O que é cinemática inversa?

Existem duas maneiras principais de representar uma cadeia de ossos:

“Forward Kinematics” (FK) é a maneira normal de manipular uma cadeia de ossos, com base nas relações pai-filho. Você precisa girar cada osso individualmente.

Cinemática Inversa (IK) é outra forma, onde o movimento da corrente é determinado por um osso “alvo” (e opcionalmente um osso “alvo de pólo”) em vez do relações normais entre pais e filhos. Basicamente, você posiciona o final da cadeia, e o solucionador IK calcula o que o resto dos ossos precisam fazer para que isso aconteça.

Por que precisamos da restrição cinemática inversa na montagem?

Não precisamos dela, apenas torna a vida mais fácil. Freqüentemente muito mais fácil.

Quando devo usá-lo?

Em todas as situações onde você precisa que o fim da cadeia de ossos esteja em um local específico – como personagens agarrando algo ou o pé no chão enquanto caminha.

O que isso faz com a armadura?

Gira os ossos da corrente para a posição de acordo com os dois ossos de controle (alvo, poste).

Artigo Original: Visão geral da cinemática inversa

Você Provavelmente já ouviu falar de Cinemática Inversa. IK é uma ferramenta popular no Blender e computação gráfica, mas se esta é a primeira vez que você tenta criar ou usar um sistema de Cinemática Inversa, você pode querer mais detalhes. Vou explicar o que é IK, definir o vocabulário e revisar os usos.

Qual é o vocabulário necessário para entender IK?

Antes de entrarmos no âmago do IK , precisamos definir algum vocabulário relacionado ao IK. IK é um método aplicado a um corpo articulado. O que é um corpo articulado?

Corpo articulado

Um corpo articulado pode representar a maioria dos corpos animados, como humanos e animais com esqueletos. Simplificando, um corpo articulado é uma árvore de cadeias interligadas. As correntes interligadas são compostas de juntas e elos, onde um elo é um cilindro rígido.

Figura 1: Corpo Humano Articulado

Mesmo o brinquedo simples na foto da capa acima representa um corpo articulado. Faltam apenas as articulações do cotovelo e do joelho.

Tipos de articulações

Quanto às articulações, existem dois tipos. O primeiro tipo de junta é uma junta de rotação. Ele está conectado a um link que gira em torno dele. A Figura 2 mostra uma junta de rotação.

Figura 2: Junta de revolução

Uma junta de revolução é muito parecida com o pino central de um relógio – com o ponteiro do relógio como elo.

O pino de ouro do relógio é uma junta de rotação. Uma junta prismática é uma junta tal que a ligação conectada se traduz da junta para estender / encurtar a ligação. A Figura 3 mostra uma junta prismática.

Figura 3: Articulação prismática

Uma articulação prismática atua de maneira semelhante à extensão / retração do comprimento da alça retrátil de sua bagagem. Se você olhar de perto, a alça de bagagem retrátil tem 4 juntas prismáticas. 2 juntas prismáticas no meio da alça e outras 2 juntas prismáticas em toda a alça na parte superior da bagagem.

Se você está confuso com as juntas prismáticas, não se preocupe. Eles não são usados com frequência na Cinemática Inversa e, como você pode perceber, nenhum ser humano tem articulações prismáticas – apenas articulações de rotação. Estrutura hierárquica

Um corpo articulado possui uma junta de raiz. A junta de raiz é a base da estrutura. A articulação da raiz de um humanóide geralmente é o centro dos quadris. O corpo articulado é formado por uma árvore de juntas e elos, começando na junta raiz. Uma nova junta e ligação são semelhantes a um novo galho em uma árvore. Um link / junta interno é um link / junta que está mais próximo da junta raiz dentro da hierarquia de árvore do corpo articulado, no que se refere a uma determinada junta / link. Um elo / junta externo é um elo / junta que está mais longe da junta raiz dentro da hierarquia da árvore do corpo articulado. Na Figura 4, a junta A é a junta raiz, o Link 1 é o link interno da Junta B, o Link 2 é o link externo da Junta B.

Efetora final

Um efetor final é uma posição em a posição mais externa do link mais externo.É a extremidade livre da cadeia de juntas e elos alternados. O efetor final não é uma junta. O efetor final é apenas a posição na extremidade de um corpo articulado. Um corpo articulado pode ter vários efetores finais, assim como uma árvore binária pode ter várias folhas.

Figura 4: O efetor final é representado por um círculo verde.

