Los estímulos generados por ordenador Modelo animal

Hola, mi nombre es Kevin w, del Centro para el Estudio Integrativo de la Conducta Animal de la Universidad de Macquarie en Sídney, Australia. En este artículo basado en video, hablaré sobre el uso de animaciones por computadora en experimentos de conducta animal. En particular, explicaré cómo fabricamos uno de estos modelos.

Actualmente, las animaciones se están volviendo muy populares en nuestra cultura contemporánea, pero en realidad no vemos mucha aplicación de ellas en el ámbito científico ni en la investigación relacionada con la ciencia. Sin embargo, los primeros intentos de crear animaciones para la ciencia comenzaron con procesos bastante básicos, y estos procesos a menudo implicaban cortar y escanear partes específicas de un objeto o de un espécimen determinado, o también utilizaron técnicas similares al movimiento biológico, como luces puntuales, para identificar ciertas partes concretas del cuerpo y asociarlas a una animación. Además, si se quería realizar una animación, alguien tenía que hacerla completamente desde cero.

Ahora, el uso de animaciones nos ha permitido estudiar muchas cosas en el comportamiento animal, como el apareamiento, el cortejo, y lo que yo analizaré específicamente aquí es la comunicación o la comunicación visual. El uso de animaciones es mucho más sofisticado que los métodos tradicionales, como las interacciones en vivo o métodos invasivos tales como la cirugía. En este artículo artístico en particular, proporcionaré una visión general de cómo producimos este modelo específico, y analizaremos cómo se escanea este modelo.

Vamos a analizar cómo añadir textura, los huesos de mapeo UV, la sombra de pesos, cómo capturamos realmente el estímulo para el rotoscopio y, finalmente, cómo se realiza completamente la renderización hasta obtener una secuencia completa. Hay ocho pasos principales mediante los cuales podemos crear toda la animación. El primer paso consiste en proporcionar un escaneo 3D de todo el objeto.

Esto proporciona la forma básica del objeto. Luego necesitamos agregar la textura, que obviamente le da una sensación más realista, y esta textura se descompone entonces en un mapa UV, que permite colocar puntos específicos de la textura exactamente sobre el objeto. A continuación, será necesario manipular el objeto y luego agregaremos esqueletos, que posteriormente se convierten en huesos.

Posteriormente, se incluye el sombreado del peso para proporcionar también una perspectiva general de equilibrio del objeto en movimiento. A continuación, necesitamos capturar estímulos particulares en los que podamos modelar el movimiento del objeto. Luego, realizamos el rotoscopio de estos movimientos sobre las imágenes que hemos capturado, y finalmente, debemos renderizar las secuencias en un formato legible para su reproducción en video; adquirimos un espécimen disecado para utilizarlo como nuestro modelo.

Aquí utilizamos el Konica Minolta vi dash nine I para reproducir un objeto 3D. El Konica Minolta emplea fotografía digital y proporciona mediciones de alta precisión mediante un algoritmo 3D que enlaza segmentos fotográficos entre sí. Genera la forma y las dimensiones del modelo y convierte las imágenes en datos digitales tridimensionales.

El escaneo 3D toma segmentos específicos de un objeto real y los coloca en un objeto simulado para animación por ordenador. Luego, este objeto se construye tomando esos segmentos y colocándolos en las posiciones correctas. Esto crea un objeto que podemos manipular en software de animación.

Aquí presentamos una configuración simulada de cómo fotografiamos nuestro objeto y luego cómo convertimos nuestro objeto en un modelo animado tridimensional. Primero se fotografía el objeto desde una variedad de ángulos, y estas imágenes fotográficas se colocan en la orientación correcta, lo que permite suavizar los contornos conectados. Esta técnica incorpora el uso de sistemas fotogramétricos, que se emplean para lograr un alto nivel de detalle y una gran precisión del objeto.

Este sistema utiliza marcadores recubiertos y barras de escala con dimensiones controladas para mapear las coordenadas de los marcadores de referencia. Estas coordenadas constituyen una constelación tridimensional que se emplea para medir con precisión los contornos y las distancias entre cada sección fotográfica. Los datos se recopilaron utilizando Raindrop Geomagic, y esto permitió obtener una única malla poligonal de la forma morfológica de los datos.

