Cosè la cinematica inversa?

Ci sono due modi principali per porre una catena di ossa:

“Forward Kinematics” (FK) è il modo normale di manipolare una catena ossea, basato sulle relazioni genitore-figlio. Devi ruotare ogni osso individualmente.

Cinematica inversa (IK) è un altro modo in cui il movimento della catena è determinato da un osso “bersaglio” (e facoltativamente un osso “bersaglio polare”) invece del normali relazioni genitore-figlio. Fondamentalmente si posiziona la fine della catena e il risolutore IK calcola ciò che il resto delle ossa deve fare per farlo accadere.

Perché abbiamo bisogno del vincolo cinematico inverso nel rigging?

Non ne abbiamo bisogno, semplifica semplicemente la vita. Spesso molto più facile.

Quando dovrei usarlo?

In ogni situazione dove è necessario che lestremità della catena ossea si trovi in un punto specifico, come i personaggi che afferrano qualcosa o il piede sul pavimento mentre si cammina.

Cosa fa per larmatura?

Ruota le ossa della catena in posizione secondo le due ossa di controllo (bersaglio, palo).

Articolo originale: Panoramica della cinematica inversa

Tu Probabilmente ho sentito parlare di cinematica inversa. IK è uno strumento popolare in Blender e nella computer grafica, ma se è la prima volta che provi a creare o utilizzare un sistema di cinematica inversa, potresti volere maggiori dettagli. Spiegherò cosè IK, definirò il vocabolario e rivedrò gli usi.

Qual è il vocabolario necessario per capire IK?

Prima di entrare nel cuore di IK , dobbiamo definire alcuni vocaboli relativi a IK. IK è un metodo che viene applicato a un corpo articolato. Cosè un corpo articolato?

Corpo articolato

Un corpo articolato può rappresentare la maggior parte dei corpi animati come umani e animali con scheletri. In poche parole, un corpo articolato è un albero di catene collegate. Le catene collegate sono costituite da giunti e maglie, dove una maglia è un cilindro rigido.

Figura 1: Corpo articolato umano

Anche il semplice giocattolo nella foto di copertina sopra rappresenta un corpo articolato. Mancano solo le articolazioni del gomito e del ginocchio.

Tipi di articolazioni

Per quanto riguarda le articolazioni, ce ne sono due tipi. Il primo tipo di giunto è un giunto revoluto. È collegato a un collegamento che ruota attorno ad esso. La Figura 2 mostra un giunto rotante.

Figura 2: giunto rotante

Un giunto rotante è molto simile al perno centrale di un orologio, con una lancetta dellorologio come collegamento.

Il perno doro dellorologio è un giunto rotante. Un giunto prismatico è un giunto tale che il collegamento connesso trasla dal giunto per estendere / accorciare il collegamento. La Figura 3 mostra un giunto prismatico.

Figura 3: giunto prismatico

Un giunto prismatico si comporta in modo molto simile a estendere / ritrarre la lunghezza della maniglia retrattile sul bagaglio. Se guardi da vicino, la maniglia del bagaglio retrattile ha 4 giunti prismatici. 2 giunti prismatici a metà del manico e altri 2 giunti prismatici lungo tutta la maniglia nella parte superiore del bagaglio.

Se sei confuso dai giunti prismatici, non preoccuparti. Non sono usati così spesso nella cinematica inversa e, come potresti essere in grado di dire, nessun essere umano ha articolazioni prismatiche, solo articolazioni revolute. Struttura gerarchica

Un corpo articolato ha unarticolazione della radice. Larticolazione della radice è la base della struttura. Larticolazione della radice per un umanoide è solitamente il centro dei fianchi. Il corpo articolato è formato da un albero di articolazioni e collegamenti, a partire dallarticolazione della radice. Un nuovo giunto e collegamento è simile a un nuovo ramo su un albero. Un collegamento / giunto interno è un collegamento / giunto che è più vicino allarticolazione radice allinterno della gerarchia ad albero del corpo articolato, in quanto si riferisce a un determinato giunto / collegamento. Un collegamento / giunto esterno è un collegamento / giunto che è più lontano dallarticolazione della radice allinterno della gerarchia ad albero del corpo articolato. Nella Figura 4, il giunto A è il giunto di base, il collegamento 1 è il collegamento interno del giunto B, il collegamento 2 è il collegamento esterno del giunto B.

End Effector

Un end effector è una posizione in la posizione più fuoribordo del collegamento più fuoribordo.È lestremità libera della catena di giunti e maglie alternati. Leffettore finale non è unarticolazione. Leffettore finale è semplicemente la posizione allestremità di un corpo articolato. Un corpo articolato può avere più effettori finali, proprio come un albero binario può avere più foglie.

Figura 4: leffettore finale è rappresentato da un cerchio verde.

