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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Innovación y Desarrollo
Tecnológico en Cómputo

VISUALIZACIÓN DE EMOCIONES BASADO EN EL MODELO DE
PLUTCHIK

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA DE CÓMPUTO

PRESENTA:

Ing. Adrián Pedro González Martínez

DIRECTORES

M. en C. Jesús Antonio Álvarez Cedillo

M. en C. Israel Rivera Zárate

MÉXICO, D.F. DICIEMBRE DE 2014

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

RESUMEN

Hoy en día existen muchas formas de interacción del ser humano con el mundo
digital que han cambiado la manera en como convivimos o trabajamos con esta
tecnología en diferentes áreas como es el entretenimiento, aprendizaje, relaciones
sociales entre otras. Aunado a esto el crecimiento de las áreas de interfaces gráficas,
animación, inteligencia artificial y la psicología, han dado como resultado un mayor
interés para la creación de personajes virtuales mayormente creíbles con características
humanas más complejas tanto visuales como psicológicas, que puedan ser capaces de
interactuar con una persona de forma autónoma.
Existen pocos sistemas que logran entender parte del comportamiento humano y las
emociones debido al gran número de factores que se deben considerar. Por ejemplo
sabemos que las emociones van acompañadas de cambios físicos y psicológicos para
los cuales debemos medirlos y detectarlos mediante diferentes dispositivos.
El trabajo propuesto presenta dos novedades en primer lugar la utilización de
diferentes técnicas de modelado y animación en Blender y en segundo lugar las diferentes
emociones a diferencia de los trabajos basados en las seis emociones de Ekman, se
trabajan emociones combinadas y ocho básicas.
Los resultados obtenidos se evaluaran en base a la interpretación y el análisis del
modelado facial mediante las emociones propuestas de Plutchik.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

ABSTRACT

Today there are many forms of human interaction with the digital world that have
changed the way in which lived or worked with this technology in different areas such as
entertainment, education, social relationships, among others. Along with this growth
areas GUIs, animation, artificial intelligence and psychology, have resulted in increased
interest mostly for creating believable virtual characters with both visual and more
complex human traits and psychological, that may be able to interact with a person
autonomously.
There are few systems that achieve understanding of human behavior and emotions due
to the large number of factors to consider. For example we know that the emotions are
accompanied by physical and psychological changes for which we measure and detect
them using different devices.
The proposed paper presents two new first use of different techniques for modeling and
animation in Blender and secondly the different emotions unlike works based on the six
emotions of Ekman combined eight basic emotions work.
The results of the interpretation and analysis of facial modeling is evaluated based
proposals by Plutchik emotions.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

AGRADECIMIENTOS

A DIOS. Por su infinita sabiduría, la cual la da a todos abundantemente y sin reproche. El
cual me dio la oportunidad, de haber estudiado esta maestría.

Un especial agradecimiento es a mis padres quienes siempre me han apoyado y han
creído en mí en todo momento, los tengo presentes y en verdad sin ellos no sería la
persona que ahora soy, todo el esfuerzo y motivación ellos me lo han otorgado. Muchas
gracias Papa y Mama por sus sabios y sinceros consejos.

A mi linda novia Ceci sin su apoyo y comprensión no hubiera logrado terminar la maestría
Te Amo.

A mis hermanos Gabriel y Claudia los cuales estando lejos me apoyaron y me dieron
ánimos para que yo no desmayara. Los quiero mucho.

A mis amigos, los cuales me apoyaron para que culminara este trabajo y a los cuales les
dedico este esfuerzo, gracias por su paciencia. Posteriormente trabajaremos juntos para
lograr muchos resultados.

Al IPN, siempre fue un sueño estudiar en esta gran institución y cuando se presentó la
oportunidad de formar parte de sus estudiantes, alcancé ese sueño.

Al Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo (CIDETEC), por darme la
oportunidad de haber estudiado, por darme la oportunidad de avanzar en mi vida
profesional, por sus profesores, sus instalaciones, sus equipos y por todo.

Al M en C. Jesús Antonio Álvarez Cedillo, porque aprendí muchas cosas referentes a
Blender y programación paralela y sobre todo el ayudarme a incursionar al maravilloso
mundo del software libre, gracias.

A todo mi comité tutorial.

A mis profesores, por que dedicar parte de su tiempo y por sus muchas enseñanzas y
apoyo para terminar esta maestría, muchas gracias.

Al Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo (CIDETEC), por su apoyo,
comprensión y facilidades otorgadas para realizar mis estudios de maestría.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por su apoyo otorgado a lo largo
de mis estudios en la maestría.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Al Instituto Politécnico Nacional, por toda la educación y formación que he recibido tanto
en sus instalaciones como fuera de ellas.

A la COFAA por la beca otorgada para el estudio y conclusión de mi maestría.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

INDICE GENERAL

INDICE GENERAL .................................................................................................................................. 8
INDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................... 11
INDICE DE TABLAS ............................................................................................................................. 13

Capítulo 1 - Introducción ............................................................................................................... 14

1.1 Antecedentes .................................................................................................................... 14
1.1.1 Historia de las Emociones ......................................................................................... 14
1.1.2 Historia del Modelado 3D ......................................................................................... 16
1.1.3 Historia de la animación ............................................................................................ 17
1.2 Planteamiento del Problema ............................................................................................ 24
1.3 Objetivo General ............................................................................................................... 25
1.3.1 Objetivos Particulares ............................................................................................... 25
1.4 Justificación ....................................................................................................................... 25
1.5 Estado del Arte .................................................................................................................. 26
1.6 Contenido de la Tesis ........................................................................................................ 29

