Gerados por computador Modelo Estímulos animal

Olá, meu nome é Kevin w, do Centro de Estudo Integrativo de Comportamento Animal da Universidade Macquarie em Sydney, Austrália. Neste artigo em vídeo, vou falar sobre o uso de animações computadorizadas em experimentos de comportamento animal. Em particular, vou abordar como fabricamos um desses modelos.

Hoje, as animações estão se tornando amplamente populares em nossa cultura contemporânea, mas não vemos muitas delas no campo da ciência ou em pesquisas relacionadas à ciência. No entanto, as primeiras tentativas de criar animações para a ciência começaram com processos bastante básicos, e esses processos frequentemente envolviam o corte e a varredura de partes específicas de um objeto ou de um espécime particular, ou também utilizavam técnicas semelhantes ao movimento biológico, como pontos de luz, para identificar certas partes do corpo e associá-las a uma animação. Além disso, se quiséssemos criar uma animação, alguém teria que fazê-la do zero.

Agora, o uso de animação tem nos permitido estudar muitas coisas no comportamento animal, como acasalamento, corte e o que eu vou analisar especificamente aqui é a comunicação ou a comunicação visual. O uso de animação é muito mais sofisticado do que os métodos tradicionais, como interações ao vivo ou métodos invasivos, tais como cirurgia. Neste artigo artístico específico, vou fornecer uma visão geral de como produzimos esse modelo particular, e vamos analisar como esse modelo é escaneado.

Vamos analisar como adicionar textura, os ossos do mapeamento UV, a tonalidade de peso, como capturamos efetivamente o estímulo para rotoscopia e, finalmente, como o processo é completamente renderizado até obtermos uma sequência completa. Existem oito etapas principais nas quais podemos criar toda a animação. O primeiro passo é fornecer um escaneamento 3D de todo o objeto.

Isso fornece a forma básica do objeto. Em seguida, precisamos adicionar a textura, que evidentemente confere um aspecto mais realista, e essa textura é então dividida em um mapa UV, o que permite que certos pontos da textura sejam posicionados exatamente sobre o objeto. Depois, será necessário manipular o objeto e, em seguida, adicionaremos os esqueletos, que são então transformados em ossos.

A sombreamento de peso é então incluído para também fornecer ao objeto uma perspectiva geral de equilíbrio no movimento. Em seguida, precisamos capturar estímulos específicos nos quais possamos modelar o movimento do objeto. Depois, fazemos o rotoscópio desses movimentos sobre as imagens que capturamos e, finalmente, devemos renderizar as sequências em um formato legível para reprodução em vídeo; adquirimos um espécime taxidermizado para ser usado como nosso modelo.

Aqui utilizamos o Konica Minolta vi dash nine I para reproduzir um objeto 3D. O Konica Minolta utiliza fotografia digital e fornece uma medição de alta precisão ao empregar um algoritmo 3D para unir segmentos fotográficos. Ele produz a forma e as dimensões do modelo e converte as imagens em dados digitais 3D.

A digitalização 3D captura segmentos específicos de um objeto real e os insere em um objeto simulado para animação computacional. Em seguida, esse objeto é construído reunindo esses segmentos e posicionando-os corretamente. Isso resulta em um objeto que podemos manipular em softwares de animação.

Aqui apresentamos uma configuração simulada de como fotografamos nosso objeto e, em seguida, como convertemos nosso objeto em um modelo animado tridimensional. O objeto é primeiramente fotografado sob diversos ângulos, e essas imagens fotográficas são posicionadas na orientação correta, o que permite o suavização dos contornos conectados. Esta técnica incorpora o uso de sistemas fotogramétricos, utilizados para obter alto nível de detalhe e alta precisão do objeto.

Este sistema utiliza marcadores revestidos e barras de escala com dimensões controladas para mapear as coordenadas dos marcadores de referência. Essas coordenadas constituem uma constelação tridimensional que é usada para medir com precisão os contornos e as distâncias entre cada seção fotográfica. Os dados foram coletados usando o software Raindrop Geomagic, o qual foi utilizado para obter uma malha poligonal única da forma morfológica dos dados.

