Este trabalho apresenta um modelo de integração de ferramentas de animação que reduz consideravelmente o esforço envolvido na construção de novos sistemas. O modelo proposto distribui as tarefas a serem implementadas pelo sistema entre diversas ferramentas, permitindo que cada uma seja menor e mais fácil de manter que um sistema completo. Uma implementação do modelo proposto também é apresentada aqui, assim como o é um protótipo de sistema, construído de acordo com o modelo. O protótipo é comparado com as ferramentas de animação atualmente disponíveis na UFRGS, a universidade na qual este estudo foi desenvolvido. O trabalho conclui com uma análise dos resultados principais obtidos deste estudo. Ao final também são apresentadas algumas sugestões de trabalhos futuros. / This work presents a model for animation tool’s integration, which greatly reduces the programmer’s work in developing a new system. The proposed model distributes all tasks among several tools, making each tool smaller and easier to maintain. An implementation of such model is also described here, and so is a prototype of an animation system made according to the model proposed. The prototype is then compared to the current animation tools available at the UFRGS, the University in which this work was developed. The work concludes with an analysis of the main results and some suggestions of possible future works.

Este trabalho apresenta um modelo de integração de ferramentas de animação que reduz consideravelmente o esforço envolvido na construção de novos sistemas. O modelo proposto distribui as tarefas a serem implementadas pelo sistema entre diversas ferramentas, permitindo que cada uma seja menor e mais fácil de manter que um sistema completo. Uma implementação do modelo proposto também é apresentada aqui, assim como o é um protótipo de sistema, construído de acordo com o modelo. O protótipo é comparado com as ferramentas de animação atualmente disponíveis na UFRGS, a universidade na qual este estudo foi desenvolvido. O trabalho conclui com uma análise dos resultados principais obtidos deste estudo. Ao final também são apresentadas algumas sugestões de trabalhos futuros. / This work presents a model for animation tool’s integration, which greatly reduces the programmer’s work in developing a new system. The proposed model distributes all tasks among several tools, making each tool smaller and easier to maintain. An implementation of such model is also described here, and so is a prototype of an animation system made according to the model proposed. The prototype is then compared to the current animation tools available at the UFRGS, the University in which this work was developed. The work concludes with an analysis of the main results and some suggestions of possible future works.

Este trabalho apresenta um modelo de integração de ferramentas de animação que reduz consideravelmente o esforço envolvido na construção de novos sistemas. O modelo proposto distribui as tarefas a serem implementadas pelo sistema entre diversas ferramentas, permitindo que cada uma seja menor e mais fácil de manter que um sistema completo. Uma implementação do modelo proposto também é apresentada aqui, assim como o é um protótipo de sistema, construído de acordo com o modelo. O protótipo é comparado com as ferramentas de animação atualmente disponíveis na UFRGS, a universidade na qual este estudo foi desenvolvido. O trabalho conclui com uma análise dos resultados principais obtidos deste estudo. Ao final também são apresentadas algumas sugestões de trabalhos futuros. / This work presents a model for animation tool’s integration, which greatly reduces the programmer’s work in developing a new system. The proposed model distributes all tasks among several tools, making each tool smaller and easier to maintain. An implementation of such model is also described here, and so is a prototype of an animation system made according to the model proposed. The prototype is then compared to the current animation tools available at the UFRGS, the University in which this work was developed. The work concludes with an analysis of the main results and some suggestions of possible future works.

