Maya绑定基础-IK原理详述

本文转自公众号：十二只熊

IK即反向运动学(inverse kinematics)，通过可位移的手柄控制器，反向描述关节链中的骨骼旋转。使用IK，可以直接专注于关节链的最终形态，而不必纠结于每个关节的旋转状态。

一、IK结构

IK控制器（手柄），可以仅通过控制器两端之间的距离、方向，控制某一段关节链（Joint Chains）中所有骨骼的旋转值，该控制器分为三部分：

起始关节（Start Joint）

末关节（End Joint）

控制柄（IK Handle）

菜单Skeleton - Create IK Handle，切换到IK控制器创建模式，分别点击需要操控的关节链的首尾两端的骨骼关节，即可为当前关节链创建IK控制器。

解算器（ikXXsolver）节点

IK系统的实际运行中，是由IK解算器根据末端效应器（ikEffector）的位置、方向，从而最终解算并应用IK控制的关节链中各个关节的旋转。

根据不同的关节链形式，Maya支持以下几种IK解算器类型：

单链IK：Single Chain IK solver (ikSCsolver)

旋转平面IK：Rotate Plane IK solver (ikRPsolver)

样条IK：Spline IK solver (ikSplineSolver)

人体IK：Human IK solver (hikSolver)

效应器（ikEffector）节点

骨骼层级关系中，效应器一般与IK关节链中的末端关节同级，所以称为末端效应器，该效应器的位置属性被末端骨骼的Translate属性所控制，间接的受IK控制器移动手柄的影响。

效应器的位置就是IK链末端的最终位置，为解算器提供解算信息。

控制柄（ikHandle）

控制柄即视图中所显示的 十字手柄以及连接到骨骼上的柄干部分：

选中控制柄，右键调出热盒菜单，Disable ikHandle和Enable ikHandle可以禁用和开启控制柄的影响。

决定关节链中的骨骼的整体旋转方向的向量等属性即可在ikHandle节点的属性面板中修改。

注意：官方文档建议，使用IK控制器时，目标关节链中的各个关节最好提前调节好基础的弯曲程度，这样控制器能够更轻便地识别弯曲方向。

创建方式

一般IK控制器的创建方式，都是执行Create IK 相关命令，使鼠标光标进入IK创建模式，然后点击目标起始、末端关节，指定当前的IK关节链。Maya会自动创建并连接相关的必要节点（如上所述的节点类型）。

二、解算器类型

文档建议：对只有2-4个关节的关节链，使用单链IK或旋转平面IK；对于较长的关节链（如蛇类的骨骼），则最好使用样条IK。

默认情况下，如果创建多个相同类型的IK控制柄，则它们就会共享同一个解算器节点，如果想要单独针对某个控制柄修改解算器，则可以使用Mel命令另外创建新的解算器节点。

createNode ikSCsolver; 

对于单链和旋转平面，都可以通过菜单命令——Create IK Handle的创建选项面板中的设置，选择当前所创建的完整IK控制系统是基于单链解算器还是旋转平面解算器，从而决定最终创建哪个解算器节点：

已创建的ikHandle节点的属性面板中，仍可以修改解算器，从而相应创建另一类解算器，用于切换连接当前选择的解算器节点：

单链IK（Single Chains）

创建途径：菜单-Skeleton-Create IK Handle-口 创建选项-Current Solver选项面板：选择创建基于单链IK的控制系统。

关联了单链IK解算器的IK十字手柄，其位移和旋转可以分别影响关节链的整体弯曲程度和弯曲方向。

也就是说，除了手柄的位移可以操控关节链的弯曲，手柄的旋转也可以操控关节链的弯曲方向。

旋转平面IK（Rotate Plane）

创建途径——

菜单-Skeleton-Create IK Handle-口 创建选项-Current Solver选项面板：选择创建基于旋转IK的控制系统。

关联了旋转IK解算器的IK十字手柄，仅可以通过其位移影响关节链的整体弯曲程度，但其旋转不会影响关节链的弯曲方向。

Pole Vector

在基于该解算器的IK系统中，关节链的弯曲方向是通过ikHandle节点属性面板中的极向量（Pole Vector）参数控制的：

最终得到的“极坐标向量”，是以IK关节链的起始关节的位置为极坐标中心，以面向 末端关节方向的面片为极坐标平面（也就是旋转平面Rotate Plane），通过Pole Vector参数定义的三维向量 在 旋转平面（Rotate Plane）上的投影，得到的结果向量：

该向量在旋转平面上的方向，即决定着IK关节链中的所有关节的弯曲方向。

极向量的三维方向也决定着ikHandle的移动范围——一旦ikHandle的方向与极向量所指方向之间的角度达到180°，或大于180°时，则会发生重置方向的旋转：

Twist——

用于在极坐标向量决定的方向基础上，重新定向。

关节链平面（Joint Chain Plane）

关节链平面，是一个有方向的抽象面片，以IK起始端到末端位置做为面片的长度和方向的参考，以极向量在旋转平面上的方向做为面片宽度上的朝向。操纵极向量时，实际上就是在操控关节链平面，直接决定关节链的弯曲方向。

操作相关——

选中IK手柄，快捷键T切换至操纵器模式，可以单击IK末端的旋转盘，拖动调整极坐标方向：

样条IK（Spline）

Spline IK控制器通过Nurbs曲线控制关节链的整体弯曲。

注意——

1 - 样条IK无法直接操控IK控制手柄的位置，只能通过操控曲线的顶点，控制关节链的形态。

2 - 创建样条IK控制之前，最好使骨骼关节的坐标轴向和场景的世界坐标对齐。

创建曲线

自动创建：

执行Skeleton - Create IK Spline Handle命令的工具设置面板：

Auto Create Curve：默认勾选，自动根据骨骼走势创建Nurbs曲线。

Number of spans：用于指定自动创建的曲线的细分点数量。

手动创建：

首先，手动绘制NURBS曲线（最好避免出现急弯）。然后执行Skeleton - Create IK Spline Handle命令的工具设置面板：

Auto Create Curve：取消勾选。

先后选中起始关节、末端关节，最后再选中手动绘制的曲线即可。

操控曲线

创建由曲线控制的样条IK系统后，即可以通过操控曲线的细分顶点，控制IK关节链的整体形态。

为方便操作，需要为曲线的顶点添加Cluster变形器，一般情况下为几何对象添加Cluster时，需要选中三维对象的组件（Components），然后执行Deform菜单下的Cluster命令添加1个Cluster控制器；对于曲线，则可以直接选中曲线，执行Select菜单下的Cluster Curve，该命令会为当前选中曲线的每一个点批量创建对应的Cluster。

骨骼翻滚（旋转）

选中IK控制柄，快捷键T，会在关节链的首尾两端出现控制旋转的两个旋转圆环，可以单击选中，并直接拖动旋转，这两个圆环分别对应ikHandle节点的Roll和Twist参数。

Root控制点

其中起始关节处的旋转圆环中心位置，有一个控制点，该控制点对应ikHandle节点的Offset参数，可以使关节链在曲线上整体偏移：

https://help.autodesk.com/view/MAYAUL/2022/ENU/?guid=GUID-390788DB-527D-4EE5-A8DC-B99BE2D4861F

全文完

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