Um algoritmo para ver o futebol sob novos ângulos

As imagens dos bonequinhos do Tira-Teima ou as dos logotipos publicitários que aparecem "no campo" num jogo de futebol (por exemplo, o mascote da empresa Biper que vemos na foto abaixo) não são imagens "reais", como é fácil perceber. São projeções que apenas o telespectador vê e não fazem parte do cenário para quem assiste ao jogo ao vivo. Essas imagens são geradas ou controladas (para que não apareçam distorcidas) com a utilização de modelos matemáticos, que descrevem a posição da câmera e dos jogadores e permitem ajustar a imagem a ângulos diferentes, conforme as cenas vão se sucedendo.

Ambiente do Juiz Virtual, semelhante ao Tira Teima. Fonte: Flávio Szenberg, Marcelo Gattass & Paulo Cezar Carvalho.

Inserção de publicidade sobre o campo de futebol - imagem vista na TV. Fonte: Orad

É o que se chama de modelagem baseada em imagens, um método que tem aplicações na computação gráfica, medicina (extração de medidas de comprimento e volume de imagens médicas), fotografia (visão estéreo de fotos aéreas) e outros campos. O Tira-Teima é apenas um exemplo de programa que usa a modelagem baseada em imagens. Ele tem um similar, o Juiz Virtual, que já foi objeto de reportagens na imprensa (edições dos dias 8 de junho de 1998 do Jornal do Brasil e 17 de maio de 2000 da Folha de São Paulo) e é distribuído gratuitamente pela Internet, através dos sites dos laboratórios Visgraf (em português), do Instituto de Matemática Pura e Aplicada (IMPA), e Tecgraf (em inglês), da PUC-Rio.

Este programa, conforme explicam os autores, "permite criar um ambiente tridimensional a partir de uma imagem estática de um jogo de futebol, bastando que nela sejam indicadas as traves e as marcações do campo (pontos de referência), e também, as posições da bola e dos jogadores (pontos de objetos). Com os pontos de referência é possível, então, determinar a posição original da câmera e 'movê-la' para um ponto mais favorável, que permita uma melhor observação da jogada (para determinar, por exemplo, se houve ou não impedimento)".

Simulação formulada a partir da imagem real (que aparece no centro). Fonte: Flávio Szenberg, Marcelo Gattass & Paulo Cezar Carvalho.

Se quiser, o usuário pode usar as suas próprias imagens no Juiz Virtual, mas para isso tem de informar ao programa todos os pontos de referência e pontos de objetos necessários à criação da cena 3D, com os bonequinhos.

Pontos de referência marcados em amarelo e pontos de objeto marcados em vermelho e azul. Fonte: Flávio Szenberg, Marcelo Gattass & Paulo Cezar Carvalho.

Recentemente, o Juiz Virtual ganhou uma nova versão (em breve disponível para download), mais eficiente, onde os pontos de referência não precisam ser informados pelo usuário para que os parâmetros da câmera sejam determinados. "Um algoritmo permite calibrar a câmera automaticamente, possibilitando a manipulação das cenas sem necessidade de intervenção do usuário, pois o campo de futebol (ou outro modelo com geometria e dimensões conhecidas) é reconhecido na imagem e localizado", explica Flávio Szenberg, autor da tese "Acompanhamento de cenas com calibração automática de câmeras", defendida em dezembro de 2001. O algoritmo, no entanto, não detecta os jogadores, cujas coordenadas continuam tendo de ser informadas pelo usuário.

Um outro aspecto do modelo proposto na tese de Szenberg, que constitui uma vantagem potencial, é que ele permite realizar tarefas de inserção de imagens virtuais nas cenas usando câmeras comuns (do tipo webcam, por exemplo), ao invés das sofisticadas e caras câmeras com sensores de movimento, normalmente utilizadas pelas grandes emissoras de televisão. Já que é baseado na imagem, o modelo dispensa o fornecimento das coordenadas da câmera por ela mesma. O usuário pode trabalhar, por exemplo, com imagens que lhe foram enviadas, sem ter acesso ao sistema que informa as coordenadas do aparato.

A eficácia da calibração automática, no entanto, não é a mesma que a das câmeras com sensores. Se houver, por exemplo, um grande ruído na imagem (interferência, "chuvisco") ou um corte seco (mudança repentina do campo para o estúdio, por exemplo) é preciso começar toda a calibração de novo com o processo de reconhecimento, o que não chega a ser um grande problema, pois o algoritmo é bem rápido. Já com a câmera mais sofisticada, as coordenadas são informadas permanentemente e em tempo real, o que permite a determinação imediata de sua posição e direcionamento e, em seguida, a adequação da imagem projetada.

Traços sobre o cenário servem de referência para a inserção das imagens de fundo. Fonte: Flávio Szenberg, Marcelo Gattass & Paulo Cezar Carvalho.

O algoritmo utilizado por Szenberg é dividido em passos, que podem ser facilmente modificados de maneira independente pelo programador, sem necessidade de modificar todo o sistema, desde que se respeite as exigências de parâmetros de entrada e saída. Vale notar, entretanto, que o Juiz Virtual é freeware mas não é um software de código aberto e só programadores com autorização dos proprietários têm acesso à fonte.

Diversas outras aplicações podem utilizar esse algoritmo. Por exemplo, na técnica de chroma key, em que uma cena é filmada sobre um fundo azul ou verde, o qual é substituído posteriormente por um cenário fictício. O que o pesquisador sugere como aplicação futura é que, ao invés de usar o fundo homogêneo, utilize-se uma figura (traços desenhados sobre o cenário) que pode servir depois de referência para a calibração automática das câmeras, já que ela será um objeto de geometria e dimensões conhecidas (como o campo de futebol). Com isso, a partir do reconhecimento de um padrão da primeira imagem, pode-se fazer o acompanhamento da seqüência (desde que ela seja uma seqüência coerente, ou seja, com poucas modificações) com calibração automática das câmeras, utilizando para isso um equipamento mais comum e acessível (o que pode ser de grande utilidade para uma universidade ou escola de televisão).

Todas essas aplicações, contudo, ainda estão em seu início e muitos aprimoramentos terão de ser feitos até que elas se tornem suficientemente eficientes para uso profissional. Até que o modelo se torne "modelar".

(MM)

Atualizado em 10/02/2002

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