O processo de parametrização de malhas em planos é um tópico de pesquisa bastante explorado. Apesar do grande esforço despendido no desenvolvimento de técnicas mais eficientes e robustas, pouco se tem investido no uso das representações paramétricas geradas por estas técnicas. Este trabalho apresenta contribuições relacionadas ao uso do espaço paramétrico para computações eficientes. A principal motivação vem do fato de alguns algoritmos serem mais eficientes quando aplicados sobre a versão paramétrica da malha. Algoritmos para o cálculo de distância mínima, por exemplo, podem ter um aumento significativo de eficiência quando aplicados em versões paramétricas de malhas. Nossos resultados demonstram que esses aumentos de eficiência podem chegar a cerca de uma ordem de magnitude em alguns casos. As contribuições deste trabalho possuem aplicação direta em três campos de pesquisa relacionados à computação gráfica: displacement mapping, cálculo de distâncias sobre superfícies e movimentação de agentes. A contribuição relacionada a displacement mapping, apresentada no capítulo 4, é utilizada para aumentar a performance de renderização e a qualidade visual de terrenos em jogos. O novo método de cálculo de distâncias proposto, apresentado no capítulo 5, aumenta a eficiência de vários algoritmos de cálculo de distância sobre superfícies de malhas. Este novo método também é utilizado em uma nova técnica para cálculo de movimentação de agentes em superfícies de malhas arbitrárias. Esta técnica é apresentada no capítulo 6. O potencial da nova técnica de cálculo de distância sobre malhas não está restrito aos exemplos apresentados. Em geral, qualquer técnica que utilize o cálculo de distância sobre superfícies de malhas de triângulos se beneficia das contribuições deste trabalho, podendo-se citar como exemplos a geração de texturas procedurais, rotulamento de superfícies, re-triangulação de malhas e segmentação de malhas, entre outros. / The process of parameterizing a mesh to the plane is an ongoing research topic. Although there are several works dedicated to parameterization techniques the use of the resulting parameterizations has received less attention. This work presents contributions related to the use of the parametric space to improve the computational efficiency of several algorithms. The main motivation comes from the fact that some algorithms are more efficiently computed on the parametric version of the mesh, compared to the 3-D version. For example, shortest distances can be computed, usually, an order of magnitude faster on the parametric space. The contributions of this work can be applied to at least three research fields related to computer graphics: displacement mapping, distance computation on the surface of triangular meshes and agent path planning. The contribution related to displacement mapping, presented in chapter 4, is used to increase the rendering performance and visual quality of terrains in games. The new method to compute distances, presented in chapter 5, increases the efficiency of several distance computation algorithms. This new method was also used on a novel agent path planning algorithm, to navigate agents on the surface of arbitrary meshes. This technique is presented in chapter 6. The potential of the new distance computation method is not restricted to the applications presented in this thesis. In general, any technique that uses distance computation on the surface of triangular meshes can have the performance improved by the method. We can cite the following applications: procedural texture generation, surface labeling, re-meshing, mesh segmentation, etc.

A descrição de animação modelada sempre foi motivo de pesquisa na área de Computação Gráfica. Visando simplificar a especificação do movimento, diversas técnicas surgiram: animação por quadros-chave, algorítmica (ou procedimental), baseada em distorções dos objetos e baseada em comportamento, entre outras. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a obtenção de animação, mais especificamente, animação modelada pela definição de comportamento, na qual a ideia básica é que o usuário não deve ter o controle total e absoluto sobre todas as ações dos atores, mas sim deve ter uma noção de como a seqüência deve se desenvolver. Esta abordagem desenvolveu-se a partir de um estudo realizado das principais técnicas existentes para a obtenção desse tipo de animação, procurando reconhecer as características positives de cada uma, a fim de tentar reuni-las em uma abordagem Única. Foram estudadas as seguintes abordagens: caminhos pré-definidos, sensor-effector, regras de comportamento, algoritmos genéticos e relações. No sentido de facilitar ao máximo esta especificação, surgiu outro objetivo importante para o trabalho: a criação de um protótipo, o qual deveria possuir uma interface gráfica, buscando automatizar e simplificar as operações necessárias definição das animações. O desenvolvimento deste protótipo serviu como meio para validar a abordagem, provando que esta pode ser efetivamente utilizada para a criação de seqüências animadas, com algumas limitações impostas por sua própria natureza. O protótipo permite a definição de animações de uma forma totalmente interativa, facilitando a descrição de comportamentos e a manipulação dos atores em uma cena. Possui ainda ulna função de pré-visualização, para visualizar as animações rapidamente e funções para gravação dos quadros individuais. / The description of modeled animation had always been a research subject in Computer Graphics. To make the movement description easier, some methods then have appeared: keyframing, algorythmic animation, physically-based, based in object distortion, based in behavior description, among others. This work presents a new approach to obtain computer animation, specifically, behavioral modelled animation, where the main idea is that the user shouldn't have total control about all actors' actions, but only a notion on how the sequence should look like. This approach was developed from a study of the present research in behavioral animation, trying to recognize the good points of each method and join them in a single approach. The following methods were studied: predefined paths, sensor-effector, behavior rules, genetic algorithms and relations. In the sense to ease at the most this specification, another goal showed up: the creation of a prototype, which should have a graphical interface, looking for the automatization and simplification of the needed operations for sequence definition. The development of this prototype served as a means to validate the new approach, proving that it can be used for the creation of animated sequences, with some limitations imposed by its own features. The prototype allows the definition of animations in a fully interactive way, easing behavior description and actor manipulation in a scene. There is a preview function, to watch animations quickly and easily. Also are provided functions for saving individual frames.

