Unity3d FootIK（1）

maltadirk

前言：

踩了一万个坑，总算是有了一个在Unity中实现FootIK的基本方案了，做得这么费劲其实是我太菜了呜呜呜。
顺手推一下基本的CCD，TwoBoneIK的算法详解[1]，真是宝藏。
本文基于Unity的Mecanim动画系统内部IK，实现一个轻量级FootIK。
一、 预备设置

想要使用Unity内部的IK系统，需要进行以下设置。
1. 设置Humanoid Avatar

在某个fbx的Inspector面板，设置其【AnimationType】为【Humanoid】，【Avatar Definition】为【Create From This Model】
如果有复数个模型，骨骼一样，只需要一个Avatar即可，其他模型的设置就是“Copy From Other Avatar”，这里只是从0开始设置而已。
设置如图，模型来自Mixamo[2]


如果某些模型出现Avatar匹配错误，请点击Config进行调整



自行绑定关键节点

2. 创建AnimatorController资源，设置IKPass

在具体的AnimatorController视图中，在想要进行IK的层级设置中，勾选【IK Pass】，这样，在这个层中的动画渲染时，会启用IK进行解算。


3. 创建IK设置脚本，声明【OnAnimatorIK方法】

创建一个Mono脚本，在类中声明OnAnimatorIK方法，Like This
public class EmptyIK : MonoBehaviour
{
    private void OnAnimatorIK(int layerIndex)
    {
        Debug.Log("IKing....");
    }
}
将其挂载在角色上，面板类似这样：


点击运行，如果设置无误，你应该会看见打印信息：



成功打印的话，说明基本设置完毕

二、 创建FootIK脚本

1. 创建脚本，声明变量

[RequireComponent(typeof(Animator))]
public class IKSetting : MonoBehaviour
{
    public bool enableFeetIk = true; //是否开启ik
    [Range(0, 2)] [SerializeField] private float heightFromGroundRaycast = 1.2f; //从地面向上的cast距离
    [Range(0, 2)] [SerializeField] private float raycastDownDistance = 1.5f; //向下cast 距离
    [SerializeField] private LayerMask environmentLayer; //检测layer
    [SerializeField] private float pelvisOffset = 0f; //盆骨offset
    [Range(0, 1)] [SerializeField] private float pelvisUpAndDownSpeed = 0.28f; //盆骨赋值速度
    [Range(0, 1)] [SerializeField] private float feetToIkPositionSpeed = 0.5f; //足IK赋值速度
    public string leftFootAnimCurveName = "LeftFoot"; //权重曲线
    public string rightFootAnimCurveName = "RightFoot"; //权重曲线
    [Range(0, 100)] public float leftFootAngleOffset; //旋转偏移
    [Range(0, 100)] public float rightFootAngleOffset; //旋转偏移
    public bool useIkFeature = false; //是否使用IK旋转

    public bool showSolverDebug = true;// Debug绘制

    private Animator m_animator; //动画机

    private Vector3 _rightFootPosition, _leftFootPosition; //足部骨骼posiition
    private Vector3 _rightFootIkPosition, _leftFootIkPosition; //足部IK position
    private Quaternion _leftFootIkRotation, _rightFootIkRotation; //足部IK rotation
    private float _lastPelvisPositionY, _lastRightFootPositionY, _lastLeftFootPositionY; //上帧信息，用于lerp动画

    private void Start()
    {
        m_animator = GetComponent<Animator>();
    }
}
百八十个变量，看不懂没关系，这些都是为了后面的算法逻辑而声明的，接下来会一步步解释这些变量的用途。
2. 在FixedUpdate中获取骨骼信息，解算IK位置。

    private void FixedUpdate()
    {
        if (!enableFeetIk) return;
        if (!m_animator) return;

        AdjustFeetTarget(ref _rightFootPosition, HumanBodyBones.RightFoot); //设置 右足骨骼射线的pos
        AdjustFeetTarget(ref _leftFootPosition, HumanBodyBones.LeftFoot); // 设置 左足骨骼射线的pos

