Unity AnimationClip极限压缩

梅花鱼 · 发表于 2020-11-24 07:58

引言
角色动画一直是手机游戏必不可少的资源。随着手机游戏品质的提高，动画也越来越丰富、细腻；但与此同时，动画占用包的比重也越来越大。对于包大小敏感的手机游戏来说，压缩动画是在所难免的。本方案通过重新定义Unity动画格式，剔除不必要的曲线数据，以此极限压缩动画，最终打包后（.apk zip后统计）的动画数据压缩到Unity AnimationClip格式存储的1/6。
一、Animation Clip(.clip)文件内容

Clip文件主要存储的是曲线数据：
AnimationClip主要存储的是Curve集合。每个Curve存储着单个对象属性(比如position.x)的运动参数，这些参数主要使用关键帧来描述，每个关键帧存储着时间time、当前值value、左切线inSlope/inTangent、右切线outSlope/outTangent。关键帧结构如下：
由此可见，压缩的关键在于如何压缩关键帧的数据。
二、关键帧压缩

上一节说关键帧存储着时间、值和切线信息等。仔细研究后发现以下特点：
      1）大部分动画切线是Auto模式，也就是说，可以在运行时根据前后帧运算出来；
      2）value使用float存储非常多余，曲线描述的是值变化，绝大部分情况下变化非常小，精度有少量损失也感觉不出来；
      3）时间使用float非常浪费，AnimationClip一般是固定采样率（30/60），关键帧通常在某个采样点里，0.03333/0.0666/0.999...。
      发现数据特点，就可以在少量效果损失的情况下尽量压缩数据量。主要使用下面的数据结构来存储压缩后的动画数据：
      1）切线处理：存储时丢弃，在初始化的时候使用SmoothTangents计算；
      2）关键帧值（value）处理：考虑到曲线上的值都是相对连续的，可分辨差值一般比较小，但是不同的曲线值的空间会相差巨大（比如rotation.x和position.x），所以这里使用的方法是：
      每条曲线（Curve）存储两个参考值：最大值（valueMax）和最小值（valueMin）组成参考空间，将关键帧值编码成参考空间内的值，编码代码如下：

float valueNormal = Mathf.InverseLerp(valueMin, valueMax, value);
其中valueNormal就是被转换到参考空间内归一化的值。考虑到曲线的特性：可分辨差值一般比较小（比如对于旋转来说，有1-2度的误差感觉不太出来），用一个字节存储参考空间内的值就可以满足需求，所以再将valueNormal转换成byte表示即可。
byte valueByte = (byte)(valueNormal * byte<span class="n">MaxValue);
通过上述转换，可以将float序列编码成byte序列，而且只用了之前1/4的存储空间。还有很重要的一点是，被压缩后值的精度取决于曲线数据的变化范围（range/255），不受绝对值影响，是动态的。对于一般的position和scale是完全够用的。rotation在大部分情况下也是不太明显的。
3）关键帧时间处理：Curve的关键帧的时间点只会在固定的采样点上，比如对于采样率是30/s的动画来说，时间值只会是1/30的倍数(比如0.03333,0.0666,1.0)。这样就可以按bit序列来映射采样点序列是否存在关键帧。

KeyFrame模式：

bit序列模式：

这样就可以将5个关键帧时间压缩到1个byte里去了，在关键帧密集的情况下压缩率将非常高（极限1/32），
注：在帧异常稀疏的时候（大于32个采样点一个关键帧）该方法将需要更大的存储空间。此时可以考虑使用其他的模式，但是这种情况极其少见，而且很容易被zip时字典化压缩掉。
三、存储方式

使用Unity ScriptableObject机制，自动将自定义结构序列化到文件里。结构如下：
/// 动画（AnimationClip）压缩数据集合
/// 主要通过压缩曲线数据来进行动画压缩。
/// *AnimCompression动画压缩是有损的，主要损失的是关键帧值精度和丢弃切线信息，其中关键帧时间是无损的
/// </summary>
public class CompressedClipData : ScriptableObject
{
      //共享数据(属性路径)
      public CompressedShareData shareData;
      /// <summary>
      /// 不存储切线的曲线数据(运行时计算)
      /// </summary>
      public List<CurveDataCalcTan> curvesCalcTan = new List<CurveDataCalcTan>();
      /// <summary>
      /// 存储切线的曲线数据
      /// </summary>
      public List<CurveDataStoreTan> curvesStoreTan = new List<CurveDataStoreTan>();

