Muitos são os caminhos de pesquisa relacionados a computação gráfica hoje em dia. Com o aumento da utilização desse tipo de tecnologia aplicada nas mais diferentes áreas do conhecimento, cada vez mais surgem novas necessidades e possibilidades de evolução e com isso a computação gráfica ganha mais adeptos e consequentemente há um crescimento significativo em relação a esse universo e o surgimento de novos métodos e técnicas tanto em hardware como em software tornando os processos mais rápidos, eficientes e mais convincentes.
Como dito anteriormente um dos maiores congressos sobre computação gráfica desde o início desse mercado é a SIGGRAPH e é lá que a maior parte das recentes inovações são apresentada ao público. Baseado nisso, serão apresentadas aqui algumas das novidades exibidas na última edição desse encontro, entre elas tecnologias tais como displays que permitem mudar a opacidade de partes da tela e até mesmo mudar de lado a projeção; telas de alta resolução usando a tecnologia atual em várias camada sobrepostas; sistema de tracking magnético e sistema de escaneamento 3D de olhos para reprodução digital mais fiel. Essas são algumas das mais novas pesquisas dentro dessa área, e é claro que existem muitas outras técnicas em desenvolvimento, mas para a finalidade deste trabalho citamos somente as mais relevantes.
Profissionais da computação gráfica e de muitas outras áreas passam a maior parte do dia na frente da tela de seus monitores, fazendo com que esses displays se tornem barreiras visuais e comunicativas. Companheiros de trabalhos que sentam um em frente do outro muitas vezes têm que se levantar para conversar diretamente com a pessoa à sua frente ou precisam andar até o outro lado do corredor para visualizar o que está acontecendo no monitor de seu parceiro. Uma equipe formada por diversos acadêmicos da Alemanha, Japão e Áustria apresentaram um protótipo funcional exemplificando a pesquisa sobre um tipo de display transparente. Expuseram, durante a SIGGRAPH 2014 um artigo intitulado “A Collaborative
See-through Display Supporting On-demand Privacy”, sobre como monitores com capacidade
de se tornar transparentes tem alto potencial para aumentar a colaboração entre profissionais e desenvolver o nível de informação compartilhada entre colaboradores, acrescentando até mesmo à eficiência e produtividade da equipe.
Porém, com isso alguns problemas de confidencialidade e privacidade emergiram, mas também foram solucionados através da combinação de dois displays transparentes com a possibilidade de controlar a porcentagem de transparência, assim como a área impactada por esse efeito. Isso é atingido pelo uso de uma luz de fundo de LED, rebatida em uma camada de acrílico que obtém característica opaca quando ligada e transparente quando desligada. Os usuários desse novo tipo de monitor podem facilmente controlar as informações que desejam compartilhar e aquelas que querem manter em sigilo, além de poder criar contato visual com seus companheiros de trabalho, facilitando a comunicação durante o trabalho.
Imagem 27 – Protótipo de display transparente.
As telas de alta resolução estão por toda parte atualmente, ganhando cada vez mais espaço dentro do mercado, displays 4K são promovidos por campanhas de marketing em diversas mídias, algumas tecnologias emergentes apresentam até mesmo maiores resoluções e diferentes ângulos de visão, como o Oculus Rift. Uma das pesquisas apresentadas na última SIGGRAPH pela equipe de pesquisa da NVIDIA propõe monitores, que intitularam como
Cascade Display, para atingir altas resoluções de imagem sobrepondo telas com qualidades
não tão altas, mas alcançando resultados excepcionais.
A alta resolução é atingida pela montagem de vários displays de modulação espacial de luz (SLM) e separando levemente cada tela horizontalmente, aproximadamente meio pixel ou menos, para que essas camadas quando combinadas aumentem a intensidade da qualidade de cada pixel, sendo possível o controle de cada uma das telas para configurar as imagens da melhor maneira possível, sendo possível ampliar a capacidade em micro displays, projetores e monitores LCD.
Imagem 28 – Protótipo de display de alta resolução obtido através de camadas de telas.
