Was ist inverse Kinematik?

Es gibt zwei Hauptmethoden, um eine Knochenkette zu bilden:

„Forward Kinematics“ (FK) ist die normale Methode zur Manipulation einer Knochenkette, basierend auf Eltern-Kind-Beziehungen. Sie müssen jeden Knochen einzeln drehen.

Inverse Kinematik (IK) ist eine andere Möglichkeit, bei der die Bewegung der Kette durch einen „Ziel“ -Knochen (und optional einen „Pol-Ziel“ -Knochen) anstelle des Knochens bestimmt wird normale Eltern-Kind-Beziehungen. Grundsätzlich positionieren Sie das Ende der Kette und der IK-Solver berechnet, was der Rest der Knochen tun muss, um dies zu erreichen.

Warum Benötigen wir die inverse kinematische Einschränkung beim Rigging?

Wir brauchen sie nicht, sie erleichtert nur das Leben. Oft viel einfacher.

Wann sollte ich es verwenden?

In jeder Situation Wo sich das Ende der Knochenkette an einer bestimmten Stelle befinden muss – wie Charaktere, die etwas greifen, oder der Fuß auf dem Boden beim Gehen.

Was Hat dies Auswirkungen auf den Anker?

Dreht die Knochen der Kette entsprechend den beiden Kontrollknochen (Ziel, Pol) in Position.

Originalartikel: Übersicht über die inverse Kinematik

Sie Ich habe wahrscheinlich von Inverse Kinematics gehört. IK ist ein beliebtes Tool für Blender- und Computergrafiken. Wenn Sie jedoch zum ersten Mal versuchen, ein Inverse Kinematics-System zu erstellen oder zu verwenden, möchten Sie möglicherweise weitere Details. Ich werde erklären, was IK ist, das Vokabular definieren und die Verwendung überprüfen.

Was ist das notwendige Vokabular, um IK zu verstehen?

Bevor wir uns mit dem Herzen von IK befassen müssen wir einige IK-bezogene Vokabeln definieren. IK ist eine Methode, die auf einen Gelenkkörper angewendet wird. Was ist ein Gelenkkörper?

Gelenkkörper

Ein Gelenkkörper kann die meisten animierten Körper wie Menschen und Tiere mit Skeletten darstellen. Einfach ausgedrückt ist ein Gelenkkörper ein Baum miteinander verbundener Ketten. Die verbundenen Ketten bestehen aus Gelenken und Gliedern, wobei ein Glied ein starrer Zylinder ist.

Abbildung 1: Menschlicher Gelenkkörper

Sogar das einfache Spielzeug auf dem obigen Titelbild repräsentiert einen Gelenkkörper. Es fehlen nur Ellbogen- und Kniegelenke.

Arten von Gelenken

Bei Gelenken gibt es zwei Arten. Die erste Art von Gelenk ist ein Drehgelenk. Es ist mit einer Verbindung verbunden, die sich um sie dreht. Abbildung 2 zeigt eine Drehverbindung.

Abbildung 2: Drehgelenk

Ein Drehgelenk ähnelt dem Mittelstift einer Uhr – mit einem Uhrzeiger als Verbindung.

Der goldene Stift der Uhr ist ein Drehgelenk. Eine prismatische Verbindung ist eine Verbindung, bei der die verbundene Verbindung von der Verbindung verschoben wird, um die Verbindung zu verlängern / zu verkürzen. Abbildung 3 zeigt eine prismatische Verbindung.

Abbildung 3: Prismatisches Gelenk

Ein prismatisches Gelenk ähnelt dem Ausfahren / Einfahren der Länge des einziehbaren Griffs an Ihrem Gepäck. Wenn Sie genau hinschauen, hat der einziehbare Gepäckgriff 4 prismatische Gelenke. 2 prismatische Gelenke auf halber Höhe des Griffs und weitere 2 prismatische Gelenke ganz unten am Griff oben im Gepäck.

