Tags : FootIK IKComponent Footstep UStruct Animation

IKComponent를 통해 Character의 발바닥과 지형이 자연스럽게 맞닿을 수 있도록 FootIK 적용하기

• 요약
• Settings
• Blueprint IKComponent
  • LineTrace
  • SetIK
• C++ IKComponent
  • LineTrace
  • Tick(SetIK)
• Animation Blueprint
  • SetUpBasicData
  • IKLayer
• 생각정리
• Reference

요약

• 주요 목표 : 지형과 어우러지는 움직임을 위해 FootIK 적용하기
• 💫발생 문제 : Skeletal Mesh의 Scale을 조율한 경우 Foot Effecter값에 오차 발생
• 해결 방안 :
  1. Skeletal Mesh의 Foot본에 추가한 Socket에서부터 지면을 향한 실시간 수직 Line Trace로 지면과 Foot의 위치와 각도 차이를 반환받아 ABP에서 Bone Transform과 2 Bone IK함수로 하체 주요 Bone에 적용
  2. OwnerCharacter로부터 GetActorScale의 Z값을 반환받아 각 Foot Effector에 나누기
• 이루어낸 성과 :
  1. 각기 다른 Skeletal Mesh와 Scale 구성에 따른 오차에도 일괄 적용가능한 IKComponent 구현
  2. 계단 또는 굴곡있는 지형에 잘 어우러지는 움직임 구현
  3. Bone Transform과 2 Bone IK에 대한 이해

• Line Trace의 시작점은 Socket의 위치지만, 실제 Skeletal Mesh의 Foot 본의 위치가 아닌 발바닥면의 위치인 Mesh의 Location과 Hit된 Impact Point 간 거리 측정
  하이힐을 신었거나 발꿈치가 납작하거나 다양한 형태의 Mesh에도 적용이 가능하다
• 바닥과 높이차가 더 큰 값 만큼 Pelvis를 내려 상대적으로 위에 위치한 다리에만 변형을 준다 Skeletal Mesh의 Pelvis 위치, 하체 길이 비율 등 변수에 영향이 없다

• LineTrace Hit된 지면의 Normal벡터를 통해 지면이 기울어진 정도를 atan2로 구할 수 있다
• 지면의 기울기로 발목의 Yaw 회전이 일어나는 경우는 적어 생략하고 Roll, Pitch회전 값에 적용

Settings

1. Bone Transform에 의해 변동되지 않을 고정값을 위해 각 Foot본에 소켓 추가

2. IK정보를 담아 ABP에 전달해줄 구조체 FootIKData 생성

   구분	이름	내용
   float	DisplacementZ	Pelvis에 적용할 Location.Z
   vector	IKEffector_L IKEffector_R	Foot_L또는 Foot_R에 Effector Location으로 적용될 벡터
   rotator	Rot_L Rot_R	Foot_L 또는 Foot_R에 적용할 Rotator값

3. IKComponent 컴포넌트 생성 -> 캐릭터에 컴포넌트 추가

Blueprint IKComponent

FootIK의 개념과 구현방법은 관련 Unreal Engine Documentation ¹ 와 Ryan Laley의 YouTube 채널 IK시리즈 ² 를 참고했고, 사용하는 Mannequin의 height 등 Mesh Asset의 기본값으로 인한 오차를 최소화하기 위해 변수를 다르게 적용했다

캐릭터가 점프나 공중에 떠있는 상태가 아닌경우에만 FootIK가 적용되도록 Branch를 걸어준 뒤 SetIK함수를 Tick마다 호출

• Variables

  구분	이름	내용
  Character	OwnerCharacter	IKComponent를 소유한 캐릭터 액터
  (struct)FootIKData	FootIKData	IKComponent에서 계산 완료되어 ABP로 전달해 줄 Transform 데이터
  float	Displacement	FootIKData.DisplacementZ에 set 될 Pelvis가 Z이동해야 할 값
  float	LFootEffector RFootEffector	FootIKData.IKEffector_L.X 또는 FootIKData.IKEffector_R.X에 set 될 Foot_L과 지면의 높이 차(위아래가 뒤집어진 Foot_R본으로 인해 * -1.0f)
  rotator	LFootRotator RFootRotator	FootIKData.Rot_L 또는 FootIKData.Rot_R에 set될 지면 노말벡터의 역각
  float	CharacterScale	Scale적용으로 인한 오차계산용 OwnerCharacter의 ActorWorldScale3D.Z

