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Correio Braziliense

Nova descoberta possibilita efeitos mais realistas e criativos em animações

Baseados na interação de raios brilhantes com partículas das nuvens, pesquisadores norte-americanos desenvolvem um programa que identifica novos usos da luz em animações. A criação, segundo eles, trará efeitos mais realistas e criativos para futuras produções


postado em 24/12/2018 06:00

(foto: Caio Gomez/CB/D.A Press)
(foto: Caio Gomez/CB/D.A Press)

Quem assiste aos sucessos do estúdio Pixar nem imagina que, por trás de toda a composição gráfica dos filmes, existem inúmeras fórmulas matemáticas que sustentam toda a produção. Criados a partir da observação de fenômenos físicos e químicos da vida real, são esses cálculos que determinam, muitas vezes, a qualidade visual de um longa animado. Contudo, menos esperado ainda seria encontrar novas equações para a produção de desenhos ao observar o comportamento das nuvens no céu. Mas foi o que fizeram pesquisadores da Faculdade de Dartmouth e da Universidade de Cornell, ambas nos Estados Unidos, e dos estúdios Disney.

Apresentado na 11º Conferência e Exibição em Computação Gráfica e Técnicas Interativas, no Japão, o trabalho dos pesquisadores norte-americanos se baseou na relação das micropartículas de nuvens com a luz para a criação de um novo software para animadores. Ao analisar a dispersão de raios luminosos em objetos com composições variadas, o grupo desenvolveu uma ferramenta que permite que profissionais da área criem animações mais reais, ao demonstrarem como, de fato, a luz se comporta em diferentes situações. O principal objetivo por trás da invenção é aumentar a liberdade criativa dos animadores.

“A razão pela qual algumas produções animadas parecem tão realistas, com sombreamento 3D e outras técnicas, é porque o computador simula um processo físico que acontece na natureza”, afirma Wojciech Jarosz, professor de ciências da computação na Faculdade de Dartmouth e líder do estudo. No caso do trabalho de Jarosz, os envolvidos observaram como os fótons — pequenas partículas que compõem um raio luminoso — interagem com diferentes estruturas internas de materiais. As nuvens foram o grande foco dos pesquisadores pela disposição diversificada de suas micropartículas, o que possibilitou a observação do comportamento da luz tanto em momento de concentração de partículas, quanto de espalhamento.


Simplificações

Os animadores gráficos têm à disposição ferramentas que controlam a dispersão da luz. Entretanto, por tentarem simplificar o processo, elas podem ser limitadas. É o que lembra o supervisor de Animação da Monostudio, Rodrigo Augusto. “Com o que temos de programação hoje, indicamos para um software a densidade de um objeto específico que queremos iluminar, e, com isso, o computador determina como a luz passa por todo o objeto, sem variação”, diz o animador.

De acordo com o líder do estudo dos Estados Unidos, essa abordagem pode facilitar o trabalho de produção, mas não aproxima o resultado final ao que é observado na realidade. “Essas simplificações podem causar um descompasso entre o que a natureza produziria e o que a simulação mostra, ou podem impedir que os artistas consigam obter determinados visuais virtualmente, que seriam possíveis no mundo real. Além disso, muitas vezes, é útil permitir aos artistas irem além do que é fisicamente possível para propósitos criativos”, destaca Wojciech Jarosz.

Na percepção de Augusto, o melhor detalhamento do comportamento da luz abre novas portas para a criatividade nas animações. “Poderemos indicar a composição ou a distribuição das partículas do material e montar como a luz passará por cada parte do objeto. Isso facilitará bastante na animação da pele humana, ou de outros objetos orgânicos, como frutas, porque elas têm essa relação complexa com a luz”, opina.


Complexidade

As soluções para uma aproximação com a realidade podem ser bem complicadas, porque a relação da luz com objetos volumétricos em um mesmo espaço não segue um padrão e varia de situação para situação, como explica Bruno Feijó, diretor do Laboratório ICAD Vision Lab da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e especialista em efeitos especiais. “Os fótons têm um comportamento bastante complexo. Quando um feixe de luz é emitido sob a pele de alguém, por exemplo, cada uma das partículas viaja e interage de forma diferente com o órgão. Algumas entram na pele, outras são refletidas para longe, outras ficam ricocheteando até que, enfim, são absorvidas ou refletidas. Então, transferir todas essas possibilidades para uma animação e, ao mesmo tempo, trazer a sutileza da imagem é muito difícil”, afirma.

Segundo Feijó, essa dificuldade faz com que a iluminação das cenas em desenhos animados 3D seja pouco explorada. “Se você for prestar atenção nas animações atuais, boa parte das cenas se passam em ambientes parcialmente iluminados. Isso acontece porque tratar um espaço completamente exposto à luz é muito difícil. Fica bem mais tranquilo tratar a luz em espaços de sombreamento”, ressalta.

Para oferecer uma alternativa ao problema, os pesquisadores norte-americanos utilizaram, como ponto de partida, teorias das ciências atmosféricas para compor os cálculos do novo software, uma vez que elas ajudam a entender o comportamento das micropartículas de uma nuvem. As equações criadas foram transferidas, então, para o computador, a fim de se montar dois espaços diferentes: um com partículas espalhadas, e outro, com concentração em determinadas partes. Para analisar e registrar o comportamento dos fótons nessas duas possibilidades, simulou-se, virtualmente, a emissão de feixes luminosos sobre as diferentes disposições de partículas.

