Az inverz kinematika ( inverse kinematic animation , angolul inverse kinematics , IK ) az egymással összekapcsolt mozgó objektumok (például kinematikai pár vagy kinematikai lánc ) paramétereinek meghatározásának folyamata, hogy elérjük ezen objektumok kívánt helyzetét, tájolását és elhelyezkedését. Az inverz kinematika egyik fajtája Az inverz kinematikát aktívan használják a robotikában , a háromdimenziós számítógépes animációban és a számítógépes játékok fejlesztésében . Főleg olyan helyzetekben használják, amikor egy tárgy mozgatható ízületeit pontosan kell elhelyezni a környezetben lévő többi tárgyhoz képest. Az inverz kinematikai algoritmus a forward kinematikai algoritmus ellentéte .
Az inverz kinematika, akárcsak a direkt , minden olyan karakter vagy objektum modelljére alkalmazható, amelyet vázanimációval hoztak létre . A csontváz animáció lényege, hogy egy objektum szilárd szegmensek (összetevők) halmazából áll, amelyeket ízületek kötnek össze ( angolul joint ). Ebben az esetben a szegmensek kinematikai párokká kombinálhatók , amelyek viszont kinematikai láncokká kombinálhatók . Ezek a szegmensek hierarchikus láncokat alkotnak, amelyeknek van "felső" és "alsó" szintje. A felső szintek szegmenseit (összetevőit) őskomponenseknek (vagy szülőszegmenseknek), az alsóbb szintű összetevőket pedig gyermekkomponenseknek (vagy gyermekszegmenseknek) nevezzük. Például, ha egy emberi kezet tekintünk, akkor a vállízület lesz a legmagasabb szint, az ujjbegy pedig a legalacsonyabb, vagyis a vállízület leszármazottja. A könyökízület a láncon belül van, lesz szülő (váll) és gyermek (csukló, ujjak) szegmens. [egy]
A fő különbség a direkt kinematika és az inverz kinematika között az, hogy a közvetlen kinematika esetén minden cselekvés egy hierarchikus lánc mentén halad át fentről lefelé. Például, amikor a csípőízület mozog, az összes leszármazott mozog, azaz a térdízület és az összes többi. Az inverz kinematika a közvetlen elvvel homlokegyenest ellentétes elvet alkalmaz - a gyermekkomponensek mozgatása az őskomponensek helyzetének megváltozásához vezet, vagyis az algoritmus az őskomponensek helyzetét és orientációját számítja ki az őskomponensek helyzete és orientációja alapján. a gyermek összetevőket. [egy]
Az inverz kinematikában effektornak nevezzük azt a gyermekszegmenst (gyermekkomponenst), amely más objektumok helyzetében és tájolásában változást okoz, és amely egy külön hierarchikus szegmenslánc közepén helyezkedik el [ 1 ] . Ha az effektor ennek a hierarchikus láncnak a végső tárgya, akkor ezt végső effektornak ( eng. end effector ) nevezzük. Az effektoron keresztül manipulálják a teljes hierarchikus láncot. A vég-effektor helyzetének és/vagy orientációjának megváltoztatása a hierarchikus lánc összes szegmensének helyzetének és/vagy orientációjának megváltozásához vezet az inverz kinematika törvényei szerint. Egy egyszerű (nem végleges) effektor pozíciójának és/vagy orientációjának megváltoztatása oda vezet, hogy az alatta lévő objektumok helyzete a hierarchiában a közvetlen kinematika törvényei szerint változik, a magasabb hierarchiájú objektumok pedig - a hierarchia törvényei szerint. inverz kinematika.
Az inverz kinematika sikeres megvalósításának kulcsa a megszorításokon belüli animáció ( angol constraints ): a karaktermodell végtagjainak ésszerű antropomorf határokon belül kell viselkedniük. Ugyanez igaz azokra a roboteszközökre is, amelyeknek fizikai korlátai vannak, mint például a működési környezet, az ízületeik mozgásának korlátai, valamint korlátozott fizikai terhelés és sebesség, amellyel képesek dolgozni. [egy]
Az inverz kinematika a 3D művészek által gyakran használt eszköz . A művésznek könnyebb kifejezni a kívánt térbeli cselekvést, mint közvetlenül manipulálni az artikulációs szögeket. Például az inverz kinematika lehetővé teszi a művész számára, hogy egy 3D-s humanoid karaktermodell karját a kívánt pozícióba és tájolásba mozgassa. Ugyanakkor maga az algoritmus, és nem a művész választja ki a csukló-, könyök- és vállízület megfelelő szögét.
Például, ha valaki meg akar ragadni egy kilincset a kezével, akkor az agyának el kell végeznie a szükséges számításokat a személy karjának és törzsének megfelelő elhelyezéséhez. A fő cél a kéz mozgatása, de sok összetett, több ízületből álló ízületet kell használni ahhoz, hogy a kéz a kívánt tárgyhoz jusson. Hasonló folyamat megy végbe a technológiai alkalmazásokban is - a kívánt cél elérése érdekében az inverz kinematika matematikai számításait kell elvégezni a végtagok helyes pozicionálásához. Egy példa, ahol gyakran van szükség inverz kinematikai számításokra, a robotika. Például egy robotkezelő szeretne elhelyezni valamilyen tárgyat egy manipulátor segítségével , de természetesen nem akarja a manipulátor minden ízületét külön vezérelni.
Más alkalmazások, ahol inverz kinematikát használnak, a számítógépes grafika és az animáció . Az animátorok például egy számítógéppel generált humanoid karaktermodellt akarnak irányítani, de nagyon nehéz az egyes ízületeket animálni. A megoldás az, hogy egy "bábbáb" virtuális ízületeit szimulálják, és hagyják, hogy az animátor mozgassa a báb karjait, lábait és törzsét, a számítógép pedig inverz kinematikával automatikusan generálja a szükséges végtagpozíciókat az eredmény eléréséhez.
Az inverz kinematikát gyakran használják számítógépes játékokban humanoid karakterek animálására. Alapvetően az inverz kinematikát egy humanoid lény vagy egy személy modelljének lábainak animációjának létrehozására használják. Például meglehetősen könnyű animációt készíteni egy személy vagy egy szárazföldi állat mozgásáról (séta, futás), ha sík síkon mozog. Ha azonban a terep egyenetlen (görcsös, göröngyös, egyenetlen vagy hegyes), akkor a pontos gyalogos animációk elkészítése gyakorlatilag lehetetlen feladat. A lábak animációja nem felel meg a felületi domborműnek, ami olyan hatásokban nyilvánul meg, mint a lábak elcsúszása a felületen és a lábak pontatlan pozicionálása ahhoz képest (a láb „süllyed” a felületbe vagy „nem” eléri” azt). Ezen problémák minőségi és hatékony megoldására használják az inverz kinematikát. [egy]
Az inverz kinematikát használó egyéb alkalmazások közé tartozik az interaktív manipuláció, az animációvezérlés és az ütközések elkerülése .