Mogi Guaçu/SP
Desenvolvimento de animações e simulações
modeladas por computador aplicadas à educação
Desenvolvimento de animações e simulações
modeladas por computador aplicadas à educação
Equipe da Faculdade Municipal “Prof. Franco Montoro”
José Tarcísio Franco de Camargo Responsável técnico Desenvolvimento e elaboração do projeto
Jomar Barros Filho Desenvolvimento do projeto
João Alexandre Bortoloti Desenvolvimento do projeto
Gabriel Inácio de Mello Aluno de iniciação científica e execução do projeto
Fabiano Correa da Silva Supervisão geral de pesquisa e extensão
Estéfano Vizconde Veraszto Responsável pelo Núcleo de Pesquisa e Extensão e coordenação geral do projeto
Desenvolvimento do projeto
Faculdade Municipal “Prof. Franco Montoro” (FMPFM) Rua dos Estudantes, s/n – Cachoeira de Cima Caixa Postal: 293 - 13.843-971 – Mogi Guaçu – SP
Resumo
Este projeto apresenta uma proposta para que venha a ser difundido o uso de ferramentas computacionais no desenvolvimento de animações e simulações modeladas por computador, particularmente aplicadas à educação. Para tanto, pretende-se utilizar um conjunto de ferramentas baseadas em “software livre” de excelente qualidade e grande potencial para o desenvolvimento das aplicações propostas. Como resultado final, espera-se poder criar “células de desenvolvimento” de animações e simulações que envolvam interessados nesta área em vários segmentos de nossa comunidade regional.
1 Justificativa, objetivos e alcance social
“Educação” é um ponto crucial para o desenvolvimento de qualquer nação. Existem, atualmente, diversas ferramentas capazes de promover e facilitar o aprendizado de conteúdos sendo que, entre elas, merecem destaque as ferramentas computacionais.
O “estado atual” das ferramentas computacionais à nossa disposição nos fornece um cenário extremamente interessante para o desenvolvimento de aplicações direcionadas à educação, o qual dificilmente seria viável há alguns anos atrás. Neste cenário, dispomos atualmente de máquinas com poder de processamento considerável acessíveis a custos relativamente baixos, além de um grande número de pacotes (software) livres de excelente qualidade. Esta combinação de fatores torna possível a utilização destes recursos na área de educação, seja, por exemplo, na criação de jogos educativos onde se desenvolvam determinadas habilidades, seja na criação de animações ou simulações através das quais se facilite o aprendizado de determinados conceitos.
Embora o cenário seja apropriado, falta, em nosso país, os devidos “atores” para o desenvolvimento de tais atividades, ou seja, as ferramentas apropriadas estão à disposição, mas falta mão-de-obra especializada para que as ações sejam concretizadas. Dentro deste contexto, este projeto pretende contribuir para a difusão do uso de ferramentas computacionais aplicadas à educação e, conseqüentemente, expandir o número de profissionais habilitados nesta área, particularmente, envolvendo pessoas no uso e/ou desenvolvimento de ferramentas de animação, simulação e criação de jogos. Como “laboratório” prévio para este projeto, a disciplina “Computação Gráfica e Processamento Digital de Imagens” do Curso de Ciência da Computação da Faculdade Municipal “Professor Franco Montoro” foi utilizada durante o 2º. Semestre letivo de 2010 para que os alunos fossem apresentados a algumas ferramentas de desenvolvimento de animações e simulações, além das respectivas técnicas de criação de animações e simulações modeladas por computador. Como resultado desta etapa prévia, os alunos e o professor desenvolveram um conjunto de animações (de tema livre) que serviram de estímulo para que este projeto fosse formalizado.
As seções deste projeto apresentam uma proposta para o desenvolvimento de futuras atividades que venham a criar células de desenvolvimento de animações e simulações em nossa Faculdade e, posteriormente, em nossa comunidade regional.
2 Papel da instituição
Este projeto faz parte de um conjunto maior de projetos que tem por objetivo promover a Faculdade Municipal “Professor Franco Montoro” a um pólo de desenvolvimento tecnológico na área da computação e da automação em geral. Inicialmente, através do desenvolvimento de pequenos projetos envolvendo alunos de graduação, espera-se criar uma cultura de pesquisa e desenvolvimento entre docentes e discentes da Faculdade. Em um segundo passo, uma vez que essa cultura de pesquisa científica tenha se instaurado no ambiente institucional, pretende-se buscar parcerias externas, com vistas à inserção da Escola em um ambiente regional de desenvolvimento tecnológico em computação e automação.
