Инверсная кинематика
Инверсная кинематика (инверсная кинематическая анимация, англ. inverse kinematics, IK) — процесс определения параметров связанных подвижных объектов (например, кинематическая пара или кинематическая цепь) для достижения необходимой позиции, ориентации и расположения этих объектов. Инверсная кинематика является типом [англ.]. Инверсная кинематика активно используется в робототехнике, трёхмерной компьютерной анимации и в разработке компьютерных игр. Она используется в основном в тех ситуациях, когда необходимо точное позиционирование подвижных сочленений одного объекта относительно других объектов окружающей среды. Алгоритм инверсной кинематики противоположен алгоритму прямой кинематики.
Описание
Инверсная кинематика, как и прямая, применяются к моделям каких-либо персонажей или объектов, которые созданы с использованием скелетной анимации. Суть скелетной анимации состоит в том, что объект состоит из набора твёрдых сегментов (компонентов), соединённых сочленениями (англ. joint). При этом сегменты могут объединяться в кинематические пары, которые в свою очередь объединяются в кинематические цепи. Данные сегменты образуют иерархические цепочки, которые имеют «верхний» и «нижний» уровень. Сегменты (компоненты) верхних уровней называются компонентами-предками (или родительскими сегментами), а компоненты нижних — компонентами-потомками (или дочерними сегментами). Например, если рассмотреть руку человека, то плечевой сустав будет самым верхним уровнем, а кончик пальца — самым нижним, т. е. компонентом-потомком к плечевому суставу. Локтевой сустав находится внутри цепочки, он будет иметь как родительские (плечо), так и дочерние (запястье, пальцы) сегменты.
Основным отличием прямой кинематики от инверсной кинематики является то, что при прямой любое воздействие передается по иерархической цепочке сверху вниз. Например, при движении тазобедренного сустава двигаются все потомки, т. е. коленный сустав и все остальные. Инверсная кинематика использует принцип, диаметрально противоположный принципу прямой — перемещение компонентов-потомков приводит к изменению положения компонентов-предков, то есть алгоритм рассчитывает положение и ориентацию компонентов-предков, исходя из положения и ориентации компонентов-потомков.
В инверсной кинематике дочерний сегмент (компонент-потомок), который вызывает изменение положения и ориентацию других объектов и расположен в середине отдельной иерархической цепочке сегментов, называется эффектором (англ. effector). Если эффектор является конечным объектом данной иерархической цепочки, то он называется конечным эффектором (англ. end effector). Именно через эффектор осуществляется манипулирование всей иерархической цепочкой. Изменение положения и/или ориентации конечного эффектора приводит к изменению положения и/или ориентации всех сегментов иерархической цепочки по законам инверсной кинематики. Изменение положения и/или ориентации простого (не конечного) эффектора приводит к тому, что положение объектов, стоящих по иерархии ниже его, меняется по законам прямой кинематики, а объектов с более высокой иерархией — по законам инверсной кинематики.
Ключом к успешной реализации инверсной кинематики является анимация в пределах ограничений (англ. constraints): конечности модели персонажа должны вести себя в разумных антропоморфических пределах. Точно такая же ситуация и с робототехническими устройствами, которые имеют физические ограничения, такие как среда, в которой они работают, ограничения движения их суставов и ограниченные физические нагрузки и скорости, с которыми они в состоянии работать.
Использование и примеры
Инверсная кинематика является инструментом, который часто используют художники трёхмерной графики. Для художника проще выразить желаемое пространственное действие, чем непосредственно манипулировать углами сочленений. Например, инверсная кинематика позволяет художнику двигать рукой модели трёхмерного гуманоидного персонажа к желаемой позиции и ориентации. При этом сам алгоритм, а не художник, выбирает правильные углы запястья, локтя и плечевого сустава.
Например, если человек хочет схватить дверную ручку рукой, то его мозг должен сделать необходимые вычисления для правильного позиционирования руки и туловища человека. Основная цель состоит в том, чтобы двигать рукой, но нужно задействовать много сложных суставов с несколькими сочленениями, чтобы добраться рукой к желаемому объекту. Подобным образом происходит процесс в технологических приложениях — чтобы достичь желаемой цели, должны быть выполнены математические вычисления инверсной кинематики для расположения конечностей правильным образом. Примером, когда вычисления инверсной кинематики часто необходимы, является робототехника. Например, оператор робота хочет поместить какой-либо объект с помощью манипулятора, однако, естественно, он не хочет управлять каждым сочленением манипулятора отдельно.
Другими приложениями, где используется инверсная кинематика, являются приложения компьютерной графики и анимации. Например, аниматоры хотят управлять моделью гуманоидного персонажа, анимация которого генерируется компьютером, однако очень трудно анимировать индивидуальные сочленения. Решение состоит в том, чтобы смоделировать виртуальные сочленения «марионеточной куклы» и позволить аниматору двигать руками, ногами и туловищем куклы, а компьютер с использованием инверсной кинематики автоматически сгенерирует необходимые позиции конечностей для достижения результата.
