WORKING PAPERS AVATAR EXPRESS: CREATE, EDIT, ANIMATE

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2 Resumo Nos dias de hoje a forma como comunicamos e interagimos com o mundo passa, muitas vezes, por ecrãs. Televisão, computadores, telemóveis e tablets geram ambientes virtuais que tentam reproduzir o mundo real. Seja nos videojogos, filmes ou até em publicidade a representação virtual da figura humana já é algo comum. No entanto, o processo que leva à criação de avatares que se assemelhem com a figura humana é extremamente especializado, minucioso e moroso, requerendo um elevado número de especialistas e artistas e/ou hardwares excessivamente caros. Desde 2006 que focamos os nossos estudos em melhorar passo a passo todo este processo, através da análise dos maiores desafios e problemas que a indústria enfrenta durante a geração destas personagens 3D de elevada qualidade. Apresentamos agora a tecnologia AVATAR, uma solução que permite gerar de forma automática, rápida e simples, avatares realistas usando como recurso fotografias obtidas por uma câmara digital comum. Esta ferramenta inclui: digitalização do participante; criação da geometria do modelo no ambiente virtual; texturização e criação da interação da luz com a pele; estabelecimento de uma estrutura de controlo da geometria; animação, usando movimentos faciais do participante capturados, por exemplo, por uma webcam. Visto que o método de captura da geometria do participante faz uso de hardware comum, permitimos que este passo da ferramenta possa ser replicado em qualquer lugar, não havendo necessidade de deslocamento do participante a um local específico. 2

3 Deste modo, oferecemos à indústria do entretenimento e comunicação uma solução que acelera em 99% a criação de avatares, comparativamente com tecnologias tradicionalmente usadas, e que consequentemente reduz custos associados. A arquitetura modular permite que esta solução se incorpore e adapte facilmente a diversas pipelines de produção de conteúdos digitais, filmes, videojogos, ambientes de realidade virtual, performances ao vivo, aplicações de tempo real, entre muitas outras. O núcleo do desenvolvimento desta tecnologia e respetiva prova de conceito foi cientificamente revista e validada através de vários prémios, entre os quais destacamos: Premio Innovació UPC e Prémio Científico IBM sob financiamento da Generalitat Catalunya (ADI), European Commission (FET) e Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT). Descrição da tecnologia A tecnologia que apresentamos engloba toda a linha de produção de criação de personagens humanas virtuais realistas. Para tal, efectuamos investigação em todos os passos da mesma, desenvolvendo e implementando as mais recentes tecnologias e algorimos de forma a automatizar todo o processo. A nossa solução inclui: (i) captura da geometria; (ii) reconstrução; (iii) texturização e shading; (iv) rigging e (v) animação. No passo (i) capturamos entre duas e 30 fotografias do participante (para o qual geramos o avatar) de forma a adquirir informação sobre a sua face. Quanto maior o número de fotografias mais realista será o resultado. Usando esta informação, usamos algoritmos de reconstrução (ii) para criar a geometria da face do participante no ambiente virtual. O passo seguinte (iii) é responsável por dar cor e vida a essa geometria. 3