Articolazioni e pose

Unarticolazione è una rotazione / traslazione di unarticolazione che sposta un collegamento connesso. Ad esempio, nella Figura 5, larticolazione A ha unarticolazione di 45 °, larticolazione B ha unarticolazione di 15 ° e larticolazione C ha unarticolazione di -60 °. Daltra parte, una posa è un insieme di articolazioni articolari che si traduce nel posizionamento del corpo articolato. In altre parole, la posa è un valore vettoriale invece di un valore scalare. Ad esempio, nella Figura 4, la posa del corpo articolato è < 45 °, 15 °, -60 °>.

Figura 5: corpo articolato con A come articolazione della radice

Cosè la cinematica diretta?

Prima di poter entrare in ciò che è cinematica inversa, dobbiamo capire cosè la cinematica diretta. La funzione / algoritmo Forward Kinematics prende una posa come input e calcola la posizione dellend effector come output. La cinematica diretta è la funzione inversa della cinematica inversa. Con Forward Kinematics, è necessario definire lintera posa di un corpo articolato in modo da fornire alla funzione / algoritmo linput di posa. Ciò significa che è necessario definire larticolazione di ciascuna articolazione nel corpo articolato. Questo potrebbe andare bene se hai un numero basso di giunti, ma con un numero elevato di giunture tende a essere noioso.

Ora, immagina se desideri la fine effettore del tuo corpo articolato per raggiungere una particolare posizione di destinazione. Ciò significa che conosci la posizione delleffettore finale che desideri scegliere come target, ma non sai quale deve essere la posa del corpo articolato affinché leffector finale raggiunga questa posizione target. È qui che la cinematica inversa brilla!

Figura 6: la posizione di destinazione è rappresentata da un cerchio rosso. La posizione di destinazione è definita come linput e la posa risultante richiesta affinché lend effector raggiunga la posizione di destinazione è loutput.

Cinematica inversa è la funzione / algoritmo inverso della cinematica diretta. La funzione / algoritmo Forward Kinematics prende una posizione target come input e calcola la posa necessaria allend effector per raggiungere la posizione target: la posa è loutput.

Come puoi vedere, linput e luscita vengono commutate tra FK e IK. Con la cinematica inversa, non è necessario definire lintera posa di un corpo articolato: questa viene calcolata dallalgoritmo IK. Con IK, devi solo definire una posizione come input.

Inverse Kinematics fa tutto il lavoro di calcolo impegnativo di calcolare quale sia la posa. La figura 6 rappresenta bene questo. Nella scena anteriore, cè un corpo articolato con una posa nota. Definisce una posizione target che lend effector deve cercare di raggiungere. Una volta applicato lalgoritmo IK al corpo articolato, abbiamo raggiunto lAfter Scene. La scena After mostra che è stata calcolata una nuova posa, in modo tale che lend effector sia ora nella posizione di destinazione.

Quali sono gli usi di IK?

A questo punto, sappiamo che IK è applicato a un corpo articolato, sappiamo di cosa è composto un corpo articolato e conosciamo la differenza tra IK e FK. Finora abbiamo una buona panoramica di IK, ma completiamola con alcuni buoni casi duso di IK. IK può essere utilizzato da un braccio umanoide per raggiungere un oggetto / bersaglio, come abbiamo visto. IK può essere utilizzato anche per il passo del piede, in modo tale che diciamo al piede dove calpestare e IK capisce come configurare le articolazioni delle gambe. IK non viene solitamente utilizzato come unanimazione stessa (per raggiungere un oggetto), ma più come uno strumento di animazione. Quindi, se stai implementando un ciclo di camminata, potresti posizionare alcuni dei fotogrammi chiave utilizzando lo strumento IK.

Figura 7: IK viene applicato con la rotazione del piede come obiettivo. I giunti L & R ruotano per conformarsi al piano inclinato.

Un altro punto chiave su IK è che il tuo obiettivo / target non è limitato alla posizione da solo: il tuo obiettivo può essere definito come una rotazione. Ad esempio, se i tuoi piedi devono ruotare in base a un terreno irregolare, il tuo obiettivo di rotazione IK può essere definito in base alla normale del pavimento. Vedi figura 7. In questo modo i tuoi piedi sono inclinati lungo il pavimento, come quando stai camminando su una pendenza. Nota che puoi anche usare IK per far guardare la tua testa (o anche gli occhi) in una certa direzione.Se vuoi che la tua testa segua un oggetto, puoi usare IK per fare in modo che la testa segua loggetto intorno.

Commenti

• Eccellente e spiegazione approfondita! Grazie ! Dovresti avere più visualizzazioni!

La cinematica inversa fa agire il tuo rig in modo più realistico. Non viene utilizzato solo nellanimazione 3D, ma anche nella robotica. Ad esempio, potresti muovere la mano del tuo personaggio e far muovere il gomito e la spalla nellorientamento corretto. Ciò può essere estremamente utile per alcuni artisti che stanno cercando di ottenere la posa corretta. Se spostassero prima le braccia in posizione e poi la schiena, potrebbero scoprire di aver perso la posizione corretta per le braccia.