Um estudo de aplicação do sistema de Motion Capture Xsens e da aplicação livre Blender para...

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Um estudo de aplicação do sistema de Motion Capture Xsens

e da aplicação livre Blender para Animação Digital

1. Instituto Politécnico

do Cávado e Ave Escola

Superior de Tecnologia

4750-810 Barcelos,

Portugal

LIPP - Laboratório de

Imagem, Produção e

Percepção

KeywordsMotion Capture; Blender; Open Source; Xsens MVN; 3D Animation;

AbstractO desenvolvimento de personagens virtuais através do sistema de captura de movimento é um recurso cada vez mais procurado, especialmente, na indústria da animação digital e nos videojogos. De facto, esta sistema altamente tecnológico tem ganho grande importância no setor das indústrias criativas. Assim, este artigo procura descrever as potencialidades do uso do sistema de “Mo-tion Capture” de natureza magnética, denominado por Xsens MVN, e de como a sua utilização juntamente com um software livre, Blender 3D, pode despoletar uma série de soluções intera-tivas. Apresentamos nesta investigação diversas caraterísticas de uma solução de animação que cruzam ambos, e que servirão de alavanca para o desenvolvimento de soluções que revelam van-tagens muito interessantes no campo da indústria da animação digital. Em suma, a natureza do sistema Xsens MVN, assim como a sua tecnologia, apresentam vantagens deveras interessantes, quando interligadas a uma implicação como o Blender, promov-endo uma solução que resulta num baixo custo de produção de animações credíveis e financeiramente viáveis.

Paulo Alves1

[email protected] Mota Teixeira1

[email protected]

CONFIA . 3nd International Conference on Illustration & AnimationBraga . Portugal . April 2015 . ISBN: 978-989-98241-9-5

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1 · IntroduçãoA arte de animar consiste no desenvolvimento de uma sequên-cia de imagens estáticas, por meio analógico ou digital, que em movimento simulam através do exagero ou da caricatura a ilusão da vida (p. 1) [8] (p. 40-42) [11]. Na contemporaneidade, a animação de personagens digitais tridimensionais aliada à constante procura por soluções tecno-logicamente convincentes, tem servido de alavanca para a imple-mentação de novas metodologias e perspetivas de trabalho que re-sultam numa redução considerável do investimento na produção de animação digital. Como tal, existe uma maior abertura por parte das indústrias criativas na utilização de tecnologias que permitem encurtar o retorno de investimento, sem pôr em causa a qualidade da animação, sobretudo de personagens dinâmicas ou interativas. O “Mocap”, consiste num sistema tecnológico que possibilita registar, em suporte digital e através de recursos computacionais, movimentos provenientes de um ator (p. 10) [1]. Consequente-mente, confere um meio técnico ao animador para reproduzir os comportamentos da realidade (Tobón cit in [22], p. 229), economi-zando em simultâneo, o tempo de produção e recursos humanos de uma obra fílmica animada ou parcialmente animada.A reconhecida necessidade deste recurso em obras cinematográ-ficas como Avatar (2009) de James Cameron, Dawn of the Planet of the Apes (2014) de Matt Reeves, e a trilogia The Hobbit (2012 - 2014) de Peter Jackson, é facilmente perceptível aquando da ani-mação de personagens virtuais credíveis e capazes de interagirem com atores reais. O “Mocap”, tem vindo a aumentar a oferta de sistemas disponíveis comercialmente [18], possibilitando às em-presas de pequenas e médias dimensões a sua aquisição. Neste artigo, procuramos demonstrar as potencialidades de uma solução auto-suficiente de animação que combina meto-dicamente o “Mocap” através do Xsens MVN com a aplicação 3D Blender. Consequentemente, avançaremos para o “study case” de um projeto desenvolvido no laboratório de audiovisuais do Centro de Investigação “DIGARC”, do Instituto Politécnico do Cávado e do Ave, através dessa combinação entre “Mocap” e “open source”.