• Functions

  이름	내용
  LineTrace	입력받는 socket이름에서부터 지면을 향해 수직 Line Trace 한 뒤 Hit된 지점의 Impact Point와 Normal로 발의 위치와 지면의 거리, 역각을 반환해줄 함수
  SetIK	Tick마다 양 발의 LineTrace반환값으로 FootIKData를 Set해주는 함수

LineTrace

• Input
  • InSocketName : LineTrace를 시작할 Socket의 이름
• Return
  • FootTraceZ : Socket과 지면의 거리(높이) 차이
  • FootRot : 맞닿은 지면의 Normal Vector를 역각으로 계산한 Rotation값

*Fullscreen또는 Ctrl+마우스휠로 ZoomIn/Out 가능

1. Foot_IK본의 Location를 Line Trace의 Start지점으로, End지점은 Foot_IK의 X,Y 값과 하단수직방향인 OwnerCharacter의 Mesh의 Z + Max Step Height로 Set
   • Max Step Height를 적용한 이유는 캐릭터가 점프없이 오르거나 추락이 아닌 걸음으로 내려갈 수 있는 높이까지만 발을 올리거나 내리는 게 자연스러워 보이기 때문이다
2. Hit가 false일 땐 초기값(0) 반환
3. Hit된 Impact Point벡터에서 캐릭터 Mesh의 위치까지 거리벡터를 구한 뒤 Height가 될 Z값을 FootTraceZ로 반환
4. Hit된 Normal벡터를 역각으로 계산해주기위해 atan2로 Pitch와 Roll값 산출

SetIK

• Input
  • InDeltaTime : Tick함수에서 반환받는 DeltaSeconds 전달

*Fullscreen또는 Ctrl+마우스휠로 ZoomIn/Out 가능

1. 각 발의 IK계산을 위해 추가한 Socket을 인자로 LineTrace 발마다 호출
2. LineTrace로 반환 받은 FootTraceZ값을 해당 발의 FootEffector에 Set
3. 갑작스런 위치적용이 어색할 수 있어(‘뜬!’하고 눈깜짝 할 사이에 바뀌어 있는 위치) FInterp으로 보간 적용
4. LineTrace로 반환 받은 FootRot값을 해당 발의 FootRotation에 RInterp으로 Set
5. 각 Interp speed는 런타임 확인 후 10.0f가 가장 적절하여 상수 Set
6. LFootEffector와 RFootEffector의 절대값 중 더 큰 값 만큼 Pelvis를 이동할 수 있게 Displacement에 FInterp Set
7. FootIKData.DisplacementZ에 Displacement를 * -1.0f 해서 Set : Pelvis를 내려준다
8. FootIKData.IKEffector_L.X에 내려준 Pelvis만큼 더 내리기 위해 LFootEffector에 Displacement를 뺌
9. FootIKData.IKEffector_R.X에도 RFootEffector에서 Displacement를 빼준 뒤 뒤집어진 Foot_R의 X축에 맞게 * -1.0f
10. Scale이 크거나 작은 Skeletal Mesh의 경우를 위해 CharacterScale값을 각 발에 나눠줌
    • Scale이 커진 경우 해당 Scale만큼 발과 지면의 WorldSpace상에서의 거리차가 커지지만 BoneSpace는 Scale에 영향을 받지 않으므로을 역산해준다

C++ IKComponent

// CFootIKComponent.h
#pragma once
#include "CoreMinimal.h"
#include "Components/ActorComponent.h"
#include "Kismet/KismetSystemLibrary.h"
#include "CIKComponent.generated.h"

USTRUCT(BlueprintType)
struct FFootIKData
{
    GENERATED_BODY()
public:
    UPROPERTY(BlueprintReadOnly, Category = "FootIK")
        FVector IKEffector_L;
    UPROPERTY(BlueprintReadOnly, Category = "FootIK")
        FVector IKEffector_R;
    UPROPERTY(BlueprintReadOnly, Category = "FootIK")
        FVector DisplacementZ;
        
    UPROPERTY(BlueprintReadOnly, Category = "FootIK")
        FRotator Rot_L;
    UPROPERTY(BlueprintReadOnly, Category = "FootIK")
        FRotator Rot_R;
};