Para criar nossa animação, optamos por usar um programa chamado Light Wave 3D. Embora existam outros programas de animação 3D disponíveis, escolhemos o LightWave por sua interface amigável e capacidade de ler arquivos de saída compatíveis. Além disso, o LightWave é composto por dois programas separados: o modelador e a montagem.

O programa modelador LightWave permite a manipulação do objeto destacando polígonos específicos para alterações, criando camadas no objeto, adicionando cor e textura, e produzindo esqueletos. O ambiente de trabalho do LightWave cria cenas utilizadas para finalizar a sequência de animação. O Modler é onde são construídas as características do objeto.

É aqui que podemos adicionar textura, mapeamento UV, esqueleto inicial, que se transformará em ossos, e também cuidar do peso. O modelador de sombreamento é um precedente ao uso do Light Wave, onde as cenas são efetivamente construídas, sendo assim o local onde todas as características do objeto são inicialmente instaladas no objeto. O Layout do Light Wave é um programa no qual você cria a cena real, com exceção da grade onde o objeto será posicionado. Dentro deste plano X, Y e Z, existem duas outras características específicas.

Você tem a câmera, que na verdade grava a cena, e a própria câmera pode ser posicionada em qualquer ângulo no qual você desejar visualizá-la. Em seguida, há as luzes. Você pode usar uma ou várias luzes também, e elas ajudam a iluminar a cena, bem como o objeto, permitindo criar diferentes aspectos de iluminação.

O Layout de onda luminosa oferece diversos aspectos nos quais podemos observar a cena. O número máximo de aspectos disponíveis são quatro perspectivas diferentes. Agora, esta é a melhor maneira de analisar diversos ângulos do seu objeto dentro da cena antes da saída final.

No layout da onda luminosa, existem três eixos rotacionais diferentes. O primeiro é a coordenada X, que é o arfagem. Em segundo lugar, a coordenada Y, que é o guinada, e em terceiro lugar, a coordenada Z, que é o rolamento.

Essas três coordenadas diferentes dizem respeito ao movimento no qual podemos manipular não apenas o objeto, mas também as câmeras e as luzes dentro da nossa cena. Primeiramente, selecionamos um lagarto Jackie com massa e comprimento semelhantes aos do nosso modelo empalhado. A partir daí, obtivemos a textura do objeto fotografando os padrões e texturas desse dragão Jackie vivo.

Este lagarto foi então fotografado de vários ângulos, como frontal e ortogonal, a partir de diferentes posições, tais como frontal, ortogonal, ventral e dorsal, e de várias partes do corpo, como o animal inteiro, a cabeça, o corpo, a cauda e as patas, sobre uma folha de papel branca. Em seguida, ajustamos isso para obter os valores RGB puramente brancos. Para adquirir a textura correta, pegamos um lagarto vivo e o fotografamos de vários ângulos diferentes. Foram utilizados três ângulos e também três posições distintas.

Os três ângulos foram ortogonal, dorsal e ventral, e as três posições foram anterior, central e posterior. Utilizamos uma câmera digital Canon ES para fotografar esses lagartos. As fotografias foram então importadas para o Adobe Photoshop, onde os elementos maiores foram separados do fundo real.

Esses pedaços foram então correspondidos a valores RGB e também balanceados em branco para que não houvesse diferença de cor. Criamos um mapa UV de atlas para sobrepor a textura ao objeto. Esse mapa UV de atlas foi criado no Light Wave Modeler.

Um mapa UV de Atlas separa o objeto em fragmentos compostos por polígonos conectados. Como o objeto não tinha uma forma simples, como um cubo ou cilindro, o mapa UV de Atlas divide o objeto em várias superfícies planares mais simples, sem ângulos de 90 graus. No entanto, um mapa UV de Atlas fragmenta o objeto em diversos segmentos descontínuos de polígonos conectados.

Assim, o mapa UV do Atlas foi capturado usando um programa chamado Grab para criar uma imagem JPEG separada. Em seguida, incorporamos essa imagem BA como uma camada de fundo no Adobe Photoshop Elements. Ao capturar um JPEG sem redimensionar a imagem, mantivemos as mesmas proporções que podem ser usadas para mapear áreas no Jackie Dragon ao objeto.