2 · O “Motion Capture” de natureza magnéticaO Motion Capture de natureza magnética carateriza-se por um

Um estudo de aplicação do sistema de Motion Capture Xsens e da aplicação livre Blender para Animação DigitalPaulo Alves & Pedro Mota Teixeira

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sistema de alta velocidade de processamento, assim como de captação muito precisa dos movimentos provenientes do ator (p. 16) [1]. Como tal, consiste em implementar estrategicamente ao longo do corpo humano, um determinado número de sensores, que podem variar de 11 a 18 dispositivos numa estrutura básica de captura magnética, até 90 sensores em sistemas mais complexos (p.27) [12]. Este sistema de captura de movimentos, também denominado por “magnetic trackers” (p.10) [9], emergiu da tecnologia militar utilizada nos capacetes dos pilotos de aviação (p. 27) [12]. Neste género de captura, a informação e localização dos movimentos dos sensores recetores presentes no fato, são captados e processa-dos através de uma ou mais antenas de transmissão (p. 301) [20]. Este sistema de registo de movimentos revela ser um método menos complexo do que outros de outra natureza, especialmente, na captação de dados, fornecendo uma leitura sem constrangi-mentos de câmaras ou oclusões de movimentos, providenciando a gravação de movimentos em tempo real, (p. 10) [9] apresentando um dos melhores valores de precisão no ato da captura da per-formance do ator (p.16) [1]. No entanto, esta natureza carece de algumas limitações, como a quantidade de cabos conectados ao dispositivo recetor [14], ou no caso da inexistência dos mesmos, a influência da distância entre os sensores e as respetivas antenas que, se não for controlada da melhor forma, pode prejudicar a calibração e localização dos movimentos. Contudo, a limitação considerada mais penosa, e que dificulta o trabalho de calibração à equipa de trabalho, é a forte influência que os metais presentes na área de captura podem alterar a qualidade da captação dos movimentos (p. 29) [12]. O sistema de natureza magnética pode ser dividido em dois distintos grupos, cujo utilizador identificará pela utilização de campos electromagnéticos de corrente direta (DC), ou de corrente alternada (AC) (p. 10) [9]. Como foi referido anteriormente neste capítulo, nomeadamente a grande desvantagem da exposição aos metais, estes dois grupos distinguem-se pela natureza que cada metal traz à calibração e respetiva captura de movimen-tos provenientes do ator. Os sistemas como o Flock of Birds da empresa Ascension Technology Corporation, utilizam campos eletromagnéticos de corrente direta, demonstrando um maior


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grau de interferência ao ferro, mas menor em relação ao cobre ou alumínio (p. 10) [9]. Por outro lado, os sistemas como Fastrak da Polhemus, utilizam campos de corrente alternada, apresentam uma nova ordem de influências aos metais, sendo bastante sen-sível à natureza do cobre, aço de carbono e alumínio, mas menos suscetíveis à natureza do ferro e do aço inoxidável (p. 27) [12].

3 · O sistema de captura Xsens MVNAo contrário da maioria das ofertas de natureza magnética, o sistema Xsens MVN apresenta vantagens consideravelmente interessantes, como o benefício das capacidades tecnológicas do wireless, a portabilidade, assim como a rápida e fácil configuração da calibração do fato [19]. Alguns sistemas combinam diferentes tecnologias e naturezas de “Mocap” para colmatar determinadas limitações latentes na própria origem tecnológica assimilada, e garantir simultanea-mente resultados interessantes e pertinentes, que não seriam possíveis sem a junção híbrida mencionada. Apesar da tecnologia do Xsens MVN ser de natureza ma-gnética (p. 1) [16], o seu fato é equipado por sensores inerciais [19]. Estes tipos de dispositivos de localização não precisam de câmaras, emissores ou marcadores, mas contêm uma tecnologia que reduz o tamanho dos sensores utilizados, descartando desta forma, a utilização por meio de cabos. A ligação física é efetuada entre sensores e respetivos leitores (todos os sensores são ligados a dois pequenos e leves dispositivos de leitura, situados nas costas do fato — que podem ser reajustados a outros locais do corpo), conferindo uma maior e melhor autonomia corporal dos movi-

F.1 Sistema Magnético

‘Nest of Birds’.