Ao fim das observações, constatou-se que os fótons têm maior alcance em estruturas com partículas aglomeradas. O efeito inverso foi registrado em objetos com disposição mais regular. “Especificar como os fótons se organizam em relação uns aos outros abre um número infinito de aparências que antes não eram possíveis”, afirma Jarosz. “Fazer filmes de animação é um equilíbrio entre criar uma representação realista da realidade e permitir a estilização. Nossa pesquisa permitirá que os artistas considerem a física da luz real com mais precisão, mas, o mais importante, ela permitirá que esses profissionais experimentem uma variedade maior de aparências visuais”, acrescenta.

O grupo de Jarosz tem em mente futuras alterações no software. Uma delas é a possibilidade de calcular e determinar o percurso de um fóton quando existem diversos objetos ligados um ao outro em uma mesma cena. “Sempre há algo para ser melhorado, e há muitas questões que precisaremos resolver antes que a abordagem seja prática para cenas típicas de filmes. Ainda estamos tentando produzir experimentos físicos melhores. Também não sabemos como lidar com cenas em que vários objetos volumétricos — a exemplo das próprias nuvens — podem se sobrepor, e o artista especificou uma aparência diferente para cada um deles”, conta o líder do estudo.

Benefício limitado


O ganho criativo, contudo, ainda não é para todos os setores que envolvem algum tipo de animação. Segundo especialistas da área, a novidade beneficiará, primeiramente, o cinema. Enquanto isso, os jogos digitais ainda demorarão para ver a solução ser aplicada no seu universo, já que possuem um sistema de animação diferente, que exige cálculos adaptados ao próprio funcionamento.
 
Novo software utiliza equações mais simples
 
Devido às variadas possibilidades de movimento dos fótons, dependendo do ambiente, os cálculos que traduzem o fenômeno para o computador podem ser bem pesados. É por isso que o uso da luz em animações é ainda muito limitado, já que apenas máquinas muito potentes podem suportar programas com essa complexidade numérica. Contudo, o novo software de animação desenvolvido surpreendeu pesquisadores do campo ao utilizar equações simples para resolver problemas de iluminação em cenas animadas.

A resposta proposta pela equipe da Faculdade de Dartmouth e de outras universidades está em um processo chamado renderização. O procedimento funciona como uma finalização para produções digitais, baseada em fórmulas físicas e cálculos matemáticos que guiam alguns fenômenos na realidade. É como se cada interação de um desenho animado fosse traduzida para um novo idioma, o das leis da física observadas no mundo real. Conforme explica Arttur Espindula, professor do Departamento de Fotografia e Cinema da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e especialista em animação digital, a complexidade do procedimento pode atrasar a produção de uma animação. “Um processo de renderização dura de segundos a semanas, depende do que está sendo tratado. No caso de uma nuvem animada, imagine ter que processar cada uma das partículas que a compõem. Levaria uma semana inteira”, diz.

O tempo de renderização proposto pela equipe norte-americana foi o que surpreendeu Espindula. No artigo que apresenta o software, os autores citam que conseguiram aumentar em 23 vezes a velocidade da etapa de finalização. “Com isso, podemos renderizar uma nuvem em menos de um dia. Sem falar que esse valor de 23 vezes vale especificamente para esse caso, com toda a sua complexidade. Imagine para outros objetos volumétricos menos difíceis de reproduzir”, diz Espindula. 

De acordo com o especialista, a rapidez poderia economizar tempo de trabalho, pessoas envolvidas no processo, e o gasto com computadores, uma vez que a produtora não precisará de máquinas tão potentes para processar os cálculos que a equipe estadunidense montou. 

Ainda assim, Espindula pontua que os pesquisadores precisarão equilibrar o ganho de velocidade com a redução de prejuízos na imagem final gerada. Baseados em um trabalho anterior, os pesquisadores norte-americanos concluíram que os ruídos gerados na animação pelo processo — isto é, a interferência — não diminuíram, mesmo que a renderização tenha se tornado mais rápida. 

“Quando você tira uma foto na câmera, percebe alguns pequenos grãos coloridos, como de areia, todos com cores presentes na própria foto. Isso é ruído, produzido por um efeito na lente da câmera. Já nos programas, o que gera esse ruído são os algoritmos, então, é necessário ficar atento. Se o estudo mostra que os níveis de renderização são rápidos, ótimo, mas se não consegue resolver alguns ruídos — uma vez que é impossível eliminar todos —, é um pouco limitado”, ressalta o especialista. (GB)

Real e virtual 
A relação da luz com o ambiente pode ser ainda mais difícil de lidar em filmes que juntam, na mesma cena, objetos criados por animação gráfica e atores reais. É o que acontece em produções famosas como Vingadores Guerra Infinita (2018) e Jurassic World (2015). Nesses casos, os produtores precisam levar em conta que os fótons interagem entre os objetos reais e os animados, exigindo cálculos e programas diferentes das animações mais comuns. 

*Estagiário sob supervisão de Carmen Souza 

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