Unity 使用Final IK实现拟真调整物体IK动画

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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。

1. 基本IK
   • CCD IK
   • FABRIK
   • FABRIK Root
   • Rotation Limits
   • Trigonometric IK
2. 部分身体IK
   • Aim IK
   • Arm IK
   • Grounder
   • Leg IK
   • Limb IK
   • Look At IK
3. 全身IK
   • Biped IK
   • Full Body Biped IK
   • VRIK
4. 交互系统
   • Interaction System
5. 拓展功能
   • Baker
   • Extending Final IK

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。

• Full Body Biped IK是一个全身IK组件，可以操控全身多个effectors，协调控制身体动作。
• Look At IK控制头部以及脊柱朝向，实现注视效果。
• CCD IK和Rotation Limits结合起来可以灵活配置想要的任何关节效果，例如手指IK，不过配置略微繁琐
• finger rig是插件内提供的一个实现的手指IK效果的组件，虽然配置简单但是不好用（估计这就是为啥不放文档里），其底层是Limb IK实现，而Limb IK是由Trigonometric IK拓展而来，如果想要使用此组件，建议也得明白其他这两个组件。
• 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
  • Interaction System 交互的主体，放在人身上
  • Interaction Object 可交互物体，放在物体身上。通过权重曲线控制各effector权重，事件和动画实现复杂效果
  • Interaction Target 交互目标，实现交互的细节，例如手指该怎么摆，手腕怎么放
  • Interaction Trigger 交互触发器，限制触发交互的条件，如距离，角度，摄像机朝向

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。

1. 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。
2. 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[i].position;

            //起始点沿着反方向延伸一点效果更好
            Vector3 realOrigin = fingerOrigins[i].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[i].position = hit.point;

                if (fingers[i].target == null)
                    fingers[i].target = touchPoints[i];
            }
            else
            {
                if (fingers[i].target != null)
                    fingers[i].target = null;
            }
        }
    }

3. 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。

1. 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）
2. 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;

            })
            ;
        
    }