Die inverse Kinematik (IK) ist ein Animationsverfahren, das die Richtung der Kettenmanipulation umkehrt. Sie geht nicht von der Baumwurzel, sondern von den Blättern aus.
Animieren eines Beins mit IK
Stellen Sie sich beispielsweise einen Arm vor. Zum Animieren eines Arms mit vorwärtsgerichteter Kinematik drehen Sie den Oberarm von der Schulter weg, drehen dann den Unterarm, die Hand vom Handgelenk weg usw. und fügen dadurch Rotations-Keys für jedes untergeordnete Objekt hinzu.
Zum Animieren des Arms mit inverser Kinematik bewegen Sie ein Ziel, das das Handgelenk positioniert. Ober- und Unterarm werden durch das IK-Ergebnis gedreht, das den Drehpunkt des Handgelenks (den sogenannten Endeffektor) zum Ziel hin verschiebt.
Bei einem Bein wird beispielsweise der Fuß durch das Ziel auf den Boden beschränkt. Wenn Sie das Becken bewegen, bleibt der Fuß auf dem Boden, da sich das Ziel nicht bewegt hat. Dadurch wird das Knie gebeugt. Die gesamte Animation ist in den Keyframes für Ziel und Stamm enthalten. Es werden keine Keys auf die einzelnen Kettenobjekte angewendet.
Mit inverser Kinematik können Sie komplizierte Bewegungen im Handumdrehen festlegen und animieren. Folgende Schritte sind erforderlich:
- Erstellen eines Modells. Dabei kann es sich um eine Gelenkstruktur, um viele Einzelteile oder um eine einzige, durchgehende Oberfläche handeln.
- Verknüpfen Sie das Gelenkmodell und definieren Sie die Drehpunkte, wie unter Hierarchien beschrieben.
Für ein durchgehendes Oberflächenmodell erstellen Sie eine Bone-Struktur, um die Haut der Figur zu animieren.
- Anwenden von IK-Berechnungen auf die Gelenkhierarchie. Sie werden vermutlich nicht nur eine IK-Kette in der Hierarchie erstellen, sondern mehrere. Sie können auch mehrere unabhängige Hierarchien erstellen. In diesem Fall müssen Sie nicht alle Objekte in einer großen Hierarchie miteinander verknüpfen. Für die einfache IK-Animation können Sie interaktive IK verwenden, ohne IK-Berechnungen anwenden zu müssen.
- Definieren des Gelenkverhaltens an den Drehpunkten, Festlegen von Beschränkungen oder bevorzugten Winkeln abhängig vom Typ der verwendeten IK-Berechnung. Hier können Sie Gleitgelenke oder Drehgelenke einrichten.
Sie müssen möglicherweise auch den Stamm der Hierarchie verschieben und können jetzt Steuerobjekte wie Dummies oder Punkte hinzufügen.
- Animieren des Ziels (bei einer HI Solver or
IK-Gliedberechnung) oder des Endeffektors (bei einer VA-Berechnung). Dadurch werden alle Komponenten der IK-Kette animiert.
Auf Ziele, Steuerobjekte oder den Kettenstamm können Beschränkungen angewendet werden.
Sie können in Ihrer Szene extern IK-Ketten referenzieren. Das Verhalten von XRef-IK-Ketten ist bis auf folgende Ausnahme mit dem Verhalten von Nicht-XRef-Ketten identisch: Der XRef-Controller kann nicht mehr übertragen werden, sobald er sich in der Szene der obersten Ebene befindet. Weitere Informationen finden Sie unter XRef-Objekte.
Steuern von Objekten zur Unterstützung von IK
Das Ziel oder der Endeffektor kann mit Punkten, Splines oder Dummy-Objekten verknüpft werden, mit deren Hilfe das Kettenende schnell übertragen und gedreht werden kann. Diese Steuerobjekte können auch untereinander verknüpft werden, oder sie können mit Beschränkungen gesteuert werden. Sie können auch mit der Parametervernetzung Beziehungen zwischen diesen Steuerobjekten erstellen.
Sie können Steuerobjekte mit Manipulator-Helfern oder mit benutzerdefinierten Attributen vernetzen und so für Ihr animierbares Modell eine Benutzeroberfläche schaffen, auf die leicht zugegriffen werden kann.
Weitere Steuerelemente zum Manipulieren der Elemente können in der Kettenmitte hinzugefügt werden.
Unterschiede zwischen vorwärtsgerichteter und inverser Kinematik
Bei der vorwärtsgerichteten Kinematik müssen Sie zuerst die übergeordneten Objekte und anschließend die untergeordneten Objekte in absteigender Reihenfolge durch die Hierarchie hindurch positionieren und drehen.
Zu den grundlegenden Prinzipien der vorwärtsgerichteten Kinematik gehören:
- Hierarchische Verknüpfung vom übergeordneten zum untergeordneten Objekt.
- Drehpunkte definieren Verbindungsglieder zwischen den Objekten.
- Untergeordnete Objekte erben die Transformationen der übergeordneten Objekte.
Diese Prinzipien sind recht flexibel. Solange alle Objekte miteinander verknüpft sind und sich an den Verbindungsstellen Drehpunkte befinden, können Sie die Struktur problemlos animieren.
Bei der inversen Kinematik (IK) müssen Sie zuerst ein Zielobjekt positionieren. Position und Ausrichtung des Kettenendes werden dann von 3ds Max berechnet. Die endgültige Position der Hierarchie, nachdem alle Berechnungen durchgeführt wurden, wird als IK-Berechnung bezeichnet. Es gibt eine ganze Reihe von IK-Berechnungen, die auf eine Hierarchie angewendet werden können.
Bei der inversen Kinematik werden zuerst die Objekte verknüpft und die Drehpunkte platziert. Dann werden folgende Prinzipien angewandt:
- Gelenke können hinsichtlich der Positionierung und Rotation eingeschränkt werden.
- Die Positionierung und Ausrichtung von übergeordneten Objekten wird von der Position und Ausrichtung der untergeordneten Objekte bestimmt.
Aufgrund dieser Einschränkungen sollten Sie sich die Verknüpfung der Objekte und die Positionierung der Drehpunkte vor der Anwendung der inversen Kinematik genau überlegen. Bei Verwendung der vorwärtsgerichteten Kinematik können Sie die Objekte auf viele Arten und Weisen verknüpfen. Für die Verwendung der inversen Kinematik gibt es jedoch nur wenige gute Möglichkeiten zur Verknüpfung.
Die inverse Kinematik ist in vielen Fällen einfacher zu verwenden als die vorwärtsgerichtete Kinematik, und Sie können damit schnell komplexe Bewegungsabläufe erstellen. Wenn Sie diese Bewegungen später bearbeiten müssen, kann die inverse Kinematik die Änderung der Animation vereinfachen. Mit inverser Kinematik kann außerdem Gewicht in einer Animation am besten simuliert werden.