Capítulo 2 - Emociones ..................................................................................................................30

2.1 Clasificación de las Emociones ............................................................................................ 30
2.3 Correlación acción-emoción .............................................................................................. 31
2.4 Descripción de AUS y FACS, su relación con emociones ................................................... 32
2.5 Descripción de unidades de acción (AUs) ......................................................................... 38

Capítulo 3 - Modelado y Animación .............................................................................................. 41

3.1 Modelado y Animación de Caras ........................................................................................... 41
3.2 Composición y animación facial ............................................................................................ 41
3.2.1 Tipos de Modelado Facial .............................................................................................. 42
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

3.2.2 Modelos Poligonales ...................................................................................................... 42
3.2.3 Modelo Paramétrico ..................................................................................................... 43
3.2.4 Modelo con Subdivisiones. ............................................................................................ 44
3.3 Métodos de animación facial ............................................................................................... 45
3.3.1 Animación por cuadros .................................................................................................. 45
3.3.2 Animación parametrizada ............................................................................................ 46
3.3.3 Animación basada en pseudo-músculos ...................................................................... 46
3.3.4 Animación basada en músculos.................................................................................... 46
3.4 Avance de una malla poligonal y texturizado del rostro ...................................................... 47
3.4.1 Texturizado ................................................................................................................... 49
3.5 Generación y delimitación de unidades que interpretan una emoción ............................... 51
3.5.1 Emociones primarias ..................................................................................................... 51
3.5.2 Emociones Combinadas ................................................................................................. 52
3.5.3 Configuración de emociones ......................................................................................... 53
3.6 Utilidad Del Avatar 3D ........................................................................................................ 60
3.7 Renderización .................................................................................................................... 61
3.8 Interpolación, Nurbs Y Splines .......................................................................................... 63

Capítulo 4 - Diseño y Desarrollo del Sistema ................................................................................ 66

4.1 Software Modelado 3D ......................................................................................................... 66
4.2 Principales Aplicaciones Modelado 3D ................................................................................. 66
4.3 Blender................................................................................................................................. 70
4.4 Modelado Avatar en Blender ............................................................................................... 71
4.5 Texturizado ........................................................................................................................... 75
4.6 Key Shapes de las Emociones ............................................................................................... 77
4.7 Game Engine ......................................................................................................................... 78
4.8 Generación de datos e Interfaz ............................................................................................ 83
4.9 Estimación Del Costo Del Software Basado En Casos De Uso .............................................. 85

Capítulo 5 - Resultados ..................................................................................................................... 93
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

5.1 Pruebas ................................................................................................................................. 93

Capítulo 6 - Conclusiones .............................................................................................................. 100

6.1 Conclusión General ............................................................................................................. 100
6.2 Trabajos a Futuro ................................................................................................................ 101

Referencias ...................................................................................................................................... 103
Anexo .............................................................................................................................................. 106

