Arnulfo Zepeda
zepeda@siggraph.org

Uno de los avances mas notorios en la animación 3D ha sido la creación de personajes, a veces humanoides y a veces realistas los cuales le dan una carga emocional y nos inducen a adentrarnos en su trama.

Los actores sintéticos son actores humanoides autonomos completamente generados por computadora. La animación, día a día, es menos aceptable si no contiene actores sintéticos 3D.

Actualmente para su generación se usan técnicas tales como keyframing (establece posiciones clave en puntos específicos del tiempo, y la parte intermedia se obtiene por interpolación matemática), rotoscopiado (que es otra forma más elaborada de keyframing, obteniendo imagenes reales con puntos de control y tratando de hacer converger los modelos en computadora con ellos) y motion control (que obtiene de manera automática la posición y ángulo de puntos clave, cuadro a cuadro, a partir de un actor real). En el futuro se espera usar menos dichas técnicas tradicionales, y tener la capacidad de un director real dirigir a actores sintéticos en tiempo real, a tráves de interfaces de muy alto nivel (como por ejemplo indicarle que camine de manera alegre de cierta esquina de un cuarto a la puerta!).

Entre sus posibles aplicaciones no del tanto obvias esta la recreación de actores reales, vivos o muertos, en cualquier situación; la simulación digital científica o artistica (transporte, espacio, accidentes, nuevas herramientas) y la biomedicina (problemas estructurales de la columna vertebral, disfunciones del lenguaje y visuales).

La historia de los actores sintéticos tiene muchos puntos interesantes, pero baste mencionar que en 1971 Parker produce una representación cruda de la cabeza y cara en la Universidad de Utah, y tres años más tarde avanza en modelos parámetricos suficientes para producir un rostro humano más realista. Un hito muy importante se da en 1985, en que el film "Tony de Peltrie" utiliza por primera vez técnicas de animación facial que son usadas para contar una trama.

"Sexy Robot" creado en 1985 por Robert Abel & Associates como comercial para impone nuevos estandares para el movimiento del cuerpo humano (introducción de motion control). En 1988 "Tin Toy", es ganador del primer oscar (Best Animated Short Film) a una pieza creada enteramente por computadora.

Otros hitos dignos de mencionar en la evolución de los actores sintéticos han sido:

1988: Primera actuación en tiempo real de un personaje humano por computadora en SIGGRAPH 88,"Mike the Talking Head"

1988: Daniel Thalmann y Nadia Magnenat-Thalmann crean personaje de Marilyn Monroe técnicamente impresionante, pero comienza a levantar cuestiones éticas y morales.

1989: En la pelicula "El Abismo" (The Abyss), la secuencia donde el pseudopodo acuoso adquiere una cara humana, representa un paso importante para futuros actores sintéticos.

1989: Lotta Desire, actriz de "The Little Death" y de "Virtually Yours" establece nuevos logros.

1991: "Terminator II", pelicula que marca un hito en la animación de actores sintéticos mezclados con actores reales, y basa la trama de manera imprescindible sobre la credibilidad de los actores sintéticos.

1993: En "Jurassic Park" los dinosaurios, aun sin ser actores humanos, elevan una vez más el grado de realismo (esta vez hay escenas donde es muy díficil decir que fueron generados sintéticamente), y se espera de otros proyectos de Industrial Light & Magic la creación de actores sintéticos fotorealistas con la misma tecnología.

Sin embargo, a pesar de todos los logros acumulados, aun existen varios problemas en diversas fases de ser resueltos:

1) Movimientos naturales generados por computadora, en donde además cada actor sintético debe tener su propia "personalidad" al caminar, cualidad muy importante ya que la visión humana es muy sensitiva a pequenas variaciones de un actor a otro y de una persona a otra, desde el ritmo de caminar hasta a detalles más minusculos. Se han empleado modelos paramétricos para ofrecer algunas soluciones.

2) Presionamiento de objetos con manos. Se emplean hasta ahora modelos de elemto finito (FEA) para simular dichos procesos. Los pasos típicos para realizarlo son:

1. Posicionamiento (animación paramétrica)
2. Repulsión (geométrica)
3. Resolver fuerza para la pelota, y para los contactos
4. Prescribir la no penetración de objetos y reposicionar
5. Resolver fuerzas de reacción en todos los huesos

3) Personalidad y emociones faciales, se resuelven con modernas técnicas de scaneo de piel y color y modelos paramétricos parecidos a las técnicas de "morphing".

