Bonet ja riggaus

Armaturet ja bonet

• Armature on oma objektityyppinsä, joka toimii säiliönä Bone-tyyppisille objekteille
• Kuvastavat objektin tai hahmon nivelrakennetta - armature on koko luuranko, bone yksittäinen luu
• Ovat apuriobjekteja mallien muokkausta ja animaatiota varten, eivät näy renderoinnissa

Armaturen luominen ja muokkaus

• Add -> Armature -> Single Bone
• Armature voidaan avata Edit Modessa kuten muutkin 3D-objektit
• Uusia boneja voidaan luoda mm. valitsemalla vanha bone ja käyttämällä Extrudea (E)
• Huom. boneista voi valita kaksi päätä: Head (paksu pää) ja Tail (ohut pää), tailista jatketut bonet eivät kiinnity edelliseen boneen vaan jäävät “leijumaan” vapaina

Pose Mode

• Armature-objekteissa on Edit Moden lisäksi käytössä oma erillinen Pose Modensa
• Mahdollistaa armaturen kääntelyn erilaisiin asentoihin
• Liikuteltavassa bonessa kiinni olevat bonet liikkuvat mukana (ns. “forward kinematics”)
• Armaturen alkuperäinen asento tallentuu aina Edit Modeen - Pose Modessa ei voi tehdä peruuttamattomia muutoksia

Luodaan suorakulmainen torni

• Luodaan aluksi kuutiosta kolmeen osaan jaettu torni (esim. valitsemalla ylin face ja extrude kahdesti)
• Mennään Properties-shelfin Object-välilehdelle, laitetaan Display-kohdasta Draw All Edges päälle
• Objektin poikki menevät jakavat edget näkyvät näin aina

Luodaan tornille armature

• Luodaan uusi Armature-objekti, joka alkaa tornin pohjasta
• Muokataan Edit Modessa, extrudetaan kaksi uutta bonea siten että nivelkohdat sijoittuvat tornin keskeltä menevien edgejen kohdalle

“Rigataan” torni armatureen

• Valitaan Object Modessa ensin torni, sitten Shift pohjassa armature
• Ctrl + P (Set Parent To) -> Armature Deform / With Automatic Weights
• Huom. objektin modifier stackiin ilmestyy uusi Armature-tyyppinen modifier
• Objekti on nyt kiinnitetty Armatureen, tätä kutsutaan “riggaamiseksi”

Kokeillaan Pose Modea

• Avataan Armature Pose Modessa, valitaan boneja ja käännellään niitä Rotatella (R)
• Bonen alkuperäisen asennon voi palauttaa Alt + R:llä
• Torni kääntyilee nyt bonejen mukana, mutta rutistuu kasaan nivelkohdista!

Poistetaan armature hetkeksi tornista

• Valitaan torni Object Modessa, Alt + P (Clear Parent) -> Clear Parent
• Huom. Clear and Keep Transformation poistaisi objektin ja armaturen kiinnityksen, mutta tekisi Pose Modessa tehdyt muutokset lopullisiksi!

Tarkennetaan tornin niveliä

• Torni rutistuu nivelistä kasaan, koska nivelkohdissa ei ole tarpeeksi geometriaa
• Lisätään ylimääräisiä edgejä nivelkohtien ympärille esim. näin:
• Valitaan kummatkin edge loopit(Alt + Right click)
• Kolminkertaistetaan ne Bevelillä (Ctrl + B, liikutetaan hiirtä, hiiren rulla yksi pykälä ylös, Enter)

Kokeillaan uudestaan

• Kiinnitetään torni uudelleen Armatureen (Ctrl + P, With Automatic Weights)
• Väännellään Armaturea Pose Modessa
• Torni säilyttää nyt paremmin paksuutensa vääntyessään, koska ylimääräiset edget auttavat pitämään sen rakennetta kasassa

Weight Paint -moodi

• Jätetään Armature Pose Modeen, klikataan tornia
• Editorin moodi vaihtuu automaattisesti Object Modeksi, koska Pose Mode toimii vain Armature-objekteissa
• Vaihdetaan moodiksi Weight Paint