A descrição de animação modelada sempre foi motivo de pesquisa na área de Computação Gráfica. Visando simplificar a especificação do movimento, diversas técnicas surgiram: animação por quadros-chave, algorítmica (ou procedimental), baseada em distorções dos objetos e baseada em comportamento, entre outras. Este trabalho apresenta uma nova abordagem para a obtenção de animação, mais especificamente, animação modelada pela definição de comportamento, na qual a ideia básica é que o usuário não deve ter o controle total e absoluto sobre todas as ações dos atores, mas sim deve ter uma noção de como a seqüência deve se desenvolver. Esta abordagem desenvolveu-se a partir de um estudo realizado das principais técnicas existentes para a obtenção desse tipo de animação, procurando reconhecer as características positives de cada uma, a fim de tentar reuni-las em uma abordagem Única. Foram estudadas as seguintes abordagens: caminhos pré-definidos, sensor-effector, regras de comportamento, algoritmos genéticos e relações. No sentido de facilitar ao máximo esta especificação, surgiu outro objetivo importante para o trabalho: a criação de um protótipo, o qual deveria possuir uma interface gráfica, buscando automatizar e simplificar as operações necessárias definição das animações. O desenvolvimento deste protótipo serviu como meio para validar a abordagem, provando que esta pode ser efetivamente utilizada para a criação de seqüências animadas, com algumas limitações impostas por sua própria natureza. O protótipo permite a definição de animações de uma forma totalmente interativa, facilitando a descrição de comportamentos e a manipulação dos atores em uma cena. Possui ainda ulna função de pré-visualização, para visualizar as animações rapidamente e funções para gravação dos quadros individuais. / The description of modeled animation had always been a research subject in Computer Graphics. To make the movement description easier, some methods then have appeared: keyframing, algorythmic animation, physically-based, based in object distortion, based in behavior description, among others. This work presents a new approach to obtain computer animation, specifically, behavioral modelled animation, where the main idea is that the user shouldn't have total control about all actors' actions, but only a notion on how the sequence should look like. This approach was developed from a study of the present research in behavioral animation, trying to recognize the good points of each method and join them in a single approach. The following methods were studied: predefined paths, sensor-effector, behavior rules, genetic algorithms and relations. In the sense to ease at the most this specification, another goal showed up: the creation of a prototype, which should have a graphical interface, looking for the automatization and simplification of the needed operations for sequence definition. The development of this prototype served as a means to validate the new approach, proving that it can be used for the creation of animated sequences, with some limitations imposed by its own features. The prototype allows the definition of animations in a fully interactive way, easing behavior description and actor manipulation in a scene. There is a preview function, to watch animations quickly and easily. Also are provided functions for saving individual frames.

Este trabalho versa sobre a avaliação da compressão de dados e da qualidade de imagens e animações usando-se complexidade de Kolmogorov, simulação de máquinas e distância de informação. Complexidade de Kolmogorov é uma teoria da informação e da aleatoriedade baseada na máquina de Turing. No trabalho é proposto um método para avaliar a compressão de dados de modelos de animação gráfica usando-se simulação de máquinas. Também definimos formalmente compressão de dados com perdas e propomos a aplicação da distância de informação como uma métrica de qualidade de imagem. O desenvolvimento de uma metodologia para avaliar a compressão de dados de modelos de animação gráfica para web é útil, a medida que as páginas na web estão sendo cada vez mais enriquecidas com animações, som e vídeo, e a economia de banda de canal tornase importante, pois os arquivos envolvidos são geralmente grandes. Boa parte do apelo e das vantagens da web em aplicações como, por exemplo, educação à distância ou publicidade, reside exatamente na existência de elementos multimídia, que apoiam a idéia que está sendo apresentada na página. Como estudo de caso, o método de comparação e avaliação de modelos de animação gráfica foi aplicado na comparação de dois modelos: GIF (Graphics Interchange Format) e AGA (Animação Gráfica baseada em Autômatos finitos), provando formalmente que AGA é melhor que GIF (“melhor” significa que AGA comprime mais as animações que GIF). Foi desenvolvida também uma definição formal de compressão de dados com perdas com o objetivo de estender a metodologia de avalição apresentada Distância de informação é proposta como uma nova métrica de qualidade de imagem, e tem como grande vantagem ser uma medida universal, ou seja, capaz de incorporar toda e qualquer medida computável concebível. A métrica proposta foi testada em uma série de experimentos e comparada com a distância euclidiana (medida tradicionalmente usada nestes casos). Os resultados dos testes são uma evidência prática que a distância proposta é efetiva neste novo contexto de aplicação, e que apresenta, em alguns casos, resultados superiores ao da distância euclidiana. Isto também é uma evidência que a distância de informação é uma métrica mais fina que a distância euclidiana. Também mostramos que há casos em que podemos aplicar a distância de informação, mas não podemos aplicar a distância euclidiana. A métrica proposta foi aplicada também na avaliação de animações gráficas baseadas em frames, onde apresentou resultados melhores que os obtidos com imagens puras. Este tipo de avaliação de animações é inédita na literatura, segundo revisão bibliográfica feita. Finalmente, neste trabalho é apresentado um refinamento à medida proposta que apresentou resultados melhores que a aplicação simples e direta da distância de informação.