Para crear nuestra animación, elegimos utilizar un programa llamado Light Wave 3D. Aunque existen otros programas de animación 3D disponibles, optamos por usar LightWave debido a su interfaz fácil de usar y su capacidad para leer archivos de salida compatibles. Además, LightWave consta de dos programas independientes: el modelador y la distribución.

El programa modelador LightWave permite la manipulación del objeto resaltando polígonos específicos para realizar cambios, creando capas en el objeto, añadiendo color y textura, y generando skegan. LightWave Layout crea escenas utilizadas para completar la secuencia de animación. Modler es el entorno donde se construyen las características del objeto.

Es aquí donde podemos añadir textura, mapeo UV, esqueleto inicial, que se convertirá en huesos, y también encargarnos del peso. El modelador de sombreado es un paso previo al uso de Light Wave, donde se construyen realmente las escenas, por lo que es aquí donde se instalan inicialmente todas las características del objeto en el objeto. Light Wave Layout es un programa en el que se crea la escena real, con la excepción de la rejilla donde se colocará el objeto. Dentro de este plano X, Y y Z, hay otras dos características particulares.

Tiene la cámara, que en realidad graba la escena, y la cámara misma puede colocarse en cualquier ángulo según el que elija para verla. Luego están las luces. Puede utilizar una o varias luces también, y las luces ayudan a iluminar la escena así como el objeto, y le permiten crear diferentes aspectos de iluminación.

La disposición de la onda luminosa nos proporciona varios aspectos diferentes desde los cuales podemos observar la escena. El número máximo de aspectos que podemos examinar son cuatro perspectivas distintas. Este es el mejor método para observar tantos ángulos diferentes de su objeto dentro de la escena antes de la salida final.

En la disposición de ondas luminosas, existen tres ejes de rotación diferentes. El primero es la coordenada X, que corresponde al cabeceo. En segundo lugar, la coordenada Y, que corresponde a la guiñada, y en tercer lugar, la coordenada Z, que corresponde a la alabeo.

Estas tres coordenadas diferentes corresponden al movimiento con el que podemos manipular no solo el objeto, sino también las cámaras y las luces dentro de nuestra escena. Primero seleccionamos una lagartija Jackie similar en masa y longitud a nuestro modelo disecado. A partir de aquí, obtuvimos la textura del objeto fotografiando los patrones y texturas de este dragón Jackie vivo.

Esta lagartija fue fotografiada luego desde varios ángulos, como frontal y ortogonal, desde distintas posiciones tales como frontal, ortogonal, ventral y dorsal, y de varias partes del cuerpo como el animal completo, la cabeza, el cuerpo, la cola y las extremidades, sobre una hoja de papel blanco. Luego equilibramos esto para obtener los valores RBG completamente blancos. Con el fin de obtener la textura adecuada, tomamos una lagartija viva y la fotografiamos desde varios ángulos diferentes. Se tomó desde tres ángulos y también desde tres posiciones distintas.

Los tres ángulos fueron ortogonal, dorsal y ventral, y las tres posiciones fueron anterior, central y posterior. Utilizamos una cámara digital Canon ES para fotografiar estas lagartijas. Las fotografías luego se importaron a Adobe Photoshop, donde se separaron las piezas más grandes del fondo real.

Estos fragmentos se asociaron luego con valores RGB y también se equilibraron en blanco para que no hubiera diferencia de color. Creamos un mapa de UV de atlas para superponer la textura sobre el objeto. Este mapa de UV de atlas se creó en el modelador Light Wave.

Un mapa UV de Atlas separa el objeto en fragmentos compuestos por polígonos conectados. Dado que el objeto no tenía una forma sencilla como un cubo o un cilindro, el mapa UV de Atlas divide el objeto en varias superficies planas más simples sin ángulos de 90 grados. Sin embargo, un mapa UV de Atlas fragmenta el objeto en varios segmentos discontinuos de polígonos conectados.

Por lo tanto, el mapa UV del Atlas se capturó luego utilizando un programa llamado Grab para crear una imagen JPEG independiente. Luego, incorporamos esta imagen BA como una capa de fondo en Adobe Photoshop Elements. Al capturar un JPEG sin cambiar el tamaño de la imagen, conservamos las mismas proporciones que pueden utilizarse para mapear áreas en el Jackie Dragon al objeto.

