Avanços 3D e 4D da Roblox no SIGGRAPH 2024

A Roblox está sempre inovando para criar uma plataforma 3D imersiva onde milhões de criadores fazem avatares, acessórios e experiências que permitam a gente do mundo todo se conectar.

Na SIGGRAPH, a principal conferência de computação gráfica e técnicas interativas no mundo, vamos compartilhar novos avanços tecnológicos e algorítmicos. O trabalho divulgado inclui novos métodos de habilitar materiais 3D que possam se estender feito borracha, um jeito mais rápido de produzir avatares com animação facial e cabelo que se move de um jeito mais realista. Combinados, temos resultados hipotéticos fortes e protótipos iniciais para impulsionar o futuro do 3D imersivo. Participe das nossas sessões na SIGGRAPH em Denver para ficar por dentro de todos os detalhes técnicos.

Avatares mais detalhados

Avatares são o âmago da expressão pessoal na Roblox, com animação facial completa, corpos configuráveis, roupas em camadas e aparências consistentes em toda a plataforma. Nosso recente Relatório de Expressões Digitais revelou que 88% dos entrevistados da Geração Z consideram expressar-se em mundos ao estilo metaverso como a Roblox os ajudou a se expressar mais confortavelmente também na vida cotidiana. Para apoiar essa autoexpressão, continuamos a avançar na vanguarda da tecnologia de avatares.

Criar um novo avatar de uma malha 3D, em geral, requer vários estágios de trabalho bem técnico. Este é um dos desafios da geração 4D: estender recursos 3D estáticos para serem dinâmicos, interativos e combinatórios de modo que possam vir à vida em uma experiência de metaverso. As etapas envolvidas, de caging, rigging, skinning e outras, podem levar uma semana por avatar, mesmo para criadores profissionais. É preciso um trabalho adicional para garantir a compatibilidade com os recursos avançados de roupa e expressão facial da nossa plataforma.

Na palestra "Configuração automática de rosto e corpo para avatares 3D generativos ou criados por usuários de ponta a ponta", as equipes de Avatar e CoreAI apresentam um processo de várias etapas combinando aprendizado de máquina com técnicas de processamento geométrico. Este método simplifica e acelera muito o processo de criação de avatares, permitindo que criadores menos experientes projetem e enviem seus próprios avatares funcionais.

É possível experimentar o impacto dessa tecnologia na plataforma via Configuração Automática de Avatar, um sistema automatizado que converte um modelo enviado apenas geométrico em um avatar compatível com o Roblox, já com rigging e skinning, pronto para ser animado. Com o sistema, um processo que antes levava até uma semana agora pode ser realizado em questão de minutos.

Um jeito popular de expressão na Roblox é trocar o cabelo do avatar. Só em 2023, usuários da Roblox compraram mais de 139 milhões de penteados, e 7,3 milhões de usuários compraram cinco ou mais penteados. Mas obter um penteado realista, com cada fio de cabelo se movendo como seria no mundo físico, é algo extremamente desafiador. Em média, o couro cabeludo humano conta com entre 100 mil e 150 mil folículos. Simular, armazenar e transferir geometrias complexas nessas dimensões é difícil em termos de eficiência computacional e também de resistência.

No artigo "Interpolação de cabelo guiada em tempo real", Cem Yuksel da Roblox e seus colegas do LightSpeed Studios e da Universidade de Utah apresentam um esquema inédito de interpolação, movido a física, que utiliza dados existentes de cabelo guiado e simulado. Este trabalho melhora consideravelmente a qualidade visual da renderização de cabelos para experiência sem custo excedente.

Simulação e renderização realista em 3D

Criadores na Roblox criam não só as experiências de que os demais participam para jogar ou se conectar, como também os objetos que populam tais experiências. Conforme a Roblox fica disponível em mais plataformas, variando de dispositivos Android de baixa resolução a um console de jogos de alta resolução ou óculos de Realidade Virtual, é também importante que esses objetos possam aparecer na melhor resolução possível no dispositivo dos usuários.

Luz e sombra são, em geral, desafios em renderização 3D. Pesquisas recentes fizeram grandes avanços, mas os métodos existentes podem ocasionar desfoque com efeitos de câmera como profundidade de campo e antisserrilhamento. Colaborando com a NVIDIA e a Universidade de Utah, Cem Yuksel da Roblox apresentou "ReSTIR de Área: reamostragem para remoção de foco e antisserrilhamento em tempo real". O projeto implementa amostragem de área a ReSTIR, o que resolve os efeitos de câmera de modo mais eficiente. Isso resulta em maior definição entre luz e sombras e maior detalhes, com menos amostras necessárias.

Uma cena de rua exibida com a versão anterior de ReSTIR.

A mesma cena exibida com a nossa nova ReSTIR de área, com melhorias na iluminação e nas sombras.

No artigo "Um operador booleano diferenciável unificado com lógica indistinta", Hsueh Derek Liul, da Roblox, com colegas, apresenta um método que permite que IA generativa crie representações 3D com geometria sólida construtiva (CSG). O simulador de física da Roblox deriva a própria robustez da modelagem sólida da indústria de engenharia via GSC, o que simplifica a criação de formas virtuais plausíveis. A modelagem de superfície fina do setor de entretenimento é mais comum, mas não representa o volume dentro de um objeto. Antes, GSC era incompatível com IA generativa porque a etapa de diferenciação de treinar e aplicar IA a geometria exige uma propriedade matemática similar à evolução contínua de formas. Ao inventar um novo primitivo matemático para realizar operações "indistintas", liberamos uma GSC diferenciável, e daí construímos uma IA generativa de GSC a partir disso.

Simular materiais elásticos com precisão, como borracha, é bem desafiador em computação gráfica. Liu, da Roblox, com seus colegas, apresentou Simulação neo-hookeana - Filtragem absoluta de autovalores para newton projetado, um método inédito de estabilizar a simulação. O novo método exige apenas uma única linha de alteração no código da estrutura existente para melhorar consideravelmente a estabilidade e a velocidade de convergência. Os modelos resultantes mantêm uma forma mais estável quando esticados.

Outros métodos de simulação geral exigiam uma troca entre o realismo da simulação e os recursos computacionais necessários. Yuksel, da Roblox, e seus colegas da Universidade de Utah apresentaram Descida de blocos de vértices, um método inédito que produz uma simulação de física, rápida e robusta. O método resultante é mais veloz e mais estável do que os processos anteriores de simulação de dinâmica 3D.

Por quase duas décadas, nossa plataforma e a comunidade que nela prospera puderam agir graças à inovação técnica, por sua vez resultado dos investimentos pesados da Roblox em pesquisa e desenvolvimento. Um bom desempenho nessa área exige risco e avaliações sinceras. Nem todas as investigações conquistam resultados na forma correta ou no momento certo para virarem funcionalidades no produto, e o trabalho descrito nesse artigo é especulativo, com vistas para o futuro. No entanto, estamos contentes por algumas das novas técnicas descritas aqui já serem parte das ferramentas disponíveis a criadores da Roblox, proporcionando avatares e mundos 3D mais realistas. Todas as investigações são passos para fazer o campo como um todo avançar, junto da tecnologia para plataformas 3D imersivas.

Em questão de IA, avatares, física e gráficos, estamos animados para compartilhar com o mundo uma série de novos avanços na SIGGRAPH 2024.