Cabelo bem enrolado , tecido enrugado e como os objetos colidem - essas são algumas das coisas que ainda dão dores de cabeça aos animadores de computador. 

Mas agora, Theodore Kim, professor associado de ciência da computação, e sua equipe de pesquisa desenvolveram novas técnicas matemáticas que permitem maneiras mais rápidas, robustas e precisas de representar esses e outros fenômenos naturais. Eles são descritos em três artigos que Kim e seus alunos de pós-graduação, Haomiao Wu e Alvin Shi, apresentarão esta semana no ACM SIGGRAPH / Eurographics Symposium on Computer Animation (SCA).  

Apesar de todos os avanços que foram feitos na animação por computador nas últimas décadas, ainda existem alguns fenômenos físicos que são pouco compreendidos e particularmente difíceis de capturar. Uma delas é criar diferentes tipos de cabelo que parecem e se movem de forma realista. Desde o início dos anos 1990, houve progresso, mas a maioria dos avanços foi para o cabelo liso ou ondulado, mais comum em personagens brancas. Em um momento em que há apelos para que os estúdios de animação tenham representações étnicas e raciais mais amplas em suas histórias, diversificar os tipos de cabelo é fundamental. 

Para esse fim, o novo artigo de Kim, Lifted Curls: A Model for Tightly Coiled Hair Simulation , descreve um novo modelo físico que seu laboratório desenvolveu para animar cabelos bem cacheados, também conhecidos como cabelos afro-texturizados, crespos ou Tipo 4. Isso inclui como ele se move quando é esticado ou dobrado.  

“O trabalho anterior mais próximo disso é o sistema de cabelo encaracolado desenvolvido para Merida em Brave ”, disse Kim, referindo-se ao personagem principal branco do filme da Pixar de 2012, que tem cabelos levemente cacheados. “Mas estamos olhando para cachos muito mais apertados do que isso.” Coincidentemente, a técnica do Brave foi publicada há dez anos na mesma conferência em que Kim e seus colegas estão apresentando. 

Como grande parte da animação por computador, a captura da física do cabelo é obtida por meio de uma série de equações matemáticas sofisticadas. Contraintuitivamente, disse Kim, a matemática para cabelos muito crespos pode ser muito mais simples do que para cabelos lisos. Dentro do campo, há muito se acredita que a torção da seção transversal ao longo de um cabelo precisa ser cuidadosamente simulada para obter um movimento realista do cabelo. Essa quantidade pode ser complicada de calcular, mas, de acordo com Kim, seus efeitos são muito menos prevalentes em cabelos muito crespos. Ao descartá-lo, sua equipe mostrou que um modelo muito mais simples pode ser concebido. 

Antes de projetar a matemática para descrever a física do cabelo, os pesquisadores examinaram de perto o cabelo real. Nesse caso, eles adquiriram perucas contendo cachos com raio inferior a 5 milímetros e mediram coisas como o aperto do cacho e a distância entre cachos sucessivos. Eles também tiveram extensas discussões com um especialista em representação digital de cabelos bem enrolados, o professor AM Darke , da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz. O professor Darke, coautor do artigo, forneceu informações detalhadas sobre as formas que o cabelo deve ter e como ele deve se mover.

“Se você olhar para a matemática dos modelos anteriores, eles são feitos sob medida para cabelos lisos, então você pode ter cabelos ondulados como em Moana”, disse Kim, referindo-se ao personagem-título do filme de 2016 da Disney. “Mas se você colocá-la lado a lado com uma foto de alguém com cabelo afro de verdade, não chega nem perto.” 

Os pesquisadores descobriram posteriormente que parte da matemática que eles desenvolveram para cabelos bem enrolados poderia ser aplicada a outros fenômenos, como entortar latas de refrigerante ou objetos colidindo. 

Um artigo, An Eigenanalysis of Angle-Based Deformation Energies , liderado pelo estudante de pós-graduação Haomiao Wu, generalizou a análise do cabelo e aplicou-a a simulações de hastes e cascas elásticas. Em uma demonstração , ela simulou um cilindro de cerca de arame sendo esmagado. Ao contrário das técnicas de simulação mais populares, em que a cerca simplesmente se contraía de forma pouco convincente, os resultados de Wu colapsaram e dobraram de forma realista.

No artigo A Unified Analysis of Penalty-Based Collision Energies , liderado pelo aluno de pós-graduação Alvin Shi, ele usou algumas das técnicas de cabelo para analisar como os objetos colidem. Em um exemplo , eles puxaram dois feixes de cordas um contra o outro. Usando técnicas anteriores, algumas das cordas estalavam não fisicamente umas nas outras quando a tensão se tornava muito alta. Usando sua nova análise de colisão, as cordas esticam corretamente umas contra as outras.

“Normalmente, as pessoas que computam essas coisas apenas veem um mar de números, e é difícil saber o que realmente está acontecendo”, disse Kim, que recentemente ganhou seu segundo Oscar por seu trabalho em animação por computador. “Mas com nossos métodos de análise, podemos começar a ver a estrutura geométrica do que está acontecendo. Podemos obter uma compreensão muito melhor do que está acontecendo dentro de todas essas colisões”.

Como costuma acontecer, pode demorar um pouco até que as inovações passem da academia para a indústria. Kim disse que seria ótimo se o trabalho deles chegasse aos estúdios de cinema e levasse a uma maior representação na próxima onda de filmes de animação. 

"Esperamos que isso aconteça", disse ele. “Mas mesmo que eles não usem nosso material e criem o seu próprio, eu diria que é uma vitória. Seria ótimo ver dez modelos diferentes de cabelos cacheados por aí.”

O financiamento para esta pesquisa veio em parte da Fundação Bungie e da National Science Foundation.