Luego, las diversas fotografías de los Jackie Dragons se fusionaron en Adobe Photoshop Elements para crear Jackie Dragons completos en varias posiciones, como frontal, ortogonal, ventral y dorsal. A continuación, los polígonos se ajustaron al área local del Jackie Dragon. Y ahora, en Light Wave Modeler, nuevamente resaltamos estos polígonos en el mapa UV del Atlas, lo que nos permitió identificar el área específica en el Jackie Dragon.

Esta área fue recortada y superpuesta sobre el mapa UV del Atlas en formato jpeg, en áreas específicas del Jackie Dragon que fueron fotografiadas, luego recortadas y superpuestas sobre estos polígonos específicos. Cuando todos los fragmentos fotográficos se colocaron en capas sobre el mapa UV del Atlas en formato jpeg, se eliminó el fondo y se creó un único archivo TIF. A continuación, el archivo TIF se importó nuevamente al modelador Light Wave y se asignó a las coordenadas UV.

La asignación UV es el proceso en el que tomamos segmentos que anteriormente fueron fotografiados del lagarto vivo, los segmentamos y los colocamos sobre nuestro lagarto animado. Esto se realiza en el programa de modelado Light Wave. Utilizando el programa de modelado Light Wave, empleamos la herramienta de mapa de atlas UV, que nos permite dividir el objeto en varios segmentos diferentes.

Al dividirlo en varios segmentos diferentes, podemos utilizar la textura que obtuvimos a partir de las fotografías y colocarlas encima de estas piezas particulares. A diferencia de un objeto que puede ser liso o cilíndrico, los objetos que no tienen ángulos de 90 grados se dividen en varios segmentos distintos. Aquí se muestra un acercamiento de algunos segmentos poligonales pequeños en nuestro mapa de atlas UV.

Podemos resaltar estos segmentos particulares para ver qué polígonos específicos corresponden a cada cuerpo determinado. Las partes del objeto, segmentadas a partir de las fotografías tomadas de un lagarto iluminado, fueron luego divididas y colocadas encima de nuestras piezas separadas. Utilizando el mapa de atlas UV, estos segmentos se asociaron y, por lo tanto, superpusieron la textura sobre nuestro objeto.

El esqueleto y los huesos están integrados en el objeto, lo que permite el movimiento y la manipulación generales del mismo. Primero, en el modelador de ondas de luz, el esqueleto fue integrado en el objeto y actúa como marcador de posición para huesos virtuales que se crearán en el entorno de diseño de Light Wave. En nuestro objeto en particular, se crearon 61 huesos en total.

Primero, se abrió una capa en el modelador de ondas luminosas y el objeto se puede ver como una estructura de alambre. Dentro de este programa, el modelador nos permite ver múltiples capas de estructuras de alambre, lo que evita que resaltemos o movamos accidentalmente ciertos polígonos mientras creamos el esqueleto. En nuestro modelo, creamos una columna espinal artificial que fue diseñada para actuar como vértebras cervicales desde el cuello hasta las vértebras sacras en la punta de la cola.

Skegan recreó aquí el esqueleto del auténtico Dragón Jackie. Sin embargo, solo utilizamos una pistola de esqueleto grande para la cabeza. Luego creamos cuatro miembros, cada uno compuesto por cuatro skegan, y posteriormente los skegan se fusionaron como vértebras torácicas, y finalmente los miembros posteriores también se fusionaron con la cintura pélvica.

Los esqueganos se fusionaron entonces para crear un sistema jerárquico en el que la columna vertebral actuaba como un fundamento central para todos los movimientos de las extremidades. Una vez creados todos los esqueganos, el objeto se sincronizó luego con la disposición de ondas de luz, y los esqueganos se convirtieron en huesos. Cada hueso, al igual que el propio objeto en el modo de disposición, tiene también tres planos de rotación.

Los esqueganes que son nuestros predecesores de los huesos. Los esqueganes se crean inicialmente utilizando el modelador ligero. Aquí es donde instalamos estos esqueganes para luego convertirlos en huesos usando la distribución de onda ligera.

Los esqueletos son el proceso inicial que nos brinda la flexibilidad y manipulación necesarias para cambiar el objeto en diferentes formas y posiciones. Primero, en el modelador de Light Wave, podemos agregar esqueletos, que ayudan a manipular nuestro objeto. Ahora estos esqueletos se establecen en el objeto como marcadores de posición que serán convertidos en huesos.