Wenn Sie durch prismatische Gelenke verwirrt sind, machen Sie sich keine Sorgen. Sie werden in der inversen Kinematik nicht so oft verwendet, und wie Sie vielleicht sehen können, haben keine Menschen prismatische Gelenke – nur Drehgelenke. Hierarchische Struktur

Ein Gelenkkörper hat ein Wurzelgelenk. Das Wurzelgelenk ist die Basis der Struktur. Das Wurzelgelenk eines Humanoiden ist normalerweise das Zentrum der Hüften. Der Gelenkkörper besteht aus einem Baum von Gelenken und Gliedern, beginnend am Wurzelgelenk. Ein neues Gelenk ähnelt einem neuen Ast an einem Baum. Eine innere Verbindung / Verbindung ist eine Verbindung / Verbindung, die näher an der Wurzelverbindung innerhalb der Baumhierarchie des Gelenkkörpers liegt, da sie sich auf eine bestimmte Verbindung / Verbindung bezieht. Ein Außenborder / Gelenk ist ein Glied / Gelenk, das innerhalb der Baumhierarchie des Gelenkkörpers weiter vom Wurzelgelenk entfernt ist. In Abbildung 4 ist Gelenk A das Wurzelgelenk, Glied 1 ist das innere Glied von Gelenk B, Glied 2 ist das äußere Glied von Gelenk B.

Endeffektor

Ein Endeffektor ist eine Position an die äußerste Außenborderposition der äußersten Außenborderverbindung.Es ist das freie Ende der Kette alternierender Gelenke und Glieder. Der Endeffektor ist kein Gelenk. Der Endeffektor ist lediglich die Position am Ende eines Gelenkkörpers. Ein Gelenkkörper kann mehrere Endeffektoren haben, genau wie ein Binärbaum mehrere Blätter haben kann.

Abbildung 4: Der Endeffektor wird durch einen grünen Kreis dargestellt.

Artikulationen und Posen

Eine Artikulation ist eine Drehung / Translation eines Gelenks, das eine verbundene Verbindung bewegt. Beispielsweise hat in 5 Gelenk A eine Gelenkbewegung von 45 °, Gelenk B eine Gelenkbewegung von 15 ° und Gelenk C eine Gelenkbewegung von -60 °. Andererseits ist eine Pose ein Satz von Gelenkartikulationen, die zur Positionierung des Gelenkkörpers führen. Mit anderen Worten ist die Pose ein Vektorwert anstelle eines Skalarwerts. Zum Beispiel ist in 4 die Pose des Gelenkkörpers < 45 °, 15 °, -60 °>.

Abbildung 5: Gelenkkörper mit A als Wurzelgelenk

Was ist Vorwärtskinematik?

Bevor wir uns mit der inversen Kinematik befassen können, müssen wir herausfinden, was Vorwärtskinematik ist. Die Funktion / der Algorithmus für die Vorwärtskinematik nimmt eine Pose als Eingabe ein und berechnet die Position des Endeffektors als Ausgabe. Die Vorwärtskinematik ist die inverse Funktion der inversen Kinematik. Bei der Vorwärtskinematik müssen Sie die gesamte Pose eines Gelenkkörpers definieren, um die Funktion / den Algorithmus mit der Pose-Eingabe zu versorgen. Dies bedeutet, dass Sie die Artikulation jedes Gelenks im Gelenkkörper definieren müssen. Dies mag in Ordnung sein, wenn Sie eine geringe Anzahl von Gelenken haben, aber bei einer hohen Anzahl von Gelenken ist dies in der Regel mühsam.

Stellen Sie sich nun vor, Sie möchten das Ende Effektor Ihres Gelenkkörpers, um eine bestimmte Zielposition zu erreichen. Dies bedeutet, dass Sie die Endeffektorposition kennen, auf die Sie zielen möchten, aber nicht wissen, wie die Haltung des Gelenkkörpers sein muss, damit der Endeffektor diese Zielposition erreicht. Hier strahlt Inverse Kinematics!

Abbildung 6: Die Zielposition wird durch einen roten Kreis dargestellt. Die Zielposition ist als Eingabe definiert, und die resultierende Pose, die der Endeffektor benötigt, um die Zielposition zu erreichen, ist die Ausgabe.

