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giovedì 11 dicembre 2014

Disney Research: alla ricerca dell'occhio realistico

Per molti potrà suonare come una curiosità fine a se stessa, quasi inutile, ma nei fatti è interessante per capire come l'idea di innovazione tecnica e tecnologica sia presente, in modi differenti, in moltissimi campi, inclusa l'animazione.
Con l'avvento della computer grafica, non solo la realizzazione dei videogiochi è diventata più precisa e dettagliata per personaggi e ambienti, ma anche l'animazione stessa si è giovata delle innovazioni videoludiche. Esempio su tutti sono gli studi della Pixar, oggi assorbiti dalla Disney, che, ispirandosi in qualche modo all'impulso iniziale del suo fondatore, Walt Disney, che si muoveva sul doppio binario dell'innovazione tecnica e delle storie di grande impatto emotivo, ha oggi un programma di ricerca portato avanti dal Disney Research, una rete di laboratori impegnati in vari campi come la robotica, intelligenza artificiale e vari altri campi come, appunto, l'animazione computerizzata. In quest'ultimo caso il Disney Reasearch di Zurigo ha rilasciato un comunicato stampa (pdf) e un articolo (pdf) in cui espone una nuova tecnica per l'animazione degli occhi:
Creare un umano digitale foto-realiztico è una delle granfi sfide della computer grafica, ma a dispetto dell'intensa ricerca sulla cattura delle facce degli attori, in particolare per la ricostruzione della superficie della pelle e di altre caratteristiche come i capelli, ben poca attenzione a tutt'oggi è stata data all'occhio, in particolare alla sua forma.
E' quanto afferma Pascal Bérard, dottorando presso i laboratori Disney di Zurigo e primo firmatario dell'articolo.
La complessità degli occhi umani detta un nuovo approccio per la cattura e la ricostruzione accurata. Dobbiamo prestare particolare attenzione alle proprietà dell'aspetto dei differenti componenti dell'occhio, e progettare differenti strategie per la ricostruzione di ciascun componente.
Ognuno dei componenti dell'occhio (la sclera, la cornea, l'iride) presenta proprietà differenti che richiedono tecniche di cattura e modellizzazione differenti, che risultano però complementari uno con l'altro, svolti grazie all'utilizzo di camere, flash e LED opportunamente posti intorno all'occhio umano e in un funzione per una ventina di minuti.
La ricostruzione successiva viene fatta con un modello matematico tutto sommato semplice dove le informazioni vettoriali di ciascun punto dell'occhio, incluso il possibile errore, vengono sommate una con l'altra utilizzando l'algoritmo di Levenberg-Marquardt, a sua volta una evoluzione dell'algoritmo di Gass-Newton, utilizzato per determinare il minimo di una funzione, senza dover necessariamente calcolare le derivate seconde.
L'algoritmo di Levenber-Marquardt viene, invece, utilizzato nella ricerca della curva quadratica minima: dato un insieme di $m$ coppie di dati empirici, l'idea è ottimizzare un dato parametro, indicato con $\beta$, tale che la curva quadratica \[S (\beta) = \sum_{i=1}^m \left ( y_i - f (x_i, \beta) \right )^2\] risulti minima.
L'innovazione tecnologica e di approccio computazionale non verrà ancora implementata all'interno di futuri film animati: i ricercatori sono ancora agli inizi e il passo successivo è quello di ottenere una cattura dinamica dell'occhio, inclusi i movimenti più complessi come tremori o altri rapidissimi movimenti.

L'algoritmo di Levenberg-Marquardt venne per la prima volta scoperto da Kenneth Levenberg nel 1944 per poi venire successivamente riscoperto da Donald Marquardt:
Levenberg, K., 1944. A method for the solution of certain non-linear problems in least squares. Quarterly Journal of Applied Mathmatics II (2), 164–168. citeulike:10796881
Marquardt D.W. (1963). An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters, Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, 11 (2) 431-441. DOI: http://dx.doi.org/10.1137/0111030 (pdf)
(via Popular Science)

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