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.Ejemplo de las emociones básicas. .................................................................................... 15
Figura 2.Muestras de dos AUs.......................................................................................................... 16
Figura 3. Software desarrollado por Barón llamado Mind Reading: The Interactive Guide to
Emotions. ...................................................................................................................................... 27
Figura 4. Interfaz de ChatLang.......................................................................................................... 28
Figura 5. Interfaz de SitePal ............................................................................................................. 28
Figura 6. Clasificación y combinación de las emociones ................................................................. 30
Figura 7. Modelo circumplejo de las emociones ............................................................................. 31
Figura 8. Principales músculos que intervienen en la generación de una expresión..................... 32
Figura 9. Simples unidades de acción (AUs) en el sistema de codificación de acción facial (FACS)
....................................................................................................................................................... 33
Figura 10.1ra Parte Tabla de AUs ..................................................................................................... 34
Figura 11. 2da Parte Tabla de AUs ................................................................................................... 35
Figura 12.3ra Parte Tabla de AUs ..................................................................................................... 36
Figura 13.4a Parte Tabla de AUs ...................................................................................................... 37
Figura 14.5a Parte Tabla deAUs ...................................................................................................... 37
Figura 15.6a Parte Tabla de AUs ...................................................................................................... 38
Figura 16. AUs divididas en dos sectores del rostro: en la parte superior e inferior ..................... 39
Figura 17. Ejemplo de AUs aplicadas a una expresión .................................................................... 40
Figura 18. Ramas de la Animación Facial ......................................................................................... 42
Figura 19. Modelo Poligonal ............................................................................................................ 43
Figura 20. Modelo Paramétrico utilizando NURBS .......................................................................... 44
Figura 21. Subdivisión de polígonos. ............................................................................................... 44
Figura 22. Modelo lineal de Waters. ................................................................................................ 47
Figura 23. Planos de referencia ........................................................................................................ 47
Figura 24. Polígonos trazados en los ojos para simular los músculos. ........................................... 48
Figura 25. Polígonos trazados en la boca para simular los músculos. ............................................ 48
Figura 26. Malla de polígonos y cabeza renderizada. ..................................................................... 48
Figura 27. Ejemplo de modelo facial. ............................................................................................... 49
Figura 28. Planos a partir de las subdivisiones del rostro. .............................................................. 49
Figura 29. Mapa plano del rostro para texturizar. .......................................................................... 50
Figura 30. Ejemplo de mapa pintado a mano alzada. ..................................................................... 50
Figura 31. Ejemplo de mapa foto realista. ....................................................................................... 50
Figura 32. Tabla de emociones. ........................................................................................................ 51
Figura 33. Arriba: intensidades bajas de ira, asco, miedo, alegría, tristeza y sorpresa. Abajo:
intensidades altas de ira, asco, miedo, alegría, tristeza y sorpresa. .......................................... 52
Figura 35. Obtención de una emoción generada por la intensidad. ............................................... 53
Figura 36. Emociones primarias que dan como resultado una combinada.................................... 53
Figura 37. Variaciones de ira/enojo. ................................................................................................ 54
Figura 38. Tabla de la 1ra y 2da expresión de la ira. ....................................................................... 54
Figura 39. Tabla de la 3ra y 5ta expresión de la ira. ........................................................................ 55
Figura 40. Tabla de la 4ta y 6ta expresión de la ira. ........................................................................ 55
Figura 41. Variaciones de Rechazo. .................................................................................................. 56
Figura 42. Distintas expresiones de rechazo. .................................................................................. 56
Figura 43. AUs de alegría. ................................................................................................................. 56
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 44. Expresiones de alegría. .................................................................................................... 57
Figura 45. AUs de tristeza. ................................................................................................................ 57
Figura 46. Variación 1 de tristeza. .................................................................................................... 57
Figura 47. Variación 2 de tristeza. .................................................................................................... 58
Figura 48. Variación 3 de tristeza. .................................................................................................... 58
Figura 49. AUs de sorpresa. .............................................................................................................. 58
Figura 50. Expresiones de la sorpresa. ............................................................................................. 59
Figura 51. Modelos de miedo. .......................................................................................................... 59
Figura 52. Expresiones de miedo. .................................................................................................... 60
Figura 53. Modelado en 3DS MAX .................................................................................................. 67
Figura 54. Modelado en Blender ...................................................................................................... 67
Figura 55. Modelado en Cinema 4D ................................................................................................. 68
Figura 56. Interfaz K-3D .................................................................................................................... 69
Figura 57. Interfaz Lightwave 3D ..................................................................................................... 69
Figura 58. Modelado en Maya ........................................................................................................ 70
Figura 59. Imagen 2D del rostro ...................................................................................................... 71
Figura 60. Inserción de imagen 2D de fondo. ................................................................................. 72
Figura 61. Uso de Escalamiento y deformación de un objeto para generar la nariz. .................... 73
Figura 62. Detallando las áreas ojo, boca y nariz. ........................................................................... 74
Figura 63. Escalamiento y unión de las caras de los polígonos ...................................................... 74
Figura 64. Modelo 3D ...................................................................................................................... 75
Figura 65. Generación de áreas de textura...................................................................................... 76
Figura 66. Uso de la paleta de colores ............................................................................................. 76
Figura 67. Rostro con textura ........................................................................................................... 77
Figura 68. Key Shape Emoción de Alegría ........................................................................................ 78
Figura 69. Logic Editor ...................................................................................................................... 79
Figura 70. Diseño del Script .............................................................................................................. 80
Figura 71. Fragmento de código Inicio ............................................................................................. 81
Figura 72. Fragmento de código Lectura valores de las emociones .............................................. 81
Figura 73. Fragmento de código Diferencia entre emoción básica y combinada. ........................ 82
Figura 74. Fragmento de código Activación del actuador ..............................................................82
Figura 75. Caso de Uso Aplicación.................................................................................................... 83
Figura 76. Interfaz de la aplicación .................................................................................................. 83
Figura 77. Fragmento de código: Generación Aleatoria.................................................................. 84
Figura 78. Fragmento de código: Generación Emoción Especifica ................................................. 84
Figura 79. Fragmento de código: Llamada al Avatar ....................................................................... 85
Figura 80. Interfaz del Prototipo ...................................................................................................... 93
Figura 81. Alegría ............................................................................................................................. 94
Figura 82. Tristeza ............................................................................................................................ 94
Figura 83. Rechazo ........................................................................................................................... 95
Figura 84. Sorpresa .......................................................................................................................... 95
Figura 85. Ira .................................................................................................................................... 96
Figura 86. Miedo .............................................................................................................................. 96
Figura 87. Anticipación .................................................................................................................... 96
Figura 88. Confianza ........................................................................................................................ 97

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

INDICE DE TABLAS

TABLA 1 HISTORIA DE LA ANIMACIÓN. ....................................................................................................................... 19
TABLA 2. CONTINUACIÓN HISTORIA DE LA ANIMACIÓN. ................................................................................................ 20
TABLA 3. CONTINUACIÓN HISTORIA DE LA ANIMACIÓN. ................................................................................................ 21
TABLA 4. CONTINUACIÓN HISTORIA DE LA ANIMACIÓN. ................................................................................................ 22
TABLA 5. CONTINUACIÓN HISTORIA DE LA ANIMACIÓN. ................................................................................................ 23
TABLA 6. CONTINUACIÓN HISTORIA DE LA ANIMACIÓN. ................................................................................................ 24
TABLA 7. AUS PRIMARIAS Y AUXILIARES QUE MODELAN UNA EXPRESIÓN. ......................................................................... 40
TABLA 8. ANÁLISIS DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MODELO POLIGONAL ...................................................................... 43
TABLA 9. ANÁLISIS DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MODELO PARAMÉTRICO UTILIZANDO NURBS ...................................... 44
TABLA 10. ANÁLISIS DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MODELO DE SUBDIVISIONES............................................................ 45
TABLA 11 . FACTORES DE PESO DE LOS ACTORES. ......................................................................................................... 85
TABLA 12. DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE PESO EN LOS CASOS DE USO SIN AJUSTAR (UUCW). .......................................... 86
TABLA 13. FACTORES DE COMPLEJIDAD TÉCNICA ......................................................................................................... 87
TABLA 14. FACTORES DE AMBIENTE .......................................................................................................................... 89
TABLA 15. DISTRIBUCIÓN GENÉRICA DEL ESFUERZO ...................................................................................................... 91
TABLA 16. DISTRIBUCIÓN REAL DEL ESFUERZO. ............................................................................................................ 91

