yukamu 发表于 2023-3-7 17:22

Unity 使用Final IK实现拟真调整物体IK动画


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演示视频
IK部分

需求


NPC拿起物体,指定转向放到指定位置,要求动作尽可能自然,贴近真实。
何为IK


谈IK之前先讲一下正向运动学(forward kinematics),正向动力学通俗来说就是父骨骼带动子骨骼运动,Unity父子对象其实已经实现了正向动力学基本功能,当你移动父物体,子物体保持与父物体的相对变换跟着运动,想让摄像机或者炮塔保持看向物体或保持在炮台之上,最简单的方法就是设为子物体。

反向动力学(inverse kinematics),简写为IK,通俗来说就是子骨骼带动父骨骼运动。反向动力学的实现方法有很多种,常见的有 CCD(循环坐标下降法),FABR(前向和后向法)。实现方法不细谈,实现的结构大体是由一个solver管理数个需要IK的bone,其中最末端的bone称为effector,IK算法会根据effector的变换,在一定的迭代次数iterations中,逐步修正父骨骼的变换,达到子骨骼带动父骨骼运动的效果。此外还可以通过添加一些约束,例如旋转方向约束,旋转角度约束,实现一些具体场景里的IK需求,例如机械臂IK和链条IK。

对实现细节感兴趣,可以查看下列参考资料
参考资料


正向动力学
IK(反向动力学)简单原理与实现
CCD IK(循环坐标下降逆动态学)
逆运动学(六): FABRIK
Final IK概述


Final IK是一个拓展IK功能较为强大的插件。在我看来主要分为5个部分。

[*]基本IK
CCD IKFABRIKFABRIK RootRotation LimitsTrigonometric IK

[*]部分身体IK
Aim IKArm IKGrounderLeg IKLimb IKLook At IK

[*]全身IK
Biped IKFull Body Biped IKVRIK

[*]交互系统
Interaction System

[*]拓展功能
BakerExtending Final IK


列出的只是文档目录里有的,工程里还有很多其他脚本,例如finger rig实现了基本手指IK。

这个项目用到的主要是Full Body Biped IK,Interaction System,Look At IK,finger rig,CCD IK,Rotation Limits,Limb IK。
Full Body Biped IK是一个全身IK组件,可以操控全身多个effectors,协调控制身体动作。Look At IK控制头部以及脊柱朝向,实现注视效果。CCD IK和Rotation Limits结合起来可以灵活配置想要的任何关节效果,例如手指IK,不过配置略微繁琐finger rig是插件内提供的一个实现的手指IK效果的组件,虽然配置简单但是不好用(估计这就是为啥不放文档里),其底层是Limb IK实现,而Limb IK是由Trigonometric IK拓展而来,如果想要使用此组件,建议也得明白其他这两个组件。
[*]Interaction System是插件提供一个方便实现IK交互效果的系统,可分为四个部分
Interaction System 交互的主体,放在人身上Interaction Object 可交互物体,放在物体身上。通过权重曲线控制各effector权重,事件和动画实现复杂效果Interaction Target 交互目标,实现交互的细节,例如手指该怎么摆,手腕怎么放Interaction Trigger 交互触发器,限制触发交互的条件,如距离,角度,摄像机朝向

手部IK效果


此部分意为实现较为自然的手部拾取效果。

技术点主要分为三点,手指IK实现,手指自适应放置,与手腕自适应。

[*]手指IK实现
手指IK实现有两个方法,一是用CCDIK与Rotation Limit构建,二是直接用finger rig。ccd ik具体使用方法参考官方文档和demo,finger rig注意事项上文也提过。
[*]手指自适应放置
实现思路大致就是,先记录手指完全张开时的五个位置为手指起点,然后规定一个共同的抓取中心,从手指起点向抓取中心,发送射线,打到物体上的点就是手指effector的位置。参考代码如下
void fingersAdapt()    {      for (int i = 0; i < fingers.Length; i++)      {            //抓取方向是掌心浮空固定一点            Vector3 direction = grabCenter.position - fingerOrigins.position;            //起始点沿着反方向延伸一点效果更好            Vector3 realOrigin = fingerOrigins.position - direction * ExtendK;            Debug.DrawRay(realOrigin, grabCenter.position - realOrigin, Color.red);            Ray ray = new Ray(realOrigin, direction);            RaycastHit hit;            if (Physics.Raycast(ray, out hit, 10, 1 << LayerMask.NameToLayer("PickingCube")))            {                //grabCenter.position = grabableObj.transform.position;                touchPoints.position = hit.point;                if (fingers.target == null)                  fingers.target = touchPoints;            }            else            {                if (fingers.target != null)                  fingers.target = null;            }      }    }
[*]手腕自适应
这部分内容建议熟悉interaction target的使用再看。
实际上final ik的interaction target提供手腕适应的功能,但在全角度测试下,无法满足需求。所以选择了模仿着自己实现手腕自适应朝向。
实现方法也比较简单,给手部节点一个pivot节点作为轴心,轴心位置处于手腕处,直接控制轴心与物体的相对变换,就是控制手腕。手腕适应分为两个方面,一是手腕朝向,二是手腕相对物体的深度。空间之中,两点确定一个方向,所以只需要两个vector3和一个float就可以较为灵活的控制手腕了。例如,想要在初次拾取物体时,手腕有个较为合适的角度,我就设手的同侧肩膀为起点,物体为终点。
参考代码如下
    void InitGrabDepth()    {      grabDepth = Vector3.Magnitude(grabableObj.position - transform.position) - grabableObj.GetComponent<MeshRenderer>().bounds.size.z;    }      void SetHandAim()    {      //设置方向为同侧肩部朝着物体方向      Vector3 direction = grabAim.position - origin;      HandPivot.forward = direction;      SetHandGrabDepth(direction);    }    void SetHandGrabDepth(Vector3 direction)    {      //物体相对肩部方向射出射线,从第一个接触点向此方向延伸一定距离的位置      Ray ray = new Ray(origin, direction);      Debug.DrawRay(origin, ray.direction, Color.red);      RaycastHit hit;      if (Physics.Raycast(ray, out hit, 10, 1 << LayerMask.NameToLayer("PickingCube")))      {            Vector3 point = hit.point;            //调试用            //grabDepth = Vector3.Magnitude(grabCenter.position - this.transform.position) + grabOffset;            //Debug.LogError("调使用代码记得注释掉");            handPivot.position = point - Vector3.Normalize(ray.direction) * (grabDepth + grabOffset * 0.01f);      }    }IK交互


