Vad är invers kinematik?

Det finns två huvudsakliga sätt att utgöra en kedja av ben:

”Forward Kinematics” (FK) är det normala sättet att manipulera en benkedja, baserat på förhållanden mellan föräldrar och barn. Du måste rotera varje ben individuellt.

Inverse Kinematics (IK) är ett annat sätt där kedjans rörelse bestäms av ett ”mål” ben (och eventuellt ett ”pol mål” ben) istället för normala relationer mellan förälder och barn. I grund och botten placerar du kedjans ände och IK-lösaren beräknar vad resten av benen behöver göra för att få det att hända.

Varför behöver vi den inversa kinematiska begränsningen vid riggning?

Vi behöver det inte, det gör bara livet enklare. Ofta mycket enklare.

När ska jag använda det?

I alla situationer där du behöver slutet på benkedjan för att vara på en viss plats – som karaktärer som tar tag i något eller foten på golvet medan du går.

Vad gör det för ankaret?

Roterar kedjans ben på plats enligt de två kontrollbenen (mål, pol).

Originalartikel: Översikt över invers kinematik

Du Jag har nog hört talas om invers kinematik. IK är ett populärt verktyg inom blandare och datorgrafik, men om det är första gången du försöker skapa eller använda ett inverst kinematiksystem kanske du vill ha mer information. Jag ska förklara vad IK är, definiera ordförrådet och granska användningen.

Vad är det nödvändiga ordförrådet för att förstå IK?

Innan vi kommer in i hjärtat av IK , vi måste definiera något IK-relaterat ordförråd. IK är en metod som appliceras på en ledad kropp. Vad är en ledad kropp?

Ledad kropp

En ledad kropp kan representera de flesta animerade kroppar som människor och djur med skelett. Enkelt uttryckt är en ledad kropp ett träd av länkade kedjor. De länkade kedjorna består av fogar och länkar, där en länk är en stel cylinder.

Figur 1: Human artikulerad kropp

Även den enkla leksaken på ovanstående omslagsfoto representerar en ledad kropp. Det saknas bara armbågs- och knäleder.

Typer av leder

När det gäller lederna finns det två typer. Den första typen av fog är en revolutfog. Den är ansluten till en länk som roterar runt den. Figur 2 visar en fog.

Figur 2: Revolute Joint

En revolut joint är ungefär som klockans mittstift – med en klockhand som länk.

Klockans guldnål är en revolutförband. En prismatisk skarv är en skarv så att den anslutna länken översätts från skarven för att förlänga / förkorta länken. Figur 3 visar en prismatisk fog.

Figur 3: Prismatisk fog

En prismatisk fog fungerar ungefär som att förlänga / dra in längden på det infällbara handtaget på ditt bagage. Om du tittar noga har det infällbara bagagehandtaget fyra prismatiska leder. 2 prismatiska fogar halvvägs ner i handtaget och ytterligare 2 prismatiska fogar hela vägen nerför handtaget längst upp i bagaget.

Om du är förvirrad av prismatiska fogar, oroa dig inte. De används inte så ofta i invers kinematik, och som du kanske kan säga har inga människor prismatiska leder – bara revolverande leder. Hierarkisk struktur

En ledad kropp har en rotfog. Rotfogen är basen av strukturen. Rottleden för en humanoid är vanligtvis mitten av höfterna. Den ledade kroppen är bildad av ett träd av leder och länkar, som börjar vid rotfogen. En ny fog och länk liknar en ny gren på ett träd. En inbyggd länk / led är en länk / led som ligger närmare rotfogen inom den ledade kroppens trädhierarki, eftersom den relaterar till given led / länk. En utombordslänk / fog är en länk / fog som ligger längre bort från rotfogen inom trädhierarkin hos den ledade kroppen. I figur 4 är fog A rotfog, länk 1 är fog B: s inbyggda länk, länk 2 är fog B: s utombordslänk.

Sluteffekt

En sluteffektor är en position vid den mest utombordspositionen för den mest utombordslänken.Det är den fria änden av kedjan med alternerande fogar och länkar. Sluteffektorn är inte en led. Ändeffektorn är bara positionen vid slutet av en ledad kropp. En ledad kropp kan ha flera sluteffekter, precis som ett binärt träd kan ha flera löv.

Figur 4: Sluteffektorn representeras av en grön cirkel.

