Vencedor de um Óscar dá vida a monstros com o seu software de simulação
Quando era criança, ao caminhar para a escola, Jernej Barbič maravilhava-se com a beleza da sua terra natal. Nasceu e cresceu numa pitoresca aldeia no noroeste da Eslovénia (antiga Jugoslávia), situada nos Alpes europeus. Rodeado por árvores alpinas e faias, Barbič sonhava em reproduzir o seu balançar ao vento para que outros pudessem apreciar.
Na altura, não tinha as ferramentas nem os conhecimentos necessários para criar um sistema capaz de o fazer, mas isso despertou o seu interesse pela computação gráfica, afirma.
Jernej Barbič
Empregador
Universidade do Sul da Califórnia, em Los Angeles
Cargo
Professor de ciências da computação
Categoria
Membro sénior
Instituições de formação
Universidade de Liubliana, na Eslovénia; Carnegie Mellon
Vinte anos mais tarde, em 2016, Barbič, professor de ciências da computação na Universidade do Sul da Califórnia, em Los Angeles, deixou a sua marca. O seu sistema de software Ziva VFX permite a criação de simulações realistas de músculos, gordura e pele para seres humanos e criaturas digitais em 3D.
A tecnologia foi lançada em 2016 por uma startup que ele ajudou a fundar, a Ziva Dynamics, com sede em Vancouver. Foi adquirida em 2021 pela Unity Technologies, de São Francisco.
O Ziva VFX já foi utilizado em mais de 60 filmes, incluindo «Aquaman e o Reino Perdido», «Godzilla x Kong: O Novo Império» e «Venom: Que Haja Carnificina».
Pelo design e desenvolvimento do Ziva VFX, Barbič, membro sénior do IEEE, recebeu um Óscar de Realização Técnica de 2025. Foi uma «enorme honra», afirma ele, uma vez que o prémio reconhece tecnologias que tiveram um impacto significativo na produção cinematográfica.
«A computação gráfica e a simulação podem, por vezes, parecer um campo técnico especializado», afirma, «mas o prémio demonstrou que estas ideias afetam não só a ciência, mas também a arte e a forma como as histórias são contadas no ecrã.
«As personagens digitais criadas pela matemática tornam-se partes importantes da vida das pessoas.»
Despertar o interesse pela computação gráfica
Barbič afirma que foi inspirado a seguir a engenharia pelo seu pai, um engenheiro que dirigia o departamento de investigação de uma fábrica de cimento e inventou uma tecnologia que utiliza a imagiologia por ressonância magnética para testar a integridade do cimento. O trabalho do pai mostrou-lhe que «a matemática e a física são belas por si só, mas a engenharia permite construir algo que outras pessoas podem usar», afirma.
Foi a mãe de Barbič, uma professora do ensino básico, que o iniciou na informática. Quando tinha 8 anos, a escola onde a mãe lecionava comprou um computador ZX Spectrum. Com a autorização do diretor, ela levou-o para casa para que o filho brincasse com ele durante duas semanas. Mas ele não se limitou a jogar; criou o seu próprio jogo utilizando a linguagem de programação BASIC.
A máquina vinha com um folheto que continha instruções sobre como escrever um programa de computador, conta ele.
«No início», diz ele, «copiei-as à letra sem perceber o que faziam. Mas depois comecei a perceber que havia uma estrutura e modifiquei as instruções.»
De todas as criaturas que ganharam vida graças à sua tecnologia, Barbič está particularmente encantado com o King Kong do filme «Godzilla vs. Kong», de 2024. DNEG/Warner Bros. Entertainment Inc./Legendary
No final das duas semanas, tinha desenvolvido um jogo de computador em que os jogadores guiavam um boneco de neve ao longo de uma estrada sinuosa. Este desvia-se de forma imprevisível para a esquerda ou para a direita, e os jogadores acumulavam pontos ao permanecerem na estrada o máximo de tempo possível.
Barbič licenciou-se em Matemática em 2000 pela Universidade de Liubliana, na Eslovénia. No ano seguinte, mudou-se para os Estados Unidos para iniciar um programa de doutoramento em Ciências da Computação na Carnegie Mellon. Foi um grande ponto de viragem na sua vida, afirma.
A sua investigação de doutoramento centrou-se no desenvolvimento de métodos de simulação para objetos que podem alterar a sua forma quando lhes é aplicada uma força externa, conhecidos como «objetos deformáveis».
Esse projeto moldou grande parte da sua investigação posterior, afirma ele: «Comecei a interessar-me não só em tornar as simulações precisas, mas também em torná-las práticas: suficientemente rápidas, robustas e controláveis para serem utilizadas em aplicações reais.»