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Capítulo 1 - Introducción

Desde el principio de la visión por computadora uno de los primeros retos a
resolver por las investigaciones ha sido la interacción con la interfaz entre hombre y la
máquina. La expresión y pose de la cara proporcionan una gran cantidad de información
sobre el lenguaje no verbal humano. Las personas tienen la capacidad innata para
detectar la orientación de una cabeza, y en cierta forma capturar el significado no verbal
contenido en la expresión y movimientos. En el proceso de comunicación el lenguaje
corporal y las expresiones faciales tienen un rol importante para la transmisión de
información, en la interacción humano-computadora. Conforme ha ido creciendo el uso
de aparatos electrónicos como la computadora, el móvil o tabletas, ya que además de
facilitar tareas de la vida laboral también cumplen funciones de entretenimiento o
aprendizaje. Este crecimiento no solo es debido a que se han vuelto más accesibles a los
usuarios sino también han mejorado continuamente y su uso resulta más fácil y atractivo.
Sin embargo, sigue existiendo la necesidad de una comunicación más personal y natural,
basada en la comunicación real entre los humanos. Es entonces que aparece un área de
investigación que centra su trabajo en Interfaces de usuario, incluyendo los asistentes
virtuales.
Los asistentes virtuales mejor conocidos como avatares, son personajes virtuales y la
evolución de las interfaces gráficas ha llevado a la tarea de crear avatares más humanos y
creíbles, tanto visual y psicológicamente. Es por esto que conceptos como personalidad,
estado de ánimo, emociones, estado afectivo, estado motivador, entre otros, que hasta
ahora pertenecían al campo de la psicología se han vuelto cada vez más comunes cuando
se habla de avatares .

1.1 Antecedentes

1.1.1 Historia de las Emociones

Durante muchos años, los rostros humanos han sido de gran interés para pintores,
escultores, escritores y científicos, sobretodo en este último, ya como se puede encontrar
en la obra [1] de Darwin publicada en 1872. Este interés, hace referencia a el significado
psicológico en nuestras vidas, posiblemente desde las primeras horas del nacimiento de
los seres humanos [2]. Las teorías neodarwinianas de la emoción nos conducen a asimilar
el origen filogenético de cada expresión facial, así como también a la investigación de
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

sobre el aprendizaje social, el cual muestra reglas que influyen cambiando los signos
faciales por símbolos faciales de comunicación afectiva.
En si la sola expresión facial de una emoción implica una organización muscular facial en
tiempo real por demás complejo. Es esta configuración o patrón muscular la que sin
embargo permite a una emoción facial ser distinguida de las demás de una forma visual
[3]. La mayoría de los teóricos de la emoción mencionan por los menos seis patrones
faciales asociados cado uno a emociones básicas (alegría, sorpresa, enojo, miedo, tristeza
e ira, como se observa en la Figura 1) que han sido identificadas en diversos estudios
transculturales [3] en este trabajo se usará el modelo de Plutchik de 8 emociones básicas.

Figura 1.Ejemplo de las emociones básicas.

La habilidad de poder combinar dichas emociones básicas en emociones más complejas
[5], así como la intensidad en que se presenta [4], dificultael determinar exactamente
cuales características de una expresión facial emocional se refiere a un patrón conductual
heredado o a uno aprendido. Posteriormente se desarrollaron el sistema de codificación
de acción facial (FACS, “Facial Action Coding System”) un método de medición y
clasificación de cualquier expresión que el rostro humano pueda generar. Cada
movimiento facial observable recibe el nombre de unidad de acción (AU,“Action Units” )
así la composición de la expresión de una emoción puede ser dividida en una o varias
unidades de acción para las distintas representaciones de una o varias emociones [8]. En
la Figura 2 se puede observar un ejemplo de dos unidades de acción en un rostro.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 2.Muestras de dos AUs.

Una emoción está representada por diferentes combinaciones de posiciones de los
elementos del rostro como lo son: la boca, los ojos, las cejas y rasgos que suelen
presentarse en la nariz y barbilla.
Para poder modelar las expresiones en un avatar se hará en base al sistema de FACS y
AUs desarrolladas por Ekman y Friesen.
El sistema de codificación de acción facial (FACS) es el método que se utiliza para medir y
describir el comportamiento facial que desarrollaron Ekman y Friesen en 1970 quienes
querían determinar cómo la o las contracciones de los músculos faciales cambian la
apariencia de la cara. Las FACS consisten en la identificación de los músculos que
producen las apariencias faciales y sus unidades de medida son las Unidades de Acción y
no los músculos [8].
Las Unidades de Acción son todos los posibles movimientos faciales detectados
visualmente, las FACS permiten codificar las unidades de acción en varias categorías de
movimientos y posiciones de ojos y cabeza [9].