Инверсная кинематика часто используется в компьютерных играх для создания анимации гуманоидных персонажей. В основном инверсная кинематика используется для создания анимации ног моделей человекоподобного существа или человека. Например, довольно просто создать анимацию передвижения (ходьба, бег) человека или наземного животного, если он движется по ровной плоскости. Однако если ландшафт неровный (бугристый, ухабистый, пересечённая или горная местность), то создание точной анимации ходьбы является фактически невозможной задачей. Анимация ног не будет соответствовать рельефу поверхности, что проявится в таких эффектах, как проскальзывание ног по поверхности и неточном позиционировании ног относительно её (ступня будет «утопать» в поверхность или «не доставать» до неё). Именно для качественного и эффективного решения этих проблем используется инверсная кинематика.
К другим приложениям, которые используют инверсную кинематику, относятся интерактивная манипуляция, управление анимацией и избежание столкновений.
Примечания
- Юрий Ильин. Скелетная анимация, прямая и инверсная кинематика. (27 июля 2009). Дата обращения: 7 декабря 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
Внешние ссылки
Англоязычные источники
- Hugo Elias. Inverse Kinematics (англ.). freespace.virgin.net. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
- Hugo Elias. Inverse Kinematics - Improved Methods (англ.). freespace.virgin.net. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
- Robot Inverse Kinematics (англ.). www.learnaboutrobots.com. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
- How do the characters in video games move so fluidly? (англ.). Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
- Martin John Baker. 3D Theory - Kinematics - Joints Inverse Kinematics (англ.). www.euclideanspace.com. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
- Lydia E. Kavraki. Protein Inverse Kinematics and the Loop Closure Problem (англ.). cnx.org. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
- Diego Park. Computer Graphics (англ.). diegopark.googlepages.com. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
- Bill Baxter. Fast Numerical Methods for Inverse Kinematics (англ.). billbaxter.com (21 февраля 2000). Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
- Dress Up Game with Axe Guitar Girl (англ.). http://www.virtualitoy.com. — Флэш-скрипт на сайте, который позволяет "одеть" человеческую модель. Для анимации одевания используется инверсная кинематика. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано 13 августа 2011 года.
Русскоязычные источники
- Hugo Elias (перевод на русский — Pavel A. Chuvanov). Инверсная кинематика. GameDev.ru (8 июня 2002). Дата обращения: 5 июня 2009.
- Компьютерная анимация Инверсная кинематика. Живопись, рисунок, графика и анимация. Начертательная геометрия, черчение. Дата обращения: 5 июня 2009.
- Светлана Шляхтина. 3D Studio MAX: первые шаги. Урок 22. Инверсная кинематика. журнал КомпьютерПресс. Дата обращения: 7 июня 2009.
- Инверсионная кинематика. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано из оригинала 18 января 2011 года.
- ГЛАВА 6. СКЕЛЕТ И ДЕФОРМАЦИЯ КАРКАСА ЧАСТЬ I Инверсная кинематика. Уроки Flash. Дата обращения: 7 июня 2009.
- Глава 6. Анимация иерархии объектов Инверсная кинематика (IK). Teapot 3-dimension. Дата обращения: 7 июня 2009.
- Алексеев В. Сплайновая инверсная кинематика. 3d-Уроки (10 января 2008). Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано из оригинала 29 января 2008 года.
- Майкл Комет. 3D Studio MAX: настройка обратной кинематики (IK Setup). . — Урок по созданию инверсной кинематике в 3ds Max. Дата обращения: 7 декабря 2009.
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Инверсная кинематика, Что такое Инверсная кинематика? Что означает Инверсная кинематика?