As várias fotografias dos Jackie Dragons foram então fundidas no Adobe Photoshop Elements para criar Jackie Dragons completos em diversas posições, como frontal, ortogonal, ventral e dorsal. Em seguida, os polígonos foram ajustados à área local no Jackie Dragon. Agora, no Light Wave Modeler, destacamos novamente esses polígonos no mapa UV do Atlas, o que nos permitiu identificar a área específica no Jackie Dragon.

Essa área foi então recortada e sobreposta ao mapa UV do Atlas em formato jpeg, em áreas específicas do Jackie Dragon que foram fotografadas, recortadas e sobrepostas a esses polígonos específicos. Quando todos os fragmentos fotográficos foram sobrepostos ao mapa UV do Atlas em formato jpeg, o fundo foi removido e um único arquivo TIF foi criado. O arquivo TIF foi então importado novamente para o modelador Light Wave e atribuído às coordenadas UV.

O mapeamento UV é o processo em que pegamos segmentos anteriormente fotografados do lagarto vivo e os segmentamos, posicionando-os sobre o nosso lagarto animado. Isso é feito no programa Light Wave Modeler. Utilizando o programa Light Wave Modeler, usamos a ferramenta Mapa de Atlas UV, que nos permite dividir o objeto em vários segmentos diferentes.

Ao dividi-lo em vários segmentos diferentes, conseguimos utilizar a textura obtida a partir das fotografias e aplicá-la sobre essas partes específicas. Diferentemente de um objeto que pode ser liso ou cilíndrico, objetos que não possuem ângulos de 90 graus são divididos em diversos segmentos. Aqui temos uma ampliação de alguns pequenos segmentos poligonais no nosso mapa de atlas UV.

Podemos destacar esses segmentos específicos para ver quais polígonos correspondem a cada corpo específico. As partes do objeto, segmentos das fotografias tiradas em um lagarto iluminado, foram então particionadas e colocadas sobre nossas peças separadas. Usando o mapa de atlas UV, esses segmentos foram então correspondidos e, portanto, sobreporam a textura sobre o nosso objeto.

Esqueletos e ossos são incorporados ao objeto, o que permite o movimento geral e a manipulação do objeto. Primeiro, no modelador de ondas luminosas, os esqueletos foram incorporados ao objeto e atuam como espaços reservados para ossos virtuais a serem criados no layout do Light Wave. Em nosso objeto em particular, foram criados 61 ossos no total.

Primeiro, uma camada foi aberta no modelador de ondas luminosas e o objeto pode ser visualizado como uma estrutura de arame. Dentro desse programa, o modelador permite visualizar múltiplas camadas de estrutura de arame, o que evita que destaquemos ou movamos acidentalmente certos polígonos durante a criação do esqueleto. No nosso modelo, criamos uma coluna vertebral artificial que foi elaborada para funcionar como vértebras cervicais, desde o pescoço até as vértebras sacrais na ponta da cauda.

Skegan aqui recriou o esqueleto do verdadeiro Dragão Jackie. No entanto, utilizamos apenas uma arma esquelética grande para a cabeça. Em seguida, criamos quatro membros, cada um composto por quatro skegan, e então os skegan foram fundidos como vértebras torácicas, até que, por fim, os membros posteriores também foram fundidos à cintura pélvica.

Os esquegãs foram então fundidos para criar um sistema hierárquico em que a coluna vertebral atuava como uma base central para todos os movimentos dos membros. Depois que todos os esquegãs foram criados, o objeto foi então sincronizado ao arranjo de ondas luminosas, e os esquegãs foram convertidos em ossos. Cada osso, assim como o próprio objeto no modo de layout, possui também três planos de rotação.

Esqueletos que são nossos precursores dos ossos. Os esqueletos são inicialmente criados usando o modelador leve. É aqui onde instalamos esses esqueletos para posteriormente serem convertidos em ossos usando o layout do Light Wave.

