Animación: cinemática Directa o Jerarquía entre objetos, parte 1 (Definición)

En el mundo real, los movimientos o rotaciones de muchos objetos dependen de otros a los que están subordinados o subyugados. Por ejemplo, si vemos las ruedas de un auto notaremos que estas giran gracias a la rotación del eje a la que están unidas y a su vez, este eje puede rotar gracias a su conexión con el motor el cual también está relacionado o vinculado con sus respectivas piezas como por ejemplo, los pistones y el cigueñal. Esta relación de dependencia se conoce como Jerarquía o Cinemática Directa, y su uso en animación es vital pues nos permite animar objetos compuestos o establecer relaciones de dependencia cercanas a la realidad. En 3DSMAX, una jerarquía es una cadena de objetos vinculados entre sí que contienen una relación ascendiente/descendiente. Esto quiere decir que existe un “objeto padre” que es el que manda en la relación y un “objeto hijo” que está subordinado a este lo que implica que si el objeto padre se transforma, lo hará también el objeto hijo. Al igual que en el mundo real, un objeto padre puede tener muchos “objetos hijos” pero los objetos hijos no pueden tener más de un solo “padre”. En este tutorial aprenderemos conceptos y principios básicos sobre jerarquías entre objetos o Cinemática directa, y su importancia en el proceso de Rigging y animación propiamente tales.

Este apunte utiliza un archivo de base, el cual puede ser descargado desde el siguiente vínculo (en formato MAX 2021):

Jerarquía en 3DSMAX

En 3DSMAX podemos crear jerarquías de forma más o menos sencilla gracias al grupo de botones Select and Link, los cuales se encuentran en la parte superior izquierda de la interfaz del programa:

Estos nos permitirán crear una jerarquía o relación de vínculo entre dos o más objetos. De izquierda a derecha, primer botón es precisamente Select and Link el cual creará la jerarquía mientras que el segundo es Unlink Selection, el cual nos servirá para deshacerla. El último botón es Blind to Space Warp o lo que es lo mismo, vincular a un efecto especial. Este último botón solamente se puede usar junto con las Space Warp o efectos especiales.

Si queremos crear una relación jerárquica en 3DSMAX, debemos tener en cuenta que por norma básica siempre será el objeto “hijo” el que se vinculará directamente al “padre”. Por lo tanto, al formar la relación debemos asegurarnos de elegir siempre el objeto que será el futuro “hijo”. Para crear la jerarquía bastará con seleccionar el objeto a vincular, seleccionar Select and Link y con el botón del mouse presionado, elegiremos el objeto padre (el cursor cambiará a dos cuadros entrelazados). Este último se resaltará y con ello ya hemos creado la relación.

Sin embargo y antes de proceder con el tutorial mismo, debemos conocer los dos modos que tenemos para generar relaciones de jerarquía en 3DSMAX. Estos son los siguientes:

1) Relación directa de el o los hijos a un solo padre: en este caso todos los objetos hijos se vinculan a un solo gran objeto padre, el cual es el que domina toda la jerarquía. Los objetos hijos no tienen relación entre sí, sino que cada uno se puede transformar de manera independiente pero se subyuga solamente al objeto padre.

Esta relación puede ejemplificarse a partir de la siguiente secuencia:

Realización de la jerarquía.

Relación directa entre objetos. El objeto verde es el padre y al transformarse este todos los hijos lo siguen, pero estos se pueden transformar de manera independiente a la del padre.

2) Relación en cadena: consiste en una descendencia directa entre el objeto padre y el objeto hijo, pero este último también pasa a ser padre de otro u otros objetos que se le vinculen, de forma similar a la vida real. En este caso, el último objeto de la jerarquía podrá transformarse de forma independiente pero se subyugará a su propio padre, el cual a la vez se subyugará a otro objeto padre y así sucesivamente, hasta llegar al objeto padre de toda la jerarquía.