A equipe de pesquisa do Instituto de comunicações eletrônicas de Universidade de Tohoku, Japão, exibiu sua pesquisa no campo de desenvolvimento em tecnologia para
tracking, que é a capacidade de simular objetos reais digitalmente, sejam eles câmeras,
movimentos corporais, olhos ou qualquer outro item. No caso, estudaram a captação de movimentos de pequenos alvos, como a movimentação de dedos e insetos. Esses pequenos e
sutis movimentos são muito difíceis para serem captados, principalmente por serem pequenos, mas também por serem complexos e facilmente escondidos atrás de outras superfícies.
Para tanto, construíram pequenos sistemas magnéticos de tracking que funcionam sem fio e são identificados mesmo quando ocultos, permitindo alta precisão a todo instante para as sutis captações desses complexos movimentos. Criaram uma plataforma para recepção dos dados da ressonância magnética gerada quando existe a movimentação de um dos captadores, a qual é traduzida pelo sistema em dados e calculada pelo computador, para identificar a posição das 3 dimensões desses pequenos objetos e recriar a sua movimentação digitalmente. Esse sistema pode ser escalado, juntando várias plataformas e diversos captadores para obter dados de mais objetos de uma só vez. A captação ocorre em até 100 quadros por segundo, um alto índice, considerando que em média a medida utilizada na maior parte dos filmes e games, entre 24 e 60 quadros por segundo. Além de auxiliar na evolução da computação gráfica, esse sistema também contribui para análises científicas voltadas à biologia, possibilitando estudar o comportamento de insetos e outras pequenas criaturas.
Imagem 29 – Sistema magnético para captação de movimentos.
Um sistema para captura de globos oculares em alta qualidade foi criado pela equipe de pesquisa da Disney em Zurique, Suíça, com a intenção de estudar sobre a forma e texturas do olho humano que até agora eram aproximações com simplificações em sua constituição. Demonstraram que existem muitos detalhes únicos para cada olho, o que a maior
parte das representações não considera. Geralmente tratam todos os olhos da mesma maneira. Para tanto, construíram um novo sistema de captura que é capaz de reproduzir fielmente os mínimos detalhes do olho a ser representado, reconstruindo precisamente todas as partes visíveis do olho, incluindo a porção branca, esclera, a parte transparente, córnea e o componente colorido e móvel, íris e pupila.
Cada um desses elementos pode variar entre cada pessoa, para tanto o sistema desenvolvido tem a habilidade de reconstruir individualmente cada porção do olho, conseguindo extrair as características diferentes em cada exemplar capturado, o que possibilita a criação de modelos digitais humanos mais convincentes do que nunca. Afinal, os olhos são um dos elementos mais significativos para a transmissão de emoções e sentimentos em personagens. Os conhecimentos identificados através dessa pesquisa podem com certeza alterar a maneira com a qual os olhos serão tratados em relação à modelagem, textura e
render. No futuro, as produções que buscam o foto realismo vão se beneficiar com essa nova
técnica, reduzindo o tempo para produzir resultados realmente convincentes.
O método desenvolvido consiste em escanear em alta resolução os olhos para que assim se possa incluir as mínimas variações de superfície, detalhadas texturas de veias, a complexa forma e deformação da íris e pupila e considerar até mesmo as propriedades de transparência e definir exatamente o índice de refração de todos os materiais envolvidos. Os olhos, assim como a face, também apresentam assimetria em sua silhueta, incluindo diferenças e imperfeições, se compararmos os dois lados de um único globo ocular.
Os olhos humanos são extremamente complexos, constituídos de materiais heterogêneos com transições entre opacidades e superfícies que são distorcidas por conta da refração. Essa complexidade faz com que a captura dos olhos seja muito desafiadora, requerendo o desenvolvimento de diferentes algoritmos para tornar possível essa reconstrução. O método desenvolvido permite a criação mais realista de olhos humanos para inclusão em efeitos especiais e jogos digitais, escaneando atores ao vivo e capturando todas as sutilezas da movimentação de seus olhos.