3 Breve revisão bibliográfica
Embora as ferramentas para o desenvolvimento das atividades desejadas estejam ao alcance de todos, a concretização das idéias (ou seja, a criação de animações ou simulações modeladas por computador) exige daquele que pretende atuar nesta área um determinado conjunto de conhecimentos, não se tratando, portanto, de uma atividade trivial. Além desta restrição, deve-se também ter em mente as diferenças existentes entre o uso de ferramentas computacionais (a computação como “atividade meio”) e o desenvolvimento de ferramentas computacionais (a computação como “atividade fim”) para que determinado objetivo seja alcançado. Este projeto estará situado em ambas vertentes, porém, de início, a ênfase se dará no uso das ferramentas computacionais já existentes para o desenvolvimento de animações, simulações e jogos.
Assim, como ponto de partida, espera-se que o interessado nesta área venha a adquirir conhecimentos básicos na área de computação gráfica, acumulando conhecimentos como os apresentados em [1], [2] e [3]. Além de conhecimentos básicos sobre computação gráfica, este interessado (ou futuro profissional) deverá ter bons conhecimentos sobre a área de animação, conforme expostos em [4] e [5], além de conhecer com uma certa profundidade as ferramentas que serão utilizadas para o desenvolvimento de seu trabalho ([6] e [7]). Conhecimentos artísticos também são desejáveis para que este interessado/profissional se torne mais completo ([8]).
Embora seja necessário que os participantes deste projeto dominem ou venham a dominar conceitos da área de computação gráfica e animação por computador, não se pretende pressupor que seus participantes sejam da área de computação (o que tornaria a proposta inicial bastante restrita), mas sim “interessados” em aplicar tais ferramentas.
4 Materiais e Métodos
A seguir é apresentada a estratégia a ser seguida no processo de formação de desenvolvedores e criação de animações e simulações modeladas por computador.
4.1 As bases de uma animação modelada por computador
Uma animação, tradicional ou desenvolvida com o auxílio de um computador, é basicamente uma seqüência de imagens (comumente também denominados “quadros” ou “frames”) apresentadas a uma certa velocidade tal que nossa visão e nosso cérebro tenham a sensação de um movimento contínuo. A taxa com que essas imagens são apresentadas pode variar, normalmente se encontrando em valores que variam desde 24 até 30 “quadros por segundo”.
Assim, para o desenvolvimento de uma animação, é necessário criar uma seqüência relativamente grande de imagens. Por exemplo, um “desenho animado” com uma hora e meia de duração pode chegar a ter 1,5x60x60x30 = 162.000 imagens. Apenas este número já é suficiente para mostrar que o processo de criação de uma animação consome, sem dúvida, um grande volume de recursos. Dessa forma, a animação tradicional, onde os quadros são produzidos artesanalmente um a um, vem perdendo espaço para a animação por computador.
A animação por computador, por sua vez, pode ser dividida em dois ramos: “animação assistida por computador” e “animação modelada por computador”. Na animação “assistida por computador”, a máquina atua mais como uma ferramenta de apoio (por exemplo, no controle da câmera que fotografa os quadros ou em algum outro ponto do processo de produção) do que como uma ferramenta de criação propriamente. Ao contrário, na animação “modelada por computador” o computador está intimamente vinculado a todo o processo criativo, sendo usado desde a concepção artística dos “atores” e “cenários”, passando pela geração de todos os quadro da animação, até a síntese do filme e sua trilha sonora.
Este projeto seguirá o ramo da animação modelada por computador, preocupando-se com todas as etapas envolvidas neste processo.
A criação de uma animação, modelada ou não por computador, envolve uma seqüência de passos que se inicia com a definição da história a ser contada (ou, de um objetivo a ser alcançado em uma simulação ou em um jogo). Definido o enredo, o passo seguinte consiste na criação do roteiro a ser seguido, ou seja, “como” a história se desenvolve. É comum adotar como passo seguinte a criação de um “story-board”, ou seja, um desenho, basicamente um “rascunho”, que apresenta sob uma forma visual o roteiro proposto. O story-board também é utilizado para começar a dar forma aos atores e cenários da animação (ou simulação ou jogo). Até este ponto a influência (ou o uso) do computador pode ser mínima (ou até nenhuma).
Definido o roteiro e o story-board o computador passa a tomar parte quase que integralmente de todo o processo criativo. A partir deste ponto o computador será utilizado para a criação/modelagem dos atores e do cenário da animação. Uma vez que os elementos que participarão da animação tenham sido criados, o computador passará a ser utilizado para a síntese das imagens (quadros) que comporão a animação. Uma técnica bastante utilizada consiste na geração de “quadros-chave” (também denominados “key-frames”) que marcam eventos importantes em uma seqüência de animação e que serão posteriormente interpolados automaticamente pelo computador. O uso desta técnica costuma otimizar significativamente o processo de criação de uma animação.