Esta relación puede ejemplificarse a partir de la siguiente secuencia:

Realización de la jerarquía.

Relación en cadena entre objetos. El objeto verde es el padre y al transformarse este todos los hijos lo siguen, pero estos a su vez son padres de los que se le relacionen y al transformarse, los hijos se subyugan a estos mientras que el último objeto (el Azul) es el único que se puede transformar de manera independiente respecto de su objeto padre (objeto amarillo). Esta relación jerárquica es la base para el sistema de Bones o huesos de 3DSMAX.

Demás está decir que se pueden generar las descendencias que queramos y también podremos combinar ambos métodos para generar sistemas jerárquicos más complejos y por ende, preparar nuestros objetos para ser animados. Dominar las jerarquías es clave ya que es la base del Rigging (configuración para animación) de personajes o de objetos, ya que podremos establecer las relaciones entre los diferentes objetos de manera realista y de esta manera tener un personaje u objeto “listo” para ser animado constantemente en cada escena. También podremos animar o transformar modelos compuestos como por ejemplo, una puerta y sus respectivas manillas ya que ambos elementos se deben modelar aparte. En este caso, la jerarquía hace posible que estas se mantengan relacionadas ya que la manilla sería el objeto hijo mientras que la puerta sería el objeto padre. Si la jerarquía no existiera, al abrir la puerta la manilla simplemente flotaría en el aire.

Este último ejemplo puede apreciarse en la imagen siguiente:

En el ejemplo se han modelado dos puertas y a la de la derecha se le ha vinculado la manilla como objeto hijo a la puerta misma mediante jerarquía, lo que hace posible la interacción real de la manilla con la puerta al abrirse esta.

Para ejercitarnos en el tema de las jerarquías utilizaremos el archivo del primer proyecto en 3DSMAX (la locomotora de juguete), pero en este caso le agregaremos unos vagones para mostrar los dos tipos base de enlaces que tenemos en 3DSMAX y además formar una relación jerárquica compleja que nos permitirá animar el tren en un futuro. También conoceremos al ayudante llamado Dummy, el cual nos ayudará a definir controladores para la jerarquía y facilitar el proceso de rigging. Al descargar y luego abrir el archivo base, nos aparece la siguiente escena:

Como apreciamos, es el mismo tren del tutorial 01 pero que ha sufrido algunas modificaciones ya que se le ha cambiado la cabina y además se han agregado más vagones para generar el tren completo. Sin embargo, si tomamos la cabina o cualquier otra pieza del tren y la movemos, notaremos que estas no están relacionadas con el total ya que se manejan de forma independiente, lo cual ocurre por defecto al modelar varios objetos en 3DSMAX:

Para resolver el problema podríamos agrupar la locomotora y los vagones mediante Group pero sin embargo, esto no nos serviría para animar ya que no podríamos mover las ruedas, puesto que el grupo siempre se comporta como un solo objeto. Por esto mismo, debemos establecer relaciones de “jerarquía” para poder animar correctamente cada elemento y además, para facilitar la transformación del conjunto completo sin tener que seleccionar objeto por objeto. Lo primero que haremos será esquematizar las relaciones entre los objetos para facilitar la labor. En el caso de la locomotora, debiéramos realizar el siguiente esquema de enlazado:

Si bien a primera vista el esquema parece complejo la verdad es que no lo es, ya que los elementos más cercanos a la base de la locomotora estarán vinculados directamente a ella. En el caso de las ruedas, estas deberán estar relacionadas a sus respectivos ejes para que puedan ser giradas en un futuro, y los ejes mismos estarán vinculados a la base. Las chimeneas superiores se relacionan directamente con la caldera y el techo de la cabina se relaciona con esta última, la cual a su vez se enlazará a la base al igual que la caldera. En el caso de los topes y los pistones, estos últimos se vinculan de forma directa a la base y los topes mismos se vinculan a la base, vinculando previamente ambas piezas. Si observamos un poco más a fondo el esquema, notaremos que también se podría haber vinculado la caldera a la cabina o viceversa, lo cual nos indica que hay más de una forma de resolver las jerarquías entre objetos. Otra cosa que notamos es que si bien la base de la locomotora es el “padre” de toda la jerarquía, por un tema práctico NUNCA se tomará directamente. En este caso, lo mejor será vincular la base misma a un objeto ficticio llamado “Dummy”, el cual nos permitirá poder tomar el conjunto completo y poder transformarlo ya sea moviéndolo, rotándolo o escalándolo. A este, en un futuro, también se le podrán aplicar restrictores y otras funciones de animación.

El ayudante Dummy

Este es uno de los ayudantes que nos provee 3DSMAX y es de los más importantes en animación, puesto que nos facilita enormemente las tareas de Rigging o configuración de objetos y/o personajes a animar ya que este es un cubo virtual “sin parámetros”, el cual puede alinearse respecto a cualquier objeto y al que se le pueden aplicar transformaciones y comandos de animación. La gran ventaja del Dummy es que nos permitirá poder tomar la jerarquía completa sin tener que tomar el objeto principal y así evitar confusiones, además que recibe de mejor manera las transformaciones y restrictores de animación que se le apliquen y se evitarán errores ya que si se vinculan formas 3D puras, hay riesgo que estas no se animen de forma correcta debido a la naturaleza misma de las mallas 3D. Podemos encontrar a Dummy en la persiana Helpers de la barra de comandos de 3DSMAX, indicados en la imagen siguiente:

Si presionamos el botón Dummy y lo dibujamos en el espacio de trabajo, este se realizará de igual forma que una esfera y notamos que se nos crea un cubo virtual de color verde, el cual literalmente no tiene parámetros editables si lo seleccionamos y luego vemos el panel modificar, puesto que solamente podremos modificar el nombre del objeto. Si lo quisiéramos escalar, lo mejor sería hacerlo mediante la transformación Scale y siempre ANTES de aplicar la jerarquía o algún restrictor.

Volviendo a nuestro archivo, una vez que lo definimos lo mejor será alinear el Dummy dibujado respecto a la base de la locomotora mediante la herramienta Align. Lo alineamos respecto a la base en los ejes X, Y y Z tomando como puntos de contacto los Pivot Point de ambos y aceptamos. Con esto realizado, ya estamos listos para proceder con la jerarquía.

Comenzaremos la jerarquización relacionando las chimeneas superiores a la caldera mediante una relación directa. Si queremos seleccionar más de un objeto, debemos presionar y mantener la tecla CTRL. El resultado debe verse con en la imagen siguiente:

Si lo hacemos correctamente, la caldera se resaltará y la jerarquía estará realizada.

Tip: podremos comprobar la jerarquización correcta de los elementos si presionamos las teclas Re Pag y Av Pag, ya que Re Pag nos selecciona los objetos padre y Av Pag los objetos hijo, siembre y cuando seleccionemos cualquier objeto que esté dentro de la jerarquía (esto vale para cualquier jerarquía que realicemos). Si por el contrario, nos equivocamos y queremos eliminar una jerarquía entre dos objetos, simplemente seleccionamos el objeto a desvincular y presionamos el botón Unlink Selection.

Otra forma de verificar que la jerarquía está realizada es simplemente mover la caldera y luego deshacer el movimiento mediante CTRL+Z, tal como se aprecia en la imagen siguiente:

Una vez hecho esto, lo siguiente es vincular el techo a la cabina mediante una relación directa, y luego tomar la caldera y la cabina para vincularla a la base en una nueva relación directa, tal como se aprecia en la secuencia siguiente:

Si observamos la jerarquía recién realizada, notaremos que se ha formado una relación en cadena en los objetos techo, cabina y base. Ahora vincularemos los pistones laterales a la base misma, tal como se aprecia en la imagen:

Ahora debemos vincular los topes a la base. Para ello, primeramente crearemos una relación directa entre el tope y su soporte de tal forma que este último sea el padre de la jerarquía, y una vez finalizado repetiremos el proceso con el otro tope, tal como se aprecia en las imágenes siguientes:

Finalizamos la relación vinculando ambos soportes a la base de la locomotora:

Finalizaremos las jerarquías base de la locomotora vinculando el enganche a la base de la misma.