        //IK 射线解算
        FootPositionSolver(_rightFootPosition, ref _rightFootIkPosition, ref _rightFootIkRotation, rightFootAngleOffset);
        FootPositionSolver(_leftFootPosition, ref _leftFootIkPosition, ref _leftFootIkRotation, leftFootAngleOffset);
    }
3. AdjustFeetTarget 方法

【AdjustFeetTarget】获取了左脚/右脚的【Transform】的pos，这个Transform就是之前在Avatar设置界面中绑定的骨骼。
然后对这个pos加上一个上方向的distance，以这个点为射线检测的起点（防止卡模型）。
    void AdjustFeetTarget(ref Vector3 feetPosition, HumanBodyBones foot)
    {
        feetPosition = m_animator.GetBoneTransform(foot).position; //获取人形足部的transform position
        feetPosition.y = transform.position.y + heightFromGroundRaycast; //y的值会加上【向上检测的距离】，主要是防止卡模型。
    }
4. FootPositionSolver 方法

这里使用Raycast进行简单的射线检测。
当存在hit时，记录其hitPoint的y值，计算Vector3.up与hitPoint法线的夹角。
    void FootPositionSolver(Vector3 fromSkyPosition, ref Vector3 feetIkPosition, ref Quaternion feetIkRotation, float angleOffset)
    {
        if (showSolverDebug)
            Debug.DrawLine(fromSkyPosition, fromSkyPosition + Vector3.down * (raycastDownDistance + heightFromGroundRaycast), Color.green);

        if (Physics.Raycast(fromSkyPosition, Vector3.down, out var feetOutHit, raycastDownDistance + heightFromGroundRaycast, environmentLayer))
        {
            feetIkPosition = fromSkyPosition; //保存x,z值。
            feetIkPosition.y = feetOutHit.point.y + pelvisOffset; //hit pos 的 Y 赋值

            feetIkRotation = Quaternion.FromToRotation(Vector3.up, feetOutHit.normal) * transform.rotation; //计算法向偏移
            feetIkRotation = Quaternion.AngleAxis(angleOffset, Vector3.up) * feetIkRotation; //计算额外的偏移

            return;
        }
        feetIkPosition = Vector3.zero; //没有hit，归零
    }
5. OnAnimatorIK

在此方法中，先进行骨盆偏移，然后设置权重（根据动画曲线），然后执行IK Goal 坐标赋值。
    private void OnAnimatorIK(int layerIndex)
    {
        if (!enableFeetIk) return;
        if (!m_animator) return;

        MovePelvisHeight(); //骨盆偏移

        m_animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.RightFoot, m_animator.GetFloat(rightFootAnimCurveName)); //设置pos 权重
        if (useIkFeature)
        {
            m_animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.RightFoot, m_animator.GetFloat(rightFootAnimCurveName)); //设置 rot 权重
        }
        MoveFeetToIkPoint(AvatarIKGoal.RightFoot, _rightFootIkPosition, _rightFootIkRotation, ref _lastRightFootPositionY); //设置ik goal坐标

        m_animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.LeftFoot, m_animator.GetFloat(leftFootAnimCurveName));
        if (useIkFeature)
        {
            m_animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.LeftFoot, m_animator.GetFloat(leftFootAnimCurveName));
        }
        MoveFeetToIkPoint(AvatarIKGoal.LeftFoot, _leftFootIkPosition, _leftFootIkRotation, ref _lastLeftFootPositionY);
    }
6. MovePelvisHeight

这个方法很重要，他是保证IK能达到的前提。如果不进行偏移，则可能会出现这种情况。[3]


    void MovePelvisHeight() //调整pelvis，保证IK 能达到（比如左右脚高度差那种）
    {
        if (_rightFootIkPosition == Vector3.zero || _leftFootIkPosition == Vector3.zero || _lastPelvisPositionY == 0f)
        {
            _lastPelvisPositionY = m_animator.bodyPosition.y;
            return;
        }

        float lOffsetPosition = _leftFootIkPosition.y - transform.position.y; //左脚ik pos与当前transform的高度差
        float rOffsetPosition = _rightFootIkPosition.y - transform.position.y; //右脚ik pos 与当前transform的高度差
        