Depois de obter o seu doutoramento em ciências da computação em 2007, trabalhou como investigador de pós-doutoramento no MIT. Dois anos mais tarde, ingressou na USC como professor assistente.
Tornar a magia do cinema possível
Foi na USC que Barbič uniu a sua paixão pela ciência da computação ao cinema. Desenvolveu o Vega FEM, um programa de software de código aberto que permitia animar objetos 3D deformáveis de forma realista. Mas o Vega FEM tinha um âmbito restrito e não era exatamente o que os cineastas precisavam, afirma ele, pelo que começou a explorar formas de criar uma versão adequada para a indústria cinematográfica.
«Um dos temas centrais da minha carreira tem sido a tradução de ideias de investigação em ferramentas práticas», afirma. «A investigação académica produz frequentemente algoritmos magníficos, mas pode ser difícil tornar esses algoritmos utilizáveis por artistas, engenheiros ou equipas de produção. Sempre me interessei por essa ponte: pegar em métodos computacionais rigorosos e transformá-los em sistemas que as pessoas possam realmente utilizar.»
Em 2011, participou numa conferência da Association for Computing Machinery (ACM), organizada pelo seu Grupo de Interesse Especial em Computação Gráfica e Técnicas Interativas (SIGGraph). Lá conheceu James Jacobs, o supervisor de criaturas da empresa de efeitos visuais Weta FX, de Wellington, na Nova Zelândia. A empresa está por trás dos efeitos das trilogias «O Senhor dos Anéis» e «O Hobbit», entre outros filmes. Jacobs utilizou o software de Barbič para criar animais e criaturas fantásticas.
Dois anos mais tarde, a Weta FX ofereceu a Barbič um cargo de investigação durante o verão na Nova Zelândia. Ele aceitou e passou esse tempo a estudar o processo de criação de efeitos visuais e a aprender quais os obstáculos que existiam na indústria cinematográfica, afirma.
Na altura, não existia tecnologia para criar simulações realistas de tecidos moles e anatomia para personagens digitais.
«A indústria dos efeitos visuais tinha chegado a um ponto em que o realismo superficial já não era suficiente», afirma Barbič. «Uma criatura podia ter texturas de pele bonitas e geometria detalhada, mas se os ossos, músculos e gordura por baixo não se movessem corretamente, a ilusão desmoronava-se.
«O problema era especialmente difícil para criaturas e personagens que precisavam de parecer vivas: animais, monstros, criaturas fantásticas ou duplos digitais. Os seus corpos podem ter uma anatomia desconhecida, mas o público ainda espera que se movam de uma forma que corresponda às expectativas do mundo real. Os músculos devem inchar e contrair-se, a pele deve esticar-se e deslizar, a gordura deve ter inércia e os tecidos devem responder ao movimento e ao impacto.»
Num esforço para resolver o problema, Jacobs abordou Barbič em 2014 com a ideia de fundar uma startup. Em 2015, lançaram a Ziva Dynamics, onde deram início ao que é hoje a Ziva VFX.
O software utiliza simulações baseadas na física para modelar a anatomia interna de uma personagem. Resolve numericamente as equações diferenciais parciais da elasticidade não linear para os tecidos musculoesqueléticos humanos e de criaturas, afirma Barbič. As equações descrevem como os músculos, a gordura, a pele e o tecido conjuntivo se deformam, interagem com os ossos e se ligam, e como os músculos se ativam. Em vez de animarem apenas a superfície exterior, os artistas podem criar um modelo com músculos, ossos, tecidos moles e gordura subjacentes. A cada componente são atribuídas propriedades de material, restrições, ligações e ativações. O simulador calcula então como estes se deformam e interagem ao longo do tempo.
A tecnologia recorre a conceitos da mecânica computacional, métodos de elementos finitos, otimização numérica, tratamento de contacto e computação gráfica, afirma Barbič. A simulação por elementos finitos, um método utilizado para prever como um produto ou estrutura reage ao calor e a outras forças do mundo real, permite modelar materiais deformáveis volumetricamente, e não apenas como superfícies, explica ele. A ferramenta calcula forças elásticas internas e resolve as equações do movimento para que os tecidos da personagem respondam de forma plausível à animação, às mudanças de pose, à ativação muscular e ao movimento dinâmico.
Mas o sistema teve de ser concebido para artistas, afirma Barbič. Na produção, diz ele, o objetivo não é apenas o realismo físico, mas também o realismo controlável.
