Unity 使用Final IK实现拟真调整物体IK动画

yukamu · 发表于 2023-3-7 17:22

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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
部分身体IK
全身IK
交互系统
拓展功能

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。

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

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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