Cinematica inversă ( inverse kinematic animation , engleză inverse kinematics , IK) este procesul de determinare a parametrilor obiectelor în mișcare conectate (de exemplu, o pereche cinematică sau un lanț cinematic ) pentru a obține poziția, orientarea și locația necesare acestor obiecte. Cinematica inversă este un tip planificareCinematica inversă este utilizată activ în robotică , animație tridimensională pe computer și în dezvoltarea jocurilor pe calculator . Este utilizat în principal în acele situații în care este necesară poziționarea cu precizie a articulațiilor mobile ale unui obiect față de alte obiecte din mediu. Algoritmul de cinematică inversă este opusul algoritmului de cinematică directă .
Cinematica inversă, cum ar fi direct , se aplică modelelor oricăror personaje sau obiecte care sunt create folosind animația scheletică . Esența animației scheletice este aceea că un obiect constă dintr-un set de segmente solide (componente) conectate prin îmbinări ( în engleză joint ). În acest caz, segmentele pot fi combinate în perechi cinematice , care la rândul lor sunt combinate în lanțuri cinematice . Aceste segmente formează lanțuri ierarhice care au niveluri „superioare” și „inferioare”. Segmentele (componentele) nivelurilor superioare sunt numite componente strămoși (sau segmente părinte), iar componentele de nivel inferior sunt numite componente (sau segmente copil). De exemplu, dacă luăm în considerare o mână umană, atunci articulația umărului va fi cel mai înalt nivel, iar vârful degetului va fi cel mai jos, adică componenta descendentă a articulației umărului. Articulația cotului se află în interiorul lanțului, va avea atât segmente părinte (umăr) cât și copil (încheietură, degete). [unu]
Principala diferență dintre cinematica directă și cinematica inversă este că, cu cinematica directă, orice acțiune este transmisă de-a lungul unui lanț ierarhic de sus în jos. De exemplu, atunci când articulația șoldului se mișcă, toți descendenții se mișcă, adică articulația genunchiului și restul. Cinematica inversă folosește un principiu care este diametral opus principiului direct - mutarea componentelor copilului duce la o schimbare a poziției componentelor strămoșilor, adică algoritmul calculează poziția și orientarea componentelor strămoșilor pe baza poziției și orientării componentele copil. [unu]
În cinematica inversă, un segment copil (componentă copil) care provoacă o modificare a poziției și orientării altor obiecte și este situat în mijlocul unui lanț ierarhic separat de segmente se numește efector [ 1 ] . Dacă efectorul este obiectul final al acestui lanț ierarhic, atunci se numește efector final ( ing. efector final ). Prin intermediul efectorului este manipulat întregul lanț ierarhic. Modificarea poziției și/sau orientării efectorului final duce la modificarea poziției și/sau orientării tuturor segmentelor lanțului ierarhic conform legilor cinematicii inverse. Schimbarea poziției și/sau orientării unui efector simplu (nu final) duce la faptul că poziția obiectelor de sub acesta în ierarhie se modifică conform legilor cinematicii directe, iar obiectele cu o ierarhie superioară - conform legilor din cinematică inversă.
Cheia implementării cu succes a cinematicii inverse este animația în cadrul constrângerilor (constrângeri în limba engleză ): membrele modelului de caractere trebuie să se comporte în limite antropomorfe rezonabile. Același lucru este valabil și pentru dispozitivele robotizate, care au limitări fizice, cum ar fi mediul în care funcționează, limitări ale mișcării articulațiilor lor și sarcini fizice și viteze limitate cu care sunt capabili să lucreze. [unu]
Cinematica inversă este un instrument folosit adesea de artiștii 3D . Este mai ușor pentru artist să exprime acțiunea spațială dorită decât să manipuleze direct unghiurile de articulare. De exemplu, cinematica inversă permite artistului să miște brațul unui model de personaj umanoid 3D într-o poziție și orientare dorite. În același timp, algoritmul în sine, și nu artistul, alege unghiurile corecte ale încheieturii mâinii, cotului și umărului.
De exemplu, dacă o persoană dorește să apuce clanța ușii cu mâna, atunci creierul său trebuie să facă calculele necesare pentru a poziționa corect brațul și trunchiul persoanei. Scopul principal este de a muta mâna, dar multe articulații complexe cu mai multe articulații trebuie folosite pentru a duce mâna la obiectul dorit. Un proces similar are loc în aplicațiile tehnologice – pentru a atinge scopul dorit trebuie efectuate calculele matematice ale cinematicii inverse pentru a poziționa membrele în mod corect. Un exemplu în care sunt adesea necesare calcule de cinematică inversă este în robotică. De exemplu, un operator de robot dorește să plaseze un obiect folosind un manipulator , dar, desigur, nu dorește să controleze fiecare articulație a manipulatorului separat.
Alte aplicații în care se utilizează cinematica inversă sunt cele de grafică pe computer și animație . De exemplu, animatorii doresc să controleze un model de personaj umanoid generat de computer, dar este foarte dificil să animați articulațiile individuale. Soluția este de a simula articulațiile virtuale ale unei „marionete” și de a lăsa animatorul să miște brațele, picioarele și trunchiul păpușii, iar computerul folosind cinematica inversă va genera automat pozițiile necesare ale membrelor pentru a obține rezultatul.
Cinematica inversă este adesea folosită în jocurile pe calculator pentru a anima personaje umanoide. Practic, cinematica inversă este folosită pentru a crea animații ale picioarelor modelelor unei creaturi umanoide sau ale unei persoane. De exemplu, este destul de ușor să creezi o animație de mișcare (mers, alergare) a unei persoane sau a unui animal terestru, dacă se mișcă pe un plan plat. Cu toate acestea, dacă terenul este neuniform (denivelat, accidentat, accidentat sau muntos), atunci crearea de animații precise de mers este o sarcină practic imposibilă. Animația picioarelor nu va corespunde reliefului suprafeței, care se va manifesta prin efecte precum alunecarea picioarelor pe suprafață și poziționarea inexactă a picioarelor față de aceasta (piciorul se va „cufunda” în suprafață sau „nu” ajunge” la el). Pentru rezolvarea calitativă și eficientă a acestor probleme se folosește cinematica inversă. [unu]
Alte aplicații care utilizează cinematica inversă includ manipularea interactivă, controlul animației și evitarea coliziunilor .