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【Blender】客製化建立Shape Keys

帽捲
Maochinn
Published in
22 min readJul 18, 2024

本篇將介紹如何利用腳本在Blender中快速定義Shape，並且建立成不同的Shape Keys，簡單來說，Shape Keys能紀錄Mesh各種不同的形狀而不破壞最原始的佈線，具體來說，就是Mesh中同一個vertex可以有不同的position。

Blender 2.6 : Shape Keys 基本操作

Blender 的 Shape key 能紀錄網面模型各種不同的形狀而不破壞最原始的佈線。Shape Key 的應用範圍非常的廣，比如使用者可以紀錄一個角色模型臉部的多組 shape key，來創造各種表情變化。

digitized-life.blogspot.com

實際應用上，在Computer Animation中，想像一個最粗暴的做法去儲存每一幀的所有場景，包含燈光、相機以及Mesh，就類似傳統2D動畫的邏輯，換言之，假設一個Mesh有1MB，那麼一分鐘60FPS的動畫就需要60*60*1MB = 3.6G，顯然，這並不是一個合理的作法。

但是，就像2D動畫有所謂的Key Frame(關鍵幀)一樣，3D動畫也有類似的作法，也就是指儲存關鍵幀的Mesh一樣，其餘的幀就使用內插來計算，其中，每一個關鍵的Mesh可以稱為Shape，因此，這樣的技術稱之為Shape Keys。

除了省記憶體的優點之外，這樣的方式也讓人可以更容易的操作，例如，人臉的動畫就是最常見的例子，因為我們不大可能去窮舉出所有人的表情變化，但是我們可以定義出喜、怒、哀、樂等表情的Shape後，在自由的依照各種比例去組合出不同表情，或者我們更擴展開來說，Live2D也是類似的概念。

https://graphicalanomaly.wordpress.com/2015/07/17/blendshapes/

根據Wiki的說明，這樣的技術也稱之為Morph target animation, per-vertex animation, shape interpolation, shape keys, or blend shapes，從字面上，大概可以理解我們就是per-vertex的去定義每個shape keys，然後再用interpolation去blend出結果。

Morph target animation - Wikipedia

Morph target animation, per-vertex animation, shape interpolation, shape keys, or blend shapes is a method of 3D…

en.wikipedia.org

事實上，Blender就是使用Shape Keys來表示這個功能，如果從【Blender】客製化建立Attributes的角度來看，你也可以認為Shape就是另一組Attribute，只是這組Attribute儲存的是vertex position，同時，因為每個Shape的vertex通常都是一一對應的，因此完全可以把它當作Attribute，然後自己寫Shader來做內插。

當然，如果Blender中已經實現了這些細節，當然也就沒有必要自己實作，何況這項技術基本上在各大軟體也都有對應，例如Unity中的Skinned Mesh。

Introduction — Blender 4.1 Manual

Shape keys are used to deform objects into new shapes for animation. In other terminology, shape keys may be called…

docs.blender.org

總之，我們可以先來影片中看看簡單的操作

簡單來說，就是可以生成多個Shape，然後定義好各自的vertices，接著就可以透過0~1之類的數值去控制形狀，但是，如果你的shape是在腳本中定義的呢？不可能人工把每個vertex移動到對應的位置來達成。

因此，這邊延續【Blender】客製化建立簡單Mesh的Grid來舉例，生成完Mesh後，可以在Properties/Data/ShapeKeys中點擊+號，增加一個Basis的Shape。

