Co to jest kinematyka odwrotna?

Łańcuch kości można ustawić na dwa główne sposoby:

„Kinematyka do przodu” (FK) to normalny sposób manipulowania łańcuchem kości, oparty na relacjach rodzic-dziecko. Musisz oddzielnie obracać każdą kość.

Kinematyka odwrotna (IK) to inny sposób, w którym ruch łańcucha jest określany przez „docelową” kość (i opcjonalnie „docelową” kość) zamiast normalne relacje rodzic-dziecko. Zasadniczo ustawiasz koniec łańcucha, a solver IK oblicza, co pozostałe kości muszą zrobić, aby to się stało.

Dlaczego czy potrzebujemy ograniczenia kinematyki odwrotnej w olinowaniu?

Nie potrzebujemy tego, po prostu ułatwia życie. Często dużo łatwiejsze.

Kiedy należy go używać?

W każdej sytuacji gdzie koniec łańcucha kości ma znajdować się w określonym miejscu – na przykład postacie chwytające coś lub stopa na podłodze podczas chodzenia.

Co czy to robi z szkieletem?

Obraca kości łańcucha do pozycji zgodnie z dwiema kościami kontrolnymi (tarcza, słup).

Oryginalny artykuł: Omówienie kinematyki odwrotnej

Ty Prawdopodobnie słyszałem o kinematyce odwrotnej. IK jest popularnym narzędziem w Blenderze i grafice komputerowej, ale jeśli po raz pierwszy próbujesz stworzyć lub użyć systemu Inverse Kinematics, możesz potrzebować więcej szczegółów. Wyjaśnię, czym jest IK, zdefiniuję słownictwo i omówię zastosowania.

Jakie jest potrzebne słownictwo, aby zrozumieć IK?

Zanim przejdziemy do sedna IK , musimy zdefiniować trochę słownictwa związanego z IK. IK to metoda stosowana do nadwozia przegubowego. Co to jest ciało przegubowe?

Ciało przegubowe

Ciało przegubowe może reprezentować większość ożywionych ciał, takich jak ludzie i zwierzęta ze szkieletami. Mówiąc najprościej, przegubowe ciało to drzewo połączonych łańcuchów. Połączone łańcuchy składają się z przegubów i ogniw, gdzie ogniwem jest sztywny cylinder.

Rysunek 1: Ludzkie ciało przegubowe

Nawet prosta zabawka na powyższym zdjęciu na okładce przedstawia przegubowe ciało. Po prostu brakuje stawów łokciowych i kolanowych.

Rodzaje stawów

Jeśli chodzi o stawy, istnieją dwa typy. Pierwszy rodzaj połączenia to połączenie obrotowe. Jest połączony z łączem, które obraca się wokół niego. Rysunek 2 przedstawia połączenie obrotowe.

Rysunek 2: Złącze obrotowe

Złącze obrotowe jest podobne do środkowego kołka zegara – z wskazówką zegara jako łącznikiem.

Złota szpilka zegara to przegub obrotowy. Połączenie pryzmatyczne to takie połączenie, że połączone ogniwo przesuwa się ze złącza, aby przedłużyć / skrócić ogniwo. Rysunek 3 przedstawia złącze pryzmatyczne.

Rysunek 3: Połączenie pryzmatyczne

Połączenie pryzmatyczne działa podobnie jak przedłużanie / chowanie długości chowanej rączki bagażu. Jeśli przyjrzysz się uważnie, wysuwana rączka bagażu ma 4 pryzmatyczne złącza. 2 pryzmatyczne przeguby w połowie rączki i kolejne 2 pryzmatyczne przeguby na całej długości rączki u góry bagażu.

Nie martw się, jeśli zdezorientował Cię przegub pryzmatyczny. Nie są one tak często używane w kinematyce odwrotnej i, jak być może jesteś w stanie stwierdzić, żaden człowiek nie ma stawów pryzmatycznych – tylko połączenia obrotowe. Struktura hierarchiczna

Korpus przegubowy ma staw korzeniowy. Podstawą konstrukcji jest staw korzeniowy. Staw korzeniowy humanoida to zwykle środek bioder. Przegubowy korpus jest utworzony z drzewa stawów i ogniw, zaczynając od stawu korzeniowego. Nowe połączenie i łącze jest podobne do nowej gałęzi na drzewie. Połączenie / połączenie wewnętrzne to połączenie / połączenie, które jest bliżej połączenia głównego w hierarchii drzewa korpusu przegubowego, ponieważ odnosi się do danego połączenia / połączenia. Ogniwo / połączenie zewnętrzne to połączenie / połączenie położone dalej od połączenia głównego w hierarchii drzewa korpusu przegubowego. Na Rysunku 4 Połączenie A to połączenie główne, Połączenie 1 to wewnętrzne połączenie Połączenia B, Połączenie 2 to zewnętrzne połączenie Połączenia B.

Efekt końcowy

Efektor końcowy znajduje się w najbardziej zewnętrzna pozycja najbardziej zewnętrznego ogniwa.Jest to wolny koniec łańcucha naprzemiennych połączeń i ogniw. Efekt końcowy nie jest złączem. Efekt końcowy jest po prostu pozycją na końcu korpusu przegubowego. Przegubowy korpus może mieć wiele efektorów końcowych, tak jak drzewo binarne może mieć wiele liści.

Rysunek 4: Efekt końcowy jest reprezentowany przez zielone kółko.

