O que quer que nossas mãos façam - alcançando, agarrar ou manipular objetos - sempre parece simples. No entanto, suas mãos são uma das mais complicadas, e importante, partes do corpo.

Apesar disso, pouco se sabe sobre a complexidade da anatomia subjacente da mão e, Como tal, animar mãos humanas há muito é considerado um dos problemas mais desafiadores da computação gráfica.

Isso porque foi impossível capturar o movimento interno da mão em movimento - até agora.

Usando imagens de ressonância magnética (MRI) e uma técnica inspirada na indústria de efeitos visuais, uma equipe de pesquisadores da USC, composta por dois cientistas da computação e um radiologista, desenvolveu o modelo mais realista do mundo do sistema músculo-esquelético da mão humana em movimento.

O sistema músculo-esquelético inclui músculos, ossos, tendões e articulações. A descoberta tem implicações não apenas para computação gráfica, mas também próteses, Educação médica, robótica e realidade virtual.

"A mão é muito complicada, mas antes deste trabalho, ninguém construiu um modelo computacional preciso de como as estruturas anatômicas dentro da mão realmente se movem conforme são articuladas, "disse o co-autor do estudo, Jernej Barbic, Andrew e Erna Viterbi Presidente de Carreira em Início de Carreira e Professor Associado de Ciência da Computação.

Projetando próteses melhores

Para resolver este problema, Barbic, um especialista em animação por computador e simulação baseada em física, e seu Ph.D. aluna, Bohan Wang, o autor principal do estudo, juntou-se a George Matcuk, MD, professor associado de radiologia clínica na Keck School of Medicine da USC. O resultado:o modelo de mão em movimento com base anatômica mais preciso.

"Este é atualmente o modelo de animação de mão mais preciso disponível e o primeiro a combinar a varredura a laser das características da superfície da mão e a incorporar um modelo de cordame ósseo subjacente baseado em ressonância magnética. "disse Matcuk.

Além de criar mãos mais realistas para jogos de computador e filmes CGI, onde as mãos costumam ficar expostas, este sistema também pode ser usado em próteses, para projetar melhores próteses de dedos e mãos.

"Compreender o movimento da anatomia interna da mão abre a porta para mãos robóticas de inspiração biológica que parecem e se comportam como mãos reais, "disse Barbic.

"Num futuro não tão distante, o trabalho pode contribuir para o desenvolvimento de mãos anatomicamente realistas e próteses de mão aprimoradas. "

O estudo, intitulado Hand Modeling and Simulation using Stabilized Magnetic Resonance Imaging, foi apresentado no ACM SIGGRAPH.

Um desafio de longa data

Para melhorar o realismo, mãos virtuais devem ser modeladas de forma semelhante às mãos biológicas, que requer a construção de modelos anatômicos e cinemáticos precisos de mãos humanas reais. Mas ainda sabemos surpreendentemente pouco sobre como os ossos e os músculos se movem dentro da mão.

Uma das razões é que, até agora, não há métodos para adquirir sistematicamente o movimento da anatomia interna da mão. Embora os scanners de ressonância magnética possam fornecer detalhes anatômicos, existe um desafio prático até então não resolvido:a mão deve ser mantida perfeitamente imóvel no scanner por cerca de 10 minutos.

"Manter a mão imóvel em uma pose fixa por 10 minutos é praticamente impossível, "disse Barbic." Um punho é mais fácil de segurar, mas tente semifechar sua mão e você verá que começará a tremer depois de um ou dois minutos. Você não pode segurá-lo por 10 minutos. "

Para superar este desafio, os pesquisadores desenvolveram um processo de fabricação usando materiais de fundição vitalícios da indústria de efeitos especiais para estabilizar a mão durante o processo de varredura por ressonância magnética. Lifecasting envolve fazer um molde da forma humana e, em seguida, reproduzi-lo em várias mídias, incluindo plástico ou silicone.

Barbic, que trabalhou no filme indicado ao Oscar O Hobbit:a desolação de Smaug, teve a ideia depois de ver um produto barato de clonagem de mãos em uma loja de efeitos visuais em Los Angeles enquanto trabalhava em um projeto anterior. "Esse foi o momento eureka, "disse Barbic, que há muito pondera uma solução para criar mãos humanas virtuais mais realistas.

Primeiro, a equipe usou o material de fundição para criar uma réplica de plástico da mão do modelo. Esta réplica captura recursos extremamente detalhados, até poros individuais e linhas minúsculas na superfície da mão, que foram então digitalizados usando um scanner a laser.

Então, o processo de fundição foi usado novamente, desta vez na mão de plástico, para criar um molde 3-D negativo da mão de um material elástico semelhante a borracha. O molde estabiliza a mão na posição necessária. O molde foi cortado em duas partes, e então o sujeito colocava sua mão real no molde para varredura de ressonância magnética.

Com a ajuda do especialista em radiologia Matcuk, um médico praticante da USC, a mão foi então digitalizada pelo scanner de ressonância magnética por 10 minutos. Este procedimento foi repetido 12 vezes, cada vez em uma pose de mão diferente. Dois assuntos, um homem e uma mulher, foram capturados desta forma. Agora, para cada pose, os pesquisadores sabiam exatamente onde os ossos, músculos e tendões foram posicionados.

Depois de discutir as características anatômicas das imagens de ressonância magnética com Matcuk, Barbic e Wang começaram a trabalhar na construção de um modelo cinemático de esqueleto baseado em dados que captura rotações e traduções complexas do mundo real de ossos em qualquer pose.

Eles então adicionaram simulação de tecido mole, usando o método dos elementos finitos (FEM) para calcular o movimento dos músculos da mão, tendões e o tecido adiposo, consistente com o movimento ósseo. Este modelo, combinado com os detalhes da superfície permitiu-lhes criar uma mão em movimento altamente realista. A mão pode ser animada em qualquer movimento, até mesmo o movimento que é muito diferente das poses capturadas.

Daqui para frente

O time, que recentemente recebeu uma bolsa da National Science Foundation para levar seu trabalho para a próxima fase, planeja construir um conjunto de dados público de varreduras de ressonância magnética de mãos em várias poses, para 10 disciplinas nos próximos três anos. Este será o primeiro conjunto de dados desse tipo e permitirá que pesquisadores de todo o mundo simulem melhor, modelar e recriar mãos humanas. A equipe também planeja integrar a pesquisa à educação, para treinar Ph.D. alunos da USC e de programas de extensão de ensino fundamental e médio.

"À medida que refinamos este trabalho, Acho que esta poderia ser uma excelente ferramenta de ensino para meus alunos e outros médicos que precisam compreender a complexa anatomia e biomecânica da mão, "disse Matcuk.

A equipe está trabalhando atualmente para adicionar uma melhor percepção dos músculos e tendões ao modelo e torná-lo em tempo real. Agora mesmo, leva cerca de uma hora para o computador criar uma simulação de um minuto. Barbic e Wang esperam tornar o sistema mais rápido, sem perder qualidade.