Weight Paint

• Mahdollistaa bonejen vaikutusalueiden muokkaamisen manuaalisesti
• Esim. kuvassa esillä tornin pohjalla olevan bonen vaikutukset (= “weight”)
• Punainen = 1.0, bonen asento vaikuttaa voimakkaammin näihin vertekseihin
• Sininen = 0.0, bonen asento ei vaikuta näihin vertekseihin
• Vihreä jne = useamman bonen summa, esim. nivelkohtiin tulee tässä keskiarvo nivelen kummallakin puolella olevista boneista

Weight Paintin käyttö

• Vastaa käyttöliittymältään Sculpt Modea, Texture Paintia ym. piirtomoodeja
• Weight: Valitun luun vaikutusvoima maalattavaan verteksiin
• 1.0 = Verteksin sijainti määräytyy kokonaan valitun luun perusteella
• 0.0 = Valittu luu ei vaikuta lainkaan verteksiin
• Auto Normalize: Joskus kätevä laittaa päälle, koska...

Weightien summan pitäisi olla aina 1.0!

• 3D-grafiikan yleinen käytäntö on, että jokaisen verteksin weight-arvoista eri boneille täytyy tulla summaksi 1.0
• Weight Paint sallii tämän kiertämisen, Blender osaa “normalisoida” weightit automaattisesti eli pakottaa niiden yhteenlasketun summan 1.0:ksi
• Auto Normalize: Varmistaa jo maalauksen aikana, että weightien summa on aina 1.0
• Esim. asettaa verteksin weightin 0:ksi kaikista muista boneista, jos se maalataan 1.0:ksi yhdelle - säästää aikaa

Weight Paint ja Pose Mode

• Kun objektin pohjalla olevan Armaturen jättää Pose Modeen, Weight Paintista voidaan suoraan vaihtaa aktiivisena olevaa bonea Right clickillä ja käännellä sitä R:llä
• Voidaan tarkastella lennosta, miten nykyiset weightit toimivat käytännössä
• Erityisesti hahmoja mallintaessa on hyvä käännellä hahmoa mahdollisimman erikoisiin asentoihin ja katsoa, ilmestyykö malliin virheitä (esim. kasaan rutistuvia kohtia, jalan verteksit liikkuvat kun käden boneja liikutetaan...)

Harjoitus: robottikoura

• Avataan kurssisivuilta robottikoura.blend
• Sisältää riggaamattoman robottikouran ja sitä varten tehdyn Armaturen
• Rigataan koura hieman eri menetelmällä kuin äsken, katsotaan millaisia asetuksia boneille voidaan laittaa

“With automatic weights” kourassa

• Set Parent -> Armature Deform / With automatic weights laskee riggauksen weightit automaattisesti, mutta tuottaa tässä pieniä kauneusvirheitä
• Esim. yhden nivelen liikkuessa siihen kiinnittynytkin pala taipuu kumimaisesti mukana
• Rigataan koko koura siis käsin

Objektin ja armaturen rakenne

• Robottikoura koostuu neljästä osasta, jotka ovat ns. “leijuvaa” geometriaa - ovat siis kokonaan toisistaan erillisiä
• Armaturessa on neljä bonea jotka vastaavat kouran osia, kts. nimet kuvassa
• Haluamme välttää automaattisen riggauksen äsken tuottamaa elastisuutta, joten kouran jokainen osa on kiinnitettävä pelkästään sitä vastaavaan boneen
• Ts. jokainen osan verteksi kiinnittyy weightillä 1.0 haluttuun boneen, jolloin muiden bonejen vaikutus osaan on tasan 0

Rigataan koura käsin

• Asetetaan Armature kouran parentiksi, mutta nyt valitaankin kohta “With Empty Groups”
• Avataan koura Edit Modessa, mennään Properties-paneelin Data-välilehdelle (kolmioikoni)
• Armaturen boneja vastaavat ryhmät on nyt lisätty “Vertex Groups”-kohdan alle