Artikulationer och poser

En artikulation är en rotation / översättning av en led som rör en ansluten länk. Till exempel, i figur 5, har led A en artikulation på 45 °, led B har en artikulation på 15 ° och led C har en artikulation på -60 °. Å andra sidan är en pose en uppsättning gemensamma ledartiklar som resulterar i positionering av den ledade kroppen. Med andra ord är posen ett vektorvärde i stället för ett skalärt värde. Till exempel, i figur 4 är ställningen för den ledade kroppen < 45 °, 15 °, -60 °>.

Figur 5: Ledad kropp med A som rotfog

Vad är Forward Kinematics?

Innan vi kan gå in på vad Inverse Kinematics är, måste vi ta reda på vad Forward Kinematics är. Forward Kinematics-funktionen / algoritmen tar en pose som ingången och beräknar positionen för sluteffektorn som utgången. Framåt Kinematik är den inversa funktionen hos Invers Kinematik. Med Forward Kinematics måste du definiera hela ställningen för en ledad kropp för att ge funktionen / algoritmen poseinmatningen. Det betyder att du måste definiera artikulationen av varje led i den ledade kroppen. Det kan vara bra om du har ett lågt antal fogar, men med ett stort antal fogar tenderar det att vara tråkigt.

Tänk dig nu om du vill ha slutet effekt av din ledade kropp för att nå en viss målposition. Detta betyder att du känner till den sluteffektorposition du vill rikta dig till, men du vet inte vad den ledade kroppens ställning behöver vara för att sluteffektorn ska nå denna målposition. Det är här Inverse Kinematics lyser!

Figur 6: Målpositionen representeras av en röd cirkel. Målpositionen definieras som ingången, och den resulterande ställningen som krävs för att sluteffektorn ska nå målpositionen är utgången.

Invers Kinematics är den inversa funktionen / algoritmen för Forward Kinematics. Forward Kinematics-funktionen / algoritmen tar en målposition som inmatning och beräknar den pose som krävs för att sluteffektorn ska nå målpositionen – posen är utgången.

Som du kan se är ingången och utgången växlas mellan FK och IK. Med Inverse Kinematics behöver du inte definiera en artikulerad kropps hela ställning – detta beräknas för dig av IK-algoritmen. Med IK behöver du bara definiera en position som ingång.

Invers Kinematics gör allt det utmanande beräkningsarbetet med att beräkna vad posen är. Figur 6 representerar denna brunn. I före scenen finns det en ledad kropp med någon känd pose. Den definierar en målposition för att sluteffektorn ska försöka nå. När IK-algoritmen har applicerats på den ledade kroppen har vi nått After Scene. After Scene visar att en ny pose har beräknats, så att sluteffektorn nu är i målpositionen.

Vad använder IK?

Vid denna punkt, vi vet att IK appliceras på en ledad kropp, vi vet vad en ledad kropp består av, och vi vet skillnaden mellan IK och FK. Vi har en bra översikt över IK hittills, men låt oss avsluta det med några bra användningsfall av IK också. IK kan användas för en humanoidarm för att nå ett objekt / mål, som vi har sett. IK kan också användas för fotstegning, så att vi berättar foten var du ska gå och IK räknar ut hur du konfigurerar benfogarna. IK används vanligtvis inte som en animering i sig (sträcker sig efter ett objekt), utan mer som ett animationsverktyg. Så om du genomför en gångcykel kan du placera några av nyckelramarna med IK-verktyget.

Figur 7: IK appliceras med fotrotation som mål. Skarvar L & R roterar för att överensstämma med det lutande planet.

En annan viktig punkt om IK är att ditt mål / mål inte är begränsat till position ensam – ditt mål kan definieras som en rotation. Till exempel, om dina fötter behöver rotera baserat på ojämn terräng, kan ditt IK-rotationsmål definieras baserat på golvets normala. Se figur 7. På så sätt lutar dina fötter längs golvet, till exempel när du går uppför en lutning. Observera att du också kan använda IK för att ditt huvud (eller till och med ögonen) ska se i en viss riktning.Om du vill att ditt huvud ska följa ett objekt kan du använda IK för att få huvudet att följa objektet runt.

Kommentarer

• Utmärkt och in- avd förklaring! Tack ! Du borde ha fler vyer!

Invers kinematik gör att din rigg agerar mer realistiskt. Det används inte bara i 3D-animering utan också i robotik. Du kan till exempel flytta din karaktärs hand och få hans armbåge och axel att flytta i rätt riktning. Detta kan vara till stor hjälp för vissa artister som försöker få Om de flyttade armarna på plats först och sedan flyttade baksidan kan de upptäcka att de har förlorat sin rätta position för armarna.