4) Pelo es un objeto muy complejo a modelar y renderear ya que se cuenta con más de 100,000 cabellos sobre un craneo humano tííico. Soluciones tales como usar modelos explícitos son muy exigentes en cuanto a recursos ya que se utilizarían mís de 100,000 cilindros para modelarlo! Otras soluciones ofrecidas al día de hoy incluyen el uso de densidades volumétricas (textura 3D) que además de color en un espacio 3D ofrecen una especie de campo de "dirección" para saber hacia donde esta dirigido cada cabello. Sin embargo esto sólo funciona para cabellos cortos y texturas más parecidas al peluche que al pelo. Las mejores soluciones (aunque son dificiles de animar) involucran el uso de sistemas de partículas y difusión de pixeles de pelos individuales en donde una vez hecho el render del craneo(con un algoritmo de Z Buffer, o guardando información acerca de la profundidad en cada pixel) se procede a renderear cada pelo generandolo con algoritmos de programación dinámica y encimandolo a la imágen original. Un detalle muy importante de esto es como se encima el pelo consigo mismo para dar por resultado áreas de alta y baja densidad, y de alto y bajo brillo. (no bueno para animación, requiere Z buffer)

5) Vestidos :Problema complejo debido a como se amolda la ropa (especialmente la holgada) a nuestro cuerpo y como al caminar sigue al cuerpo pero con un movimiento que depende de sus colisiones con este y con sigo mismo, (por ejemplo una falda). Se ha resuelto empleando también técnicas de FEA.

6) Animación basada en visión Para dirigir a un actor a tráves de habitaciones y situaciones con obstaculos, y evitar el tener que especificar por keyframing por donde debe caminar se recurre a modelos de Inteligencia Artificial, generando de vistas desde la camara (u ojos) del actor para que un sistema experto "decida" el camino a seguir.

Los niveles de investigación han sido clasificados por algunos autores en las siguientes categorías:

1. Geométrico y físico (modelaje y animación de la estructura humana)

2. Dependiente del ambiente (objetos estáticos, moviles y otros actores)

3. Comportamiento en base a eventos, objetos y restricciones.

1. Eurithmy: de Michael Girard, logra movimiento expresivo natural a base de técnicas de optimización con restricciones. En contraposición a técnicas como keyframing y cinemática directa e inversa, esta pieza fue creada empleando dinámica inversa (en base a posiciones y estados finales, y tomando en cuenta propiedades como masa, fuerza, momento de inercia,etc, calcular el movimiento implicado), resolviendo fuerzas del tipo

                ..          . .
        Q =S H   q  + SS C   q q + g
         i    ij j       ijk j k   i

que son fuerza generalizadas, tensores de inercia, factores de velocidad y velocidades y aceleraciones generalizadas y maximizando la integral de

        dJ =  d3 Z(t)/dt3|^2 

lo cual se realiza para reducir el "bamboleo" inecesario de las extremidades del cuerpo durante la animación.

2. Still Walking: Esta pieza, al igual que las siguientes dos, fue creada por Nadia Magnenat y Daniel Thalmann. A partir de datos biomecánicos experimentales y con un modelo paramétrico se generan nuevos patrones de movimiento realista que implican distintas "personalidades".

3. IAD: interface entre actor y ambiente hace que el actor sea consciente de los objetos que lo rodean y puede agarrarlos, y evitar obstaculos y colisiones.

4. Flashback: Animación de vestido de Marylin Monroe al pegar el viento sobre de él, tomando en cuenta las colisiones del vestido con sigo mismo y con las piernas de Marylin Monroe.

En resúmen, la descripción de un actor sintético y los problemas de su factibilidad son:

a) Es humanoide. Todavía no se han dado casos de un "Lassie" virtual. La creación de actores se origina en la busqueda de modelos humanos que sean más realistas, limitándose a los problemas del cuerpo humano (como la generación de pelo, de expresión facial, articulaciones, dinámica humana).

b) Personalidad. El distintivo de un actor, virtual o real. La personalidad de un actor sintético no sólo esta dada por su apariencia, se pueden agregar muchos factores: característica forma de moverse, voz, reacciones propias y un largo etc. Con su personalidad, el actor sintético será original y único, y de ella dependerán sus "roles" en las animaciones.

c) Capaz de operar en base a instrucciones de Alto Nivel. El actor sintético ideal debe poderse manejar de la manera que se maneja un actor real: mencionandole las acciones a realizar, sin necesidad de controlar paso por paso cada pequeño movimiento necesario para realizar tal acción. Equivaldria a que, para animar usando un actor sintético, sólo sería necesario ordenarle: "Salta a la derecha, voltea a la cámara y demuestra que estás asustado", a lo cual el actor sintético respondería realizando todos los pasos intermedios necesarios.

Finalmente, resta decir que los actores sintéticos constituyen uno de las áreas más excitantes de la animación por computadora, y que marcarán avances definitivos en este campo. Las técnicas que se han desarrollado para su manejo serán incorporados en algún momento en los modernos paquetes de animación por computadora.