Lisätään osat vertex grouppeihin

• Vedetään hiiren kursori halutun osan yläpuolelle, painetaan L (Select Linked)
• Valitaan Vertex Groups -listasta osaa vastaava bone
• Varmistetaan että Weight-arvo on 1.0
• Painetaan “Assign”
• Tyhjennetään valinta (A)
• Toistetaan, kunnes kaikki osat on käsin lisätty oikeisiin vertex grouppeihin

Riggaus suoritettu

• Kääntele Armaturea Pose Modessa, kouran pitäisi nyt liikkua mukana
• Jos jokin osa ei liiku, avaa koura uudestaan edit modessa ja toista edellisen dian Assign-operaatio sille
• Jos jokin osa liikkuu väärän bonen mukana, Vertex Groups -valikossa on Remove-nappi

Bone constraintit

• Mallissa on ulkonäön perusteella tarkat nivelkohdat, mutta boneja voi vetää mihin asentoon haluaa - jopa siten, että kourassa olevat nivelet näyttävät menevän pahasti sijoiltaan
• Bonejen käyttäytymistä voi muokata ja rajoittaa bone constraint -asetuksilla

Constraintien lisääminen

• Avataan Armature Pose Modessa, mennään Properties-paneelin Bone Constraints -välilehdelle (Luu ja kettinki -ikoni)
• Lisätään kaikille boneille “Limit Rotation” -constraint
• Pohja-bonen asetukset:
• Limit X, Limit Z
• Convert: Local Space
• Kaikkien muiden bonejen asetukset:
• Limit Y, Limit Z
• Convert: Local Space

Limit Rotation toiminnassa

• Nyt kaikkien bonejen rotaatio on rajoitettu tietylle akselille, emmekä saa vahingossakaan vedettyä Armaturea sellaiseen asentoon, jossa nivelet näyttäisivät menevän sijoiltaan

Inverse Kinematics

• Kouran poseeraus mihinkään kovin tarkkaan asentoon on melko vaikeaa - pitää ensin vetää pohja oikeaan kulmaan, sitten nivel 1, sitten nivel 2, jne…
• Ns. “forward kinematics” - bonen asento määräytyy aina sitä ketjussa edeltävän bonen asennon perusteella
• Otetaan käyttöön käänteinen ratkaisu eli “inverse kinematics” - määrätään ketjun päätepisteen sijainti, sitä edeltävät bonet lasketaan automaattisesti

Inverse Kinematics -constraint

• Lisätään sceneen Empty-tyyppinen objekti
• Lisätään Koura-bonelle uusi “IK”-tyyppinen bone constraint
• Target: Juuri luotu Empty
• Liikutellaan Empty-objektia Object Modessa

Inverse Kinematics toimii, mutta...

• Koura hakeutuu nyt suorinta reittiä sellaiseen asentoon, jossa kouran kärki koskettaa Empty-objektia
• Kouran nivelet menevät kuitenkin taas sijoiltaan, äsken asettamamme Limit Rotation -constraintit eivät tee yhteistyötä IK-constraintin kanssa

IK ja rotation-arvojen rajoitus

• Täytyy valita Pose Modessa haluttu bone, mennä Properties-paneelin Bone-välilehdelle
• Lukko päälle halutuilta akseleilta Inverse Kinematics -kohdan alla
• Pohja-bonen lukittavat akselit:
• X, Z
• Muiden bonejen lukittavat akselit:
• Y, Z

IK rajoitetuilla rotation-arvoilla

• Nyt IK-constraint noudattaa jokaiselle bonelle asetettuja lukituksia, eivätkä kouran nivelet enää mene sijoiltaan

Inverse Kinematics -sovellukset

• Hyvin yleistä ja kätevää hahmoanimaatiossa, jokaiselle raajalle saattaa olla oma IK-target
• Mahdollistaa myös proseduraalisen animaation, esim. jyrkässä rinteessä seisovan hahmon kummatkin jalat pysyvät maassa sen sijaan, että toinen jalka leijuisi ilmassa/menisi rinteen pinnasta lävitse
• Samat laskentamallit ovat käytössä myös robotiikassa