En el entorno de diseño de Light Wave, convertimos estos esquegans en huesos. En este diagrama también hay una malla poligonal, que nos muestra exactamente las dimensiones y la cantidad de polígonos dentro de nuestro objeto particular en el entorno de diseño de Light Wave. En la siguiente escena, verá cómo estos huesos funcionan juntos para ayudar a manipular el objeto. El peso asignado proporciona a los objetos un movimiento flexible y restringido.

Los mapas de pesos tienen un valor general que oscila entre -100 % y +100 % en la distribución del movimiento. Por ejemplo, los mapas de pesos independientes asignados a áreas específicas del objeto deben actuar de forma antagonista para permitir un movimiento suave y realista del objeto. El valor del peso indica que una mayor desviación del 0 %, que equivale a ningún efecto, producirá un efecto mayor sobre el movimiento de la parte corporal particular.

El sombreadeo de peso de un área determinada también afecta el movimiento de los huesos. Sin embargo, no asignar correctamente el peso puede provocar un movimiento retardado del objeto en relación con el movimiento de los huesos, por ejemplo, los huesos podrían sobresalir del objeto cuando el movimiento del objeto es en la misma dirección general, o podría producir un movimiento excesivo, como cuando el movimiento del objeto supera la posición de los huesos en la dirección general. Aquí, en LightWave Modeler, dividimos nuestra perspectiva en una perspectiva cuádruple.

Esto nos permite observar pares antagónicos de sombreado de peso. Para mostrarle de cerca un ejemplo de cómo ocurre el sombreado de peso aquí, lo que hemos hecho es colocar primero un sombreado de peso en la cola. Al agregar sombreados de peso a una parte específica del objeto, necesitaríamos añadir un sombreado de contrapeso para equilibrar el movimiento del objeto.

Aquí hemos añadido una sombra de contrapeso en la cabeza para equilibrar los movimientos exagerados que podría producir la cola. Para comenzar el rotoscopiado, primero necesitamos recopilar secuencias en las que podamos modelar nuestros patrones motores. Primero simulamos interacciones macho-macho a partir de individuos en cautiverio.

Los machos fueron colocados en terrarios de vidrio para IPO, y luego se filmaron individualmente durante exhibiciones sociales. Estas secuencias se archivaron posteriormente para otros experimentos y para ser utilizadas en rotoscopia. Seleccionamos secuencias de patrones motores, como sacudidas de cola, flexiones, balanceos corporales y movimientos lentos de brazo, a partir de las grabaciones digitales obtenidas, y exportamos estos segmentos como secuencias de imágenes, que consisten en una serie consecutiva de archivos jpeg en Apple QuickTime.

Inicialmente filmamos interacciones de animales vivos, que son necesarias y se guardaron como material de video archivado para realizar la captura de estímulos. Mostramos este material archivado de lagartos a un lagarto vivo mantenido en un recinto. Las respuestas de este lagarto vivo se registraron entonces mediante una videocámara digital, y esto esencialmente se convirtió en nuestras secuencias que utilizamos para el rotoscopio.

El rotoscopio es una técnica en la que el modelo se superpone a una imagen de fondo o a una serie de imágenes en las que el objeto pretende imitar una secuencia fotograma a fotograma. El programa de diseño de ondas luminosas es el medio en el que se crea la escena para la secuencia de animación. En el diseño, podemos controlar el entorno en el que representar nuestra animación estableciendo parámetros para las características de la luz, la cámara, el objeto y el fondo.

En la disposición. El estímulo también se utiliza en la escena final, que solo se capturará cuando el material esté dentro del campo de visión final de la cámara. Primero, se importa la primera imagen jpeg como fondo de la vista de la cámara.

A continuación, el objeto se manipularía utilizando los parámetros de movimiento de los huesos que también se superponen frente a la imagen de fondo. Luego, el fotograma se define con fotogramas clave, lo que guarda la posición del objeto y de todos los huesos para ese fotograma específico. La imagen de fondo se elimina y se reemplaza por la siguiente imagen consecutiva.