Ahora solamente nos faltarían las jerarquías de las ruedas lo cual es bastante sencillo ya que, en este caso, colocaremos la vista Bottom (B) y procederemos a vincular las ruedas traseras a su eje. Repetiremos el proceso con las ruedas restantes para finalizar la jerarquía.

Estando en la misma vista, procederemos a seleccionar todos los ejes y los vinculamos a la base de la locomotora mediante una relación directa, y con esto hemos terminado todas las jerarquías base del modelo 3D de nuestra locomotora.

Volvemos a colocar la locomotora en Perspective y realizamos una última prueba para revisar las jerarquías mediante Re Pag y Av Pag. Finalmente, vinculamos la base de la locomotora al Dummy para finalizar de manera definitiva el Rigging base de nuestro modelo:

Si tomamos el Dummy y le aplicamos alguna transformación como mover, rotar o escalar, notaremos que la locomotora completa se subyuga a este ya que este es el padre de toda la jerarquía. Como dijimos antes, por un tema práctico siempre es recomendable que cualquier objeto compuesto esté bajo el yugo de un Dummy, ya que esto nos evita tener que buscar el objeto padre de nuestro modelo al querer animarlo o transformarlo.

Rotando y escalando la locomotora mediante la transformación respectiva, aplicada al Dummy el cual es el padre de la jerarquía.

Para el caso de los vagones seguiremos exactamente la misma lógica que en el esquema de la locomotora, sólo que su parte superior será mucho más sencilla de resolver puesto que en el caso del tender, nos bastará enlazar la tapa a la cisterna y esta a la base mientras que en el caso de los vagones de pasajeros, enlazaremos el techo a la cabina de pasajeros y luego la cabina será vinculada a la base de cada carro. Como en el caso de la locomotora, colocaremos un Dummy a cada elemento para que este pueda ser transformado sin mayor problema.

En las imágenes siguientes vemos las relaciones padre-hijo del tender del tren:

La solución del final de todo el sistema sería la de la siguiente imagen:

Como hemos visto se ha creado un sistema de jerarquías el cual aún no está terminado del todo, ya que lo que nos queda será hacer tal vez lo más interesante de todo: generar los enganches y girar los vagones de manera realista. Para ello, primeramente en la vista Top moveremos un poco cada carro de modo que el enganche quede dentro del aro para generar el efecto de enganche, tal como se aprecia en la imagen siguiente:

Una vez realizado lo anterior, realizamos una jerarquía mediante una relación directa entre todos los Dummys, partiendo desde el Dummy del último vagón hasta el Dummy de la locomotora, tal como se indica en el siguiente esquema:

Con esto, el Dummy de la locomotora se convierte en el padre de toda la jerarquía y nos permitirá mover el tren completo con sólo seleccionarlo. Lo único que nos falta ahora es establecer un nuevo punto de “pivote” para los vagones, ya que si tomamos los Dummys de cada uno estos no girarán de manera realista ya que tomará el centro de este en lugar del punto del enganche, tal como lo haría un tren real. Para resolver esto, conoceremos y aplicaremos las funciones de la persiana llamada Hierarchy.

Tip: si hacemos doble clic en el padre de toda una jerarquía, automáticamente se seleccionarán todos los elementos de esta.

En la segunda parte de este apunte veremos el panel Hierarchy y generaremos la relación de jerarquía entre todos los vagones de nuestro tren. Ir a la segunda parte.

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