Os esqueletos são o processo inicial que nos dá flexibilidade e controle para alterar o objeto em diferentes formas e posições. Primeiro, no modelador Light Wave, podemos adicionar esqueletos, que ajudam a manipular nosso objeto. Agora, esses esqueletos são definidos no objeto como marcadores de posição para serem convertidos em ossos.

No Layout da Light Wave, convertemos esses skegans em ossos. Neste diagrama, há também uma malha de polígonos, que nos mostra exatamente as dimensões e o número de polígonos dentro do nosso objeto específico no Layout da Light Wave. Na próxima cena, você verá como esses ossos funcionam em conjunto para ajudar a manipular o objeto. O Weight Painting fornece aos objetos um movimento flexível e restrito.

Os mapas de peso possuem um valor geral que varia de -100% a +100% na distribuição do movimento. Por exemplo, mapas de peso independentes designados a áreas específicas do objeto precisam atuar de forma antagônica para permitir um movimento suave e realista do objeto. O valor de peso indica que um desvio maior em relação a 0%, que corresponde à ausência de efeito, produzirá um efeito maior sobre o movimento da parte específica do corpo.

O sombreamento de peso de uma área específica também afeta o movimento dos ossos. No entanto, a falha em atribuir o peso corretamente pode causar movimento retardado do objeto em relação ao movimento dos ossos, como quando os ossos podem se projetar para fora do objeto quando o movimento do objeto está na mesma direção geral, ou pode provocar movimento excessivo, como quando o movimento do objeto ultrapassa a posição dos ossos na direção geral. Aqui no LightWave Modeler, dividimos nossa perspectiva em uma perspectiva quad.

Isso nos permite visualizar pares antagônicos de sombreamento de peso. Para mostrar a você um exemplo em close de como ocorre o sombreamento de peso aqui, o que fizemos foi primeiro aplicar um sombreamento de peso na cauda. Ao adicionar sombreamentos de peso a uma parte específica do objeto, precisaríamos adicionar um sombreamento de contrapeso para equilibrar o movimento do objeto.

Aqui, adicionamos uma sombra de contrapeso na cabeça para equilibrar movimentos exagerados que poderiam ser produzidos pela Cauda. Para começar a rotoscopia, precisamos primeiro coletar sequências nas quais possamos modelar nossos padrões motores. Primeiramente, simulamos interações macho-macho a partir de indivíduos cativos.

Machos foram colocados em terrários de vidro para IPO, e em seguida foram filmados separadamente para exibições sociais. Essas sequências foram então arquivadas para outros experimentos e para serem usadas em rotoscopia. Selecionamos sequências de padrões motores, como um movimento rápido da cauda, flexão, balanço do corpo e aceno lento do braço, a partir das gravações digitais capturadas e exportamos esses segmentos em sequências de imagens, que consistem em uma série consecutiva de arquivos jpeg no formato Apple QuickTime.

Inicialmente, filmamos interações de animais vivos, que são necessárias e salvas como gravações de vídeo de arquivo para realizar a captura de estímulos. Essas gravações de arquivo de lagartos foram mostradas a um lagarto vivo mantido em um recinto. As respostas desse lagarto vivo foram então registradas usando uma câmera digital, e essencialmente se tornaram nossas sequências utilizadas para a rotoscopia.

A rotoscopia é uma técnica na qual o modelo é sobreposto a uma imagem de fundo ou a uma série de imagens nas quais o objeto deve imitar uma sequência quadro a quadro. O programa de composição de ondas luminosas é o ambiente onde a cena é criada para a sequência de animação. Na composição, podemos controlar o ambiente no qual representaremos nossa animação, estabelecendo parâmetros para as características de luz, câmera, objeto e fundo.

No layout. O estímulo também é usado na cena final, que só será capturada quando o material estiver dentro do campo final da câmera. Primeiro, a primeira imagem jpeg é importada para o plano de fundo da visão da câmera.

O objeto seria então manipulado usando os parâmetros de movimento dos ossos que também são sobrepostos à frente da imagem de fundo. Em seguida, o quadro é definido como quadro-chave, o que salva a posição do objeto e de todos os ossos para aquele quadro específico. A imagem de fundo é então removida e substituída pela próxima imagem consecutiva.