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mentos executados pelo ator. Os sensores inerciais, ou por inércia, utilizados no fato Xsens são baseados na tecnologia MEMS (Microelectromechanical Systems), que além de reforçar a possibilidade de redução do ta-manho dos sensores, aumenta consideravelmente a sua precisão, e possibilita a sua colocação em leves fatos de licra ou spandex (p. 28-29) [12]. A existência de cabos no fato, restringe a execução de movi-mentos complexos e rápidos. Desta forma, a utilização da tecnolo-gia sem fios no sistema, permite maior fluidez e naturalidade dos movimentos no ato da captura proveniente do modelo humano. Quando abordamos a importância da portabilidade e a não dependência de câmaras de captura, referimos o benefício de podermos transportar todo este sistema para a captura exterior e interior, de uma forma mais simples, prática, e sobretudo eco-nomicamente viável [19] (p. 300) [20]. Ao contrário das outras na-turezas, o peso total do sistema Xsens MVN na mala de transporte é de apenas 11kg, e o fato de captura com os respetivos sensores de apenas 1,9kg [19] (p. 300) [20]. Desta forma, permite aumentar o leque de aplicações e possibilidades mais adversas, que para pequenas e médias empresas da indústria criativa e cinematográ-fica, é considerado fator predominante a ter em conta. No entanto, a inexistência de câmaras no sistema Xsens MVN, não restringe a área de captura da mesma, porque ao contrário da natureza ótica que depende das capacidades tecnológicas das câmaras, esta natureza magnética pode captar movimentos no interior dos edifícios num raio de 50 metros [19], e aproximada-mente 150 metros no exterior [4]. Apesar da tecnologia presente na natureza magnética e ótica possibilitar o registo e leitura de medidas absolutas no momento da captura [13], a tecnologia utilizada no fato Xsens MVN apenas permite a leitura dos movimentos de medidas relativas [19]. Este, por assimilar a natureza magnética e a tecnologia por inércia, com valores de medição relativa, além de padecer da influência aos metais, também sofre alguns desvios posicionais de localização dos sensores, que podem agravar no prolongamento da sessão de captura [19]. Se o ator se mantiver imóvel por algum tempo, verifi-car-se-á que os sensores sofrem pequenas nuances posicionais de localização. No entanto, com a exceção dos sensores posicionados

F.2 Sensores inerciais

no fato Xsens.


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nos pés, os restantes sofrem desvios mínimos e quase imper-ceptíveis, que não prejudicam ou põem em causa, todo o trabalho do ator no momento da captura. Demonstrando que, apesar da natureza do fato Xsens MVN não se adequar inteiramente a quem pretender trabalhar com medidas absolutas [19], este continua a ser um sistema a ter em conta no ato da captura. Apesar da tecnologia Xsens MVN ser menos precisa na locali-zação tridimensional dos dados obtidos através dos sensores, do que os de medidas absolutas presentes na natureza ótica como também em alguns sistemas magnéticos, este oferece aceleração e velocidade mais suavizada (com menos ruído) dos dados obtidos dos movimentos da captura [19].

