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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