«Os artistas precisam de orientar o resultado, iterar e integrar a simulação num pipeline de animação mais amplo», afirma. «Por isso, a tecnologia teve de combinar a simulação científica com controlos práticos, robustez e integração com os fluxos de trabalho de efeitos visuais.»
Barbič afirma que o Ziva VFX já foi utilizado em mais de 60 filmes. De todas as criaturas que ganharam vida com a sua tecnologia, ele está particularmente encantado com o King Kong do filme «Godzilla vs. Kong», de 2024.
«Quando o King Kong anda, é possível ver os músculos, como são muito salientes e como influenciam a forma da pele. Consegue-se sentir verdadeiramente a força do King Kong», afirma. «E isto foi feito através do meu software, por isso acho que é incrível.»
Depois de a Ziva Dynamics ter sido adquirida pela Unity, Barbič prestou consultoria à empresa durante quase dois anos.
Em 2024, a DNEG, uma empresa de efeitos visuais e animação por computador sediada em Londres, adquiriu a licença exclusiva da Ziva VFX.
Animação da mão humana
Barbič esforça-se por melhorar os efeitos visuais enquanto empreendedor e académico. A sua investigação mais recente, financiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, centrou-se na modelação, simulação e animação das mãos humanas. O objetivo é criar modelos computacionais de mãos que possam ser utilizados para conceber ferramentas, próteses médicas e mãos robóticas.
«A mão é um sistema fascinante e complexo», afirma Barbič. «Contém muitos ossos pequenos, músculos, tendões, ligamentos, pele, gordura e outros tecidos moles, todos reunidos numa estrutura compacta e a interagir mecanicamente de formas complexas.»
Ele e a sua equipa construíram um gémeo digital da mão humana.
O seu objetivo era avançar para «uma simulação anatomicamente significativa», afirma. Recorreu a imagiologia médica, modelação geométrica, métodos de elementos finitos e simulação multicorpo para representar as estruturas internas da mão e os seus movimentos.
«O IEEE permite-me situar o meu trabalho não só no mundo das imagens e da animação, mas também no mundo dos sistemas de engenharia que têm de ser precisos, estáveis, interativos e úteis.»
Trabalhou com Bohan Wang, que na altura era doutorando na USC, e com George Matcuk, professor associado de radiologia. Wang é agora professor assistente de ciências da computação na Universidade Nacional de Singapura.
Barbič, Wang e Matcuk digitalizaram as mãos de quatro pessoas com um aparelho de ressonância magnética. Os dois homens e as duas mulheres posicionavam as mãos em 12 poses, o que permitiu à equipa recolher dados sobre a forma como os ossos, os músculos e a gordura se movem em cada pose.
Os conjuntos de dados estão disponíveis para que qualquer pessoa os utilize nos seus próprios estudos.
«Este projeto pode ajudar os médicos a aprender mais sobre como a mão se move», afirma Barbič. «É também excelente para que os especialistas em robótica compreendam melhor como a mão humana funciona realmente, para que [os movimentos] possam ser replicados.»
IEEE: Fundamental na investigação interdisciplinar
Barbič aderiu ao IEEE em 2008, quando publicou o seu artigo de investigação sobre métodos de simulação para objetos deformáveis na edição inaugural da revista «IEEE Transactions on Haptics». Desde então, publicou vários artigos na revista «IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics», o que, segundo ele, ligou o seu trabalho a uma comunidade mais ampla interessada em computação visual e métodos computacionais. Pode encontrar a sua investigação na Biblioteca Digital IEEE Xplore.
«O IEEE reconhece a vertente de engenharia da ciência da computação», afirma ele. «O meu trabalho é frequentemente apresentado como computação gráfica, mas, na sua essência, envolve também simulação, mecânica, métodos numéricos, háptica, visualização e sistemas de software.
«O IEEE é uma comunidade onde essa identidade mais ampla faz sentido. Permite-me situar o meu trabalho não só no mundo das imagens e da animação, mas também no mundo dos sistemas de engenharia que têm de ser precisos, estáveis, interativos e úteis.»
Ele acredita que a organização é fundamental para apoiar um ecossistema de investigação interdisciplinar saudável à escala global — razão pela qual, segundo ele, desempenhou funções como editor associado das revistas «Transactions on Visualization and Computer Graphics» e «Transactions on Haptics».
Ser membro facilitou a Barbič o contacto com engenheiros de diferentes áreas, afirma.
«A minha investigação situa-se frequentemente no limiar entre categorias: é matemática, mas também prática; visual, mas também mecânica; artística, mas também orientada para a engenharia», afirma. «O IEEE é uma das comunidades profissionais onde essa mistura é compreendida.»