‍Trong thế giới hoạt hình 3D, nếu mô hình (Mesh) là cơ thể, thì Hệ thống Xương (Skeletal System) chính là linh hồn mang lại chuyển động. Skeleton là tập hợp các khớp (Joints) và xương (Bones) ảo, được sắp xếp theo cấu trúc phân cấp, cho phép hoạt họa viên (Animator) định hình và điều khiển chuyển động của nhân vật. Không có một hệ thống xương được xây dựng tốt, dù mô hình có đẹp đến đâu cũng chỉ là một vật thể tĩnh vô tri. Hãy cùng khám phá Skeleton là gì, cách nó được tạo ra, và vì sao nó là chìa khóa mở cánh cửa đến mọi chuyển động chân thực và đầy cảm xúc trong phim ảnh và Game.

1. Hệ thống Xương (Skeleton) trong 3D là gì?

Hệ thống Xương (Skeletal System), hay đơn giản là Skeleton hoặc Joint Hierarchy, là một mô hình phân cấp các khớp xương và liên kết ảo được tạo ra bên trong mô hình 3D (Mesh).

• Thành phần: Chủ yếu bao gồm các Khớp (Joints). "Xương" (Bones) là đường liên kết giữa các khớp này.
• Cấu trúc: Các khớp được sắp xếp theo cấu trúc cha-con (Parent-Child Hierarchy). Ví dụ: Khớp vai là cha của khớp khuỷu tay, và khớp khuỷu tay là cha của khớp cổ tay.
• Nguyên tắc: Khi khớp cha chuyển động, khớp con sẽ di chuyển theo một cách tự nhiên (theo quy tắc Forward Kinematics - FK), mô phỏng chuyển động của cơ thể người.

Mục tiêu của Skeleton là tạo ra một cơ chế biến dạng (Deformation Mechanism) cho mô hình, cho phép nó bị biến dạng và di chuyển theo ý muốn của hoạt họa viên.

2. Vai trò nền tảng của Skeleton trong hoạt hình

Skeleton là nền tảng của mọi chuyển động trong hoạt hình 3D:

• Tạo chuyển động: Nó là cơ sở kỹ thuật để áp dụng các phép biến đổi (Rotation, Translation) và lưu trữ các tư thế (Keyframes) mà hoạt họa viên tạo ra.
• Định hình Rigging: Skeleton là lớp cấu trúc mà các kỹ thuật viên Rigging sẽ xây dựng lớp Control Rig (hệ thống điều khiển) bên trên.
• Tương thích Game Engine: Skeleton được tối ưu hóa là yếu tố bắt buộc để nhân vật có thể hoạt động hiệu quả trong các Game Engine (như Unity, Unreal Engine) và có thể tái sử dụng các bộ chuyển động (Animation Clips).

‍

3. Cấu trúc cơ bản của một Skeleton nhân vật

Một Skeleton được xây dựng theo hình dạng giải phẫu học cơ bản của con người, bao gồm các chuỗi khớp chính:

1. Gốc (Root Joint): Khớp trung tâm, thường nằm ở hông hoặc dưới chân, điều khiển toàn bộ vị trí và chuyển động của nhân vật trong không gian 3D.
2. Cột sống (Spine Joints): Chuỗi khớp từ hông lên đến cổ, cho phép thân trên uốn cong, xoay và nghiêng.
3. Chi trên (Arms): Chuỗi khớp vai, khuỷu tay, cổ tay, và các khớp ngón tay.
4. Chi dưới (Legs): Chuỗi khớp hông, đầu gối, mắt cá chân, và các khớp ngón chân.
5. Đầu (Head and Neck): Các khớp cho phép đầu xoay và nghiêng.

Lưu ý: Các Skeleton phức tạp còn bao gồm các khớp phụ (Accessory Joints) cho quần áo, tóc, hoặc biểu cảm khuôn mặt (Facial Joints).

4. Quy trình Gắn da (Skinning/Binding)

Skeleton tự nó không làm di chuyển mô hình. Nó cần bước Gắn da (Skinning hoặc Binding):

• Khái niệm: Skinning là quá trình liên kết các khớp xương (Joints) với các điểm đỉnh (Vertices) trên bề mặt mô hình (Mesh).
• Weight Painting (Vẽ trọng lượng): Đây là bước quan trọng nhất. Hoạt họa viên sẽ sử dụng các công cụ để "vẽ trọng lượng" lên các Vertices, xác định mức độ mà mỗi Vertex chịu ảnh hưởng bởi một khớp xương cụ thể.

Ví dụ: Vùng da ở giữa khuỷu tay nên được chia sẻ trọng lượng giữa khớp xương trên và khớp xương dưới để đảm bảo khi tay gập lại, da không bị rách hoặc biến dạng xấu (loại bỏ Artifacts).

5. Sự khác biệt giữa Skeleton và Control Rig

Skeleton (Hệ thống Xương) và Control Rig (Hệ thống Điều khiển) là hai lớp riêng biệt nhưng bổ sung cho nhau trong quá trình hoạt hình nhân vật- được phân biệt rõ ràng về bản chất- chức năng và người sử dụng:

• Bản chất: Skeleton là cấu trúc vật lý ẩn bao gồm các khớp (Joints) tạo nên hệ thống cấp bậc bên trong mô hình 3D. Ngược lại, Control Rig là giao diện trực quan bao gồm các hình dạng đồ họa (hình tròn, hình vuông) nằm bên ngoài mô hình.
• Chức năng: Skeleton có chức năng chính là thực hiện chuyển động vật lý và biến dạng (Deformation) của mô hình (da) khi khớp xương xoay. Còn Control Rig có chức năng là giao diện để thao tác cung cấp các bộ giải phức tạp (IK/FK) để hoạt họa viên dễ dàng đặt các tư thế (Keyframe).
• Người dùng: Skeleton chủ yếu được thiết lập và quản lý bởi Kỹ thuật viên Rigging và quan trọng với Lập trình viên Game. Trong khi đó, Control Rig là công cụ làm việc trực tiếp của Hoạt họa viên (Animator) để tạo ra các cảnh diễn xuất.
• Tầm nhìn: Khi Hoạt họa viên làm việc- Skeleton thường được ẩn đi để tránh sự phức tạp, còn Control Rig luôn được hiển thị để thao tác trực tiếp và tạo Keyframe.