Zutto Kawaii

MOCAP é a abreviação em inglês para “Motion Capture”  ou “Captura de Movimentos”  em português.

A animação de personagens em jogos eletrônicos é uma área em contínuo desenvolvimento acelerado.

Ela passou por diversas etapas de sofisticação, desde os primeiros jogos com poucos pixels e poses, como nos jogos Pong e  Pac-Man, a até o estágio atual, caracterizado por uma interatividade cada vez maior do jogador com o software e seus personagens.

Apesar de estar diretamente ligada à evolução dos recursos tecnológicos e ferramentas provenientes deste avanço, a animação de personagens é intensamente baseada na arte de animar.

Essa arte se iniciou em projeções com a Lanterna Mágica, no século 17, e evoluiu até os dias de hoje, passando pela introdução do cinema nas nossas vidas.

Neste tipo de sistema, um conjunto de emissores sonoros é colocado nas principais articulações do ator, enquanto que três receptores sensíveis são posicionados no local de captura. Os tranmissores são então sequencionalmente acionados para produzir um ruído característico, que será captado pelos transmissores, que então calcularão as posições no espaço.

O cálculo da posição de cada transmissor é feita da seguinte forma: utilizando como dados o tempo decorrido entre a emissão do ruído pelo transmissor e o seu recebimento pelo receptor, e a velocidade do som no ambiente, consegue-se calcular a distância percorrida pelo som, do transmissor até cada um dos receptores. Para calcular a posição 3D de cada transmissor, é feita uma triangulação das distâncias deles em relação aos três receptores.

Um dos problemas deste método é a dificuldade de obter uma descrição correta dos dados num instante desejado, devido ao caráter sequencial do disparo dos transmissores no corpo do ator. Além disso, os sistemas acústicos sofrem do mesmo tipo de problema dos sistemas magnéticos: os incômodos cabos, que prejudiam a movimentação do ator, reduzindo assim o escopo de movimentos que podem ser executados. O número de transmissores que podem ser utilizados simultaneamente também é limitado, o que pode não fornecer uma descrição suficientemente correta do movimento capturado.

Sistemas acústicos estão sujeitos a problemas causados pela própria tecnologia – reflexões do som emitido pelos transmissores ou ruídos externos podem afetar o processo de captura e destruir os dados obtidos. Em compensação, este tipo de sistema não possui problemas de oclusão, típico de sistemas óticos; e interferência por objetos metálicos, percebido em sistemas magnéticos.

Somando vantagens e desvantagens, os sistemas acústicos devem ser considerados como a “última alternativa” na hora da aquisição de um equipamento de captura de movimento.

Os sistemas mecânicos de captura não contam com uma tecnologia muito avançada, porém possuem algumas vantagens que os tornam extremamente atraentes, especialmente na indústria cinematográfica. Geralmente, esse tipo de sistema é bem obtrusivo, talvez até mais do que os sistemas magnéticos com cabos (analisados adiante).

Sistemas mecânicos são compostos de potenciômetros e/ou sliders que, posicionados nas articulações desejadas, fornecem suas posições e orientações em altas taxas de amostragem (tempo real). Uma das vantagens desse tipo de sistema é que possuem uma interface parecida com as utilizadas em sistemas de stop-motion, muito utilizados na produção de filmes.

Com isso, uma grande quantidade de animadores que utilizavam stop-motion puderam migrar para essa nova tecnologia sem problemas, aumentando apopularidde do sistema.

Os sistemas mecânicos são equipamentos de medida absoluta, não sendo afetados por campos magnéticos ou reflexões indesejadas, problemas típicos de sistemas magnéticos e óticos. Por isso, não necessitam de um processo longo de calibragem, o que torna a sua utilização mais fácil e produtiva.

Como exemplos de sistemas mecânicos de captura, podemos citar o The Monkey – Digital Poseable Mannequim e o Animatton. O primeiro pode ser considerado como um “stop-motion assistido por computador”. Nesse sistema, o “manequim” pode ser qualquer objeto desejado – desde humanóides até dinossauros. Um esqueleto articulado composto por potenciômetros é então fixado no modelo, fornecendo assim as posições e orientações impostas ao modelo pelo animador. Fica claro que a taxa de amostragem da captura pode ser tão alta quanto for a paciência do animador. Uma desvantagem deste sistema é o realismo, que depende exclusivamente da habilidade do animador em posicionar cada articulação do modelo corretamente, num processo que requer, além de técnica, um pouco de arte. Geralmente, esse tipo de sistema mecânico é utilizado em conjunto com técnicas de técnicas de keyframing e cinemática.

