Motion Warping

一种可以动态调整角色的根骨骼运动以对齐目标的功能。在UE中是以插件的方式集成。

使用该功能的动画一定要开启Root Motion

Example Facing Rotation

当主角背向敌人时，想要主角边播放动画边旋转至面向敌人，如下图效果：

实现该功能分为以下几步：

1. 添加 MotionWarpingComponent 组件到主角上
2. 设置转向目标位置：
   
3. 在攻击蒙太奇中添加 MotionWarping 动画通知状态，其长度为旋转到目标点的时间
   
4. 配置MotionWarping 动画通知状态：
   

执行逻辑

以上面功能讲一下执行逻辑

Add Target

将目标信息添加到UMotionWarpingComponent::WarpTargets数组中，在URootMotionModifier使用时，直接根据URootMotionModifier::WarpTargetName获取信息。

这里信息主要包含：

• Taransform
• Warp Target Name

ProcessRootMotionPreConvertToWorld

这是整个系统的入口，使用UCharacterMovementComponent::ProcessRootMotionPreConvertToWorld回调触发，该回调函数会在角色播放开启RootMotion的动画时触发，且是每一帧调用。

DECLARE_DELEGATE_RetVal_ThreeParams(FTransform, FOnProcessRootMotion, const FTransform&, UCharacterMovementComponent*, float)

回调是在将角色的根节点的位置信息转为世界坐标之前调用，这里传入根节点的当前帧变换的Transform，同样返回值也需要是这个。

UMotionWarpingComponent::ProcessRootMotionPreConvertToWorld主要以下3个功能：

• 添加变形器
• 更新当前存在的变形器
• 应用变形器中的变形数据到返回值中，如果同时存在多个变形器，会使用最后一个变形器的结果

Add Modifier

获取当前角色播放动画的所有动画通知，筛选出UAnimNotifyState_MotionWarping类型，并根据动画通知时间段和当前时间筛选。

筛选出的动画通知调用AnimNotifyState_MotionWarping::OnBecomeRelevant方法，该方法将动画通知中配置的URootMotionModifier添加到UMotionWarpingComponent::Modifiers。

Modifier Update

根据当前动画播放的时间点，设置URootMotionModifier的状态：

enum class ERootMotionModifierState : uint8
{
	/** The modifier is waiting for the animation to hit the warping window */
	Waiting,

	/** The modifier is active and currently affecting the final root motion */
	Active,

	/** The modifier has been marked for removal. Usually because the warping window is done */
	MarkedForRemoval,

	/** The modifier will remain in the list (as long as the window is active) but will not modify the root motion */
	Disabled
};

Modifier ProcessRootMotion

URootMotionModifier::ProcessRootMotion 方法将目标点的Transform应用根骨骼中，该方法可以重载，这里讲一下URootMotionModifier_SkewWarp中的使用，简单分为两种：

• 位移：动画中当前根节点位移 + Warp Translation
• 旋转：动画中当前根节点旋转 + Warp Rotation

Warning

值得注意的是：这里计算的位移和旋转都是变化值。目标位置和旋转是世界坐标，最后输出的是模型空间根节点的信息。

Warp Translation

分为两种：动画中有位移和无位移

Translation In Animation

核心的方法是URootMotionModifier_SkewWarp::WarpTranslation，它实现了一种称为 Skew Warp（倾斜扭曲） 的技术。Skew Warp 的目的是通过动态调整角色的根运动（Root Motion），使得角色在播放动画时能够更好地对齐目标位置（TargetLocation）。以下是对这段代码的详细讲解：

Warning

该方法中提到的转回世界坐标，是CurrentTransform的坐标空间，如果CurrentTransform为原点值（Identity），那么这里提到的世界坐标就是本地坐标。
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代码的功能概述

这段代码的主要功能是：

1. 计算角色当前的运动状态：包括当前的位置、旋转以及未来的位置（基于根运动的位移）。
2. 构建一个变换矩阵：将角色的运动从世界空间转换到一个特定的同步空间（RootSyncSpace），以便更容易计算扭曲。
3. 计算倾斜角度：通过比较当前运动方向与目标方向的差异，计算出需要在 Yaw（偏航角）和 Pitch（俯仰角）方向上进行的倾斜调整。
4. 应用扭曲：通过缩放和倾斜矩阵对根运动进行调整，使得角色的运动能够更好地对齐目标位置。
5. 将结果转换回世界空间：将调整后的运动向量转换回世界空间，并返回最终的位移向量。

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代码的详细解析

1. 输入参数

   • CurrentTransform：角色当前的变换（位置和旋转），传入的FTransform::Identity。
   • DeltaTranslation：当前帧的根运动位移（增量位移）。
   • TotalTranslation：从动画开始到当前帧的总根运动位移。
   • TargetLocation：目标位置，角色需要对齐的位置。

2. 计算当前和未来的位置

   const FVector CurrentLocation = CurrentTransform.GetLocation();
   const FVector FutureLocation = CurrentLocation + TotalTranslation;
   

