Modelagem Facial Foto-Realista

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1 Marco Antonio de Azevedo Van Marc Motion Design Como modelar uma face humana foto-realista, 3D, a partir do software 3ds Max/Maya para utilização em mídias de alta-definição. Objetivos de aprendizado da sessão Nesta palestra você irá: Conhecer as etapas de uma produção de uma modelagem facial foto-realista Conhecer e entender as principais técnicas de modelagem tradicional A importância da fotografia na modelagem proposta A importância de um estudo anatômico para a modelagem Conhecer a técnica de modelagem vértice-a-vértice, seus benefícios, problemas e soluções Sobre o Palestrante No mercado da CG a mais de 14 anos possui larga experiência em produção de vídeo, finalização, composição e modelagem e animação 3D tendo trabalhado durante 11 anos na RBS TV, emissora de TV afiliada Rede Globo como Produtor Gráfico e Diretor de Arte. Leciona sobre o conteúdo do software 3ds Max desde 2001, tendo trabalhado junto a um Centro de Treinamento Autorizado Autodesk no passado e mais recentemente abriu seu próprio ATC em Florianópolis nos segmentos de M&E e AEC. Tem dedicado seus estudos, desde a graduação em modelagem facial humana foto-realista e assim segue junto à Universidade Federal de Santa Catarina aprimorando sua pesquisa na área. Contato marco@vanmarc.com.br

2 Modelagem Facial 3D Foto-Realista A modelagem facial 3D tem sido um assunto amplamente abordado e discutido em fóruns, revistas, congressos, eventos, etc. no meio da CG. Apesar disso, quando o foco é fotorealismo, a busca pela perfeição vai mais além e, muitas vezes, o processo se torna penoso para o artista. Alcançar a forma exata da face de uma pessoa, se utilizando da modelagem tradicional, não é uma tarefa fácil. É fato que nos dias de hoje existem muitos recursos tecnológicos para se conseguir certa precisão e uma melhor definição de malha 3D. O digitalizador 3D (scanner 3D), as múltiplas fotografias estereoscópicas apresentadas na SIGGRAPH em 2010, o projeto PhotoFly da Autodesk que se utiliza de fotos comuns para gerar um objeto 3D, entre muitos outros sistemas existentes no mercado, podem gerar uma malha 3D significativamente fiel ao objeto real captado. O que ocorre nesses processos é que normalmente os dados gerados por esses dispositivos são de forma automática e não produzem uma malha própria para o uso em animação ou mídias de alta definição em função de suas características aleatórias ou densas demais, da malha 3D. Uma opção interessante seria fazer a re-topologia da malha gerada por dados de um sistema digitalizador 3D no Autodesk MudBox por exemplo, mas ainda assim, por vezes esses processos são caros ou inacessíveis para muitos porque dependem de outros equipamentos e não somente softwares. Por outro lado, na modelagem tradicional, utilizando-se de softwares como o Autodesk 3ds Max e o Autodesk Maya, é consenso entre os autores a utilização de fotos nos imageplanes ou em backgrounds como referência para a modelagem. Nesse caso, é comum o artista fazer adaptações na face do modelo fotográfico, a partir de softwares de edição e manipulação 2