O crescente número de sistemas de animação que utilizam a cinemática para gerar movimento de objetos vem levando os pesquisadores a buscar outras alternativas para produzir resultados mais realistas. Com base nesta premissa, vários autores começaram a estudar a geração de movimento de objetos sintéticos através da aplicação da dinâmica. Assim surgiram os modelos baseados em leis físicas. Num primeiro momento foram abordados apenas objetos rígidos, passando-se mais tarde a considerar objetos articulados e, por fim, aqueles com características elásticas, também denominados de objetos flexíveis ou deformáveis. O objetivo principal do trabalho é a definição de um modelo para simulação de objetos deformáveis no espaço euclidiano. São abordados tanto o modelo geométrico utilizado como o modelo físico, sendo ressaltadas as forças aplicadas sobre o objeto e as restrições que podem ser impostas pelo mundo virtual no qual o mesmo está inserido. Dentre as forças descritas, pode-se destacar: força gravitacional, elasticidade, força de curvatura e torção, colisão e atrito. A fundamentação do trabalho desenvolvido é apresentada na forma de uma introdução aos sistemas de animação, enfatizando os sistemas baseados em leis físicas e de uma revisão bibliográfica dos métodos de deformação existentes. No que diz respeito à colisão de objetos elásticos, são descritos tanto os métodos estudados para a solução das mesmas, como as técnicas para detecção do choque. A simulação do movimento é descrita sob dois aspectos: o algoritmo utilizado para a geração do movimento e a integração numérica das equações diferenciais no tempo. É abordado ainda, em detalhe, o protótipo desenvolvido com o propósito de validar o modelo proposto, sendo descrita a linguagem criada a fim de permitir a especificação da animação e parâmetros diversos do modelo. Por fim, são apresentados e avaliados os resultados obtidos através do desenvolvimento do modelo proposto por intermédio do protótipo FLEX3D. É dedicada ainda especial atenção às perspectivas futuras deste trabalho. / The growing number of animation systems that use kinematics to generate the motion of objects have led to other alternatives to produce more realistic results. Some authors began to study the animation of synthetic objects through the application of the dynamic concepts, creating the modern physically based models. At first, only rigid objects were treated; later on articulated objects were considered. At last, those with elastic characteristics (called flexible or deformable objects) were taken into consideration. The main goal of this work is to define a simulation model for deformable objects in the euclidean space. Both the geometric and the physical models are presented, considering the forces applied to the object and the constraints defined by the virtual world. Described forces include gravity, elasticity, dumping force, collision and attrition. This work presents an introduction to animation systems focusing the physically based systems. After this, a bibliographic review of the existent deformation methods is made. Methods for detecting and solving the collision between two elastic objects are described. Two aspects of the motion simulation are described: the algorithm used to generate the motion and the numeric integration of the differential equations in time. A prototype named FLEX3D is presented to validate the proposed model. The language used for specifying the animation is described and results obtained through the use of FLEX3D are also presented. Special attention is given to the possible future works.

Este trabalho aplica a Teoria de Autômatos na proposição de uma nova alternativa para prover animações 2D na World Wide Web, verificando as contribuições alcançadas para as questões relacionadas ao espaço de armazenamento, reutilização e manutenção do conteúdo e suporte à recuperação de informação. Para este objetivo, é proposto o modelo AGA (Animação Gráfica baseada em Autômatos Finitos), o qual especifica a animação a partir de uma estrutura baseada em autômatos finitos com saída. Esse modelo é definido de tal forma que os mesmos autômatos utilizados na especificação, ao serem simulados, realizam o controle da animação durante a apresentação. O modelo AGA apresenta características que favorecem a redução do espaço de armazenamento da animação, provêem suporte à recuperação de informação, colaboram com a reutilização e manutenção do conteúdo das animações. Uma implementação multiplataforma foi desenvolvida para apresentar animações especificadas nesse modelo na Web. Essa implementação proporciona a elaboração de consultas ao conteúdo da animação, além dos recursos tradicionais de reprodução. A partir dessa implementação, o AGA foi submetido a um estudo de caso prático, onde os resultados obtidos são comparados com o produzidos pelo GIF (Graphic Interchange Format). Esse comparativo demonstra que o AGA possui várias vantagens em relação à estrutura adotada pelo GIF. O modelo AGA é estendido utilizando autômatos temporizados para prover restrições temporais às especificações e também ampliar as funcionalidades de interação com o observador da animação. Essa extensão, chamada de modelo AGA-S (Animação Gráfica baseada em Autômatos Temporizados Sincronizados), é definida a partir do autômato temporizado proposto por Alur e Dill. Para esse modelo, é definida uma operação formal para sincronização dos componentes da animação e adicionada uma estrutura baseada em autômatos finitos para controlar a interação do observador com a animação.