Uma vez que todos os quadros de uma animação tenham sido gerados, o passo seguinte consiste na união destes, tal que o filme venha a ser gerado. Posteriormente, a trilha sonora é associada ao filme e, eventualmente, pode haver um processo de edição onde partes do filme gerado venham a ser editadas ou cortadas.
A fase de criação digital dos atores e cenários e a síntese dos quadros da animação podem realizadas através de um grande número de pacotes disponíveis no mercado. Como exemplos podemos citar o “Renderman” dos Estúdios Pixar/Disney; o “Maya” da Autodesk, comumente utilizado pela Dreamworks, o “Cinema 4D” eventualmente utilizado pela Sony, além mais alguns pacotes disponíveis no mercado. Todos os pacotes mencionados até aqui são denominados “proprietários” pois implicam na compra de licenças para o seu uso.
Na contra-mão dos pacotes proprietários podemos citar alguns sob licença freeware, de uso público e grande potencial para a criação de animações (ou simulações ou jogos). São estes os pacotes que se pretende utilizar neste projeto. Como exemplos podemos citar o “PoV-Ray” [7] (Persistence of Vision Ray Tracer – http://www.povray.org), que caracteriza-se por ser uma linguagem baseada em scripts (roteiros ou programas propriamente) através da qual um usuário pode modelar e sintetizar imagens individuais ou seqüências de uma animação. O PoV-Ray foi utilizado
no desenvolvimento das animações que serviram de base para a proposta deste projeto. Semelhante ao PoV-Ray, temos o “YAF-Ray” (Yet Another Ray Tracer – http://www.yafray.org) que também se caracteriza por ser um sintetizador de imagens de alto grau de realismo. Como pacote mais completo e principalmente mais “amigável” que os anteriores temos o “Blender” [8] (http://www.blender.org), que agrega em um só pacote várias ferramentas importantes para o desenvolvimento de animações modeladas por computador. O Blender será a ferramenta fundamental de desenvolvimento utilizada neste projeto.
4.3 As ferramentas computacionais para o processo de criação
4.3.1 PoV-Ray: Persistence of Vision Ray-Tracer
O PoV-Ray é um software criado e em constante desenvolvimento sob licença freeware direcionado à síntese de imagens por computador de qualidade foto-realistas. Além de ser utilizado para a síntese de imagens, o PoV-Ray pode ser utilizado para a geração de quadros seqüências de uma animação. A Figura 1 apresenta a interface do PoV-Ray e a Figura 2 apresenta uma imagem sintetizada através deste software.
Figura 2: Imagem sintetizada através do PoV-Ray.
O princípio de funcionamento do Pov-Ray fundamenta-se em um algoritmo traçador de raios (ray tracer) através do qual o trajeto de cada raio de luz presente em uma imagem é traçado. Trata-se, portanto, de um algoritmo relativamente lento porém capaz de criar imagens de altíssimo grau de realismo.
Como pode ser observado através da Figura 1, a interface do PoV-Ray requer que o usuário defina a cena (ou imagem) através da descrição textual da mesma. Dessa forma, o uso deste pacote acaba tendo um alcance limitado pois, implicitamente, acaba exigindo de seu usuário algum conhecimento de linguagem de programação de computadores.
4.3.2 Blender
Assim como o PoV-Ray, o Blender é um software em constante desenvolvimento e também distribuído sob licença freeware. O Blender permite que o usuário crie desde o modelo de cada um dos elementos de uma cena até a síntese final de todos os quadros de uma animação. A Figura 3 apresenta a interface do Blender enquanto a Figura 4 apresenta uma imagem sintetizada pelo mesmo.
A síntese das imagens desenvolvidas através do Blender pode ser realizada através de um algoritmo do tipo “radiosidade” (natural do próprio Blender) ou mesmo através de um mecanismo de plug-in onde outros sintetizadores de imagens podem ser
acoplados ao Blender. Neste segundo caso podemos ter a adição do YAF-Ray ao Blender como um plug-in deste, permitindo que este pacote seja capaz de sintentizar imagens através de mais de um algoritmo.
Como pode ser notado através da Figura 3, a interface do Blender é mais amigável do que a do PoV-Ray, não exigindo que o usuário domine conceitos de programação para o desenvolvimento de uma cena. Em contra-partida, visto que a interface apresenta um número muito grande de recursos, para que o usuário a utilize adequadamente, este deverá dispensar um tempo considerável no aprendizado da mesma.