Capítulo 04
4.1 Análise de um vídeo game
Hoje em dia a maior parte dos games lançados para os mais modernos consoles do mercado (Play Station 4, Xbox One e também para PC com Microsoft Windows) tem como característica estética a aproximação visual com direcionamento para o foto realismo. A Forbes divulgou uma lista, no dia 19 de Janeiro de 2015, contendo os 10 jogos mais vendidos no ano anterior, através dessa lista é possível analisar uma tendência de mercado em busca de imagens cada vez mais próximas da realidade, usando toda a capacidade computacional e tecnológica relacionada à computação gráfica para atingir níveis de realismo bastante convincentes. Segue na sequência a lista em questão:
1) Call of Duty: Advanced Warfare 2) Madden NFL 15
3) Destiny
4) Grand Theft Auto 5 5) Minecraft
6) Super Smash Bros (for 3DS and Wii U) 7) NBA 2K15
8) Watch Dogs 9) FIFA 15
10) Call of Duty Ghosts
Dos 10 jogos mais vendidos somente dois não seguem a tendência de criação de imagens realistas, o Minecraft e Super Smash Bros. O restante busca simular o mundo como realmente vemos. Três deles são jogos de simulação de competições esportivas, o Madden
NFL 15, da liga de futebol americano, o NBA 2K15, do campeonato americano de Basquete e
mais de 600 clubes licenciados; outros três jogos são do tipo em primeira pessoa, dois deles da linha Call of Duty, simulando cenários de guerra onde o jogador é um dos soldados, e o
Destiny, que se passa setecentos anos no futuro em um ambiente pós-apocalíptico de ficção
científica; os próximos dois jogos são vistos principalmente na perspectiva de terceira pessoa, o Grand Theft Auto 5, que assim como o nome indica é sobre furtos de automóveis com valores elevados, que se passa em cidades fictícias que se assimilam bastante com grandes metrópoles americanas; e por fim, Watch Dogs, baseado em teorias de cyber segurança, no qual o personagem principal Aiden Pearce, um hacker experiente, busca vingança após a morte de sua sobrinha em uma cidade extremamente controlada por sistemas digitais.
Imagem 31 – Montagem dos jogos mais vendidos. Na sequência, da esquerda para direita: Call of Duty: Advanced Warfare, Madden NFL 15, Destiny, Grand Theft Auto 5, Minecraft, Super
Existem muitas pesquisas para essa área, afinal, é um dos mercados com maior índice de crescimento. De acordo com a Entertainment Software Association (ESA), uma associação dos Estados Unidos dedicada exclusivamente a companhias de vídeo game e responsável pela Eletronic Entertainment Expo (E3), uma das maiores feiras do mundo relacionada a esse mercado, os vídeo games sofreram grandes transformações nas últimas duas décadas. Primeiramente vistos puramente como entretenimento para poucas pessoas, agora, tornaram-se uma mídia de grandes massas, responsável por resolver alguns dos maiores desafios da sociedade atual.
A ESA também publicou em seu relatório anual de 2014 que de 2009 a 2012 a indústria dos vídeo games cresceu 9 por cento, quatro vezes mais do que o crescimento econômico dos Estados Unidos, contribuindo só no país em questão 6.2 bilhões de dólares no ano de 2012. Quando comparamos o mercado atual com o de 20 anos atrás, quando a ESA foi fundada, o crescimento fica ainda mais explícito: em 1994 o faturamento dessa indústria foi de $7 bilhões e hoje $21,5 bilhões, com a expansão dos jogos para aparelhos mobile, de internet e consoles, alguns especialistas preveem um faturamento global de $111 bilhões em 2015 se continuarmos observando um crescimento estável.
Em 2011 a ESA conquistou uma importante vitória na Suprema Corte dos Estados Unidos na qual afirmaram legalmente que assim como livros, música e filmes, os vídeo games também são formas de expressão criativa e que deveriam protegidos pela Constituição americana, aumentando consideravelmente os investimentos no setor. Com isso muitas parcerias foram estabelecidas para que os games pudessem ser utilizados para auxiliar em tarefas cotidianas e até mesmo ajudar em processos de aprendizado, como a união entre a
Electronic Arts, Institute of Play, o MacArthur Foundation e o Bill & Melinda Gates Foundation responsáveis pela pesquisa e desenvolvimento do Games, Learning and Assessment Lab (GlassLab) que desenvolvem jogos digitais para práticas de aprendizado.