Inversnaya kinematika inversnaya kinematicheskaya animaciya angl inverse kinematics IK process opredeleniya parametrov svyazannyh podvizhnyh obektov naprimer kinematicheskaya para ili kinematicheskaya cep dlya dostizheniya neobhodimoj pozicii orientacii i raspolozheniya etih obektov Inversnaya kinematika yavlyaetsya tipom angl Inversnaya kinematika aktivno ispolzuetsya v robototehnike tryohmernoj kompyuternoj animacii i v razrabotke kompyuternyh igr Ona ispolzuetsya v osnovnom v teh situaciyah kogda neobhodimo tochnoe pozicionirovanie podvizhnyh sochlenenij odnogo obekta otnositelno drugih obektov okruzhayushej sredy Algoritm inversnoj kinematiki protivopolozhen algoritmu pryamoj kinematiki OpisanieInversnaya kinematika kak i pryamaya primenyayutsya k modelyam kakih libo personazhej ili obektov kotorye sozdany s ispolzovaniem skeletnoj animacii Sut skeletnoj animacii sostoit v tom chto obekt sostoit iz nabora tvyordyh segmentov komponentov soedinyonnyh sochleneniyami angl joint Pri etom segmenty mogut obedinyatsya v kinematicheskie pary kotorye v svoyu ochered obedinyayutsya v kinematicheskie cepi Dannye segmenty obrazuyut ierarhicheskie cepochki kotorye imeyut verhnij i nizhnij uroven Segmenty komponenty verhnih urovnej nazyvayutsya komponentami predkami ili roditelskimi segmentami a komponenty nizhnih komponentami potomkami ili dochernimi segmentami Naprimer esli rassmotret ruku cheloveka to plechevoj sustav budet samym verhnim urovnem a konchik palca samym nizhnim t e komponentom potomkom k plechevomu sustavu Loktevoj sustav nahoditsya vnutri cepochki on budet imet kak roditelskie plecho tak i dochernie zapyaste palcy segmenty Osnovnym otlichiem pryamoj kinematiki ot inversnoj kinematiki yavlyaetsya to chto pri pryamoj lyuboe vozdejstvie peredaetsya po ierarhicheskoj cepochke sverhu vniz Naprimer pri dvizhenii tazobedrennogo sustava dvigayutsya vse potomki t e kolennyj sustav i vse ostalnye Inversnaya kinematika ispolzuet princip diametralno protivopolozhnyj principu pryamoj peremeshenie komponentov potomkov privodit k izmeneniyu polozheniya komponentov predkov to est algoritm rasschityvaet polozhenie i orientaciyu komponentov predkov ishodya iz polozheniya i orientacii komponentov potomkov V inversnoj kinematike dochernij segment komponent potomok kotoryj vyzyvaet izmenenie polozheniya i orientaciyu drugih obektov i raspolozhen v seredine otdelnoj ierarhicheskoj cepochke segmentov nazyvaetsya effektorom angl effector Esli effektor yavlyaetsya konechnym obektom dannoj ierarhicheskoj cepochki to on nazyvaetsya konechnym effektorom angl end effector Imenno cherez effektor osushestvlyaetsya manipulirovanie vsej ierarhicheskoj cepochkoj Izmenenie polozheniya i ili orientacii konechnogo effektora privodit k izmeneniyu polozheniya i ili orientacii vseh segmentov ierarhicheskoj cepochki po zakonam inversnoj kinematiki Izmenenie polozheniya i ili orientacii prostogo ne konechnogo effektora privodit k tomu chto polozhenie obektov stoyashih po ierarhii nizhe ego menyaetsya po zakonam pryamoj kinematiki a obektov s bolee vysokoj ierarhiej po zakonam inversnoj kinematiki Klyuchom k uspeshnoj realizacii inversnoj kinematiki yavlyaetsya animaciya v predelah ogranichenij angl constraints konechnosti modeli personazha dolzhny vesti sebya v razumnyh antropomorficheskih predelah Tochno takaya zhe situaciya i s robototehnicheskimi ustrojstvami kotorye imeyut fizicheskie ogranicheniya takie kak sreda v kotoroj oni rabotayut ogranicheniya dvizheniya ih sustavov i ogranichennye fizicheskie nagruzki i skorosti s kotorymi oni v sostoyanii rabotat Ispolzovanie i primeryInversnaya kinematika yavlyaetsya instrumentom kotoryj chasto ispolzuyut hudozhniki tryohmernoj grafiki Dlya hudozhnika proshe vyrazit zhelaemoe prostranstvennoe dejstvie chem neposredstvenno manipulirovat uglami sochlenenij Naprimer inversnaya kinematika pozvolyaet hudozhniku dvigat rukoj modeli tryohmernogo gumanoidnogo personazha k zhelaemoj pozicii i orientacii Pri etom sam algoritm a ne hudozhnik vybiraet pravilnye ugly zapyastya loktya i plechevogo sustava Naprimer esli chelovek hochet shvatit dvernuyu ruchku rukoj to ego mozg dolzhen sdelat neobhodimye vychisleniya dlya pravilnogo pozicionirovaniya ruki i tulovisha cheloveka Osnovnaya cel sostoit v tom chtoby dvigat rukoj no nuzhno zadejstvovat mnogo slozhnyh sustavov s neskolkimi sochleneniyami chtoby dobratsya rukoj k zhelaemomu obektu Podobnym obrazom proishodit process v tehnologicheskih prilozheniyah chtoby dostich zhelaemoj celi dolzhny byt vypolneny matematicheskie vychisleniya inversnoj