        //选择较小值（在以vector3.up为正轴的情况下）
        //如果是正值，则向上偏移距离较小的。
        //如果是负值，则向下偏移距离较大的。
        float totalOffset = (lOffsetPosition < rOffsetPosition) ? lOffsetPosition : rOffsetPosition;

        Vector3 newPelvisPosition = m_animator.bodyPosition + Vector3.up * totalOffset; //新的骨盆位置计算： 原位置+ up方向 * offset。

        newPelvisPosition.y = Mathf.Lerp(_lastPelvisPositionY, newPelvisPosition.y, pelvisUpAndDownSpeed); //插值动画

        m_animator.bodyPosition = newPelvisPosition; //赋值

        _lastPelvisPositionY = m_animator.bodyPosition.y; //记录信息
    }
7. MoveFeetToIkPoint

在此方法中，获取在FixedUpdate中计算出的位置、旋转信息，进行二次处理后赋值给IK Goal。
    void MoveFeetToIkPoint(AvatarIKGoal foot, Vector3 positionIkHolder, Quaternion rotationIkHolder, ref float lastFootPositionY)
    {
        Vector3 targetIkPosition = m_animator.GetIKPosition(foot); //获取animator IK Goal 的 原本 pos

        if (positionIkHolder != Vector3.zero) //如果新的IK pos 不为 0
        {
            targetIkPosition = transform.InverseTransformPoint(targetIkPosition); //把原本的ik goal 的pos转到本地坐标系
            positionIkHolder = transform.InverseTransformPoint(positionIkHolder); //把现在的ik goal 的pos转到本地坐标系

            float yVar = Mathf.Lerp(lastFootPositionY, positionIkHolder.y, feetToIkPositionSpeed); //进行插值
            targetIkPosition.y += yVar;
            lastFootPositionY = yVar;

            targetIkPosition = transform.TransformPoint(targetIkPosition); //把新的ik goal pos转到世界坐标系

            m_animator.SetIKRotation(foot, rotationIkHolder); //旋转赋予
        }
        m_animator.SetIKPosition(foot, targetIkPosition); //位置赋予
    }
三、动画曲线设置

还记得在代码中的这几句话吗？
    public string leftFootAnimCurveName = "LeftFoot"; //权重曲线
    public string rightFootAnimCurveName = "RightFoot"; //权重曲线
...
    m_animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.RightFoot, m_animator.GetFloat(rightFootAnimCurveName)); //设置pos 权重
    m_animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.LeftFoot, m_animator.GetFloat(leftFootAnimCurveName));
比如一段跑步的动画，在整个动画周期，是存在脚抬起来的时候。


这个时候，IK Goal的权重应该为0，不然的话这个抬起的脚也会被牢牢钉在地面上。
那么不同时候的权重该如何设置？这就是【动画曲线】的设置。
在fbx的Inspector设置中，选择【Animation】，点开【Curves】，点击【+】添加动画曲线。


一个曲线大概长这样：


Y轴的最大值为1，最小值为0.
X轴则是这一段动画片段的【normalizedTime】，0代表第一帧，1代表最后一帧。
我们可以在下面的预览窗口，拖动白色滑块，逐帧播放、查看当前时间的运动情况（哪只脚在空中，哪只脚在地面），然后在对应的曲线X值处，设置合适的Y值（也就是Weight值）。
在创建好动画曲线之后，且正确命名后（在这里是“LeftFoot”与“RightFoot”），在【Animator】面板【Parameters】中，添加两个Float参数“LeftFoot”与“RightFoot”。



很明显，参数名必须和动画曲线名一致

运行游戏试试，当Animator播放含有动画曲线的clip时，我们应该能看见参数值发生变化：



0.261与0.3652的值，来自于动画曲线的读取

至此，动画曲线设置完毕。
四、实践

在整理好上述代码后，把脚本挂载到角色GameObject上，大致会是这样：


选择【EnvironmentLayer】的目标层级，这里选择【Default】。
然后勾选【Use IK Feature】，激活后会对IK的旋转进行赋值。
然后运行起来，找个阶梯试试（当然，阶梯的GameObject的Layer是“Default”）