Muitas empresas associadas à ESA desenvolvem pesquisas sobre tecnologias, processos e métodos de produção, para seguir a tendência de mercado e atingir resultado cada vez mais convincentes para os olhos e cérebros humanos. A Activision Blizzard, uma das maiores empresas desenvolvedoras e produtoras de games dos Estados Unidos, expôs durante da SIGGRAPH de 2013 os resultados obtidos pelo setor de pesquisa e desenvolvimento em
atuais. O modelo que utilizaram na apresentação não faz parte de nenhum jogo comercial, foi produzido apenas para testes e pesquisa, mas demonstra toda a capacidade e qualidade que pode ser alcançada atualmente.
Imagem 32 – Lauren, personagem produzida pela equipe de pesquisa e desenvolvimento da Activizion Blizzard.
Chega a ser difícil acreditar que não se trata de uma simples fotografia de uma militar. A modelagem, as sombras, os brilhos na pele, os cílios e os olhos estão tão naturais que realmente enganam quem a observa, pode-se acreditar que é uma pessoa de verdade que está retratada ali. Sua feição transmite tanta suavidade e sutis imperfeições que a tornam crível para até os mais exigentes e experientes observadores.
Todas essas características são, de acordo com os pesquisadores da Blizzard, de extrema importância para transmissão de emoções. Principalmente os olhos, elemento que conseguem manter extremamente realista, mesmo em enquadramentos de detalhes, como demonstrado na imagem abaixo. Através da imagem é possível perceber a transição de luz incidida nos olhos, incluindo sua refração e colorização suave, produzida pelo efeito de
características, indicando pontos onde a pele se encontra mais fina e, consequentemente, com maior incidência do efeito em questão.
Imagem 33 – Render do detalhamento dos olhos da personagem de teste Lauren.
Conseguir representar as imperfeições da pele, rugas de expressão, poros, pintas e diferentes tonalidades, mantendo a superfície suave em geral, foi uma das tarefas mais difíceis que encontraram durante essas experimentações. Para tanto, recorreram a pesquisas microscópicas relacionadas à medicina, como fotografias de poros humanos, com o intuito de analisar sua anatomia e representar digitalmente suas características. Levando em consideração esses estudos, perceberam que poderiam adicionar um mapa de sombras para evitar reflexos de luz dentro dos poros, assimilando-se fisicamente ao mundo real. Detalhes como esse, que a primeira vistas parecem irrelevantes, quando adicionados fazem toda a diferença para a aceitação dos personagens produzidos através da computação gráfica, afastando-os do temido intervalo do Uncanny Valley, como já discutido aqui.
Abaixo, está representada a diferença entre modelos como eram tratados em uma geração anterior e como os novos games conseguem converter dados em imagens realistas. Se observássemos somente a primeira imagem sozinha já veríamos personagens convincentes,
mas que, mesmo com pouco tempo de análise, seria possível encontrar falhas em sua representação causando instantaneamente um estranhamento, ao contrário do que é notado na segunda imagem, a qual apresenta um personagem muito mais real. Mesmo que as diferenças sejam sutis quando vistas em um plano geral, fazem a diferença entre aceitação e rejeição.
Imagem 34 – Comparação entre gerações de sistema de render para games.
É notável a diferença entre as imagens. A primeira traz uma aparência plástica para o material da pele e os olhos parecem que não tem vida, assemelhando-se a um boneco com um acabamento muito trabalhado, mas não a um ser animado. E quanto mais próxima estiver a câmera desse tipo de personagem, mais definidas ficam essas diferenças. O ponto ao qual chegaram é que renders perfeitos demais fogem da realidade, nada é encontrado sem a menor imperfeição ou assimetria no mundo real; quanto mais próximo da perfeição menos convincente se tornará o personagem. Para isso determinaram três importantes elementos a serem considerados para atingir um nível de realismo que transmite a mensagem de forma natural, sem gerar estranhamentos para a audiência, são eles: pele, olhos e efeitos de pós-
produção.