En la secuencia de imágenes, el objeto se manipula nuevamente para colocarlo en la posición y postura de la imagen de fondo, tras completar la manipulación de cada fotograma. Luego, cada fotograma se define como clave y, cuando la escena está completa, la secuencia puede exportarse como una secuencia de imágenes o renderizarse como una secuencia completa. Con el fin de demostrar el rotoscopio, que consiste en la recreación de movimientos realistas basados en secuencias de video grabadas, comenzaremos mostrándole lo que normalmente utilizamos como fondo original.

Aquí, en esta primera secuencia, verá el soporte persa vacío, en el que normalmente se posa la lagartija. En segundo lugar, le mostraré la secuencia de la lagartija en vivo que utilizaremos para el rotoscopio. Y en tercer lugar, verá la secuencia de la lagartija animada que se coloca encima de la lagartija en vivo.

Aquí les muestro dónde se importa el objeto en el entorno de Light Wave. Como pueden ver, pueden dividir el entorno en varias pantallas diferentes, lo que les brinda una mejor vista para manipular el objeto. Sin embargo, la vista más importante es la de arriba, que es la vista de la cámara, y en ella pueden ver las áreas seguras, designadas por los recuadros rectangulares alrededor del lagarto.

Todo lo que se vea o coloque dentro de esta área segura será grabado por la cámara y finalmente utilizado para la generación de la escena. El rotoscopiado es la manipulación cuadro por cuadro del objeto sobre imágenes de fondo.

Lo que hemos hecho aquí como un proceso paso a paso es exportar la secuencia de imágenes en fotogramas individuales. Luego utilizamos esos fotogramas individuales y los colocamos sobre el fondo de nuestra secuencia animada. A continuación, debemos mover nuestra secuencia animada para que coincida con las posiciones observadas en el fondo.

Entonces, al sincronizarlo cuadro por cuadro, somos capaces de recrear el movimiento que realmente se realiza a partir de una secuencia de imágenes real. Como mencioné anteriormente, necesitaríamos importar cada cuadro de la secuencia uno por uno para poder realizar el rotoscopiado de nuestra imagen. En este cuadro, hemos importado la primera secuencia como fondo, lo que nos permite ver dónde se encuentra nuestro objeto frente a la imagen de fondo.

Luego podemos proporcionar también una vista de radiografía ósea y un diseño de onda luminosa, lo que nos permite ver los huesos a través de la textura del objeto aquí. Al poder ver los huesos a través de la textura del objeto, podemos manipularlo para que coincida con la secuencia de fondo de cada imagen particular. Luego importaríamos la siguiente secuencia consecutiva sobre la cual deseamos realizar el rotoscopio de nuestra imagen.

Y esto se realiza nuevamente como una secuencia cuadro por cuadro a lo largo de toda la secuencia consecutiva. Las secuencias pequeñas pueden renderizarse directamente desde el diseño a diferentes formatos de imagen o directamente a secuencias de video. Todas las secuencias grandes pueden renderizarse utilizando render.

Farm Commander de Bruce Rain Render. Farm Commander o RFC permite que todos los ordenadores de un sistema de red de área local aumenten el tiempo de renderizado distribuyendo tareas entre ordenadores conectados. En nuestro laboratorio, hemos utilizado cuatro Apple Mac G5 con procesadores duales, lo que incluye ocho hilos para distribuir el renderizado.

Por ejemplo, el procesamiento de una secuencia de 9.000 fotogramas, lo que equivale a seis minutos en el estándar DV pal, puede completarse en 12 horas utilizando un único procesador G5 y reducirse a cuatro horas cuando se distribuye en ocho hilos o en 4 procesos duales G5. El uso de RFC para el procesamiento por lotes es eficiente cuando no hay más de dos secuencias grandes. Sin embargo, RFC generará cualquier número de archivos gráficos individuales.

Sin embargo, optamos por convertir ambas secuencias, larga y corta, en archivos JPEG individuales. Solo para demostrarlo nuevamente, aquí tenemos nuestra secuencia original, y nuestra secuencia original tendrá un sonido de lagarto, una exhibición estándar de flexiones corporales con movimiento de roca, que se utiliza para comunicación social e interacciones agresivas. Y ahora tenemos nuestra secuencia final, nuestro lagarto animado, y este lagarto animado va a duplicar nuestras flexiones corporales con movimiento de roca que se observaron en las imágenes iniciales del lagarto.