Инверсивная кинематика — метод позиционирования гибких сочленений при компьютерной анимации. Программирование игр часто подразумевает использование техники инверсивной кинематики. 

В моделировании практически все средства разработки заимствованы из математики или физики. Дизайнеры стремятся создать реалистичные модели персонажей, а аниматоры — добиться самых правдоподобных движений героев компьютерной игры. В этом помогает техника обратной (инверсивной) кинематики — непростой раздел разработки физики моделей. 

Что собой представляет инверсивная кинематика?

Кинематика — это раздел физики, изучающий движение идеализированных объектов. Последние служат основой для построения гипотез, которые в итоге оказываются способными описать закономерности реальности.

Этот раздел физики связан с динамикой, но отличается от нее. Кинематика изучает только способ движения объектов, а не причину, которая стала поводом изменить положение тела в пространстве. В компьютерной трехмерной графике термин «кинематика» описывает, как можно перемещать суставы (ключевые точки) для анимации объектов и персонажей. Существует два основных типа кинематики: 

Прямая кинематика (FK) 

Она относится к ситуации, когда каждое соединение в цепи наследует движение своего родительского сочленения. Цепь — последовательность объектов, например, рука персонажа. Каждый сустав имеет свою степень иерархии. Движение кисти не влияет на плечо, но вращение плечевого сустава заставляет запястье также вращаться по кругу. В этом примере плечо — родительское сочленение. 

Прямая и инверсивная кинематика

Прямая кинематика: объекты нижней части скелета двигаются вслед за большими родительскими костями

Таким образом, если есть четыре сустава в цепочке, при повороте родительского сочленения три дочерних сустава перемещаются в зависимости от траектории главной ключевой точки. Когда происходит вращение второго сустава, третья и четвертая точки (но не первая) наследуют его движение. 

Обратная кинематика (IK) 

Она заставляет суставы в цепи ориентироваться в зависимости от положения цели — концевого эффектора. В робототехнике (недалекая от моделирования сфера) эффектором называется устройство на конце руки робота, которое предназначено для взаимодействия машины с окружающей средой.

Прямая и инверсивная кинематика

Инверсивная кинематика: дочерние кости скелета управляют родительскими

Инверсивная кинематика: преимущества техники

Техника IK более интуитивная, чем прямая. При использовании некоторых опций анимации она предотвращает нежелательные эффекты вроде пробивания игрового пола суставом. Также она минимизирует их скольжение во время цикла ходьбы.

Дополнительные преимущества IK:

  1. Позволяет быстро анимировать сложные движения персонажа.
  2. Положение и ориентация родительских объектов определяются параметрами дочерних узлов.
  3. Соединения суставов при желании ограничиваются определенными позиционными и вращательными свойствами.
  4. Лучше имитирует вес движущегося объекта при его анимации.

Обратная кинематика меняет направление манипуляции цепью. Вместо того чтобы работать от родительских сочленений, IK изучает дочерние суставы. Возьмем, к примеру, руку. Чтобы оживить ее с использованием прямой кинематики, разработчик проделает сложный путь. Он поворачивает сустав от плеча, затем двигает предплечье, руку от запястья и так далее, добавляя ключи вращения для каждого дочернего объекта.

Чтобы оживить руку с помощью обратной кинематики, достаточно перемещать сустав, который позиционирует запястье. Он называется концевым эффектором. В случае с ногой, например, ступня прижимается к полу. Если человек двигает тазом, стопа остается на месте, так как она не перемещается, и это вызывает сгибание коленей.

Меню