在这里的“Idle”动画Clip中，我设置了“LeftFoot”“RightFoot”曲线恒为1

好耶！基本的IK设置就完成啦！看起来还行！
五、原理与算法

1. 时序

知其然不知其所以然怎么行呢，所以这节我们讲原理与算法。
本文代码实际参考[4]，其代码来自视频参考[5]。
整体代码来看，它在【FixedUpdate】进行骨骼位置的坐标读取，然后进行IK Solver解算。
算法就是简单地在空中向下打射线，检查HitPoint的法线信息与位置，从而计算IK Goal的旋转与位置。
很简单，容易理解。
然后就是在【OnAnimatorIK】中，把权重、数据写入到IK Goal中，从而影响骨骼位置。
这两个方法的执行顺序如图：


2. Lerp、Speed与yVar

在变量声明中，有这些参数：
    [Range(0, 1)] [SerializeField] private float pelvisUpAndDownSpeed = 0.28f;
    [Range(0, 1)] [SerializeField] private float feetToIkPositionSpeed = 0.5f;
    private float _lastPelvisPositionY, _lastRightFootPositionY, _lastLeftFootPositionY;
在使用时，他们是这种写法：
----In MovePelvisHeight----
Vector3 newPelvisPosition = m_animator.bodyPosition + Vector3.up * totalOffset;
newPelvisPosition.y = Mathf.Lerp(_lastPelvisPositionY, newPelvisPosition.y, pelvisUpAndDownSpeed);
m_animator.bodyPosition = newPelvisPosition;
_lastPelvisPositionY = m_animator.bodyPosition.y;
...
---In MoveFeetToIkPoint----
float yVar = Mathf.Lerp(lastFootPositionY, positionIkHolder.y, feetToIkPositionSpeed);
targetIkPosition.y += yVar;
lastFootPositionY = yVar;
骨盆偏移还比较好理解，使用speed控制插值速度，每一帧只赋值Lerp过后的值，把Pelvis的Y值慢慢地向目标坐标靠拢。
但是在【MoveFeetToIkPoint】中，最开始我是完全没看懂的，为什么插值后使用【+=】进行增量赋予啊？！难道不是【=】赋值吗？
这种写法，使用增量赋值怎么想都不会收敛吧！！他怎么就Work了？
尝试把【+=】改为【=】，把Speed设为1试试？我们会得到：



脚踝的IK Goal贴在地面上，脚步穿模

WTF？为什么一个【+=】增量写法能控制与地面的Offset，而且还是正常运行的？！
3. 揭开Unity IK 的本质

我们再认真的详细看看【MoveFeetToIkPoint】方法到底做了什么。
    void MoveFeetToIkPoint(AvatarIKGoal foot, Vector3 positionIkHolder, Quaternion rotationIkHolder, ref float lastFootPositionY)
    {
        Vector3 targetIkPosition = m_animator.GetIKPosition(foot); //获取animator IK Goal 的 原本 pos
        //入参： positionIkHolder 就是计算出的Hitpoint位置
        //入参： rotationIkHolder 就是计算出的Hitpoint法线信息得到的旋转量
        if (positionIkHolder != Vector3.zero)
        {
            targetIkPosition = transform.InverseTransformPoint(targetIkPosition); //把原本的IK Goal 的pos转到本地坐标系
            positionIkHolder = transform.InverseTransformPoint(positionIkHolder); //把期望的IK Goal 的pos转到本地坐标系

            float yVar = Mathf.Lerp(lastFootPositionY, positionIkHolder.y, feetToIkPositionSpeed); //进行插值
            targetIkPosition.y += yVar;
            lastFootPositionY = yVar;

            targetIkPosition = transform.TransformPoint(targetIkPosition); //把新的IK goal pos转到世界坐标系