1.1.2 Historia del Modelado 3D

En computación, un modelo en 3D es un "mundo conceptual en tres dimensiones". Un
modelo 3D puede "verse" de dos formas distintas. Desde un punto de vista técnico, es un
grupo de fórmulas matemáticas que describen un "mundo" en tres dimensiones. Desde un
punto de vista visual, valga la redundancia, un modelo en 3D es un representación
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

esquemática visible a través de un conjunto de objetos, elementos y propiedades que,
una vez procesados (renderización), se convertirán en una imagen en 3D o una animación
3D. Por lo general, el modelo visual suele ser el modelo 3D que las diseñadores manejan,
dejando las fórmulas a procesos computacionales. Esto es así, porque lo que el modelo en
3D visual representa se acerca más a la imagen en 3D final que se mostrará al
renderizarse.
Existen aplicaciones de modelado en 3D, que permiten una fácil creación y modificación
de objetos en tres dimensiones. Estas herramientas suelen tener objetos básicos
poligonales (esferas, triángulos, cuadrados, etc.) para ir armando el modelo. Además
suelen contar con herramientas para la generación de efectos de iluminación, texturizado,
animación, transparencias, etc. Algunas aplicaciones de modelado son 3D Studio Max,
Alias, Blender, Cheetah3D, Cinema 4D, Generative Components, Houdini, LightWave,
Maya, MilkShape 3D, modo Rhinoceros 3D, Softimage|XSI, trueSpace, ZBrush, etc.
El modelo en 3D describe un conjunto de características que, en conjunto, resultarán en
una imagen en 3D. Este conjunto de características suele estar formado por objetos
poligonales, tonalidades, texturas, sombras, reflejos, transparencias, translucidez,
refraxiones, iluminación (directa, indirecta y global), profundidad de campo, desenfoques
por movimiento, ambiente, punto de vista, etc.

1.1.3 Historia de la animación

Los primeros gráficos, imágenes o dibujos creados por computadora a mediados de los 60
fueron producto de los trazadores de gráficos. Estos instrumentos dibujaban el diseño
realizado con la computadora en hojas de papel con trazos lineales de un solo color. Esto
fue así hasta que un miembro del Laboratorio Lincoln del Massachussets Institute of
Technology (MIT) tuvo la brillante idea de conectar la computadora a un tubo de rayos
catódicos (CTR) abriendo el campo a las posibilidades reales de la Animación por
computadora. Así fue como Iván Sutherland creó su programa “Sketchpad”, el primer
programa de gráficos por computadora interactivo considerado el padre de los gráficos
por computadora. Sin embargo, incluso cuando estos dibujos eran aún de un solo color,
líneas bidimensionales creadoras de imágenes relativamente sencillas parecidas a las de
los primeros radares, no pasó mucho tiempo hasta que la capacidad de este nuevo medio
atrajera la atención de los científicos que querían representar visualmente todo tipo de
escenas e imágenes.
En la actividad del año 1970 se desarrolló en los Estados Unidos y Canadá. Alimentada en
gran medida por la competitividad de las grandes cadenas de televisión norteamericanas,
la animación por computadora y sus resultados se convirtieron en un medio excelente al
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

servicio de las cadenas para presentar sus logotipos en las promociones en directo y sus
anuncios de promoción.
Cuando a principios de 1980 volvió a renacer el interés de la animación por computadora,
se utilizaron otros sistemas Links 1, diseñado por Koichi Omura, de la Universidad de
Osaka, Este sistema funciona de un modo distinto al resto: se trata de un sistema de
“procesamiento paralelo” que conecta un gran número de computadoras pequeñas y
baratas y distribuye la carga de trabajo entre ellas para que cada uno pueda progresar
simultáneamente en una pequeña porción de la imagen.
Algunos otros programas que se utilizaron fueron Picaso, de John Vince, Digital Pictures,
de Gran Bretaña, CAL video graphics y los franceses de INA y Sogitec ayudaron a los
artistas a concentrarse en el diseño y el movimiento de los objetos y a integrar sus
imágenes generados por computadora con otros medios.
Los eventos destacados en la historia de la animación se denotan en una tabla a
continuación:

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Tabla 1 Historia de la Animación.
HISTORIA

AÑO PERSONAJE DESARROLLO

1640 A. Kircher
Desde 1640, año de la invención de la linterna mágica,
hasta el anterior año citado, se empleó habitualmente este
aparato de proyección, cuya sencilla construcción facilitó
su difusión. Esta máquina fue útil en el terreno propiamente
científico, ya que permitía el examen público y simultáneo de
diferentes imágenes microscópicas.

1824 P. Mark Roget
Esta "imperfección" (persistencia de la visión) permite
retener las imágenes en el momento de percibirlas, y que
el ojo las vaya hilando para crear la ilusión de movimiento.
El proyector de cine pasa los fotogramas con tal rapidez, que
no se puede detectar el cambio de uno a otro. Si se observa la
secuencia fotográfica de una película, se encontraría que se
compone de un fotograma, una pequeña línea negra y otro
fotograma.
Entre estas imágenes sólo se registra una pequeña
modificación, porque una cámara de cine toma 24 fotos por
segundo.

1832. William Lincoln
“Zootropo”
Consiste en un cilindro movible de metal con ranuras
verticales. A través de ellas se miraban los dibujos que
estaban montados dentro del cilindro. Los dibujos eran de
un mismo cuerpo u objeto y estaban elaborados en posiciones
consecutivas, al hacer girar el cilindro con suficiente rapidez se
daba la sensación de estar en movimiento.
Si bien para la invención del cine el zootropo como otros
inventos fueron importantes, estos aparatos son la basepara
crear la animación de caricaturas que se conoce ahora.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Tabla 2. Continuación Historia de la Animación.

