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Caro Amante E Estudioso da Arte Animada

Estamos Na Estrada! Completamos 18 meses de uma costante alimentação do nosso animado INDEX, onde tivemos apoio da Professora Dra. Índia Ma...

Animação Baseada em Física Usando Partículas em GPUs

Tese de Doutorado

Nome:
Yalmar Temistocles Ponce Atencio
Instituição: Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ
Programa: Coordenação dos Programas de Pós-Graduação de Engenharia, Programa de Engenharia de Sistemas e Computação
Orientador: Claudio Esperança
Ano: 2011
País: Brasil

Resumo
Apresenta-se, nesta tese, abordagens para simulação baseada em física. Inicialmente, abordagens sequencias são apresentadas, entretanto, devido ás limitações em poder de processamento de CPUs atuais é possível simular apenas algumas dezenas de objetos em tempo real. Ainda utilizando múltiplos núcleos de processamento (multi-core), os resultados serão incrementados aproximadamente em 5-10 vezes, sendo assim possível simular algumas centenas de objetos em tempo real. Estas limitações, sugerem o emprego de arquiteturas que permitam processamento paralelo massivo. Este é o caso das GPUs atuais, pelo que um segundo grupo de abordagens; que tratam objetos sólidos (rígidos e deformáveis), líquidos (SPH), elásticos (tecidos) e a interação entre eles são implementados empregando esta plataforma. Nestas abordagens, que chamamos de abordagens GPGPU, todas ou algumas etapas foram realizadas na GPU aproveitando seu poder computacional. Este aproveitamento é possível, principalmente, pelo emprego de partículas para representar objetos, ou seja, objetos são representados por conjuntos de partículas. Esta representação permite utilizar o mesmo sistema de detecção de colisão (sistema unificado) para simular a dinâmica e interação de objetos de diferentes classes. Assim, é possível simular cenários com grandes quantidades de objetos, e de diferentes classes, em tempo real. O sistema de detecção de colisão unificado é linear no número de partículas, e a detecção de colisão entre partículas (esferas) é rápida, levando a obter ganhos consideráveis comparado com abordagens sequencias que usam malhas. Quando duas partículas colidem, forças de repulsão ou impulsos são computados, que posteriormente são aplicados aos objetos aos quais estas partículas pertencem. Para a renderização, objetos sólidos guardam referências para malhas trianguladas, que serão visualizadas na posição e orientação correspondente...


Abstract
In this work, we present some approaches for physically based simulation. Firstly, two sequential approaches are presented, however, due to limited computational power on current CPUs, only few dozens of objects can be simulated in real time. Still using multi-core processors, will be possible to simulate only some hundred of objects in real time. These limitations, suggest the use of massive parallel processing architectures. This is the case of current GPUs, so a second group of approaches, that allow the simulation of solid objects (rigid and deformable), liquids (SPH), elastics (cloth) and the interaction between them was implemented using that architecture. In these approaches, to which we called GPGPU approaches, all or some steps are done on the GPUs exploiting their computational power. This use is possible, mainly, due to use of particles to represent objects. This representation allows use the same collision detection system (called, unified collision detection) to simulate the dynamic and interaction between different kind of objects. Then, is possible to simulate scenes with hundreds and thousands of objects in real time. The unified collision detection is linear to number of particles, and collision detection between particles (spheres) is simple and fast, leading to high increase in performance compared with sequential approaches based on meshes. When two particles collide, forces or impulses are computed, which are applied to objects which belong them. For rendering, solid object have references to pre-loaded meshes, who are rendered on their corresponding position and orientations for each time step. On the liquid case, an image-space approach is used, which allows approximate the liquid surface without use complex algorithms, for instance, the well known marching techniques.


Palavras-chave: 
Computação gráfica, Simulação física de fluidos e sólidos usando partículas, Processamento paralelo em GPUs, Tese

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Interface Natural em 3D Para Animações Interativas

Tese de Doutorado

Nome:
Andréa Lins e Lins Souza
Instituição: Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Computação
Orientador: Ricardo Guerra Marroquim
Ano: 2017
País: Brasil