            m_animator.SetIKRotation(foot, rotationIkHolder); //旋转赋予
        }
        m_animator.SetIKPosition(foot, targetIkPosition); //位置赋予
    }
这个方法中，涉及到了transform的局部、世界坐标变换，与m_animator的Getter、Setter，他们究竟是怎么起作用的？
在我逐步对这些计算的中间变量进行打印Debug后，我不得不郑重地宣布：
IK Goal会重置！会重置！会重置！
【yVar】才是实际上的地面y值！
【targetIkPosition.y】才是那个脚踝与地面的Offset偏移量！
这个方法实际上，是先获取了Unity IK系统中，在处理了AnimationClip之后，内部的IK Goal的值。而值得注意的是，内部脚部的IK Goal，他的Y值，在这个实体Transform局部坐标下，就是与脚底板（地面）的差值！



脚部骨骼Transform位置



模型Transform位置

也就是说，如图所示，正常状态下【targetIkPosition = transform.InverseTransformPoint(targetIkPosition)】经过本地坐标变换后，Y值就是离地的Y值！
而这句话【float yVar = Mathf.Lerp(lastFootPositionY, positionIkHolder.y, feetToIkPositionSpeed)】
positionIkHolder.y就是进行射线检测后的HitPoint的y值，Lerp之后，yVar 才是那个真正的地面Y值。
所以：地面Y值（yVar）+地面偏移值（targetIkPosition.y）得到的结果，自然是脚部应该在的Y值，防止穿模。
哦，原来如此，那么为什么【+=】能收敛呢？
那是因为：最开始这个【m_animator.GetIKPosition(foot)】根本不是上一帧【m_animator.SetIKPosition(foot, targetIkPosition)】Set后的值！
读者可自行在这两个变量处Debug，看看他们值是否一样。
而打开Profiler，查看Timeline，我们会发现：



AnimationUpdate有泾渭分明的两段计算

在进行Animation计算时，流程首先是：
【ProcessingAnimation】->【Retargeter】->【IKAndTwistBone】->【Write】
然后才是咱们的【OnAniamtorIK】->【IKAndTwistBone】->【Write】...
为什么两帧的【IKPosition】不一样，看图说话，我猜是在Unity Animatior 前一个【IKAndTwistBone】环节，根据实际的AnimationClip计算出了原本的IK Position。
然后才是我们的【OnAniamtorIK】进行IK Position赋值后， 再计算一次【IKAndTwistBone】与【Write】。
这样，最后渲染在屏幕上时，看起来我们的IK生效了，坐标也是对的。
而实际上在下一帧后，就如上所述，IK Position会重置！重置！重置！
重置成什么值？重置成原本的地面偏移值！
所以【targetIkPosition.y += yVar】当然收敛啦！targetIkPosition一直都是原本AniamtionClip计算出的的IK Position！完全没有累加上去！
那么问题来了，我们该如何保存上一帧的Y值，来实现Lerp动画呢？
【lastFootPositionY】这不就来了吗？为什么我们要声明这个变量，全都是因为IK Position会重置的锅啊。
同理，之前那个骨盆偏移【_lastPelvisPositionY】是怎么运行的，故技重施啊。
为什么我想要强调这个信息？因为在扩展包【AnimationRigging】中，它的IK Apply又是另外一种流程！现在这种代码算法是完全不匹配的！
同时，【OnAniamtorIK】是在处理Animation之后再调用，完全可以看做一种“后处理”。那么【Final IK】的是怎么实现的？我猜也是一种在【LateUpdate】中的“后处理”。
同时，这个插件不用动画曲线怎么修改权重的？我猜是根据两帧间的骨骼速度，速度越大，权重越小。
小结

把Unity内置的IK给破解了之后，面对这些功能插件的原理终于有了眉目，泪目。
希望接下来有机会的话把【Final IK】和【AnimationRigging】给干翻。
项目源码：
参考

• ^IK算法一览https://zhuanlan.zhihu.com/p/499405167
  
• ^Mixamo动作网站https://www.mixamo.com/#/
  
• ^骨盆偏移图源http://rainyeve.com/wordpress/?p=676#top
  
• ^代码参考https://github.com/zer0w0/blogResource/tree/main/footIK
  
• ^视频参考https://www.youtube.com/watch?v=MonxKdgxi2w