3 de imagens digitais, para se adequar à sua modelagem ou, de alguma forma, facilitar o processo. O resultado acaba sendo muitas vezes foto-real, porém diferente do objeto real, ou seja, a modelagem ficou até boa, mas não corresponde exatamente à face da pessoa que foi utilizada como referência da modelagem. Nessa sessão do AU Brasil 2011, Modelagem Facial 3D Foto-Realista, será apresentada uma técnica de modelagem facial, se utilizando da modelagem tradicional, onde o foco é o realismo e a identificação com o modelo real. Também serão mostradas, de modo breve, outras técnicas de modelagens auxiliares, utilizadas conjuntamente e algumas novidades da ferramenta Graphite Modeling do Autodesk 3ds Max. Tipos de Modelagens Tradicionais Na modelagem tradicional, fotos de frente e de lado da face de uma pessoa, são colocadas nos respectivos backgrounds do software como no Autodesk 3ds Max e imageplanes no Autodesk Maya para a referência de modelagem e a partir daí dá-se início ao processo de modelagem propriamente dito. Outras fotos podem ser utilizadas como texturas e referência de animação. É relativamente comum encontrar, nos tutoriais disponíveis em sites e livros do meio da CG, técnicas como: o o o o Extrusão de arestas: o artista, geralmente a partir de um plano, faz sucessivas extrusões das arestas para formar o modelo. Box Modeling: possivelmente a modelagem mais conhecida e utilizada atualmente, parte de uma geometria primitiva, normalmente um Box para construir o modelo. Modelagem por SP-lines : linhas de splines são utilizadas como ancoragem de uma malha 3D a ser adicionada por modificadores. NURBS Modeling: modelagem a partir de superfícies e curvas NURBS. Entre outras. As etapas seguintes de um processo de modelagem estão relacionadas com a texturização, mapeamento e renderização. Freqüentemente tem se usado os fantásticos recursos do Autodesk MudBox para criação de um normal map mais realista ou mesmo uma malha rica em detalhes. Fotos também são utilizadas para ajudar esculpir a malha no MudBox e, principalmente, elas são usadas diretamente nas texturas da pele e no material SSS (subsurface scattering). Sistemas de renderização como o mentalray e o iray proporcionam shaders, luzes e uma ambientação realista, conferindo ao final trabalho uma imagem de alta definição com uma aparência muito próxima ao que se obtém em excelentes imagens fotográficas, isto é, o foto-realismo. 3

4 A Fotografia e Preparação das Imagens A modelagem proposta nessa sessão do AU Brasil 2011 não tem a intenção de ser chamada de a melhor ou a mais eficiente até porque seria muito difícil se medir um tipo de performance como essa onde a habilidade e experiência do artista definem, muitas vezes, questões de desempenho. O objetivo é propor um método pouco usual de modelagem destacando-se os pontos positivos, os negativos e os benefícios da ferramenta Graphite Modeling do software Autodesk 3ds Max quando aplicadas a essa técnica que está sendo chamada originalmente de vertex-to-vertex modeling ou modelagem vértice-a-vértice. Para tanto, foram utilizados os estudos feitos pelo autor, em nível de Mestrado, junto à Universidade Federal de Santa Catarina e, a seguir, bem como na sessão do AU Brasil 2011, será descrito parte do estudo. Usando o método de modelagem tradicional, a primeira etapa é obter as fotos, de frente e de lado do modelo da face. É importante observar que os backgrounds ou as image-planes funcionam como épuras de projeções ortográficas (projeções perpendiculares às respectivas vistas de projeção) onde, na modelagem, se faz o processo inverso ao da geometria descritiva, ou seja, o modelo é efetivamente construído a partir das fotos. Isso significa que, a rigor, as fotos deveriam estar em projeções ortográficas também. Se falando de fotos, é preciso subtrair, portanto, as distorções óticas causadas pelas lentes. O estudo mostrou que as lentes Tele-Photo ou somente Tele (teleobjetivas), normalmente utilizadas para fotografar paisagens longínquas em ambiente abertos ou também como lente Macro para fotografar insetos e outros animais pequenos sem perturbá-los, à distância, eram as lentes próprias para a fotografia de referência da modelagem. Para este ensaio específico foi utilizada uma câmera Canon EOS 5D Mark II com a teleobjetiva Canon EF mm f/4-5.6 IS USM a 300mm, ISO 100 e 21 Mpixel. Foi observado que lentes acima de 55mm já começam a ter um grau de distorção menor. Outra preocupação era a posição da modelo, em relação à câmera. As fotos de frente e de lado precisavam estar na mesma altura, numa diferença precisa de 90 graus de giro horizontal, sem rotação vertical ou horizontal da cabeça nas respectivas posições. 4