      public byte frameRate;//帧率
      public float length;//长度
}
/// <summary>
/// 共享数据(属性路径)
/// </summary>
public class CompressedShareData : ScriptableObject
{
      [Serializable]
      public class DataField
      {
         public string propertyName;
         public string propertyPath;
         public string propertyType;
      }
      public List<DataField> fields = new List<DataField>();
}
      /// <summary>
      /// 曲线压缩数据集
      /// CompressedCurve主要存储
      ///    关键帧时间：无损压缩，将时间转换成帧序列位，有关键帧为【1】否则为【0】,最大压缩率为1/32。
      ///       帧不填满的时候可能没有压缩空间甚至更大，帧无法对齐时会有额外损失。
      ///    关键帧的值：有损压缩：关键帧的值，算法是在最大值和最小值之间线性采样成byte
      ///    关键帧切线：丢弃
      /// </summary>
      [Serializable]
public class CurveDataBasicValues
{
      //属性ID
      public ushort property;
      /// <summary>
      /// 时间数据，无损压缩，每个byte对应时间轴上的一帧(非关键帧)，关键帧则为1，将时间转换成帧序列位，有关键帧为【1】否则为【0】,最大压缩率为1/32。
      /// </summary>
      public byte[] keysTime;
      /// <summary>
      /// 关键帧值数据，每个byte对应关键帧上一个值，在当前曲线最大值和最小值之间线性采样成byte
      /// </summary>
      public byte[] keysValueByte;
      /// <summary>
      /// 当前曲线的最小值
      /// </summary>
      public float valueMin;
      /// <summary>
      /// 当前曲线的最大值
      /// </summary>
      public float valueMax;
}
/// <summary>
/// 不存储切线的曲线数据(运行时计算)
/// </summary>
[Serializable]
public class CurveDataCalcTan : CurveDataBasicValues
{

}
/// <summary>
/// 存储切线的曲线数据
/// </summary>
[Serializable]
public class CurveDataStoreTan : CurveDataBasicValues
{
      //切线数值
      public float[] keysTans;
}
编辑时使用工具将需要压缩AnimationClip压缩成CompressedClipData，使用Unity的.asset格式存储：

   运行时将数据解码成Keyframe，通过AnimationClip.SetCurve接口来还原AnimationClip对象：
public partial class CompressedClipData
{
//运行时解码后的Clip
AnimationClip clip;
/// <summary>
/// 解码或者获取一个已经解码的AnimationClip
/// </summary>
/// <returns></returns>
public AnimationClip getOrCreateClip()
{
      if (this.clip)
      {
         return this.clip;
      }
      AnimationClip clip = new AnimationClip();
      //只有legacy才支持SetCurve
      clip.legacy = true;
      clip.name = this.name;
      clip.frameRate = frameRate;
      //解析每个曲线
      DecodeCuves(clip, this.curvesCalcTan);
      DecodeCuves(clip, this.curvesStoreTan);
      this.clip = clip;
      return clip;
}
/// <summary>
/// 解码曲线数据
/// </summary>
public void DecodeCuves<T>(AnimationClip clip, List<T> curves)
      where T : CurveDataBasicValues
{
      //解析曲线集合
      for (int i = 0,count = curves.Count; i < count; i++)
      {
         var curveData = curves;
         //解析单条曲线
         var curve = curveData.decodeData(this);
         if (shareData.fields.Count <= curveData.property)
         {
            Debug.LogError(
                  &#34;属性未找到：&#34; + curveData.property
                  + &#34; clip:&#34; + this.name + &#34; :&#34; + i);
            continue;
         }
         //从shareData中还原字段
         var field = shareData.fields[curveData.property];
         //还原到clip里
         clip.SetCurve(field.propertyPath
            ,typeof(GameObject).Assembly.GetType(field.propertyType)
            ,field.propertyName, curve);
      }
}
}
四、Animator整合

Unity主要使用Animator来控制播放动画。而Animator里的AnimationClip无法在运行时动态设置曲线数据。对于这个问题，可以采用Unity的StateMachineBehaviour机制解决：
1）编辑时将每个State上的Clip，各转换成一份空的Clip和压缩数据，压缩数据由挂在State
上的CompressionAnimatorStateProxy持有；
2）运行时在状态切换时（OnStateEnter/OnStateExit），使用Animation来模拟Animator驱动对象动画。
五、工具链化

为了便于使用，工具以GameObject Prefab为入口，流程如下：
1）遍历当前Prefab的所有Animator组件，找到AnimatorController复制一份以待压缩，再
将Animator引用执行待压缩的AnimatorController；
2）遍历待压缩的AnimatorController内的所有State，引用的AnimationClip压缩成CompressedClipData，并且挂载CompressionAnimatorStateProxy来引用压缩后的数据对象。然后将Clip（angry）替换成没有数据的stub Clip（angry_stub）。
压缩前：
压缩后：
处理后，原来的业务代码可以保持不变（随意切换压缩或者不压缩）。
五、小结

压缩的主要策略还是在保证效果的情况下，尽量去掉不必要的数据，将数据结构优化成合适的目标信息空间模式。
这个方案大幅度地压缩了帧数据，在极限情况下，打包前可以压缩到(8+1)/(4*32)≈1/16，在项目中打包后（.apk zip后统计）的数据：压缩前17M，压缩后2.6M，压缩率大概为1/6.5。

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