スケルタルアニメーション

'骨格' (緑色) を用いて姿勢制御される手。実際には、'骨格'は非表示であったり、よりアニメーションを作成するユーザーにわかりやすい表現で示される事もある。この例はオープンソースプロジェクトである「Sintel」のもので、示されている'ハンドル' (青色) を操作する事で指を曲げている。実際のところは骨格により変形は制御されているのだが、アニメーターはハンドルを操作するだけでそれらを暗黙的に制御する事が可能である。

スケルタルアニメーション (英: skeletal animation) は、日本ではしばしばボーンアニメーションまたはスキンメッシュアニメーションとも呼ばれ、キャラクターのコンピュータアニメーションに用いられる技術である。骨格（ボーン）を階層的に連結したモデルであるスケルトンを艤装し、それを所定の姿勢（キーフレーム）へとアニメーションさせ、それに従いキャラクターの表面構成点群の位置を追従させ描画する事でキャラクターのアニメーションを実現する^[1]。この技術は人間をはじめ多くの一般的な生物的なモデルへ適用でき、一度アニメーションを作成すれば同様のアニメーションを任意のオブジェクトへ適用し、その形状を変化させる事が可能であり、スプーンや建築物のモデルもスケルトンさえ定義すればアニメーションを即座に適用可能である。

この技術を使用してアニメーションを作成するユーザーに対してはシンプルなユーザーインターフェースを提供可能だが、その内部実装にはやや複雑なアルゴリズムと膨大な幾何制御が必要となる。特に、逆運動学（インバースキネマティクス）は必要不可欠な重要な要素技術の1つである。原理的には骨格を実際の解剖学的構造や物理的な過程を模倣しながら動かし、キャラクターを構成するメッシュデータを骨格に追従する様に変形する事でアニメーションを実現する^[2]。

技術

この技術は一連の「骨格」を構築することにより利用される。この構築作業は「リギング」(rigging) と呼ばれることがある。骨格は3次元の変換（平行移動、拡大縮小、回転など）に対応させ、必要に応じて親子関係を持たせる。よって骨格は階層構造を持つ。子ノードの変換は親ノード及び子ノード自身の変換を合わせたものとする。つまり大腿骨を動かせば、それに接続された下肢も連動する。こうしてキャラクターはアニメーションし、また骨格も時間経過と共に変化させる事でスケルタルアニメーションは実現される。キャラクターの姿勢制御にはアニメーター向けに幾つかの制御機構を用意する。このアニメーションを実現するための艤装には順運動学（英語版）と逆運動学（英語版）の両方を利用する。スケルタルアニメーションでは順運動学により一意の姿勢状態を決定する。

スケルトンを構成するそれぞれの骨にはキャラクターを可視化する為の要素を関連付けておく。この関連付けを「スキニング」と言う。一般的にポリゴンメッシュのキャラクターへ適用する場合は、骨格に対し頂点群を関連付ける。例えば人間のモデルであれば'大腿'にあたる骨とその部位に相当するモデルのポリゴンの頂点を関連付ける。キャラクターの肌の一部は複数の骨へと関連付けることができ、それぞれの骨への関連性の強さを頂点ウェイト、ないしはブレンドの重み付けと言う。2つの骨に関連付けられた頂点はそれら両方から重み付けに従った影響を受ける。ゲームなど、特に速度性能が要求されるリアルタイム3DCG向けの近代的なグラフィックスエンジンの大半は、プログラマブルシェーダーを利用することでスキニング処理をGPU上で高速に並列実行させることも可能である。

ポリゴンメッシュの場合には、すべての頂点とすべての骨について重み付けを設け関連付ける事が可能である。最終的な頂点の位置はそれぞれの頂点と骨との重み付けを適用して決定する。このアルゴリズムは行列パレットスキニングと呼ばれる。骨の変換行列をパレットと見做し、各頂点からウェイトに応じてこのパレットを参照し合成する為である。

利点及び欠点

利点

• 骨格により頂点群を描画する。（例えば足を構成している頂点群など）
  • アニメーターはモデルの特徴を少々制御するだけでよい。
    • アニメーターは大まかな動きに集中できる。
  • 骨格ごとに動きを独立させる事ができる。

アニメーションを（ポリゴンメッシュにおける）頂点によってではなく、骨格の動きによって簡単に定義できる

欠点

• 骨格により頂点群を描画する。
  • 本物の筋肉の動きを表現する術は無い。
    • 筋肉を再現したい場合は骨格へ特別な筋肉の制御機構を追加する必要がある。
    • 生理学の専門家を交え、運動器や仮想解剖学について議論しなければより本物らしい表現をシミュレーションで実現する事は難しい。

自動リギング

近年^[いつ?]では、順運動学や逆運動学を用いたキャラクターアニメーションの自動または半自動リギング手法が開発されている。なかには機械学習を活用するものもある。

以下、参考リンク:

• Automatic Rigging and Animation of 3D Characters
• Mixamo Online Animation Service - Automatic Rigging

応用

スケルタルアニメーションはキャラクターや機械などの物体におよそ100コマを超えるような長時間の動きを付ける際に標準的に使用される。一般にゲームアーティストや映画会社、また機械的な物体などあらゆる剛体要素の結合によって構成されるオブジェクトの表現が必要な場面で用いられる。

パフォーマンスキャプチャー（もしくはモーションキャプチャー）によりスケルタルアニメーションの構築は高速化し、現実性を向上させる事が容易となる。

パフォーマンスキャプチャーが危険過ぎる場合にはコンピューターシミュレーションにより自動的に計算された物理挙動をキーフレーム等を用いて実現する。仮想的に手足の重さ、筋肉の応答、骨格の強度や関節の制限などの解剖学的な特徴付けを行い、仮想的なスタントを通じて実現する。仮想スタントはスタント・パーソンの仕事を無くしてしまう事がしばしば議論となる。また、別の応用として軍事目的における仮想解剖学的シミュレーション^[3]や救急時のシミュレーションにも活用される。仮想の兵士や救急救命活動、病人、旅客、歩行者などの訓練や研究、試験に活用できる。仮想解剖学技術のみならず人工知能を組み合わせる事でこの応用はさらに広げる事が可能である。

参考文献

1. Soriano, Marc, Skeletal Animation, Bourns College of Engineering, http://alumni.cs.ucr.edu/~sorianom/cs134_09win/lab5.htm January 2011閲覧。 
2. Owen, Scott (march 1999), A Practical Approach to Motion Capture: Acclaim's optical motion capture system: Skeletal Animation, Siggraph, http://www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/animation/character_animation/motion_capture/motion_optical.htm#Skeletal%20Animation January 2011閲覧。 
3. Defense, Santos Human Inc, http://www.santoshumaninc.com/industries/defense/ January 2011閲覧。 

関連項目

• コンピューターアニメーション
• 3次元コンピュータグラフィックス
• 順運動学アニメーション（英語版）
• 逆運動学（英語版）
• モーフィング
• インタラクティブスケルトンドリブンシミュレーション（英語版）