5 Figura 1: Foto de making off do ensaio fotográfico. Tendo em vista que o objetivo era reproduzir uma face humana em 3D, nos preocupamos também em reproduzir as condições de visualização dessa face no 3D. Foi então filmado e documentado todo o processo e também foram feitas medidas da distância da câmera até o ponto focal da modelo, das alturas e etc. para determinar a posição da câmera 3D. Alguns aparatos de referência de posição para a cabeça foram utilizados. Tudo para que o que era visto na foto, também pudesse ser reproduzido e visto no 3D. Outras fotos a 45 graus foram utilizadas como referência extra e acabaram sendo de extrema importância para o resultado final. Fotos para referência de expressões faciais e fotos para texturas foram captadas em outros ensaios. Para as fotos de textura foi utilizada uma câmera Canon EOS 7D com uma lente de menor zoom. Figura 2: Essa imagem mostra as 4 fotos selecionadas para a modelagem. A modelo está nos seus respectivos ângulos para referência. As linhas azuis são guias de posição. A precisão das imagens foi quase perfeita e poucos foram os ajustes no Adobe Photoshop. 5

6 Breve Estudo Anatômico Figura 3: As fotos posicionadas no background do Autodesk 3ds Max São utilizadas fotos dos dois lados porque uma pessoa, por mais que pareça, não possui uma simetria exata bilateralmente. Após configurar as fotos em background no 3ds Max, um breve estudo da anatomia e das expressões é recomendado. Visando uma possível utilização em animação, o objetivo nessa parte do processo é estabelecer as linhas de expressão facial, onde o artista precisará maior resolução de malha para poder gerar tais linhas no 3D. É importante verificar o sentido em que correm essas linhas para se estabelecer uma conexão direta entre foto e a malha 3D. Para tanto, foram utilizadas algumas fotos para referência de expressões também. Jason Osipa, no seu livro intitulado Facial Modeling And Animation Done Right Stop Staring, propõe que as linhas da malha serão as linhas de expressões no 3D e também separa a modelagem em partes menores, como a testa, a máscara dos olhos, nariz e a boca, orelhas, entre outras para depois conectá-las. A Figura 4, abaixo, mostra em preto as linhas de expressão com setas indicativas do movimento executado para tal. Em vermelho, as áreas a serem modeladas de forma independente. 6

7 Figura 4: Fotos enfatizando as expressões faciais e as áreas de modelagem. A Modelagem Vértice-a-Vértice A modelagem vértice-a-vértice tem início com uma geometria primitiva plane. A partir dele, são excluídos todos os polígonos e se trabalha apenas com a criação e posicionamento de vértices. Tendo como referência precisa as fotos de fundo, fica fácil posicionar cada vértice. Iniciando-se pelo olho, rapidamente se obtém uma forma inicial, mesmo que apenas com vértices. Já é possível ver seus contornos. De início o trabalho aparenta ser penoso, mas algumas questões são importantes de serem consideradas: - Diferentemente do Box modeling, nesse processo a artista já pode ir definindo o grau de resolução ou densidade da malha para cada área do modelo 3D. Em teoria, após o posicionamento e fechamento da malha, o modelo praticamente está pronto. Apenas ajustes da forma em pontos-cegos se fazem necessários; - O fechamento da malha se dá utilizando se as ferramentas do Graphite Modeling de fechamento rápido. No geral as ferramentas do Graphite Modeling, são excelentes para essa modelagem. Figura 5: detalhe da modelagem. - Dado o cuidado com a etapa de fotografia, não se faz necessário o recurso de camera match, que cria 7

8 uma câmera virtual a partir da foto, pois os dados já foram colhidos, é só passar esses dados para a câmera 3D e pronto, a câmera já está criada; - Também não se faz necessário o uso de softwares adicionais para conferência das dimensões da forma nos pontos-cegos, pois já se têm fotos controladas para essa referência, basta posicionar ou criar uma nova câmera 3D numa nova posição cujos dados estão relacionados a alguma foto específica e ajustar a malha conforme a foto de referência. - A modelo gerado possui maior precisão e identificação com o modelo real. Figura 6: Avanços na modelagem da máscara do olho. Fatores negativos em relação aos outros tipos de modelagens e soluções encontradas: - Demanda um ensaio fotográfico mais apurado, algumas vezes mais custoso e trabalhado, gerando custos para a produção. A solução está relacionada com o conhecimento técnico de fotografia e disponibilidade dos equipamentos por parte do artista ou produtor das fotos. Em geral o custo de um ensaio como esse não é alto quando se sabe o que quer da foto. - O tempo de produção, incluindo a modelagem, pode se tornar demasiado em certas circunstâncias. A solução está relacionada com o conhecimento técnico e experiência do artista. Estabelecer padrões e critérios pode facilitar o processo. - A dificuldade em estabelecer algumas posições iniciais de alguns vértices pode ser um problema que pode levar a um retrabalho em algumas partes e conseqüentemente há um 8