AÑO PERSONAJE DESARROLLO
1864 E. Reynaud

“Praxinoscopio” y” “Kinetografo
Mediante la superposición en la retina de diferentes
imágenes colocadas en el tambor del praxinoscopio, y que se
ven reflejadas a través de la ventana de la caja, se aprecian
diferentes figuras en movimiento sobre distintos paisajes.
Este efecto se consigue el girar rápidamente el tambor y
observar a través de la ventana mencionada.

1889 George Pasman

“Fabricación de Película Fotográfica Comercial

1895
1906
Louis y Auguste
Lumiere
J.Stuart Blackton

“Cinematógrafo”
Técnica que permite registrar y reproducir
fotográficamente el movimiento. Las cámaras
cinematográficas toman 24 imágenes por segundo,
frecuencia suficiente para asegurar una definición de la
imagen y una continuidad de movimiento perfectas.

“Humorous Phase of Funny Faces.”

1914 Winsor McCay

El inventor del Dibujo Animado
Creó un estilo de Animación que para su época sobrepasa la
genialidad. Además fue el primero en crear un corto de
Animación periodística (el hundimiento del Lusitania), en
la que debió colorear y redibujar los fondos en cada
fotograma, consistente en 25 mil dibujos hechos a mano.

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Tabla 3. Continuación Historia de la Animación.
HISTORIA

AÑO PERSONAJE DESARROLLO

1927 Warner Brothers
“El cantante de Jazz”
El musical estadounidense forma parte imprescindible
de la historia del cine. Basta recordar que fue la primer
película.

1928 Steamboat Willie
“Walter Disney” y por Ub Iwerks, figura en la historia de la
animación como el primer corto de dibujos que tuvo sonido
sincronizado. Aquí debutó el ratón Mickey, y desde este
momento tanto su nombre como el de su productor se
hicieron sinónimos de cartoon.

1940 Ferdinand Braun
En una industria cuyo desarrollo es tan rápido, resulta
sorprendente que la tecnología detrás de los monitores y
televisores. El tubo de rayos catódicos, o CRT, fue
desarrollado por un científico Alemán, en 1897 pero no se
utilizó hasta la creación de los primeros televisores a fines
de la década de 1940.

Sistema Sketchpad
Establece bases de los sistemas gráficos interactivos,
utiliza teclado y lápiz óptico para dibujar, situar y
seleccionar. Informática gráfica aplicada al CAD.
Introducción de las computadoras en los procesos
industriales (General Motors). Desarrollo de máquinas de
control numérico (NC).
1960 Ivan Sutherland

Fetter y Bernhart Primera película “por Computadora”

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Tabla 4. Continuación Historia de la Animación.
HISTORIA

AÑO PERSONAJE DESARROLLO

Primeros Algoritmos de eliminación de caras ocultas.

1972 General Electric
General Electric, bajo comisión de la armada
norteamericana, desarrolla el primer simulador
computarizado de vuelo. Los simuladores de vuelo serán un
importante renglón de desarrollo para la Realidad Virtual.

1972
Juan Whitney, sr.
y Charles Csuri
Universidad de
Utah
Uno de los experimentos más tempranos con la animación de
personajes originada en computadora era Sr. Computer Image
ABC creado en el año 1962 por Lee Harrison III con el sistema
de Scanimate en Computer Image Corporation.
• Sombreados Gouraud y Pong.
• Z-Buffer.
•Métodos de Antiallasing.
•Animación Facial.
• Mapeo de Texturas, etcétera.

1977 George Lucas ILM crean efectos especiales de Star Wars.

1982 James Clark Fundó Silicón Graphics.

1989 Pixar Primera Versión de Renderman.

Univ, Cornell Radiosidad.

Univ. Berkley Modelado Splines.

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Tabla 5. Continuación Historia de la Animación.
HISTORIA

AÑO PERSONAJE DESARROLLO

1985 Pixar “Lujo Jr. ”, “Red Dreams ”, “Tin toy ”.

1991 ILM “Terminador 2” Morphing.

1992 Batman Return Animación de Bandadas.

1993 Jurasic Park. IK y Render Hiperrrealista.

1995 Pixar
Toy Story.

1997 Pixar
Presenta Geri’s Game. Superficies Subdivisión
(Univ.Washington).

1997 “Dragon Herat”, “Titanic”, “Mars Attacks”.

1997
NAMCO “Soulblade”, Animación de Personajes.

1998 Texas instruments Primer proyecto de cine digital.

1998 Disney
“A Bug’s Life”. Dreamworks “ANTZ”, “El
Príncipe de Egipto”.

1999

Primeras películas en formato de cine digital. “La
Amenaza Fantasma”, “Tarzan”.

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Tabla 6. Continuación Historia de la Animación.
HISTORIA

AÑO PERSONAJE DESARROLLO

1999 Pixar Toy Story 2

2000 Sony PlayStation II. “2 Millones Polígonos por frame”.

2001 Pixar Monstruos. S.A. (Monsters Inc.).

2003 Pixar
Buscando a Nemo (Finding Nemo).

2004 Pixar (The Incredibles).

2005 Pixar Cars.

2006 Pixar Ratatouille.

1.2 Planteamiento del Problema

La expresión facial forma una parte muy importante en la transmisión de las emociones,
muchos de los pacientes con trastornos del espectro autista se caracterizan por los
problemas para ser empáticos. Esto incluye dificultades en el reconocimiento de las
emociones en sí mismos y en otros, lo que dificulta el funcionamiento social.
Se requiere adquirir los conceptos y los conocimientos que son necesarios para
posteriormente colocarlos al modelo 3D del avatar que nos permitirá interpretar las
emociones, además de que también se requerirá poseer los conocimientos de la
plataforma Blender para poder realizar el programa de este proyecto por ello en el
Capítulo 3 se analizaran plataformas similares para comparar las funcionalidades y tomar
como base las características del software que convengan para el desarrollo de la interfaz
del sistema y formalizar un prototipo.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

1.3 Objetivo General

El objetivo de esta tesis es “crear un modelo 3D basado en llaves de formas gráficas que
muestre el resultado de una emoción”.