Figura 4: Imagem sintetizada através do Blender.
4.4 Formação de desenvolvedores
Conforme apresentado ao longo deste texto, a ênfase deste projeto não se encontra propriamente no desenvolvimento de animações ou simulações modeladas por computador, mas sim na formação de pessoas capacitadas a desenvolvê-las. Assim, em primeira instância, este projeto buscará interessados no âmbito acadêmico, procurando desenvolver estratégias que permitam agregar, ao longo de sua execução, pessoas de outras áreas (com formação fora da área de computação) que tenham interesse em aplicar estas ferramentas gráficas no desenvolvimento de “produtos” direcionados à educação. Esta seqüência (primeiro o meio acadêmico, depois o meio exterior a este) tem por objetivo lapidar os mecanismos a serem adotados para a formação deste pessoal.
Particularmente, deverá ser estabelecida uma “rotina” que considere as seguintes etapas:
1. Apresentação geral da área de animação.
2. Apresentação e contextualização da área de computação gráfica.
3. Apresentação e contextualização da área de animação, simulação e criação de jogos por computador.
4. Apresentação das ferramentas computacionais para desenvolvimento de animações, simulações e criação de jogos por computador.
5. Apresentação de “casos de estudo” a serem desenvolvidos.
7. Criação efetiva do “produto” através da utilização de ferramentas consideradas “software livre”.
8. Difusão e divulgação do produto e de suas técnicas de construção.
5 Resultados esperados
A Figura 5 apresenta um conjunto de imagens de algumas animações, já desenvolvidas, que deram origem a este projeto. Todas elas foram sintetizadas através do PoV-Ray.
Figura 5: Imagens de animações já sintetizadas.
De acordo com os resultados obtidos espera-se poder, através da combinação das ferramentas Blender e PoV-Ray, gerar animações ainda mais sofisticadas minimizando o custo de produção das mesmas (principalmente quanto ao tempo de desenvolvimento
destas). Neste sentido, espera-se que sejam criadas várias “células de desenvolvimento” que possam difundir o uso destes recursos aplicados à educação. Este projeto também vislumbra, a médio prazo, a criação de células de desenvolvimento de jogos que também possam vir a ser aplicados no ensino.
5 Cronograma tentativo
Conforme apresentado anteriormente, durante o segundo semestre de 2010 foram desenvolvidas algumas animações e estratégias de desenvolvimento de animações no âmbito de uma disciplina de graduação. Como conseqüência, o conhecimento adquirido nesta etapa vem sendo utilizado não apenas no sentido de se otimizar o processo de criação de animações e simulações mas, inclusive, na organização de células de desenvolvimento. Particularmente, espera-se que as etapas propostas sejam alcançadas dentro do seguinte cronograma:
- Agosto/2010 a Dezembro/2010: elaboração dos primeiros modelos e fundamentação teórica.
- Janeiro/2011 a Julho/2011: Divulgação dos resultados já obtidos e seleção dos primeiros candidatos a desenvolvedores.
- Agosto/2011 a Dezembro/2011: Realização de “Oficinas de criação” voltadas à apresentação de técnicas de criação de animações e simulações.
- Janeiro/2012 a Dezembro/2012: Organização de “células de criação” e desenvolvimento de atividades de produção de animações direcionadas à educação com vistas à otimização de procedimentos de criação.
6 Bibliografia
[1] FOLEY, JAMES D. et al.; Introduction to Computer Graphics; Addison-Wesley Publishing Company, Inc.; 1994; ISBN: 0-201-60921-5.
[2] SCHINEIDER, PHILIP J. et al.; Geometric Tools for Computer Graphics; Morgan Kaufmann Publishers; 2003; ISBN: 1-55860-594-0.
[3] VINCE, JOHN; Mathematics for Computer Graphics – 2nd. Ed.; Springer-Verlag; 2006; ISBN: 1-84628-034-6.
[4] PARENT, RICK; Computer Animation – Algorithms and techniques; Morgan Kaufmann Publishers; 2002; ISBN: 1-55860-579-7.
[5] KUPERBERG, MARCIA et al.; A Guide to Computer Animation for TV, Games, Multimedia and Web; Elsevier Science; 2002.
[6] BRITO, ALLAN; Blender 3D – Guia do Usuário – 2ª. Ed.; Novatec Editora Ltda.; 2007; ISBN: 978-85-7522-125-9.
[7] PoV-Ray Development Team; PoV-Ray 3.6.1 Documentation.
[8] WILLIAMS, RICHARD; The Animator’s Survival Kit; Faber and Faber Limited; 2001; ISBN: 0-571-20228-4.