   • CurrentLocation：角色当前的位置。
   • FutureLocation：如果按照当前的根运动继续移动，角色未来的位置。

3. 计算当前到目标和当前到根运动的偏移

   const FVector CurrentToWorldOffset = TargetLocation - CurrentLocation;
   const FVector CurrentToRootOffset = FutureLocation - CurrentLocation;
   

   • CurrentToWorldOffset：从当前位置到目标位置的向量。
   • CurrentToRootOffset：从当前位置到未来位置的向量（基于根运动）。

4. 构建同步空间（RootSyncSpace）

   FVector ToRootNormalized = CurrentToRootOffset.GetSafeNormal();
   FMatrix ToRootSyncSpace = FRotationMatrix::MakeFromXZ(ToRootNormalized, CurrentRotation.GetAxisZ());
   

   • ToRootNormalized：根运动方向的单位向量。
   • ToRootSyncSpace：一个变换矩阵，用于将世界空间的向量转换到以根运动方向为 X 轴的同步空间。

5. 计算倾斜角度

   • Yaw（偏航角）：

     float AngleAboutZ = FMath::Acos(FVector::DotProduct(FlatToWorld, FlatToRoot));
     

     • 计算当前运动方向与目标方向在水平面上的夹角。
   • Pitch（俯仰角）：

     const float AngleAboutY = FMath::Acos(FVector::DotProduct(ToWorldNoY, ToRootNoY));
     

     • 计算当前运动方向与目标方向在垂直面上的夹角。

6. 构建缩放和倾斜矩阵

   • 缩放矩阵：

     ScaleMatrix.SetAxis(0, FVector(ProjectedScale, 0.0f, 0.0f));
     

     • 根据目标位置与根运动的比例，对 X 轴进行缩放。
   • 倾斜矩阵：

     ShearXAlongYMatrix.SetAxis(0, FVector(1.0f, FMath::Tan(AngleAboutZNorm), 0.0f));
     ShearXAlongZMatrix.SetAxis(0, FVector(1.0f, 0.0f, FMath::Tan(AngleAboutYNorm)));
     

     • 根据 Yaw 和 Pitch 角度，对 X 轴进行倾斜调整。

7. 应用扭曲

   FMatrix ScaledSkewMatrix = ScaleMatrix * ShearXAlongYMatrix * ShearXAlongZMatrix;
   SkewedRootMotion = ScaledSkewMatrix.TransformVector(RootMotionInSyncSpace);
   

   • 将缩放和倾斜矩阵应用到根运动向量上，得到扭曲后的运动向量。

8. 将结果转换回世界空间

   return ToRootSyncSpace.TransformVector(SkewedRootMotion);
   

   • 将扭曲后的运动向量从同步空间转换回世界空间，并返回最终的位移向量。

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代码的核心思想

1. 同步空间：
   • 通过构建一个以根运动方向为 X 轴的同步空间，简化了倾斜和缩放的计算。
2. 倾斜和缩放：
   • 通过计算 Yaw 和 Pitch 角度，对根运动进行倾斜调整。
   • 通过目标位置与根运动的比例，对根运动进行缩放。
3. 动态调整：
   • 在运行时动态调整根运动，使得角色能够更好地对齐目标位置。

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No Translation In Animation

直接将插值后的位移变化值添加到动画中根节点的位移变化值上：

float Alpha = FMath::Clamp((CurrentPosition - ActualStartTime) /(EndTime - ActualStartTime), 0.f, 1.f);
Alpha = FAlphaBlend::AlphaToBlendOption(Alpha,AddTranslationEasingFunc, AddTranslationEasingCurve);

const FVector NextLocation = FMath::Lerp<FVector, float>(StartTransformGetLocation(), TargetLocation, Alpha);
FVector FinalDeltaTranslation = (NextLocation - CurrentLocation);
FinalDeltaTranslation = (CurrentRotation.Inverse() * DeltaToTargetToOrientationQuat()).GetForwardVector() * FinalDeltaTranslation.Size();
FinalDeltaTranslation = CharacterOwner->GetBaseRotationOffset()UnrotateVector(FinalDeltaTranslation);

FinalRootMotion.SetTranslation(FinalDeltaTranslation + ExtraRootMotionGetLocation());

Warp Rotation

核心函数是 URootMotionModifier_Warp::WarpRotation ，用于在根运动（Root Motion）中调整角色的旋转，使其朝向目标方向。它主要用于动画扭曲（Motion Warping）系统，允许角色在播放动画时动态调整旋转方向。

以下是代码的详细讲解：

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函数目的

• 输入：
  • RootMotionDelta：当前帧的根运动变换（通常是模型空间的变换）。
  • RootMotionTotal：累计的根运动变换（通常是模型空间的变换）。
  • DeltaSeconds：当前帧的时间步长。
• 输出：
  • 返回一个 FQuat，表示经过扭曲处理后的旋转增量。

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代码逻辑分解

1. 获取角色和初始数据

   const ACharacter* CharacterOwner = GetCharacterOwner();
   if (CharacterOwner == nullptr)
   {
       return FQuat::Identity;
   }
   

