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Inversion de cinématique dans le Game Engine

L'inverse kinematics (IK dans le reste de ce chapitre) ou en français inversion de cinématique est le terme consacré qui désigne le procédé mathématique pour calculer la pose d'une armature qui doit réaliser un objectif imposé à son extrémité (on parle de contrainte).  Cette technique est généralement perçue comme un truc pratique pour faciliter l'animation : nul besoin de contrôler un à un tous les os d'une chaîne, il suffit de contraindre le dernier et l'algorithme se charge de disposer les autres.

Ce serait cependant une erreur de croire que l'IK dans le BGE se résume à une aide à l'animation. C'est aussi un moyen puissant pour faire interagir nos personnages avec l'environnement. L'IK peut être en effet exécuté indépendamment de toute action, il suffit pour cela d'utiliser l'actuator Armature:

Le mode Run Armature exécute simplement l'IK avec les contraintes et les objectifs actuels (par défaut ceux qui étaient actifs dans le 3D view avant de lancer le jeu).

Les autres mode de l'actuator permettent de manipuler les contraintes d'IK : Enable, Disable, Set Target, Set Weight. Ces termes font directement référence aux paramètres de l'IK dans Blender : il est possible de les modifier dans le BGE en temps réel. L'intérêt de l'IK en tant qu'outil d’interaction est qu'il est tout à fait possible de choisir comme target un objet extérieur au personnage. Par exemple, si nous considérons un personnage avec une contrainte d'IK sur son squelette de tête qui lui fait de tourner la tête vers un objectif et si nous lui donnons comme objectif la caméra du jeu, nous obtiendrons un personnage qui regarde en permanence la caméra même si celle-ci se déplace.

Pour améliorer encore l’interaction, il existe un sensor Armature qui détecte des changements dans une contrainte de l'IK.

• State Changed : la contrainte est devenue active ou inactive. La sortie du sensor est l'état de la contrainte.
• Lin (Rot) Error bellow (above) : détecte que la contrainte remplit ou ne remplit pas l'objectif en angle ou en position. Cela permet de déclencher un comportement lorsque l'objectif est atteint ou est hors d'atteinte de l'armature. Dans l'exemple précité du personnage qui regarde la caméra, nous pourrions déclencher un mouvement si la tête atteint les limites des articulations. Note : ce test ne marche qu'avec iTaSC (voir ci-après).

Toutes les actions réalisées par ces deux briques sont accessibles par Python. Il est également possible de contrôler une armature entièrement par Python en donnant directement les angles de chaque articulation.

iTaSC comme IK privilégié dans le BGE

Il existe deux algorithmes d'IK dans Blender : Standard et iTaSC. Les deux sont utilisables dans le BGE. Le premier est l'algorithme historique de Blender qui convient bien aux animations et aux armatures simples. iTaSC est un algorithme plus récent et plus élaboré qui possède des propriétés particulièrement intéressantes pour le BGE:

• Mémoire d'état
  Contrairement à Standard, iTaSC garde en mémoire l'état de l'armature d'une frame à l'autre. Cela garantit une bien meilleure continuité des mouvements pendant le jeu et une bien meilleure performance puisque quelques itérations de l'algorithme sont suffisantes pour suivre le déplacement de l'objectif depuis la pose précédente. 
  Note : nous devons choisir le mode Simulation pour obtenir ce comportement.
• Multi-contraintes
  Contrairement àStandard qui ne considère véritablement que la dernière contrainte d'une armature (la contrainte la plus éloignée du début de la chaîne), iTaSC est capable de satisfaire simultanément plusieurs contraintes sur la même armatures. Si ces contraintes ne peuvent pas être toutes réalisées en même temps, iTaSC réalise un compromis que nous pouvons régler avec les paramètres Weight.
  Note : une limitation dans iTaSC impose que toutes les chaînes d'os contraints qui ont des os en communs partagent le même os d'origine. Dans ce cas il n'est pas absurde que la totalité de l'armature soit contrainte.
• Contraintes exotiques
  Au contraire de Standard qui ne peut résoudre qu'une contrainte de position (et optionnellement d'orientation), iTaSC accepte une plus grande variété de contraintes :
  
  • contrainte de position et d'orientation partielle : seules certaines composantes de la position et de l'orientation sont contraintes avec le choix de la référence (armature ou objectif). Cela permet d'intéressants effets d'alignement sur un plan, sur un axe ou de parallélisme.
  • contrainte de distance : l'os est maintenu à une certaine distance de l'objectif.
  • contrainte d'articulation : un effet de ressort peut être appliqué sur les articulations pour les contraindre à rester au plus près de la pose de repos.
  D'autres types de contraintes pourraient être ajoutés dans le futur car iTaSC introduit un concept de contrainte généralisée.
• Armature complexe
  Contrairement à Standard, qui donne des résultats souvent médiocres (lent et incorrect) quand il est utilisé sur une armature entière, iTaSC produit généralement des poses correctes et permet un contrôle global d'une armature avec un minimum de points de contrôle.
• Dynamique réaliste
  Bien qu'iTaSC soit un algorithme cinématique (sans notion de force ou d'inertie), on peut obtenir un comportement pseudo dynamique en jouant avec le paramètre Max Velocity qui limite la vitesse de rotation des articulations : on obtient une armature « lente » qui peut prendre du retard sur l'objectif.
• Retour d'information
  Contrairement à Standard, iTaSC produit un retour d'information qui permet d'évaluer si une contrainte est réalisée ou non et dans quelle mesure. Cette information est utilisable comme entrée dans le sensor Armature prévu à cet effet.

Il sort du cadre de ce livre d'expliquer iTaSC en détail. Une documentation détaillée est disponible en anglais: http://wiki.blender.org/index.php/Dev:Source/GameEngine/RobotIKSolver

Ce .blend fait la démonstration du mode interactif d'iTaSC : l'objet central se déforme et tourne sur lui-même si nécessaire pour suivre l'objectif.  [lien vers : game_armature.blend].