Articulações e Poses

Uma articulação é uma rotação / translação de uma junta que move um elo conectado. Por exemplo, na Figura 5, a Articulação A tem uma articulação de 45 °, a Articulação B tem uma articulação de 15 ° e a Articulação C tem uma articulação de -60 °. Por outro lado, uma pose é um conjunto de articulações articulares que resultam no posicionamento do corpo articulado. Em outras palavras, a pose é um valor vetorial em vez de um valor escalar. Por exemplo, na Figura 4, a pose do corpo articulado é < 45 °, 15 °, -60 °>.

Figura 5: Corpo articulado com A como a junta raiz

O que é cinemática direta?

Antes de entrarmos no que é cinemática inversa, precisamos descobrir o que é cinemática direta. O algoritmo / função de cinemática direta assume uma postura como entrada e calcula a posição do atuador final como saída. A cinemática direta é a função inversa da cinemática inversa. Com a cinemática direta, você precisa definir toda a pose de um corpo articulado de modo a fornecer a função / algoritmo com a entrada da pose. Isso significa que você precisa definir a articulação de cada junta no corpo articulado. Isso pode ser bom se você tiver um número baixo de juntas, mas com um grande número de juntas, isso tende a ser entediante.

Agora, imagine se você gostaria do fim efetor de seu corpo articulado para alcançar uma posição de destino particular. Isso significa que você sabe a posição final do efetor que deseja atingir, mas não sabe qual deve ser a postura do corpo articulado para que o executor final alcance esta posição alvo. É aqui que brilha a cinemática inversa!

Figura 6: A posição alvo é representada por um círculo vermelho. A posição alvo é definida como a entrada, e a pose resultante necessária para que o efetor final alcance a posição alvo é a saída.

A Cinemática Inversa é a função / algoritmo inverso da Cinemática Direta. O algoritmo / função de cinemática direta toma uma posição de destino como entrada e calcula a pose necessária para que o efetor final alcance a posição de destino – a pose é a saída.

Como você pode ver, a entrada e as saídas são comutadas entre FK e IK. Com a cinemática inversa, você não precisa definir toda a pose de um corpo articulado – isso é calculado para você pelo algoritmo IK. Com IK, você só precisa definir uma posição como entrada.

A cinemática inversa faz todo o trabalho computacional desafiador de calcular qual é a pose. A Figura 6 representa bem isso. Na cena anterior, há um corpo articulado com alguma pose conhecida. Ele define uma posição alvo para o efetor final tentar alcançar. Uma vez que o algoritmo IK é aplicado ao corpo articulado, chegamos ao After Scene. A cena posterior mostra que uma nova pose foi calculada, de modo que o efetor final está agora na posição alvo.

Quais são os usos de IK?

Neste ponto, nós sabemos que o IK se aplica a um corpo articulado, sabemos do que é feito um corpo articulado e sabemos a diferença entre IK e FK. Temos uma boa visão geral do IK até agora, mas vamos encerrar com alguns bons casos de uso de IK também. IK pode ser usado por um braço humanóide para alcançar um objeto / alvo, como vimos. O IK também pode ser usado para pisar o pé, de forma que dizemos ao pé onde pisar e o IK descobre como configurar as articulações das pernas. IK geralmente não é usado como uma animação em si (alcançando um objeto), mas mais como uma ferramenta de animação. Portanto, se você estiver implementando um ciclo de caminhada, pode posicionar alguns dos quadros-chave usando a ferramenta IK.

Figura 7: IK é aplicado com a rotação do pé como objetivo. As juntas L & R giram para se conformar ao plano inclinado.

Outro ponto importante sobre IK é que sua meta / alvo não se limita à posição sozinho – seu objetivo pode ser definido como uma rotação. Por exemplo, se seus pés precisam girar com base em terreno irregular, sua meta de rotação IK pode ser definida com base na normal do piso. Veja a Figura 7. Dessa forma, seus pés ficam inclinados ao longo do chão, como quando você está subindo uma ladeira. Observe que você também pode usar o IK para que sua cabeça (ou até mesmo os olhos) olhem em uma determinada direção.Se quiser que sua cabeça siga um objeto, você pode usar o IK para que a cabeça siga o objeto.

Comentários

• Excelente e in explicação do departamento! Obrigado ! Você deveria ter mais visualizações!

A cinemática inversa torna seu equipamento mais realista. Não é usado apenas em animação 3D, mas também em robótica. Por exemplo, você pode mover a mão de seu personagem e fazer com que o cotovelo e o ombro se movam na orientação adequada. Isso pode ser extremamente útil para alguns artistas que estão tentando obter a postura correta. Se eles moverem os braços primeiro e depois as costas, podem descobrir que perderam a posição adequada para os braços.