Uma nova tecnologia em sistemas mecânicos de captura foi desenvolvida pela Analogus com o sistema Animatton. Este sistema, desenvolvido exclusivamente para a captura de movimentos humanos, é composto por articulações e potenciômetros que são posicionados diretamente no corpo do ator, formando uma verdadeira “armadura”. A captura é feita em tempo real e o sistema requer pouca ou nenhuma calibragem. Além disso, permite a captura de movimento de múltiplos atores numa mesma sessão. Apesar de ser extremamente obtrusivo (figura 1), este sistema possui vantagens como o preço (em torno de US$ 35,000), o que o torna acessível para a maioria das produtoras que se utilizam de Motion Capture; e a possibilidade da captura de múltiplos atores numa mesma seção.

Neste tipo de sistema, o ator veste uma roupa especial coberta com refletores (em geral emissores LED) posicionados nas suas principais articulações (ver figura 2). Câmeras especiais são então posicionadas estrategicamente para fazer o tracking desses refletores durante o movimento do ator. Cada câmera gera as coordenadas 2D para cada refletor (obtidas via processo de segmentação). O conjunto dos dados 2D capturados pelas câmeras independentes é então analisado por um software, que fornecerá as coordenadas 3D dos refletores.

Existem algumas variações entre diferentes sistemas óticos de captura. No sistema MultiTrax, da Adaptive Optics Associates, os marcadores posicionados nas articulações são refletores que, iluminados por flashes sincronizados de luz infra-vermelho, são capturados por uma ou mais câmeras. Também podem ser utilizados marcadores de outros tipos ( focos de laser e retro-prismas ).

O sistema Optotrak, da Northern Digital, utiliza marcadores LED sincronizados, que são rastreados por três câmeras sensíveis ao espectro infra-vermelho. O software fornecido no sistema utiliza os dados fornecidos pelas câmeras para gerar as coordenadas 3D, orientações e momentos dos marcadores. Um problema gerado pelos marcadores LED é o aquecimento, o que não recomenda a sua utilização por longos perídos de tempo.

O sistema ELITE, da Bioengineering Tech., utiliza marcadores refletivos passivos (hemisférios de plástico cobertos com material refletivo) e câmeras eletrônicas CCD com LED’s infra-vermelhos em volta das lentes. O software fornecido no sistema utiliza algoritmos de reconhecimento de formas (do tipo shape from shading) para auxiliar o processo de tracking dos marcadores. Existem ainda muitos outros sistemas óticos no mercado. Entre eles, podemos citar o HiRES ExpertVision 3D (Motion Analysis Corp.) e o MacReflex (Optikon Corp.).

Os sistemas óticos de captura são os mais caros existentes atualmente, podendo chegar a até U$ 250,000. Seu preço elevado é resultado da alta tecnologia utilizada no processo. As câmeras de alta resolução e os softwares de última geração são os principais responsáveis pelo preço elevado.

Uma das vantagens da utilização de sistemas óticos é a alta taxa de amostragem, que permite a captura de movimentos rápidos como os utilizados em artes marciais e esportes olímpicos. A taxa de amostragem depende basicamente da capacidade de definição das câmeras utilizadas no processo. Quanto maior resolução tiverem as câmeras, maior será a taxa de amostragem. Taxas de amostragem de até 200 quadros/segundo são conseguidas neste tipo processo quando se utilizam câmeras especiais de alta resolução e velocidade. Veja, na tabela 2, algumas informações técnicas complementares sobre os sistemas óticos.

Outra vantagem dos sistemas óticos é a liberdade que oferecem ao ator durante a execução do movimento. Ao contrário dos sistemas magnéticos, onde o ator é coberto de transmissores e fios, os refletores não oferecem resistência aos movimentos do ator. Além disso, não existe limite para o número de refletores posicionados no ator, o que permite alcançar um maior nível de detalhe na representação dos movimentos. O workspace do processo de captura para sistemas óticos é muito superior ao dos sistemas magnéticos e depende, basicamente, do campo de visão (FOV) das câmeras utilizadas no processo. Um cuidado, porém, deve ser tomado: a iluminação global do ambiente deve ser calibrada de modo a não causar interferências no processo de tracking dos refletores.