kinematiki dlya raspolozheniya konechnostej pravilnym obrazom Primerom kogda vychisleniya inversnoj kinematiki chasto neobhodimy yavlyaetsya robototehnika Naprimer operator robota hochet pomestit kakoj libo obekt s pomoshyu manipulyatora odnako estestvenno on ne hochet upravlyat kazhdym sochleneniem manipulyatora otdelno Drugimi prilozheniyami gde ispolzuetsya inversnaya kinematika yavlyayutsya prilozheniya kompyuternoj grafiki i animacii Naprimer animatory hotyat upravlyat modelyu gumanoidnogo personazha animaciya kotorogo generiruetsya kompyuterom odnako ochen trudno animirovat individualnye sochleneniya Reshenie sostoit v tom chtoby smodelirovat virtualnye sochleneniya marionetochnoj kukly i pozvolit animatoru dvigat rukami nogami i tulovishem kukly a kompyuter s ispolzovaniem inversnoj kinematiki avtomaticheski sgeneriruet neobhodimye pozicii konechnostej dlya dostizheniya rezultata Inversnaya kinematika chasto ispolzuetsya v kompyuternyh igrah dlya sozdaniya animacii gumanoidnyh personazhej V osnovnom inversnaya kinematika ispolzuetsya dlya sozdaniya animacii nog modelej chelovekopodobnogo sushestva ili cheloveka Naprimer dovolno prosto sozdat animaciyu peredvizheniya hodba beg cheloveka ili nazemnogo zhivotnogo esli on dvizhetsya po rovnoj ploskosti Odnako esli landshaft nerovnyj bugristyj uhabistyj peresechyonnaya ili gornaya mestnost to sozdanie tochnoj animacii hodby yavlyaetsya fakticheski nevozmozhnoj zadachej Animaciya nog ne budet sootvetstvovat relefu poverhnosti chto proyavitsya v takih effektah kak proskalzyvanie nog po poverhnosti i netochnom pozicionirovanii nog otnositelno eyo stupnya budet utopat v poverhnost ili ne dostavat do neyo Imenno dlya kachestvennogo i effektivnogo resheniya etih problem ispolzuetsya inversnaya kinematika K drugim prilozheniyam kotorye ispolzuyut inversnuyu kinematiku otnosyatsya interaktivnaya manipulyaciya upravlenie animaciej i izbezhanie stolknovenij PrimechaniyaYurij Ilin Skeletnaya animaciya pryamaya i inversnaya kinematika neopr 27 iyulya 2009 Data obrasheniya 7 dekabrya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Vneshnie ssylkiAngloyazychnye istochniki Hugo Elias Inverse Kinematics angl freespace virgin net Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Hugo Elias Inverse Kinematics Improved Methods angl freespace virgin net Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Robot Inverse Kinematics angl www learnaboutrobots com Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda How do the characters in video games move so fluidly angl Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Martin John Baker 3D Theory Kinematics Joints Inverse Kinematics angl www euclideanspace com Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Lydia E Kavraki Protein Inverse Kinematics and the Loop Closure Problem angl cnx org Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Diego Park Computer Graphics angl diegopark googlepages com Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Bill Baxter Fast Numerical Methods for Inverse Kinematics angl billbaxter com 21 fevralya 2000 Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Dress Up Game with Axe Guitar Girl angl http www virtualitoy com Flesh skript na sajte kotoryj pozvolyaet odet chelovecheskuyu model Dlya animacii odevaniya ispolzuetsya inversnaya kinematika Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano 13 avgusta 2011 goda Russkoyazychnye istochniki Hugo Elias perevod na russkij Pavel A Chuvanov Inversnaya kinematika neopr GameDev ru 8 iyunya 2002 Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Kompyuternaya animaciya Inversnaya kinematika neopr Zhivopis risunok grafika i animaciya Nachertatelnaya geometriya cherchenie Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Svetlana Shlyahtina 3D Studio MAX pervye shagi Urok 22 Inversnaya kinematika neopr zhurnal KompyuterPress Data obrasheniya 7 iyunya 2009 Inversionnaya kinematika neopr Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano iz originala 18 yanvarya 2011 goda GLAVA 6 SKELET I DEFORMACIYa KARKASA ChAST I Inversnaya kinematika neopr Uroki Flash Data obrasheniya 7 iyunya 2009 Glava 6 Animaciya ierarhii obektov Inversnaya kinematika IK neopr Teapot 3 dimension Data obrasheniya 7 iyunya 2009 Alekseev V Splajnovaya inversnaya kinematika neopr 3d Uroki 10 yanvarya 2008 Data obrasheniya 5 iyunya 2009 Arhivirovano iz originala 29 yanvarya 2008 goda Majkl Komet 3D Studio MAX nastrojka obratnoj kinematiki IK Setup neopr Urok po sozdaniyu inversnoj kinematike v 3ds Max Data obrasheniya 7 dekabrya 2009