UCLASS( ClassGroup=(Custom), meta=(BlueprintSpawnableComponent) )
class UE4_TPSProject UCIKComponent : public UActorComponent
{
    GENERATED_BODY()
public:
    UCIKComponent();
protected:
    virtual void BeginPlay() override;
public:	
    virtual void TickComponent(float DeltaTime, ELevelTick TickType, FActorComponentTickFunction* ThisTickFunction) override;

private:    // Functions
    void LineTrace(FName InSocketName, float& OutFootTraceZ, FRotator& OutFootRot);

public:     // Inline
    FORCEINLINE FFootIKData GetData() { return FootIKData; }

private:    // UProperty Members
    UPROPERTY(EditAnywhere, Category = "LineTrace")
        TEnumAsByte<EDrawDebugTrace::Type> DrawDebug;
    UPROPERTY(EditAnywhere, Category = "LineTrace")
        float Displacement = 0.0f;
    UPROPERTY(EditAnywhere, Category = "LineTrace")
        float LFootEffector = 50.0f;
    UPROPERTY(EditAnywhere, Category = "TraLineTracece")
        float RFootEffector = 5.0f;
    UPROPERTY(EditAnywhere, Category = "LineTrace")
        FName LeftSocketName = "Foot_L_IK";
    UPROPERTY(EditAnywhere, Category = "LineTrace")
        FName RightSocketName = "Foot_R_IK";

private:    // Private Members
    class ACharacter* OwnerCharacter;
    FFootIKData FootIKData;
    float InterpSpeed = 10.0f;
    float CharacterScale = 1.0f;
};

// CFootIKComponent.cpp
#include "02_Components/CFootIKComponent.h"
#include "Global.h" // Utilities
#include "GameFramework/Character.h"
#include "Components/SkeletalMeshComponent.h"
#include "Components/CapsuleComponent.h"

#define LOG_UCFootIKComponent   // Debug Log

UCFootIKComponent::UCFootIKComponent()
{
    PrimaryComponentTick.bCanEverTick = true;
}

void UCFootIKComponent::BeginPlay()
{
    Super::BeginPlay();
    OwnerCharacter = Cast<ACharacter>(GetOwner());
}

LineTrace

// CFootIKComponent.cpp
void UCFootIKComponent::LineTrace(FName InSocketName, float& OutFootTraceZ, FRotator& OutFootRot)
{
    // Trace Start
    FVector start = OwnerCharacter->GetMesh()->GetSocketLocation(InSocketName);

    // Trace End
    FVector meshLocation = OwnerCharacter->GetMesh()->GetWorldLocation();
    float z = meshLocation.Z - OwnerCharacter->GetCharacterMovementComponent().MaxStepHeight;
    FVector end = FVector(socketLocation.X, socketLocation.Y, z);

    // LineTrace
    TArray<AActor*> ignores;
    ignores.Add(OwnerCharacter);
    FHitResult hitResult;
    
    UKismetSystemLibrary::LineTraceSingle(GetWorld(), start, end, ETraceTypeQuery::TraceTypeQuery1, true, ignores, DrawDebug, hitResult, true,FLinearColor::Green, FLinearColor::Red);
    
    // Init Outputs
    OutFootTraceZ = 0.0f;
    OutFootRot = FRotator::ZeroRotator;
    
    // Check Validity
    CheckFalse(hitResult.bBlockingHit);
    
    // OutFootTraceZ
    FVector distance = (hitResult.ImpactPoint - OwnerCharacter->GetMesh()->GetWorldLocation());
    OutFootTraceZ = distance.Z;

    // OutFootRot
    float roll = UKismetMathLibrary::DegAtan2(hitResult.Normal.Y, hitResult.Normal.Z);
    float pitch = UKismetMathLibrary::DegAtan2(hitResult.Normal.X, hitResult.Normal.Z) * -1.0f;	// -1 to Rotate in opposite direction
    OutRotation = FRotator(pitch, 0, roll);
}

Tick(SetIK)

// CFootIKComponent.cpp
void UCFootIKComponent::TickComponent(float DeltaTime, ELevelTick TickType, FActorComponentTickFunction* ThisTickFunction)
{
    Super::TickComponent(DeltaTime, TickType, ThisTickFunction);
    
    // Check isFalling
    CheckFalse(OwnerCharacter->GetCharacterMovementComponent()->IsFalling());

    // Temp Variables
    float leftTrace = 0.0f;
    float rightTrace = 0.0f;
    float displacement = 0.0f;
    FRotator leftRot;
    FRotator rightRot;

    // Character Scale Check
    CharacterScale = OwnerCharacter->GetActorWorldScale3D().Z;
    
    // LineTrace from both Sockets
    LineTrace(LeftSocketName, leftTrace, leftRot);
    LineTrace(RightSocketName, rightTrace, rightRot);

    // Pelvis
    displacement = FMath::Max(Abs(leftTrace), Abs(rightTrace));
    