   • 获取角色对象 CharacterOwner，如果角色不存在，则返回一个单位四元数（FQuat::Identity），表示没有旋转变化。

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2. 计算当前旋转和目标旋转

   const FQuat TotalRootMotionRotation = RootMotionTotal.GetRotation();
   const FQuat CurrentRotation = CharacterOwner->GetActorQuat() * CharacterOwner->GetBaseRotationOffset();
   const FQuat TargetRotation = CurrentRotation.Inverse() * (GetTargetRotation() * CharacterOwner->GetBaseRotationOffset());
   

   • TotalRootMotionRotation：从累计的根运动变换中提取旋转部分。
   • CurrentRotation：角色的当前世界空间旋转，考虑了 BaseRotationOffset（角色相对于其基座的旋转偏移）。
   • TargetRotation：目标旋转，通过 GetTargetRotation() 获取目标方向，并考虑 BaseRotationOffset。

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3. 计算插值系数（Alpha）

   const float TimeRemaining = (EndTime - PreviousPosition) * WarpRotationTimeMultiplier;
   const float Alpha = FMath::Clamp(DeltaSeconds / TimeRemaining, 0.f, 1.f);
   

   • TimeRemaining：剩余的扭曲时间，考虑了 WarpRotationTimeMultiplier（扭曲旋转时间倍率）。
   • Alpha：插值系数，用于控制旋转插值的进度。它被限制在 [0, 1] 范围内。

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4. 插值计算目标旋转

   FQuat TargetRotThisFrame = FQuat::Slerp(TotalRootMotionRotation, TargetRotation, Alpha);
   

   • 使用球面线性插值（Slerp）在 TotalRootMotionRotation 和 TargetRotation 之间插值，得到当前帧的目标旋转 TargetRotThisFrame。

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5. 处理非插值旋转方法

   if (RotationMethod != EMotionWarpRotationMethod::Slerp)
   {
       const float AngleDeltaThisFrame = TotalRootMotionRotation.AngularDistance(TargetRotThisFrame);
       const float MaxAngleDelta = FMath::Abs(FMath::DegreesToRadians(DeltaSeconds * WarpMaxRotationRate));
       const float TotalAngleDelta = TotalRootMotionRotation.AngularDistance(TargetRotation);
   
       if (RotationMethod == EMotionWarpRotationMethod::ConstantRate && (TotalAngleDelta <= MaxAngleDelta))
       {
           TargetRotThisFrame = TargetRotation;
       }
       else if ((AngleDeltaThisFrame > MaxAngleDelta) || RotationMethod == EMotionWarpRotationMethod::ConstantRate)
       {
           const FVector CrossProduct = FVector::CrossProduct(TotalRootMotionRotation.Vector(), TargetRotation.Vector());
           const float SignDirection = FMath::Sign(CrossProduct.Z);
           const FQuat ClampedRotationThisFrame = FQuat(FVector(0, 0, 1), MaxAngleDelta * SignDirection);
           TargetRotThisFrame = ClampedRotationThisFrame;
       }
   }
   

   • 如果旋转方法不是 Slerp，则根据旋转方法（ConstantRate 或其他）调整目标旋转：
     • AngleDeltaThisFrame：当前帧的旋转角度变化。
     • MaxAngleDelta：允许的最大旋转角度变化（基于 WarpMaxRotationRate）。
     • TotalAngleDelta：总旋转角度变化。
     • 如果旋转方法是 ConstantRate 且总角度变化小于最大角度变化，则直接使用目标旋转。
     • 如果当前帧的角度变化超过最大角度变化，或者旋转方法是 ConstantRate，则对旋转进行限制，确保旋转速率不超过 WarpMaxRotationRate。

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6. 计算旋转增量

   const FQuat DeltaOut = TargetRotThisFrame * TotalRootMotionRotation.Inverse();
   

   • 计算当前帧的旋转增量 DeltaOut，即目标旋转相对于累计根运动旋转的变化。

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7. 返回最终的旋转增量

   return (DeltaOut * RootMotionDelta.GetRotation());
   

   • 将旋转增量 DeltaOut 与当前帧的根运动旋转相乘，得到最终的旋转增量并返回。

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总结

• 该函数的核心目标是通过插值或限制旋转速率，将角色的旋转从当前方向调整到目标方向。
• 它支持两种旋转方法：
  1. Slerp：平滑插值到目标旋转。
  2. ConstantRate：以恒定速率旋转到目标方向，避免旋转过快。
• 最终返回的旋转增量可以应用于角色的根运动，实现动态的旋转调整。

TODO

Rotation Cuve

对旋转添加曲线控制插值进度，可以在以下代码进行修改：

Target Rotation

当旋转使用面向时，计算目标旋转是使用的角色的实施位置。这会在距离非常近时出现问题，所以这里可以使用StartTransform来解决。

Debug

• a.MotionWarping.Debug
• a.MotionWarping.DrawDebugLifeTime

资料

• UE5 Motion Warping 原理剖析
• https://homes.cs.washington.edu/—zoran/warpage/warpage.pdf
• https://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/motion-warping-in-unreal-engine?application_version=5.3
• Player Traversal Mechanics in the Vast World of Horizon Zero Dawn