这里先提一下Final IK提供的基本的交互过程。

interaction trigger组件绑定了交互物体和交互身体部分,interaction system组件选择一个trigger触发,此时interaction system组件中的effector就会根据interaction object的权重曲线运动,整个过程可以被暂停,根据时间添加事件,添加动画等。而interaction system中未提供的effector,例如手部IK,由interaction target和hand poser实现,这两个组件会将物体下同名同结构的手部节点的运动,同步到实际的手上,要想实现精确的双手交互,每个物体都有一双手(我感觉这设计初始应该没考虑可变手势的情况,如果是固定手势,配置起来比较方便,如果做可变手势,就显得很冗余,但由于水平和时间原因,无法对插件进行更深层的理解,改造这部分结构,所以还是沿用每个物体一双手,控制物体上的手的做法)
拿取与双手调整效果


整个交互过程就是在权重曲线规定的时间内,开始,暂停或继续交互进程,控制IK点以此控制身体肢体,控制身体的IK参数协调整体表现。很繁琐,很细节,每个物体都得配置,并且每个物体还是有两双手(下面称为同步手),所以编码时,尽量要将手动配置的地方压到最低,代码结构优化好,否则很容易导致效率低并且bug率高。

这部分我处理并不好,所以给不出实际的建议了。因为我刚开始做这块的时候,对整个交互流程很模糊,完全没有概念,现在稍微做了点东西,大概明白了整个流程,所以就把我交互部分已实现的功能的流程的几个点大概讲讲,给交互过程一个大体认识,如果从来没做的话人看的话,应该会稍微点底。

interaction object的position weight权重曲线控制是interaction trigger绑定的身体effector的position权重,当权重为1时,effector的位置就会和交互物体的位置严格一致,拉一个曲线控制手部effector权重变化,具体表现就是手逐渐的靠近到交互物体的位置,在拉一个曲线控制poser weight权重,手部的动作也会同步物体下那双手上,这样一个用手去拾取的效果就实现了。还有很多其他参数参考官方文档。

[*]拿取并握住往回收
控制肘部bend goal weight使拾取动作更加自然
[*]控制position,rotation,poser 的权重,使手去接近物体

[*]这个期间动态改变同步手的姿态适配物体形状,身体方向(前面提到的方法)
手部朝向:同侧肩部朝着物体方向手部相对物体位置(手部轴心):物体相对肩部方向射出射线,从第一个接触点向此方向延伸一定距离的位置


[*]接触到物体
暂停交互进程控制物体的位置与方向朝身体内部收(此时控制物体就是控制整条手臂)


[*]双手

[*]另一只手触发交互来拿物体(所有身体部分触发后的事件相同的,所以要做好判断,坑爹的是final ik提供的接口并不好用,似乎设计时没太考虑到多触发的需求)
控制手部轴心使两只手各在物体两边

[*]拿起物体开始转动

[*]物体自由旋转,哪只手控制,哪只手开启手部自适应
整个旋转过程为了保证手部自然,理想的情况是将需要旋转的角度,拆分成数个左右手能接受的角度,让左右手依次将物体旋转到最终角度