Inverse Kinematik ist die inverse Funktion / der Algorithmus der Vorwärtskinematik. Die Vorwärtskinematikfunktion / der Algorithmus verwendet eine Zielposition als Eingabe und berechnet die Pose, die der Endeffektor benötigt, um die Zielposition zu erreichen – die Pose ist die Ausgabe.

Wie Sie sehen können, die Eingabe und Die Ausgänge werden zwischen FK und IK umgeschaltet. Mit Inverse Kinematics müssen Sie nicht die gesamte Pose eines Gelenkkörpers definieren – dies wird vom IK-Algorithmus für Sie berechnet. Mit IK müssen Sie nur eine Position als Eingabe definieren.

Inverse Kinematics erledigt alle herausfordernden Rechenarbeiten zur Berechnung der Pose. Abbildung 6 zeigt dies gut. In der Vor-Szene gibt es einen Gelenkkörper mit einer bekannten Pose. Es definiert eine Zielposition, die der Endeffektor erreichen möchte. Sobald der IK-Algorithmus auf den Gelenkkörper angewendet wurde, haben wir die After-Szene erreicht. Die After-Szene zeigt, dass eine neue Pose berechnet wurde, sodass sich der Endeffektor jetzt an der Zielposition befindet.

Wozu dient IK?

An diesem Punkt haben wir wissen, dass IK auf einen Gelenkkörper angewendet wird, wir wissen, woraus ein Gelenkkörper besteht, und wir kennen den Unterschied zwischen IK und FK. Wir haben bisher einen guten Überblick über IK, aber lassen Sie uns dies auch mit einigen guten Anwendungsfällen von IK abrunden. Wie wir gesehen haben, kann IK für einen humanoiden Arm verwendet werden, um nach einem Objekt / Ziel zu greifen. IK kann auch zum Treten des Fußes verwendet werden, sodass wir dem Fuß mitteilen, wohin er treten soll, und der IK herausfindet, wie die Beingelenke konfiguriert werden. IK wird normalerweise nicht als Animation selbst verwendet (nach einem Objekt greifen), sondern eher als Animationswerkzeug. Wenn Sie also einen Laufzyklus implementieren, können Sie einige der Schlüsselbilder mit dem IK-Tool positionieren.

Abbildung 7: IK wird mit Fußdrehung als Ziel angewendet. Die Gelenke L & R drehen sich, um sich an die schiefe Ebene anzupassen.

Ein weiterer wichtiger Punkt bei IK ist, dass Ihr Ziel nicht auf die Position beschränkt ist allein – Ihr Ziel kann als Rotation definiert werden. Wenn sich Ihre Füße beispielsweise aufgrund von unebenem Gelände drehen müssen, kann Ihr IK-Rotationsziel basierend auf der Normalität des Bodens definiert werden. Siehe Abbildung 7. Auf diese Weise sind Ihre Füße entlang des Bodens geneigt, z. B. wenn Sie eine Steigung hinaufgehen. Beachten Sie, dass Sie IK auch verwenden können, um Ihren Kopf (oder sogar Ihre Augen) in eine bestimmte Richtung schauen zu lassen.Wenn Sie möchten, dass Ihr Kopf einem Objekt folgt, können Sie IK verwenden, damit der Kopf dem Objekt folgt.

Kommentare

• Ausgezeichnet und in Erklärung der Abteilung! Danke ! Sie sollten mehr Ansichten haben!

Durch inverse Kinematik wird Ihr Rig realistischer. Es wird nicht nur in der 3D-Animation, sondern auch in der Robotik verwendet. Sie können beispielsweise die Hand Ihres Charakters bewegen und Ellbogen und Schulter in die richtige Ausrichtung bewegen. Dies kann für einige Künstler, die versuchen, dies zu erreichen, äußerst hilfreich sein die richtige Haltung. Wenn sie zuerst die Arme in Position und dann den Rücken bewegen, stellen sie möglicherweise fest, dass sie ihre richtige Position für die Arme verloren haben.