Resumo
A tarefa de produzir animações de personagens virtuais articulados 3D pode ser árdua e maçante para o animador, quando ele não dispõe de técnicas e ferramentas para facilitar e agilizar o resultado do próprio trabalho. A escolha de métodos e de ferramentas apropriadas, tanto de hardwares quanto de softwares, muitas vezes é crucial para garantir o êxito. Nesse contexto, apresentamos um sistema para produzir animações de personagens articulados 3D, através da performance do usuário. A nossa abordagem fundamenta-se na técnica de quadros-chaves espaciais, a qual associa um marcador no espaço para cada pose-chave de um movimento ou ação e permite que o usuário produza animações ao mover o controlador com um mouse 2D. Em nosso sistema, a interação com o ambiente virtual se dá através de ferramentas mais sofisticadas, capazes de capturar gestos e movimentos da mão em tempo real. Os dados capturados são utilizados pelo algoritmo para interpolar as poses-chaves e construir, automaticamente, novas poses da sequência de animação durante a performance do usuário. Ademais, dispomos esses marcadores sobre superfícies com o intuito de mapear determinadas animações sobre as mesmas. Assim, é possível facilitar a localização espacial dos objetos presentes na cena, como os marcadores e o controlador, durante a performance. Embora estejamos trabalhando com movimentos e gestos, o nosso objetivo não é desenvolver uma interface puramente gestual. Com isso, ela também dispõe de controles acessíveis através do mouse, os quais conferem características adicionais ao sistema, como gravar a animação para visualização posterior, controlar a velocidade durante a visualização de uma animação gravada, dentre outras.


Abstract
The task of producing 3D character animation may be arduous and tedious for the animator when he lacks the techniques and tools to facilitate and streamline the outcome of his work. Choosing appropriate methods and tools, both hardware and software, have been often crucial to success. In this context, we present a system for performance-driven articulated 3D character animation. Our approach is based on the technique of spatial keyframing, that associates a marker in space for each key pose of a movement or action and allows the user to provide animations by moving the control cursor in the 3D space with a 2D mouse. In our system, interaction with the virtual environment takes place through more sophisticated tools capable of capturing gestures and hand movements in real time. The captured data is used by the algorithm to automatically construct new poses of the animation sequence during the user’s performance. In addition, we have these markers on surfaces with the intention of mapping certain animations on them. Thus, it is possible to facilitate the spatial localization of the objects present in the scene, such as the markers and the controller, during the performance. Although we are working with movements and gestures, our goal is not to develop a purely gestural interface. It also has controls that may be accessed by mouse and give additional features to the system, such as recording the animation for later viewing, controlling the speed when viewing a recorded animation, and more.


Palavras-chave: 
Engenharia de Sistemas e Computação, Interface natural, Animação 3D, Tese

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Enriquecendo Animações em Quadros-chaves Espaciais com Movimento Capturado

Tese de Doutorado

Nome:
Bernardo Fortunato Costa
Instituição: Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Computação
Orientador: Claudio Esperança
Ano: 2018
País: Brasil

Resumo
Movimento capturado (mocap) produz animacões de personagens com grande realismo mas a um custo alto. A utilização de quadros-chave torna mais difícil um resultado com realismo mas torna mais fácil o controle da animacão. Neste trabalho, mostramos como combinar o uso de quadros-chaves espaciais – Spatial Keyframing (SK) Framework – de IGARASHI et al. [1] e técnicas de projeção multidimensional para reutilizar dados de movimento capturado de várias maneiras. Mostramos também como projeções multidimensionais podem ser utilizadas para visualização e análise de movimento. Propomos um método de compactação de dados de mocap utilizando a reconstrução de poses por meio do algoritmo de quadros-chaves espaciais. Também apresentamos uma técnica de otimização para as projeções multidimensionais que melhora a reconstrução do movimento e que pode ser aplicada em outros casos onde um algoritmo de retroprojecão esteja dado.

Abstract
While motion capture (mocap) achieves realistic character animation at great cost, keyframing is capable of producing less realistic but more controllable animations. In this work we show how to combine the Spatial Keyframing (SK) Framework of IGARASHI et al. [1] and multidimensional projection techniques to reuse mocap data in several ways. Additionally, we show that multidimensional projection also can be used for visualization and motion analysis. We also propose a method for mocap compaction with the help of SK’s pose reconstruction (backprojection) algorithm. Finally, we present a novel multidimensional projection optimization technique that significantly enhances SK-based reconstruction and can also be applied to other contexts where a backprojection algorithm is available.