這就建立了一個基準的Shape，接著我們要生成另一個Shape才能夠混和兩者，首先執行下面的腳本

import bpy

list = []
list.append((0.0000,   0.0000))
list.append((45.0000,  0.0000))
list.append((90.0000,  0.0000))
list.append((135.0000, 0.0000))
list.append((180.0000, 0.0000))
list.append((225.0000, 0.0000))
list.append((270.0000, 0.0000))
list.append((315.0000, 0.0000))
list.append((360.0000, 0.0000))
list.append((405.0000, 0.0000))
list.append((450.0000, 0.0000))
list.append((495.0000, 0.0000))
list.append((540.0000, 0.0000))
list.append((585.0000, 0.0000))
list.append((630.0000, 0.0000))
list.append((675.0000, 0.0000))
list.append((720.0000, 0.0000))
list.append((765.0000, 0.0000))
list.append((810.0000, 0.0000))
list.append((855.0000, 0.0000))
list.append((900.0000, 0.0000))
list.append((0.0000,   50.0000))
list.append((45.0000,  50.0000))
list.append((90.0000,  50.0000))
list.append((135.0000, 50.0000))
list.append((180.0000, 50.0000))
list.append((225.0000, 50.0000))
list.append((270.0000, 50.0000))
list.append((315.0000, 50.0000))
list.append((360.0000, 50.0000))
list.append((405.0000, 50.0000))
list.append((450.0000, 50.0000))
list.append((495.0000, 50.0000))
list.append((540.0000, 50.0000))
list.append((585.0000, 50.0000))
list.append((630.0000, 50.0000))
list.append((675.0000, 50.0000))
list.append((720.0000, 50.0000))
list.append((765.0000, 50.0000))
list.append((810.0000, 50.0000))
list.append((855.0000, 50.0000))
list.append((900.0000, 50.0000))
list.append((0.0000,   100.0000))
list.append((45.0000,  100.0000))
list.append((90.0000,  100.0000))
list.append((135.0000, 100.0000))
list.append((180.0000, 100.0000))
list.append((225.0000, 100.0000))
list.append((270.0000, 100.0000))
list.append((315.0000, 100.0000))
list.append((360.0000, 100.0000))
list.append((405.0000, 100.0000))
list.append((450.0000, 100.0000))
list.append((495.0000, 100.0000))
list.append((540.0000, 100.0000))
list.append((585.0000, 100.0000))
list.append((630.0000, 100.0000))
list.append((675.0000, 100.0000))
list.append((720.0000, 100.0000))
list.append((765.0000, 100.0000))
list.append((810.0000, 100.0000))
list.append((855.0000, 100.0000))
list.append((900.0000, 100.0000))
list.append((0.0000,   150.0000))
list.append((45.0000,  150.0000))
list.append((90.0000,  150.0000))
list.append((135.0000, 150.0000))
list.append((180.0000, 150.0000))
list.append((225.0000, 150.0000))
list.append((270.0000, 150.0000))
list.append((315.0000, 150.0000))
list.append((360.0000, 150.0000))
list.append((405.0000, 150.0000))
list.append((450.0000, 150.0000))
list.append((495.0000, 150.0000))
list.append((540.0000, 150.0000))
list.append((585.0000, 150.0000))
list.append((630.0000, 150.0000))
list.append((675.0000, 150.0000))
list.append((720.0000, 150.0000))
list.append((765.0000, 150.0000))
list.append((810.0000, 150.0000))
list.append((855.0000, 150.0000))
list.append((900.0000, 150.0000))
list.append((0.0000,   200.0000))
list.append((45.0000,  200.0000))
list.append((90.0000,  200.0000))
list.append((135.0000, 200.0000))
list.append((180.0000, 200.0000))
list.append((225.0000, 200.0000))
list.append((270.0000, 200.0000))
list.append((315.0000, 200.0000))
list.append((360.0000, 200.0000))
list.append((405.0000, 200.0000))
list.append((450.0000, 200.0000))
list.append((495.0000, 200.0000))
list.append((540.0000, 200.0000))
list.append((585.0000, 200.0000))
list.append((630.0000, 200.0000))
list.append((675.0000, 200.0000))
list.append((720.0000, 200.0000))
list.append((765.0000, 200.0000))
list.append((810.0000, 200.0000))
list.append((855.0000, 200.0000))
list.append((900.0000, 200.0000))
list.append((0.0000,   250.0000))
list.append((45.0000,  250.0000))
list.append((90.0000,  250.0000))
list.append((135.0000, 250.0000))
list.append((180.0000, 250.0000))
list.append((225.0000, 250.0000))
list.append((270.0000, 250.0000))
list.append((315.0000, 250.0000))
list.append((360.0000, 250.0000))
list.append((405.0000, 250.0000))
list.append((450.0000, 250.0000))
list.append((495.0000, 250.0000))
list.append((540.0000, 250.0000))
list.append((585.0000, 250.0000))
list.append((630.0000, 250.0000))
list.append((675.0000, 250.0000))
list.append((720.0000, 250.0000))
list.append((765.0000, 250.0000))
list.append((810.0000, 250.0000))
list.append((855.0000, 250.0000))
list.append((900.0000, 250.0000))
list.append((0.0000,   300.0000))
list.append((45.0000,  300.0000))
list.append((90.0000,  300.0000))
list.append((135.0000, 300.0000))
list.append((180.0000, 300.0000))
list.append((225.0000, 300.0000))
list.append((270.0000, 300.0000))
list.append((315.0000, 300.0000))
list.append((360.0000, 300.0000))
list.append((405.0000, 300.0000))
list.append((450.0000, 300.0000))
list.append((495.0000, 300.0000))
list.append((540.0000, 300.0000))
list.append((585.0000, 300.0000))
list.append((630.0000, 300.0000))
list.append((675.0000, 300.0000))
list.append((720.0000, 300.0000))
list.append((765.0000, 300.0000))
list.append((810.0000, 300.0000))
list.append((855.0000, 300.0000))
list.append((900.0000, 300.0000))
list.append((0.0000,   350.0000))
list.append((45.0000,  350.0000))
list.append((90.0000,  350.0000))
list.append((135.0000, 350.0000))
list.append((180.0000, 350.0000))
list.append((225.0000, 350.0000))
list.append((270.0000, 350.0000))
list.append((315.0000, 350.0000))
list.append((360.0000, 350.0000))
list.append((405.0000, 350.0000))
list.append((450.0000, 350.0000))
list.append((495.0000, 350.0000))
list.append((540.0000, 350.0000))
list.append((585.0000, 350.0000))
list.append((630.0000, 350.0000))
list.append((675.0000, 350.0000))
list.append((720.0000, 350.0000))
list.append((765.0000, 350.0000))
list.append((810.0000, 350.0000))
list.append((855.0000, 350.0000))
list.append((900.0000, 350.0000))
list.append((0.0000,   400.0000))
list.append((45.0000,  400.0000))
list.append((90.0000,  400.0000))
list.append((135.0000, 400.0000))
list.append((180.0000, 400.0000))
list.append((225.0000, 400.0000))
list.append((270.0000, 400.0000))
list.append((315.0000, 400.0000))
list.append((360.0000, 400.0000))
list.append((405.0000, 400.0000))
list.append((450.0000, 400.0000))
list.append((495.0000, 400.0000))
list.append((540.0000, 400.0000))
list.append((585.0000, 400.0000))
list.append((630.0000, 400.0000))
list.append((675.0000, 400.0000))
list.append((720.0000, 400.0000))
list.append((765.0000, 400.0000))
list.append((810.0000, 400.0000))
list.append((855.0000, 400.0000))
list.append((900.0000, 400.0000))