Na sequência de imagens, o objeto é novamente manipulado para assumir a posição e postura da imagem de fundo, após a conclusão de cada manipulação de quadro. Cada quadro é então definido como quadro-chave e, quando a cena é finalizada, a sequência pode ser exportada como uma sequência de imagens ou renderizada como uma sequência completa. Para demonstrar o rotoscópio, que é a recreação de movimentos realistas com base em sequências de vídeo gravadas, vamos começar mostrando o que normalmente usamos como plano de fundo original.

Aqui, nesta primeira sequência, você verá o vaso persa vazio, no qual o lagarto normalmente se empoleira. Em segundo lugar, mostrarei a sequência do lagarto vivo que usaremos para o rotoscópio. E em terceiro lugar, você verá a sequência do lagarto animado sobreposta à do lagarto vivo.

Aqui estou mostrando onde o objeto é importado para o layout do Light Wave. Como você pode ver, é possível dividir o layout em várias telas diferentes, o que oferece uma visualização melhor para manipular o objeto. A visão mais importante, no entanto, é a do topo, que é a visão da câmera, e na qual é possível observar as áreas seguras, indicadas pelas caixas retangulares ao redor do lagarto.

Tudo o que for visto ou colocado dentro dessa área segura será gravado pela câmera e eventualmente utilizado para renderização da cena. A rotoscopia é a manipulação quadro a quadro do objeto sobre imagens de fundo.

Então, o que fizemos aqui como um processo passo a passo foi exportar a sequência de imagens em quadros individuais. Em seguida, utilizamos esses quadros individuais e os posicionamos sobre o plano de fundo da nossa sequência animada. Depois, precisamos mover nossa sequência animada para corresponder às posições observadas no plano de fundo.

Assim, ao sincronizá-lo quadro a quadro, somos capazes de recriar o movimento que é realmente realizado a partir de uma sequência de imagens reais. Como mencionei anteriormente, precisaríamos importar cada sequência quadro a quadro para fazer o rotoscópio da nossa imagem. Neste quadro, importamos a primeira sequência como plano de fundo, o que nos permite ver onde nosso objeto está posicionado em relação à nossa imagem de fundo.

Em seguida, também podemos fornecer uma vista de raio X do osso e um layout de onda luminosa, o que nos permite ver os ossos através da textura do objeto aqui. Ao conseguirmos ver os ossos através da textura do objeto, podemos manipular o objeto para que ele se ajuste à sequência de fundo de cada imagem específica. Depois, importaríamos a próxima sequência consecutiva na qual desejamos fazer o rotoscópio da nossa imagem por cima.

E isso é feito novamente como uma sequência quadro a quadro por toda a sequência consecutiva. Pequenas sequências podem ser renderizadas diretamente do layout para diferentes formatos de imagem ou diretamente em sequências de vídeo. Todas as sequências grandes podem ser renderizadas usando render.

Farm Commander da Bruce Rain Render. O Farm Commander ou RFC permite que todos os computadores em um sistema de rede local aumentem o tempo de renderização distribuindo tarefas entre computadores interligados. Em nosso laboratório, utilizamos quatro Mac G5 da Apple com processadores duplos, o que inclui oito threads para distribuir a renderização.

Por exemplo, o processamento de uma sequência de 9.000 quadros, o que equivale a seis minutos no padrão pal DV, pode ser concluído em 12 horas usando um único processador G5 e reduzido a quatro horas quando distribuído em oito threads ou 4 processadores duplos G5. O uso de RFC para processamento em lote é eficiente quando não há mais de duas sequências grandes. No entanto, o RFC produzirá qualquer número de arquivos gráficos individuais.

No entanto, optamos por converter ambas as nossas sequências, longa e curta, em arquivos JPEG individuais. Assim, apenas para demonstrar novamente, temos aqui a nossa sequência original, e a nossa sequência original terá um sinal sonoro de lagarto, um movimento padrão de flexão corporal com rocha, que é usado para comunicação social e interações agressivas. E agora temos a nossa sequência final, o nosso lagarto animado, e esse lagarto animado irá duplicar a nossa flexão corporal com rocha observada nas imagens iniciais do lagarto.