Palavras-chave: 
Animação, Quadro-chave, Motion capture, Projeção multidimensional, Tese

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Animação Computacional da Chuva com Fluxo Superficial Simulado Via SPH

Dissertação de Mestrado
 
Nome: Bruno Barcellos de Souza Coutinho
Instituição: Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ
Programa: Coordenação dos Programas de Pós-Graduação de Engenharia, Programa de Engenharia de Sistemas e Computação
Orientador: Antonio Alberto Fernandes de Oliveira
Ano: 2011
País: Brasil

Resumo
A animação da chuva é uma tarefa complexa onde são necessários esforços não só para tratar a dinâmica da água, mas também para se obter um "rendering" realístico. Efeitos secundários, como os respingos (splashes) das gotas, a formação de fluxo superficial e acúmulo são dificuldades conhecidas em computação gráfica. Nesse trabalho propomos um "framework" para a integração desses elementos em uma cena contendo um modelo digital de terreno (MDT). O aplicativo também oferece a possibilidade de inserção de chuva (sem fluxo superficial e respingos) em um vídeo real. A chuva é modelada através de um sistema de partículas, implementado em CUDA. Cada partícula representa uma gota e então a "Precomputed Radiance Transfer" (PRT), expressa em uma base de harmônicos esféricos, é utilizada para incorporar a luz do ambiente (environment lightning) na etapa de "rendering". Para a animação de fluxo superficial e acúmulo da água na superfície do MDT utilizamos o "Smoothed Particle Hydrodynamics" (SPH). O "rendering" da superfície livre do fluido é realizado aplicando "environment mapping", dosado pelo termo de Fresnel, sobre uma malha regular conhecida como "carpet", utilizada para extrair a superfície livre do fluido. Os resultados experimentais ressaltam o potencial do "framework" proposto para aplicações de computação gráfica e destaca que o modelo também pode ser utilizado para aplicações de tempo real.


Abstract
Realistic rain scenes animation is a complex task due to both the rendering and fluid dynamics simulation issues. The associated phenomena, like rain strokes rendering, splashing of raindrops and the simulation of the generated surface flow are known difficulties in this area. This paper describes a computational framework to incorporate these elements in a scene containing a digital terrain model (DTM). The proposed framework also allows the rain insertion (without surface flow and splashes) in a real video. In the rain model, the raindrops are modeled by a particle system implemented in GPU. Each particle represents a drop and the Precomputed Radiance Transfer (PRT), expressed in a spherical harmonics bases, is used to incorporate environment lightning to the rendering engine. The Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method is employed for simulating the superficial flow over the terrain and lake formations. The rendering of the fluid free surface is performed by applying an environment mapping technque plus Fresnel effects to a regular geometric representation known as “carpet”. The experimental results show the potential of the proposed pipeline for computer graphics and highlight the fact that it is a promising framework for real time applications.

Palavras-chave: Animação da chuva, SPH, Sistemas de partículas, PRT, Modelo de terreno, Dissertação.

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Deformação de Formas 2D Baseada em Restrições Posicionais Intuitivas e Manipulação de Camadas

Dissertação de Mestrado
 
Nome: Tiago de Souza Mota
Instituição: Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ
Programa: Coordenação dos Programas de Pós-Graduação de Engenharia, Programa de Engenharia de Sistemas e Computação
Orientador: Claudio Esperança e Antonio Alberto Fernandes de Oliveira
Ano: 2011
País: Brasil

Resumo
Este trabalho apresenta um método de interação com sistemas de deformação de objetos bidimensionais baseado na manipulação de restrições posicionais intuitivas e na criação e edição de camadas que representam partições específicas do objeto. As camadas são deformadas de forma independente, mas podem se relacionar por meio de regiões de interesse escolhidas pelo usuário. Através de ferramentas para deformação e edição das camadas, é possível realizar operações interessantes no objeto como alteração na ordem de exibição das partições, criação de deformações locais e aplicação de operações de edição de imagens. O método é mais recomendado para animação de personagens em forma de cartoons e é particularmente interessante para objetos que possuam algum tipo de sobreposição de regiões.

Abstract
This work presents a method of interaction with systems of two-dimensional objects deformation based on the intuitive manipulation of positional constraints and the creation and editing of layers that represent specific partitions of the object. The layers are deformed in a independent way, but they can be related through regions of interest chosen by the user. Using tools for editing and for deformation of layers, it’s possible to perform interesting operations on the object like changing the order of the partitions, creating local deformations and applying image editing operations. The method is best recommended for animation of characters in the form of cartoons and is particularly useful for objects that have some kind of overlapping regions.

Palavras-chave: Deformação de formas,Restrições posicionais, Animação 2D, Camadas, Dissertação.

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