mesh = bpy.data.objects['Grid']

N = len(mesh.data.vertices.values())
for i in range(0, N):
    vertex = mesh.data.vertices[i]
    
    vertex.co.x = 900 - list[i][0]
    vertex.co.y = list[i][1]

可以注意到，跟之前的腳本唯一的差異是

vertex.co.x = 900 - list[i][0]

簡單來說就是我做了一個X方向的反轉(0 ←→ 900)，因此乍看之下你的Grid沒有改變，此時再增加一個Shape(Key 1)，並且調整Value就可以在viewport中看到兩者混合的結果。

這邊要注意一個點，要先執行腳本再新增shape，這個順序要對，事實上，只要Shape Keys有一個Shape時，你去改動mesh.data.vertices中任何值都不會反映到畫面上，或者說，腳本執行下去後場景中的Mesh無論如何都不會有任何變化，但如果不去深究原因的話，單純照著這個順序操作就行，基本上本篇就結束了。

但是如果你對於細節有興趣，可以打開Data API可以看到Shape Keys中有兩個Key Blocks，其實就是兩個shape，它們分別都有189個item，聰明的你也可以猜到每個Key Blocks都儲存一組vertices就像是mesh.data.vertices，事實上也是如此，而更進一步的過程，會在後面解釋。

首先，個人的猜測是，開啟Shape Keys之後，場景中每個vertex的位置都是透過Shape Keys計算出來的，此時畫面上Mesh的Shape，或者說每個vertex的position並不是來自於mesh.data.vertices，而是由某幾個Shape混和而來，因此就算你去改動mesh.data.vertices也影響不了，但是為甚麼上述的操作仍會成立，我們可以直接trace Blender的code。

首先，我們可以從Blender得知，+號，也就是增加一個Shape Key對應的function是shape_key_add，同時參照官方文件

https://docs.blender.org/api/current/bpy.types.Object.html

可以知道，有一個參數是from_mix，也就是增加一個shape時，是否要從現有多個shapes中混和內插出一個shape，那接下來的問題是，因為預設是否，那會發生甚麼事，這個shape要怎麼得到？

接著，打開Blender的Github，直接搜尋shape_key_add

blender/source/blender/editors/object
/object_shapekey.cc

可以看到這個function會將from_mix傳入BKE_object_shape_insert

(補充：BKE=Blender Kernel)

Blender 粒子系统架构

后端与嵌入式、maya与游戏 | elmagnifico， Back-end engineer & Embedded System Lover | 这里是elmagnifico的个人博客，君子之交淡如水。

elmagnifico.tech

blender/source/blender/blenkernel/intern
/object.cc

接著，目前我們只關心Mesh的操作，所以進一步看insert_meshkey

blender/source/blender/blenkernel/intern
/object.cc

到這邊大致就可以猜測到事發生甚麼事情了，當from_mix==false，時會複製一份mesh的vertices去定義新增的Key Blocks，或者說shape，這邊細節我就不展開，有興趣的自己往下trace。

blender/source/blender/blenkernel/intern
/key.cc

如果from_mix==true，則就會計算一個shape從現有的shape，這邊我只節錄一小段，就是初始化新增的shape的memory，這邊一樣我就不展開了。

總而言之，大概可以理解為，在Shape Keys中按下+號就會呼叫

shape_key_add(from_mix = false)

然後就會去複製mesh.data.vertices中的值給新的Key Blocks，或者說是Shape，這樣就可以理解為何一定要先執行腳本再新增shape，因為你需要先執行腳本把值塞進去mesh.data.vertices，然後按下+號就會把這些vertices複製給新的Shape，只是比較tricky的點是，當你修改mesh.data.vertices時畫面不會有相應的變化，只能透過Data API或是console確保你有把值改掉。

另外，如果你在edit mode去改動mesh.data.vertices，再切回object mode你會發現mesh.data.vertices的值會被改回來，或者更準確的說，被Shape Keys改回來。

延伸閱讀

【Blender】客製化建立Mesh

【Blender】客製化建立Attributes

【Blender】 Interface介紹

【Blender】Geometry Node 像素風

【電腦圖學】00-OpenGL

Blender

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