1.3.1 Objetivos Particulares

 Comprender técnicas de poses gráficas.
 Comprender efectos de una emoción en un ser humano.
 Generar un modelo gráfico tridimensional a partir de su información de entrada.
 Correlación de las características físicas y gráficas de una emoción.
 Validar resultados con base al modelo propuesto por Robert Plutchik.

1.4 Justificación

El hecho de estar frente a otras persona durante el proceso de comunicación también
hace uso información de la cara, por ello la comunicación no verbal representa un
porcentaje muy alto según los estudios sobre actitudes y sentimientos realizados por el
psicólogo Albert Mehrabian, en su investigación presenta los siguientes porcentajes que
representan la información transmitida durante el lapso de la comunicación: el lenguaje
verbal (de palabras) representa el 7%, la información vocal ( la resonancia, tono,
entonación, etc. ) representa el 38% y el lenguaje corporal (gestos, posturas, movimientos
faciales, etc.) representan el 55% [6]. Es por esto que en esta tesis se enfoca en el estudio
deuno de los aspectos que envuelven la mayor información comunicada en la transmisión
de información: el lenguaje corporal; que involucra las expresiones y movimientos
faciales. El rostro humano a través de los movimientos de los músculos puede generar
expresiones de emociones o simples movimientos, estos pueden comunicarnos y brindar
información sobre el estado de ánimo en que se encuentra la persona, incluso se puede
reconocer si una persona está mintiendo por medio de las micro expresiones faciales que
se llevan a cabo en milésimas de segundo de forma involuntaria, las cuales delatan
información que no van acorde con lo que la persona está diciendo [7].
Las siguientes aplicaciones son un ejemplo de cómo se puede aprovechar el conocimiento
del estado emocional de los usuarios para tomar decisiones sobre qué acciones debe
seguir un sistema.

A) Un tutorial interactivo [11] en el que se podría adaptar la carga emocional de la
respuesta del sistema buscando motivar y captar el interés dependiendo del
estado emocional del alumno.
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

B) Un sistema telefónico de atención automática a clientes que provee asistencia
médica a usuarios que llaman pidiendo ayuda [12]. Dichos usuarios podrían
presentar diferentes emociones como tensión, miedo, dolor o pánico dependiendo
de la enfermedad o de la emergencia que están experimentando. El manejo de una
llamada será diferente dependiendo de la clasificación del estado emocional del
usuario, dando prioridad a las llamadas más urgentes; dirigiéndolas a la persona
indicada.
C) Otra aplicación es un Sistema de Respuesta Interactiva por Voz (IVR) que atiende
pacientes con problemas psicológicos [13] El sistema detecta si hay algún grado de
depresión basándose principalmente en características articulatorias de la calidad
de voz del paciente. El sistema alerta a un experto humano cuando detecta en el
paciente un grado de depresión alarmante.
D) Las aplicaciones del reconocimiento automático de carga emocional en la voz no
se limitan únicamente a la IHC. En la interacción humano – computadora, puede
usarse para monitorear conversaciones entre agentes y clientes en centros de
telefonía (call center) y detectar estados emocionales no deseados [17]. Por
ejemplo, un cliente enojado o frustrado o un agente con actitud altanera. De esta
manera un inspector de calidad puede tomar decisiones sobre la administración y
mejora del personal y de los servicios.

1.5 Estado del Arte

Cohen Barón en el 2004 en Londres, trabajó en proyectos enfocados a la solución de
individuos con problemas de autismo generando un ambiente virtual el cual debido a su
condición pueden repetir las lecciones una y otra vez. Barón se dio cuenta que la
interpretación de emociones normalmente utiliza dibujos o fotografías para
entrenamiento para determinar que emoción es cual, en lugar de los estímulos más
realistas. Esto podría haber hecho generalización más difícil que si se utilizaran estímulos
válidos más realistas. Además, los programas reconocimiento de la emoción se centró en
la enseñanza de las emociones básicas y en expresiones de la cara. Enfoques recientes
para enseñar emoción reconocimiento a las personas con autismo trastornos del espectro
utilizan soluciones multimedia interactivas. Lectura de la mente [4] ayuda a los niños y
adultos a aprender acerca de las emociones y sus expresiones, sobre todo en los rostros
humanos. Proporciona una guía interactiva y una biblioteca de videos de personas reales
que expresan emociones, junto con concursos y juegos a comprobar el progreso del
individuo (Figura 3).
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 3. Software desarrollado por Barón llamado Mind Reading: The Interactive Guide to
Emotions.

