栏上端的“指定控制器”按钮，从弹出的“指定 旋转 控制器”对话框中选择“注视约束”选项，单击“确定”按钮退出该对话框，在“运动”命令面板内会出现“注视约束”卷展栏，如图15-22所示。

图15-22 “注视约束”卷展栏

“添加注视目标”：单击该按钮，可以为对象添加注视的目标点对象。此时在展示窗口中将显示目标点对象的名称。

若要删除目标点对象，则首先在展示窗口中选择目标点名称，然后单击“删除注视目标”按钮即可。其下的各项参数用于设置注视方向，控制翻转轴和控制上部节点轴方向。如图15-23所示为“注视约束”控制器的应用。

图15-23 应用“注视约束”控制器

4.方向约束

最后为读者介绍“方向约束”控制器，该控制器可以使某个对象的方向沿着另一个对象的方向或若干对象的平均方向运动。“方向约束”可以应用于任何可旋转对象。受约束的对象将从目标对象继承其旋转。应用该动画控制器后，此时将不能手动设置该对象的旋转。

添加该控制器的方法与添加“注视约束”控制器的方法基本相同。如图15-24所示为“方向约束”控制器的卷展栏。

图15-24 “方向约束”卷展栏

“添加方向目标”：单击该按钮，添加影响受约束对象的新目标对象。 “将世界作为目标添加”：单击该按钮，将受约束对象与世界坐标轴对齐。 “删除方向目标”：该按钮可以从“目标”展示窗口中删除目标对象。 “权重”：该参数栏用于设置每个目标的权重值。

“保持初始偏移”：选择该复选框，此时将保留受约束对象的初始位置。如图15-25所示为应用“方向约束”控制器设置的动画。

图15-25 “方向约束”控制器的应用

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