[*]放下物体还原
物体移动到目标位置
[*]继续交互进程
权重曲线控制position,rotation,poser 的权重,使手去离开物体




参考代码
/// <summary>    /// 放置物品    /// 拿起物品后,触发此方法,将物品位置与目标位置做线性插值,到位后松手    /// </summary>    /// <returns></returns>    public void PlaceDoTween()    {      print("PlaceDoTween");      float firstRotateAngle = 0;//第一次将物体拿到身前的角度      bool isLeftHand = interactionSystem.IsInInteraction(FullBodyBipedEffector.LeftHand);      bool isRightHand = interactionSystem.IsInInteraction(FullBodyBipedEffector.RightHand);      switch (firstHand)      {            case FullBodyBipedEffector.Body://第一次触发                if (isLeftHand)                {                  firstHand = FullBodyBipedEffector.LeftHand;                  firstRotateAngle = 90;                }                else if (isRightHand)                {                  firstHand = FullBodyBipedEffector.RightHand;                  firstRotateAngle = -90;                }                break;            //第二次触发            case FullBodyBipedEffector.LeftHand:            case FullBodyBipedEffector.RightHand:                print("第二只手来了");//不进入adjust阶段                return;            default:                Debug.LogError("触发居然有其他情况");                break;      }      //进入AdjustObj流程      Sequence adjustAndPlace = DOTween.Sequence();      adjustAndPlace            //一只手拿起物体放在身体前方,手在物体两边拿着            .Append(transform.DOMove(adjustObjPoint.position, 1f).SetEase(Ease.InOutSine))            .Join(transform.DORotateQuaternion(Quaternion.AngleAxis(firstRotateAngle, Vector3.up) * transform.rotation, 1)).SetEase(Ease.InOutSine)            //另一只手也来拿物体            .InsertCallback(0.5f, () =>            {                switch (firstHand)                {                  case FullBodyBipedEffector.LeftHand:                        interactionSystem.StartInteraction(FullBodyBipedEffector.RightHand, interactionObject, false);                        break;                  case FullBodyBipedEffector.RightHand:                        interactionSystem.StartInteraction(FullBodyBipedEffector.LeftHand, interactionObject, false);                        break;                  default:                        Debug.LogError("另一只手触发居然有其他情况");                        break;                }            })            .InsertCallback(0.6f, () =>            {                //重新设置两只手锚点                //设置两只手自适应                foreach (var target in targets)                {                  HandAdapterIK2 hand = target.GetComponent<HandAdapterIK2>();                  switch (target.effectorType)                  {                        case FullBodyBipedEffector.LeftHand://左手新起点在物体正左方,手离的稍微开一点                            hand.RotateOnce = false;                            //hand.SetOrigin(transform.position + Vector3.left);                            DOTween.To(() => hand.NewOrigin, x => hand.NewOrigin = x, transform.position + Vector3.left, 0.5f).From(hand.HandPivot.position).SetEase(Ease.InOutQuad).OnComplete(() =>                            {                              hand.RotateOnce = true;                            });                            //hand.GrabOffset = 2;                            DOTween.To(() => hand.GrabOffset, x => hand.GrabOffset = x, 2, 0.5f);                            break;                        case FullBodyBipedEffector.RightHand:                            hand.RotateOnce = false;                            //hand.SetOrigin(transform.position + Vector3.right);                            DOTween.To(() => hand.NewOrigin, x => hand.NewOrigin = x, transform.position + Vector3.right, 0.5f).From(hand.HandPivot.position).SetEase(Ease.InOutQuad);                            //hand.GrabOffset = 3.5f;                            DOTween.To(() => hand.GrabOffset, x => hand.GrabOffset = x, 3.5f, 0.5f);                            break;                        default:                            Debug.LogError("触发居然有其他情况");                            break;                  }                }            })            .AppendCallback(() =>            {                //transform.SetParent(null);                print(gameObject.name + " placed adjust point");            })            //物体自由旋转            .Append(transform.DORotateQuaternion(Quaternion.Euler(0, 0, 0), 2))            //由右手放下物体            .AppendCallback(() =>            {                //放下左手                interactionSystem.ResumeInteraction(FullBodyBipedEffector.LeftHand);                //关闭自适应                //还原两只手腕方向                //还原两只手自适应                foreach (var target in targets)                {                  switch (target.effectorType)                  {                        case FullBodyBipedEffector.LeftHand://左手新起点在物体正左方                            target.GetComponent<HandAdapterIK2>().RotateOnce = true;                            target.GetComponent<HandAdapterIK2>().SetOrigin(Vector3.zero);                            break;                        case FullBodyBipedEffector.RightHand:                            target.GetComponent<HandAdapterIK2>().SetOrigin(Vector3.zero);                            target.GetComponent<HandAdapterIK2>().RotateOnce = true;                            break;                        default:                            Debug.LogError("触发居然有其他情况");                            break;                  }                }            })            .Append(transform.DOMove(new Vector3(0.1f, 1.2f, 0.028f), 1.5f))            .AppendCallback(() =>            {                ////设置trigger失效                //InteractionTrigger trigger = transform.GetComponentInChildren<InteractionTrigger>();                //trigger.gameObject.SetActive(false);                ////设置物体层级                //gameObject.layer = 0;                ////背景吸附到正确地方                //StartCoroutine(SetPosAndRot(transform));                //自动放下物体                interactionSystem.ResumeAll();                //手部归零                firstHand = FullBodyBipedEffector.Body;            })            ;            }
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