4 Ou seja, extrai-se a informação de cor às fotografias e pinta-se a geometria introduzindo-se, por exemplo, os detalhes da coloração da pele. Neste ponto temos um modelo estático semelhante ao participante mas ainda não é possível criar animação. Para tal, criamos um rig, ou seja, uma estrutura de controlo que permite manipular cada parte da face do modelo virtual num processo chamado (iv) rigging. O rig funciona como as linhas de uma marioneta onde através da manipulação das linhas fazemos mover a marioneta. Neste caso, cada parte da face irá ter o seu controlo e ao ativar esse controlo conseguimos criar movimento que resulta em animação. No final deste passo diz-se que o avatar está pronto para ser animado. Deste modo, o passo final (v) é criar essa animação. Para tal pode-se usar animação manual ou animação usando um sistema de captura de movimento (i.e. MoCap). Como tentamos automatizar ao máximo o processo, temos disponível um sistema de MoCap facial que captura os movimentos faciais do participante, gravados, por exemplo, num video. Estes movimentos são então mapeados de forma automática para o rig do modelo facial respetivo, criando animação. Resumindo, a nossa investigação levou à criação de uma metodologia que engloba e automatiza cada um dos passos da pipeline consistindo num conjunto de algoritmos e procedimentos que, em conjunto, permitem devolver um serviço único de criação de faces humanas virtuais que pode ser personalizado (exemplo, qualidade, interatividade, animação,..) de acordo com a aplicação. A flexibilidade, resultante da arquitetura modular, rapidez e automatização de todo este processo permite criar adaptabilidade do serviço fornecido seja a sua aplicação videojogos, filmes, curtasmetragens, publicidade ou vídeos promocionais ou software de telecomunicação. Esta adaptabilidade é crucial devido à diferença entre os requisitos que é necessário contemplar para cada personagem 4

5 digital, de modo a que estejam de acordo com a utilização a que vai ser submetido. Por exemplo, num videojogo de consola a face gerada tem que manter um elevado nível de interatividade sendo a qualidade e resolução da mesma fatores secundários. O oposto verifica-se no cinema e publicidade, onde a qualidade da geometria e realismo do modelo facial é a chave para a criar a sensação de imersividade e atração da atenção do espectador. Tendo em conta estas premissas, decidimos manter a solução o mais flexível possível de forma a cobrir ao máximo as necessidades do cliente. Aspetos inovadores e principais vantagens O AVATAR Express é uma solução única que engloba toda a linha de produção e de criação de personagens virtuais, desde a sua captura até à criação de animação. Através da automatização deste processo diminui-se o trabalho manual e especializado usualmente requerido, reduzindo tempo e custos inerentes, mantendo a qualidade foto realista necessária para uma melhor sensação imersão de captação da atenção. De notar que os avatares criados têm suporte multiplataforma, funcionando, por exemplo, em diferentes motores de jogo, software de criação conteúdos multimédia como o Maya e 3D studio da Autodesk. Reduzimos, também, custos de hardware visto que a aquisição do participante faz uso de câmaras digitais comuns. Devido à flexibilidade da nossa solução, cada passo pode ser usado em separado pelo que podemos fornecer serviços em cada um deles ou apenas relativos a partes separadas da pipeline. Por outro lado, estas tecnologias implementadas podem ser usadas para um sem fim de aplicações, além criação de avatares, nas áreas de visão por computador e computação gráfica. 5

6 Potencial de aplicação comercial da tecnologia A indústria do entretenimento e da comunicação são os principais destinatários desta solução. Destacamos, para já, a indústria dos videojogos, cinema, publicidade e criação de conteúdos multimédia, efeitos visuais e comunicações móveis. Através de um serviço único, estes clientes podem adquirir, de forma mais rápida e menos dispendiosa, avatares realistas personalizados de acordo com a sua natureza da aplicação. Adicionalmente, prevemos fornecer serviços que englobam apenas parte(s) da pipeline, visto que cada fase de produção é independente das seguintes. Como mercado secundário prevemos incorporar soluções dentro da indústria health care, fornecendo personagens que permitam pré-visualização de resultados pré-cirurgia. Estado de desenvolvimento O protótipo laboratorial está pronto para ser utilizado, com provas de conceito e validações efetuadas junto da indústria do cinema e videojogos. Direitos de propriedade intelectual Copyright, know-how e segredo industrial. 6

7 Colaboração solicitada Acordo de licenciamento, investigação colaborativa, colaboração para scale-up com boas empresas de criação de conteúdos multimédia e efeitos visuais, responsáveis pela produção de videojogos, filmes, vídeos promocionais e publicidade. Através da parceria com estas empresas ficaríamos responsáveis por criar avatares para as produções em que estas manifestasses envolvimento. O nosso alvo são também as empresas que pretendam usar o nosso know-how para desenvolver e personalizar suas aplicações laboratoriais. 7

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