9 tempo maior de modelagem. Para esse caso, a prática levará a um conhecimento maior de localização dos pontos e otimização da malha. - A malha gerada ocasionalmente pode ficar com rugas ou depressões, isto é, pode não ficar limpa e uniforme tendo em vista que cada ponto foi colocado manualmente. Em geral essas depressões e rugas na malha estão presentes no modelo real e são benéficos para um maior realismo. É preciso identificar e selecionar o que está em conformidade com o modelo real e o que precisa ser retirado como um defeito na modelagem. Neste último caso as ferramentas do Graphite Modeling são de enorme importância e normalmente conseguem solucionar muito satisfatoriamente a totalidade dos problemas, de forma bastante rápida. Figura 7: Quatro vistas do 3ds Max. As duas vistas inferiores são de câmeras do 3ds Max nas posições da câmera original com o efeito de clipping planes ativo e animado para conferir cada área do rosto. Nessa sessão do AU Brasil 2011 você verá algumas ferramentas do Graphite Modeling para fechar, ajustar e corrigir a malhar 3D. Concluída a modelagem, ajustes finais nas proporções são realizados com base nas demais fotos de outros ângulos. Fotos captadas a 45 graus normalmente complementam bem esta etapa (Figura 7). A textura é de extrema importância e também tem base nas fotos. Uma orientação UVW é gerada a partir do UVW Unwrap e o fluxo de trabalho 3ds Max > MudBox > 3ds Max para se extrair os mapas de displace, bump e normal complementam o acabamento. Uma série de mapas é gerada para dar cor, semelhança à pele, saliências, brilho, etc. 9

10 Figura 8: Seqüência de mapas utilizados no modelo. Utilizando o renderizador mental Ray junto com o shader subsurface scattering fast skin+displacement, é possível obter bons resultados com uma configuração de render predefinida e luzes fotométricas. Conclusão A técnica apresentada facilita a modelagem cujo resultado esperado demanda precisão da forma. A forma orgânica da face torna a modelagem especialmente mais difícil e trabalhosa para qualquer das técnicas empregadas, porém a modelagem vértice-a-vértice pode contribuir com aspectos de precisão principalmente em áreas de maior detalhamento e forma mais complexa. Figura 9: Alguns Renderings finais e um print screen da viewport no centro. 10

11 Figura 10: Render Final 11

12 Figura 11: Testes de Rendering alterando sutilmente os níveis de branco do Overall Diffuse Map. Nota do Autor Algumas bibliografias são sugeridas para complementar seu estudo sobre modelagem facial foto-real. Abaixo o autor lista algumas delas 12

13 Bibliografias [1] DERAKHSHANI, Dariush; DERAKHSHANI, Randi L. Autodesk 3ds Max 2012 Essentials ed. Sybex, Compyrigth Junho 2011 by Wiley Publishing Inc., Indianapolis, Indiana. Publicado simultaneamente no Canadá. ISBN: [2] FEDOR, Paul. et. al. CREATIVE ESSENCE THE FACE ed. Ballistic Publishing. First Edition published in Australia 2007 by Ballistic publishing. Limited Edition Collector s edition ISBN: [3] d artiste CHARACTER MODELING ed. Ballistic Publishing. First Edition published in Australia 2005 by Ballistic publishing. Limited Edition Collector s edition ISBN: [4] AZEVEDO, Marco Antonio de. ANÁLISE DE MODELAGEM 3D VIRTUAL DE PERSONAGEM FOTO-REALISTA Marco Antonio de Azevedo Florianópolis Ix, 108p. Trabalho de Conclusão de Curso Sistema Barddal de ensino. Faculdades Barddal de Artes Aplicadas Curso de Design Programação Visual. [5] OSIPA, Jason Facial Modeling and Animation Done Rigth STOP STARING Second Edition ed. Sybex, Compyrigth 2007 by Wiley Publishing Inc., Indianapolis, Indiana. Publicado simultaneamente no Canadá. ISBN-13: [6] CG SOCIETY web site: 13