Para o primeiro item, a pele, é necessário garantir um boa iluminação global, com rebatimentos de luz que são influenciados pelos objetos ao redor e também entre si, ter certeza de que os reflexos de iluminação serão precisamente direcionados pela característica oleosa do material de pele, levando em consideração a anatomia das imperfeições para obter resultados fisicamente corretos e, por último, configurar corretamente o efeito de subsurface
No segundo item, os olhos, a equipe de pesquisa e desenvolvimento indica que deve-se prestar atenção para algumas importantes configurações, para que esse elemento facial seja renderizado corretamente: o efeito de caustics, que é a intensificação dos raios de luz quando passam por objetos transparentes, como os reflexos de luz que aparecem no fundo de uma piscina, ou através de um copo de vidro com água. O mesmo efeito acontece dentro do olho humano, existe uma refração da porção colorida do olho por conta da curvatura da porção transparente de nossos olhos e o índice de refração dessa matéria. A quantidade correta de sombra gerada no interior dos olhos e o quão úmido se apresentam, são característica capazes de transmitir diferentes emoções, somente ajustando esses últimos itens de configuração.
Por último, detalham alguns estudos sobre efeitos de pós-produção. Devido ao aumento de qualidade de resolução de imagem nos displays atuais, o nível de detalhamento que pode ser observado aumentou, e com isso, as imperfeições também. Quanto maior a resolução mais difícil o desafio de tornar um elemento computadorizado em objeto realista.
Os efeitos de pós-produção entram para combater os resultados perfeitos, até demais, que geralmente saem dos renders. Para isso, usam efeitos como Scattering, aumentando a quantidade de rebatimentos da luz até chegar na câmera digital, imitando o que acontece na realidade; aplicam uma profundidade de campo, adicionando desfoque de câmera cada vez maior conforme os objetos se afastam da distância nítida, descolando o personagem e os objetos em questão do fundo e acrescentando tridimensionalidade para a imagem; utilizam a técnica de Motion Blur, a qual consiste em desfocar os objetos com movimentos rápidos, aumentando a impressão de velocidade; e, além disso, incluem granulação na imagem, para simular a captação das câmeras convencionais, as quais obtêm a imagem de maneira mais nítida conforme a quantidade de luz que entra pelas lentes, fazendo com que a transição de luz se torne mais aparente em algumas situações, gerando visíveis grãos ao longo da imagem.
Essas características e técnicas gráficas podem ser encontradas no jogo Call of
Duty: Advanced Warfare, o mais vendido durante o ano de 2014, segundo pesquisa da Forbes.
O jogo possibilita o usuário comandar um militar em primeira pessoa, seguindo a linha dos outros jogos da franquia que abordaram grandes guerras mundiais. No caso desse novo game,
a trama se passa em um futuro não tão distante, 2054, fazendo sentido com o título que em uma tradução livre significa guerra avançada.
O enredo conta com o personagem principal, Jack Mitchell, um americano de 27 anos que sonha em entrar para exército e lutar para garantir seus princípios de paz. Jack se alista ao exército e é enviado junto com seu melhor amigo, Will Irons, para a Coréia do Sul, com a finalidade de combater a invasão do país vizinho, a Coréia do Norte. Durante esse combate Will acaba falecendo e salvando a vida de Mitchell, que não sai ileso da situação, perde um braço e sofre graves queimaduras. No velório de Irons, Jack conhece o pai de seu amigo, Jonathan Irons, que é CEO e fundador da Corporação Atlas, a mais poderosa companhia militar privada da época, que o convida para se um colaborador e participar na luta pela reorganização mundial contra os ataques terroristas da KVA, organização responsável por diversos ataques simultâneos a reatores nucleares em volta do mundo. Jack aceita o