A grande desvantagem dos sistemas óticos é a oclusão de um ou mais refletores durante o processo de captura. Este tipo de problema é mais frequente durante a captura de movimentos de objetos pequenos (dedos das mãos) ou de vários atores interagindo muito próximos uns dos outros. Neste caso, a recuperação da posição 3D do refletor pode ser impossível, o que compromete todo o processo. A utilização de um maior número de câmeras reduz este tipo de problema.

O problema de oclusão pode ser minimizada com a utilização de um número maior de câmeras e de refletores. Porém existe um trade-off desses fatores: um maior número de câmeras acarreta um maior tempo de processamento para a CPU, durante o tracking dos refletores. Ao se aumentar o número de refletores, surge o problema de “tracking conffusion“, ou seja, a difuculdade de indentificar os refletores que estão muito próximos. Este problema é diretamente influenciado pela resolução das câmeras – câmeras de maior resolução conseguem identificar melhor refletores próximos.

Existe ainda a necessidade de um processamento via software dos dados obtidos pelas câmeras para a obtenção das informações 3D, o que não permite a interatividade, que é muito importante para a velocidade de produção e redução de custos operacionais. A utilização de softwares para o processamento dos dados obtidos pelas câmeras introduz erros de precisão (offset) no processo de obtenção dos dados 3D. Em alguns casos, é necessário um processo de filtragem dos dados finais para a eliminação dos erros de precisão e dos ruídos introduzidos pelo tracking das câmeras (o SNR é uma limitação em certos sistemas óticos).

Os sistemas magnéticos de captura se caracterizam pela velocidade de processamento dos dados capturados (tempo real). Neste tipo de sistema, emprega-se um conjunto de receptores que são posicionados nas articulações do ator. Tais receptores medem a posição 3D e orientação das articulações em relação a uma antena transmissora, que emite um sinal de pulso. Cada receptor necessita de um cabo para se conectar à antena.

Os sistemas magnéticos são mais acessíveis em termos de preço. Sua tecnologia também é menos sofisticada que a utilizada nos sistemas óticos. Existem sistemas magnéticos simples e sofisticados, que vão desde US$ 5,000 (Polhemus InsideTrak) a US$ 33,000 (Ascension Flock of Birds). O preço desse tipo de sistema depende basicamente do número de receptores que conseguem ser processados simultaneamente. Pode-se, por exemplo, adquirir um Flock of Birds com poucos receptores por até US$ 3,000.

Os sistemas magnéticos mais conhecidos são o Ultratrak Pro (figura 3), da Polhemus e o Flock of Birds, da Ascension. Neste último, por exemplo, um conjunto de até 30 receptores é conectado ao ator, fornecendo assim a orientação e posição de suas principais articulações.

Algumas vantagens dos sistemas magnéticos são o baixo custo computacional para o processamento dos dados, maior precisão dos dados (não existem problemas de oclusão) e o baixo custo do equipamento. Com uma taxa de amostragem que gira em torno de 100 FPS, os sistemas magnéticos são ideais para a captura de movimentos mais simples.

A maior desvantagem deste tipo de sistema são os diversos cabos que conectam os receptores à antena. Tais cabos restringem o movimento do ator, não permitindo deste modo que movimentos complexos e rápidos possam ser representados com naturalidade. Felizmente, algumas empresas já estão desenvolvendo sistemas magnéticos que não possuem cabos. Podemos citar, por exemplo, o Motion Star, da Ascension.

Uma outra desvantagem do processo magnético é a interferência causada por objetos de metal próximos ao local de captura. Campos magnéticos são extremamente sensíveis a objetos metálicos.

Até mesmo a estrutura do prédio pode causar alguma interferência.

Hoje em dia os sistemas de MOCAP estão ganhando ferramentas novas e até mesmo inusitadas, que reduzem e muito os custos de se adquirir um sistema desse tipo sem ter de investir uma pequena fortuna.

Uma dessas ferramentas que a cada dia passa a ser mais usada e cada vez mais vemos novas e melhores formas de se utiliza´la com resultados mais satisfatórios é o Kinect da microssoft.

A princípio criado como uma nova maneira de jogar videogame, o aparelho se mostrou capaz de ir muito alem disso, chegando a ser usado para capturar informações em 3D de pavimentações e ambientes urbanos, está sendo usados em pesquisas na área da saúde em estudos de fisiologia e ergonomia do movimento e também usado como ferramenta de captura de movimento.

Fonte: ALL3GAMES