4 · O Blender e a sua importância na indústria de animaçãoO Blender consiste numa aplicação “open source”2 disponível gratuitamente, que oferece soluções profissionais para o desen-volvimento de animações de personagens (p. 50) [1]. Por ser de distribuição livre, e assente numa licença GPL (p. 393) [6], possi-bilita aos seus utilizadores que contribuem, de forma significativa e assertiva, no desenvolvimento das funcionalidades internas e de novas propostas de ferramentas, facultando, simultaneamente, bastante apoio a todos os interessados ou restantes membros da comunidade (p. 46) [1]. Esta interação permite um constante trabalho de actualização por parte de inúmeros programadores, e contributos que conferem, cada vez mais, uma maior perfor-mance do programa, adaptabilidade ao mercado (detectam-se de forma mais eficiente os “bugs” existentes no programa, assim como as tendências e as necessidades do consumidor), e independência económica do utilizador (que não necessita de investimento financeiro para a sua aquisição). Isto quer dizer que, pequenas empresas e criativos podem produzir trabalho de quali-dade sem estarem dependentes financeiramente de grandes estúdios. Por se tratar de um software de código aberto, este encontra-se inserido nos princípios do termo “Copyleft” (p. 48) [1], que defende o direito dos utilizadores ao acesso da programação do software, e caso seja benéfico, à sua alteração e redistribuição (p. 2) [3]. Contudo, é importante reforçar que qualquer software

2. Também denomi-

nado simplesmente por

Código Aberto.


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alterado, assente na terminologia “Copyleft”, mantém a sua na-tureza e ideologia (p. 23) [21]. As aplicações livres, como o Blender, revolucionam e servem de alavanca para o colmatar de determinadas necessidades do mercado, oferecendo ferramentas similares aos programas de natureza proprietária. Assim, além de proporcionar vantagens de caráter inovador no setor empresarial, possibilita que as empresas criem as suas próprias oportunidades tecnológicas na indústria (p. 14) [10].

5 · StudyCase: Spot de televisão “Comic Con 2014”Na contemporaneidade, as indústrias criativas, cinematográficas e dos videojogos, utilizam a captura dos movimentos provenientes do ator para posterior aplicação em personagens virtuais (p. 158) [7]. Com a implementação do “Mocap” no processo de desen-volvimento de animações 3D, procurou-se atenuar o investimento financeiro e especializado, face ao tempo despendido e de retorno do capital investido na conceção de uma obra animada 3D (p. 3) [1]. Apesar da implementação metódica do “Mocap” no processo de desenvolvimento da animação, alguns sistemas de captura req-uerem consideráveis capacidades financeiras para a sua aquisição, assim como de processamento para a plenitude das suas vanta-gens (p. 252) [17]. Neste caso, podemos afirmar que estes sistemas não descartam completamente algumas das condições anterior-mente referidas. A combinação do sistema de captura Xsens MVN com o Blender, possibilita atenuar essas limitações, garantindo resul-tados credíveis a baixo-orçamento (em comparação com outras conjunções de Mocap e aplicações 3D), e economicamente mais razoáveis. O Xsens MVN, como foi referido anteriormente neste artigo consiste num sistema que não requer grandes capacidades de pro-cessamento, não se encontra limitado fisicamente ao espaço da captura, e possibilita animações 3D em tempo real. Por outro lado, o Blender consiste num “software” extremamente leve (p. 10) [2], quando comparado com programas similares, que possibilita o desenvolvimento de personagens interativas, inclusive através de uma aplicação específica para uso de “Mocap”, sendo distribuído


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gratuitamente para todas as plataformas (p. 11) [5]. Trata-se portanto, de uma solução tecnológica de baixo-orçamento que potencia vantagens socioeconómicas deveras interessantes, para o desenvolvimento de personagens tridimensionais credíveis.O spot publicitário da Comic Con Portugal 2014, consiste num ex-emplo comercial das potencialidades oferecidas pela combinação do sistema Xsens MVN e do Blender, apresentando um vasto leque de soluções tecnologicamente convincentes e economica-mente viáveis. Em termos metodológicos, esta combinação na conceção e animação da personagem digital presente no spot da Comic Con Portugal 2014, implicou um conjunto de fases, citadas por Teixeira (p. 231) [22] a partir da identificação dos autores Park & Hodgins [15]:

a) Medição dos sensores (Fase 1)Na fase inicial, procede-se à anotação e inserção de dados an-tropométricos do corpo humano, no software de captura, onde é requerida a máxima precisão dos dados da distância entre os sensores (quanto mais meticuloso for o responsável pela medição, melhor será o resultado da calibração, e respetiva captura da performance do ator). No caso do spot da Comic Con, os sensores foram posicio-nados estrategicamente e calibrados no corpo do ator, sendo posteriormente, inseridos no software MVN Studios3 . O tempo total gasto nesta fase de medição e inserção foi de, apenas, 10 minutos, o que demonstra a relativa facilidade do manuseamento e da gestão do tempo. b) Calibração do ator (Fase 2)Através dos dados antropométricos recolhidos na fase anterior da sessão, procedeu-se à calibração do ator, através de um conjunto de testes com o objetivo de calibrar os movimentos provenientes

F.3 Medição da

distância dos sensores

no modelo humano.

3. Software que

acompanha o fato de

captura.


533

do modelo humano (para prévio reconhecimento das distâncias entre os sensores incorporados no corpo do ator, assim como das amplitudes e rotações dos movimentos). A tecnologia de registo dos movimentos Xsens MVN possibilita, na sua plenitude, uma fácil e rápida calibração, que permite simultaneamente a visu-alização em tempo real dos movimentos executados pelo ator. Este, terá de executar uma série de exercícios corporais (N-Pose, T-Pose, Teste Moving 1, e Teste Moving 2), de forma a garantir a credibilidade necessária dos comportamentos corporais da per-sonagem (p. 2-3) [16]. O ator iniciou a calibração através da postura N-Pose e T-Pose, de fácil reconhecimento técnico dos sensores para o software. Na posição T-Pose, o mesmo deve apresentar os braços esticados e levantados num ângulo de 90°, com as palmas das mãos viradas para baixo, tendo em atenção que a distância entre os pés deverá ser a mesma dos ombros. Como tal, permite o tratamento de informação proveniente dos sensores com maior facilidade. O “software” classifica a qualidade dos movimentos de cada sensor nos testes, que facilita a identificação de eventuais proble-mas técnicos no fato (anomalia na ligação ou defeito do sensor).Apesar de se verificar a constante existência de correções e ajustes nos testes, a calibração do ator para a personagem da Comic Con, decorreu sem qualquer problema maior que levasse à reiniciação de toda a sessão, ou prejudicasse o tempo de conceção do spot publicitário. c) Sessão de captura dos movimentos (Fase 3)Consiste na fase mais importante da translação dos complexos e fluídos movimentos provenientes do ator para o modelo virtual, onde a correta colocação e posterior calibração dos sensores, assumem um papel determinante na qualidade da performance corporal da personagem na animação. Nesta etapa, é fundamen-tal a correta gestão dos movimentos a executar, descartando qualquer comportamento que possa prejudicar a credibilidade da ação. Sendo assim, sugerem-se sessões de captura curtas e cen-tradas nos movimentos pretendidos, e respetiva identificação dos ficheiros para efeitos de gestão das futuras exportações. d) Clean-up dos dados (Fase 4)Clean-up dos dados consiste no processo de verificação, limpeza e respetiva correção dos frames onde ocorrem problemas de

F.4 Calibração em T-

pose dos sensores aos

movimentos do ator.

F.5 Captura dos movi-

mentos provenientes

do modelo humano.