    FootIKData.DisplacementZ.Z = UKismetMathLibrary::FInterpTo(FootIKData.DisplacementZ.Z, displacement, DeltaTime, InterpSpeed);
    
    // Left Foot
    FootIKData.IKEffector_L.X = UKismetMathLibrary::FInterpTo(FootIKData.IKEffector_L.X, (leftTrace-displacement) / CharacterScale, DeltaTime, InterpSpeed);
    FootIKData.Rot_L = UKismetMathLibrary::RInterpTo(FootIKData.Rot_L, leftRot, DeltaTime, InterpSpeed);
    
    // Right Foot
    FootIKData.IKEffector_R.X = UKismetMathLibrary::FInterpTo(FootIKData.IKEffector_R.X, -(rightTrace-displacement) / CharacterScale, DeltaTime, InterpSpeed); // -rightTrace due to opposite bone direction
    FootIKData.Rot_R = UKismetMathLibrary::RInterpTo(FootIKData.Rot_R, rightRot, DeltaTime, InterpSpeed);
    

#ifdef  LOG_UCFootIKComponent
	CLog::Print(FootIKData.DisplacementZ, 11);
	CLog::Print(FootIKData.IKEffector_L, 12);
	CLog::Print(FootIKData.Rot_L, 13);
	CLog::Print(FootIKData.IKEffector_R, 14);
	CLog::Print(FootIKData.Rot_R, 15);
#endif // LOG_UCFootIKComponent
}

Animation Blueprint

• Variables
  • component IKComp : OwnerCharacter를 통해 가져온 IKComponent 변수로 Set
  • (struct)FootIKData FootIKData : IKComp가 유효할 경우 Getter로 가져와 변수로 Set
  • bool IKSpace : IK 실행이 가능한 상황 체크를 위한 bool
    ex) Player의 경우 Parkour 진행 시 IK 적용해제
• Animation Layer
  1. 최종 애니메이션 포즈 반환 직전 IKLayer 링크
  2. IKSpace의 값에 따라 bool로 포즈블랜딩

SetUpBasicData

BlueprintUpdateAnimationEvent를 통해 Update마다 OwnerCharacter의 IKComponent를 통해 FootIKData를 Set해주고 캐릭터의 상태에 따라 유효성 확인을 위해 bool IKSpace 체크

IKLayer

입력받은 포즈의 본에 변형을 줄 수 있는 컴포넌트 Space로 전환해 Bone Transform과 2 Bone IK함수로 IK 적용된 포즈 구현

• Pelvis Bone Transform :
  Translation 기존 위치에서 WorldSpace기준 FootIKData.DisplacementZ Add to Existing
• Foot_L
  1. 2 Bone IK :
     Effector Location - Foot_L 본의 기존 위치에서 BoneSpace기준 FootIKData.IKEffector_L 입력
     Joit Target Location - Calf_L 본의 기존 위치에서 살짝 앞으로 향할 수 있게 BoneSpace기준으로 적용
     런타임으로 확인 후 X=0.0, Y=30.0, Z=-5.0 정도가 적절하여 적용
  2. Bone Transform :
     Rotation 기존 회전값에서 WorldSpace기준 FootIKData.Rot_L Add to Existing
• Foot_R
  Foot_L과 동일하게 해당하는 본에 FootIKData의 정보 적용
  2 Bone IK함수 Joint Target Location의 Calf_R는 반대쪽 다리와 상반된 축을 가지고 있어 X=0.0, Y=-30.0, Z=5.0 정도가 적절

생각정리

기본에 충실하기

기본적으로 무료로 제공되는 훌륭한 IK Plugin들이 있으나 역시나 발동한 개발욕심에 하나하나 만져보고 결국 원하는 모습을 구현해 뿌듯하다
FootIK를 적용해주기 위해 여러 Tutorial들을 보았으나,
언리얼엔진의 디폴트 3rd Person Character 또는 개인적으로 적용한 특정 Skeletal Mesh 경우에 적용된 Foot IK로 키 차이 등의 offset을 상수로 적용하는 케이스들 뿐이었다
캐릭터들이 변신하고 Scale도 변형되도록 설정한 내 프로젝트에선 이러한 상수값을 최대한 줄이고자 고민을 많이했다
결국 기본 개념을 다시 정리해 최대한 간단히 구현하는 과정에서 성공하게 되었고 역시 기본기가 탄탄해야 활용에 강해질 수 있음을 다시금 깨닫는 시간이었다

Reference