A simulação de pedestres representados como humanos virtuais em um mundo sintético é de grande interesse em áreas como cinema, arquitetura e jogos. Esta atividade pode ser definida como navegação em ambientes virtuais e envolve principalmente a especificação do ambiente, a definição da posição inicial do agente, assim como sua posição final (ou objetivo). Tendo estes parâmetros definidos, um algoritmo de planejamento de movimento, ou de caminhos, em particular, pode ser usado para encontrar uma trajetória a ser seguida por ele. Entretanto, em um mundo real, se considerar-se várias pessoas, todas na mesma posição inicial e procurando atingir o mesmo objetivo, cada uma seguirá por um caminho diferente. Ou seja, para uma mesma tarefa, a estratégia utilizada por cada pessoa para alcançar seu objetivo vai depender de sua constituição física, personalidade, humor e raciocínio. Levando em consideração estas questões, este trabalho apresenta um estudo sobre planejamento de movimento para pedestres. Como resultado prático foi desenvolvido um planejador que fornece trajetórias suaves e variadas. As trajetórias são dependentes de características individuais de cada agente, que podem ser alteradas dinâmicamente. O método adotado é baseado na utilização de campos potenciais gerados pela solução numérica de problemas de valores de contorno envolvendo a equação de Laplace (funções harmônicas) e o problema de Sturm-Liouville. Campos potenciais gerados desta forma produzem caminhos suaves e são livres de mínimos locais. O comportamento de cada agente é determinado pela alteração de seu campo potencial individual, gerado a cada passo da simulação. Dessa forma, é possível alterar dinamicamente o padrão da trajetória e ao mesmo tempo evitar colisões com obstáculos móveis (demais agentes na simulação). Por outro lado, os comportamentos gerados podem tanto ser usados de forma isolada, como combinados em movimentos complexos. Assim, é possível utilizar funções que definem trajetórias ou quantificar um desvio à esquerda ou à direita quando o agente avista um obstáculo a sua frente. A implementação do método, incluindo técnicas para controlar a velocidade e orientação do agente, e situações de simulação como comportamentos em corredores e regiões abertas, são apresentadas e discutidas. / The simulation of pedestrians represented as virtual humans in a synthetic world is of great interest in areas as cinema, architecture and games. This activity can be defined as navigation in virtual environments and involves mainly the specification of the environment, the definition of the agent’s initial position as well as its target position in the world (also called goal). By setting these parameters, a motion planning algorithm, or a path-planning algorithm in particular can be used to find a trajectory to be followed by it. However, in a real world, if we consider several persons (all in the same initial position) trying to reach the same target position, each individual path followed will be different. That is, for the same task, the strategy used by each person to reach their goal will depend on their physical constitution (body type), personality, mood and reasoning. Taking these questions into consideration, this work presents a study about motion planning for pedestrians. As a practical result, a planner which supplies smooth and varied trajectories was developed. The trajectories are also depending on the individual characteristics of each agent, which can be dynamically changed. The method adopted is based on the use of potential fields generated by numerical solutions of boundary value problems involving the equation of Laplace (harmonic functions) and the problem of Sturm- Liouville. Potential fields generated in this manner produce smooth and local minima free trajectories. The behavior of each agent is determined by the alteration of its individual potential field which is generated to each step of the simulation. Thus, it is possible to dynamically modify the standard of the trajectory and at the same time to prevent collisions with mobile obstacles (other agents in the simulation). On the other hand, the produced behaviors can be used isolatedly or combined in complex moves. Therefore, it is possible to use a function that defines a trajectory. It is also possible to quantify a detour to the left or to the right when the agent sights an obstacle ahead. The implementation of the method, including speed control techniques and agent’s orientation, and situations like simulation of behaviors in corridors or open regions, will be presented and argued.