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oclusão dos sensores no corpo do ator. Apesar de Park & Hodgins [15] a identificar como uma das eta-pas presentes numa sessão de captura dos movimentos, Teixeira (p. 231) [22] menciona que esta fase é opcional para a tecnologia Xsens MVN. Este sistema, por ser de natureza magnética não é propício à perca visual dos sensores na sessão de captura, fenó-meno denominado por oclusão, que ocorre frequentemente no “Mocap” de natureza ótica. e) Conversão dos dados (Fase 5) A conversão de dados consiste no tratamento e exportação da sessão de captura em diversos formatos, para posterior utilização em programas de animação 3D. Os dados adquiridos podem ser exportados para distintos softwares de modelação e animação 3D, nomeadamente Maya, 3D Studio Max, Cinema 4D, Blender, entre outros similares. Para o Blender, o formato de exportação utilizado é o “.bvh”. f ) Implementação (e animação) da personagem digital (Fase 6) A implementação e mapeamento dos dados exportados da captura para o modelo virtual, consiste na etapa final da passagem dos movimentos fluídos e esteticamente credíveis, provenientes do ator para a personagem. Nesta etapa, o animador terá de pre-parar a personagem pretendida para animação, onde irá associar através do processo skinning4 , o esqueleto do Blender à mesma. Na importação do formato “.bvh” proveniente da sessão de captura, o animador terá de ter em consideração a escala do esqueleto digital da captura, assim como o número de frames por segundo. O desrespeito dessas condições, vai originar uma sequência deturpada e de comportamento corporal deficiente dos membros. Na assimilação e implementação dos comportamentos provenientes do ator para a personagem, o responsável terá de re-nomear cada osso do esqueleto do Blender com a mesma nomen-clatura que provém do MVN Studios (este só exporta o esqueleto na posição T-Pose). De seguida, tendo o tamanho proporcional entre os dois esqueletos, e a mesma orientação dos eixos de ro-tação, terá de procurar manter as mesmas posições do root bone5 , dos ombros, braços e pernas do esqueleto proveniente do Blender (à qual a personagem está associada), ao do importado da sessão

F.6 Verificação dos

dados obtidos.

F.7 Importação do

ficheiro “Mocap”.

4. O processo de

atribuição de um

determinado número

de pontos da “mesh”

tridimensional, a um

osso do esqueleto

virtual.

5. Osso de origem ou

de base do esqueleto

virtual.


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de captura. Consequentemente, deverá ter em consideração a seleção do esqueleto do software 3D em “pose mode” e carregar a “action” procedente do ficheiro “Mocap” a partir do menu “Action Editor”. Toda a animação pode ser alterada e corrigida através da seleção de curvas no painel de animação “Graph Editor”, tendo em conta, sempre a principal problemática, no retoque da ani-mação: a consequente sequência de todos os frames que provêm da captura. E por isso, as alterações devem ser feitas por “blocos”. O resultado conseguido é evidente na visualização do spot, e consiste na hibridez entre animação digital efectuada através da animação clássica digital (“frame a frame” e interpolação direta entre “frames”) e o “Mocap”, resultante da captura do movimento de um ator.

6 · ConclusãoO sistema de Motion Capture Xsens MVN consiste, em termos práticos, num meio técnico de animação que oferece a possibi-lidade de conceber uma ideia e implementá-la na animação em poucas horas. Trata-se portanto, num sistema leve e prático de transportar, de fácil calibração, e que não se encontra limitado por cabos ou câmaras, para a reprodução animada de movimentos complexos e difíceis de reproduzir.Consequentemente, a combinação deste sistema com o Blender, confere uma solução tecnológica de baixo-orçamento na ani-

F.8 Captura dos

movimentos para a

personagem.


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mação de personagens com resultados esteticamente credíveis. Como tal, permite apresentar-se como uma solução muito interessante, e até, de caráter inovador para o setor da indústria criativa. O spot publicitário de 30 segundos, da Comic Con Portugal 2014, foi concebido, animado e “renderizado” com o auxílio de 3 com-putadores e produzido em poucas semanas.Podemos concluir que, o resultado, é muito positivo, pois combina uma linguagem híbrida entre a animação mais “tradicional” em termos tecnológicos e a mais inovadora, sem projetar nenhuma incongruência na credibilidade da linguagem resultante ou revelar alguma fragilidade no movimento recriado. Esta solução híbrida é, do nosso ponto de vista, reveladora de uma nova forma de encarar a animação, abrindo novos horizontes para a con-strução da imagem animada, sendo que, estes resultados são um verdadeiro incentivo para a continuação da implementação deste conjunto de técnicas.

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F.9 Spot Comic Con

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