Przeguby i pozy

Przegub to obrót / przesunięcie stawu, które porusza połączone ogniwo. Na przykład, na rysunku 5, połączenie A ma przegub 45 °, przegub B ma przegub 15 °, a przegub C ma -60 °. Z drugiej strony, pozy to zestaw artykulacji w stawach, który skutkuje ustawieniem ciała przegubowego. Innymi słowy, pozycja jest wartością wektorową zamiast wartości skalarnej. Na przykład na rysunku 4 pozycja przegubowego korpusu to < 45 °, 15 °, -60 °>.

Rysunek 5: Przegubowy korpus z A jako stawem głównym

Co to jest Forward Kinematics?

Zanim przejdziemy do tego, czym jest Inverse Kinematics, musimy dowiedzieć się, czym jest Forward Kinematics. Funkcja / algorytm Forward Kinematics przyjmuje pozę jako dane wejściowe i oblicza pozycję efektora końcowego jako dane wyjściowe. Forward Kinematics jest funkcją odwrotną do Inverse Kinematics. W przypadku Forward Kinematics musisz zdefiniować całą pozę ciała przegubowego, aby zapewnić funkcję / algorytm z danymi wejściowymi pozy. Oznacza to, że musisz zdefiniować artykulację każdego stawu w korpusie przegubowym. To może być dobre, jeśli masz małą liczbę połączeń, ale przy dużej liczbie połączeń jest to zwykle uciążliwe.

Teraz wyobraź sobie, że chciałbyś koniec efektor twojego przegubowego ciała, aby osiągnąć określoną pozycję docelową. Oznacza to, że znasz pozycję efektora końcowego, na którą chcesz wycelować, ale nie wiesz, jaka musi być pozycja korpusu przegubowego, aby efektor końcowy osiągnął to docelowe położenie. To jest miejsce, w którym kinematyka odwrotna świeci!

Rysunek 6: Pozycja docelowa jest oznaczona czerwonym kółkiem. Pozycja docelowa jest definiowana jako dane wejściowe, a wynikowa pozy wymagana, aby efektor końcowy osiągnął pozycję docelową, jest wyjściem.

Kinematyka odwrotna jest funkcją odwrotną / algorytmem kinematyki do przodu. Funkcja / algorytm Forward Kinematics przyjmuje pozycję docelową jako dane wejściowe i oblicza pozę wymaganą do osiągnięcia pozycji docelowej przez efektor końcowy – pozy jest wyjściem.

Jak widać, dane wejściowe i wyjścia są przełączane między FK i IK. Dzięki kinematyce odwrotnej nie musisz definiować całej pozy ciała przegubowego – oblicza to algorytm IK. W przypadku IK wystarczy zdefiniować pozycję jako dane wejściowe.

Kinematyka odwrotna wykonuje wszystkie trudne obliczenia obliczeniowe polegające na obliczaniu pozy. Rysunek 6 dobrze to przedstawia. W Przed Scenie jest przegubowe ciało w znanej pozie. Określa docelową pozycję, do której efektor końcowy ma się dążyć. Po zastosowaniu algorytmu IK do korpusu przegubowego dotarliśmy do After Scene. After Scene pokazuje, że została obliczona nowa pozy, tak że efektor końcowy znajduje się teraz w pozycji docelowej.

Jakie są zastosowania IK?

W tym miejscu wiemy, że IK stosuje się do korpusu przegubowego, wiemy, z czego składa się korpus przegubowy i znamy różnicę między IK a FK. Jak dotąd mamy dobry przegląd IK, ale zakończmy to również kilkoma dobrymi przykładami użycia IK. Jak widzieliśmy, IK może służyć do humanoidalnego ramienia, aby sięgnąć do obiektu / celu. IK może być również używany do kroczenia stopą, tak że mówimy stopie, gdzie ma stąpać, a IK określa, jak skonfigurować połączenia nóg. IK nie jest zwykle używana jako sama animacja (sięganie po obiekt), ale bardziej jako narzędzie do animacji. Tak więc, jeśli wdrażasz cykl spacerowy, możesz umieścić niektóre klatki kluczowe za pomocą narzędzia IK.

Rysunek 7: Zastosowano IK z obrotem stopy jako celem. Połączenia L & R obracają się, aby dopasować się do nachylonej płaszczyzny.

Kolejną kluczową kwestią dotyczącą IK jest to, że Twój cel / cel nie jest ograniczony do pozycji sam – twój cel można zdefiniować jako rotację. Na przykład, jeśli Twoje stopy muszą się obracać w zależności od nierównego terenu, cel rotacji IK można zdefiniować na podstawie normalnej podłogi. Patrz Rysunek 7. W ten sposób stopy są nachylone wzdłuż podłogi, na przykład podczas wchodzenia po pochyłości. Zauważ, że możesz również użyć IK, aby Twoja głowa (a nawet oczy) patrzyła w określonym kierunku.Jeśli chcesz, aby Twoja głowa podążała za obiektem, możesz użyć IK, aby głowa podążała za obiektem dookoła.

Komentarze

• Doskonale i in- dept wyjaśnienie! Dziękuję Ci ! Powinieneś mieć więcej widoków!

Odwrotna kinematyka sprawia, że Twój sprzęt działa bardziej realistycznie. Jest używany nie tylko w animacji 3D, ale także w robotyce. Na przykład możesz poruszyć ręką swojej postaci i ustawić jego łokieć i ramię we właściwej orientacji. Może to być bardzo pomocne dla niektórych artystów, którzy próbują uzyskać we właściwej pozie. Jeśli najpierw ustawią ręce w odpowiedniej pozycji, a następnie cofną się do tyłu, mogą stwierdzić, że stracili właściwą pozycję dla ramion.