En [5] trabajo desarrollado por Dr. Sánchez en el año 2004 en Cholula, Puebla
denominado ChatLang se enfocó en la realización de una interfaz síncrona que permitiera
mejorar la representación del estado afectivo de los usuarios que hacen uso de la misma.
Entre sus logros se encuentra la interacción entre dos usuarios, en la cual, por medio del
intercambio de mensajes, se puede observar el estado afectivo transmitido por cada uno
de ellos.
Se cuenta con un panel que incluye un rango de posibles estados afectivos dentro de un
plano. Al igual, se consideran los colores y tamaño de la letra, así como se propone una
gama de emoticons para la representación de los mismos. Además, se propuso un
prototipo de la interfaz (Figura 4) y un panel de estados afectivos , el cual fue probado con
un cierto grupo de usuarios.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 4. Interfaz de ChatLang

SitePal es un software comercial su costo mensual es de 9.95 dólares, este software fue creado
por el grupo Oddcast en el 2007 haciendo uso de los avatares está destinado a establecerse en
páginas web como personal artificial o simulado y se dedican a repetir frases pre establecidas. Este
programa facilita un demo en donde se puede modificar la expresión facial según el estado de
ánimo que se le quiera otorgar al avatar [10]. Para tener acceso a sus servicios es necesario pagar
una renta. En la Figura 5 se muestra la interfaz del programa sitepal.

Figura 5. Interfaz de SitePal

En [34] Gwo-Dong Chen de Taiwan en el 2009 generó una interfaz interactiva como se
muestra en la Figura 6 con características faciales para las expresiones, gestos y
emociones humanas la cual tiene un alto potencial para promover a los estudiantes a
aprender. La interacción se logra a través de que los lectores sus emociones mientras leen
y expresando sus emociones por un simple click y el avatar actuará motivando acorde a la
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

información. Este trabajo es experimental ya que revisa el reconocimiento de la emoción,
la empatía del software y el efecto obtenido por la persuasión y atención.

Figura 6. Interfaz de SitePal

1.6 Contenido de la Tesis

Capítulo 1.- Breve Introducción a la historia de la emoción y de la animación así como los
conceptos de la emoción, el objetivo general y especificas además del problema a resolver y la
justificación.

Capítulo 2.- Clasificación de las emociones, relación de las AUs y FACS para el desarrollo de una
expresión, emociones vistas en términos de AUs.

Capítulo 3.- Conceptos principales del modelado y animación así como las diferentes técnicas
empleadas. Y las diferentes emociones desde el punto de vista de las AUs.

Capítulo 4.- Desarrollo del sistema especificado en las diferentes fases desde la selección del
software de para modelado 3D, Modelado del Avatar, Generación de las Keys Shapes de las
emociones y el Game Engine además de la interfaz de Visual 2010 realizada.

Capítulo 5.- Prueba del prototipo generación de las diferentes emociones básicas y combinadas.

Capítulo 6.- Conclusiones y diferentes mejoras o aplicaciones para trabajos posteriores.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Capítulo 2 - Emociones

Una emoción es definida por la real academia de la lengua española como: “la alteración
de ánimo intensa y pasajera, agradable o penosa que va acompañada de cierta conmoción
somática” *14+.
2.1 Clasificación de las Emociones

Robert Plutchik presenta las emociones en un modelo estructural de emociones con
forma de cono, en donde presenta las emociones como una analogía de una rueda de
colores en donde agrupa las emociones según su similitud dejando a la emoción opositora
a 180 grados. En su modelo tridimensional a través de la vertical representa la intensidad
de las 8 emociones primarias definidas por la teoría de organizaciónde las cuatro partes
opositarías. Otras emociones son la mezcla de dos emociones primarias [15].
En la Figura 6 se muestra el modelo tridimensional y visto desplegado con las emociones,
sus intensidades y combinaciones.

Figura 6. Clasificación y combinación de las emociones

Por otro lado varios investigadores como Larsen y Deiner, Watson y Tellegen entre otros
han ido refinando el modelo tridimensional de las emociones que comenzaron a
desarrollar Russell y Mehrabian en 1977 hasta quedar en el modelo circumplejo de las
http://1.bp.blogspot.com/-BTRJqNCC9VE/TaSuR2fs2NI/AAAAAAAAACY/_CJQI52IkLg/s1600/psicogralII_cap5b.jpg
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

emociones que se muestra en la figura 10 en donde ahora el modelo es bidimensional y
las dimensiones ahora son reconocidas como: la dimensión de la activación o excitación
en donde su rango varia de una activación baja a una activación alta y la dimensión de
complacencia o evaluación en donde evaluación va desde lo agradable o positivo hasta lo
desagradable o negativo [16].

Figura 7. Modelo circumplejo de las emociones

2.3 Correlación acción-emoción

Para diseñar una aplicación que pueda recrear una emoción mediante la implementación
de un avatar se debe tener información psicológica y fisiológica acerca de los cambios
faciales y su unión con una emoción [8]. En este trabajo se harán uso de los vértices
simulando un poco más la fisionomía de los músculos para poder representarlos de forma
correcta. Para ello en este proyecto como ya se ha señalado se utiliza el sistema de FACS y
unidades de acción (AUs por sus siglas en inglés) desarrolladas por Ekman y Friesen en
1978 [9] para el modelo del avatar.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

2.4 Descripción de AUS y FACS, su relación con emociones

En esta tesis se pretende modelar un avatar tridimensional en base a AUs y FACS para que
tenga un respaldo teórico que sea aceptado para el modelado de la expresión de una
emoción. Como las AUs son todos los movimientos visibles del rostro es importante
revisar la anatomía humana para entender como los movimientos de los músculos
influyen en la creación de una expresión. Pues en una animación solo los músculos
principales se modelan para dar movimiento a las expresiones debido a que en la realidad
el movimiento de un musculo interviene con otros y esto se torna difícil de modelar. Por
ello en la Figura 11 se presenta el esquema de un rostro con la etiqueta de los músculos
que intervienen en la generación de una expresión, así como la funcionalidad de cada uno
de estos. Tanto la imagen como la descripción fueron obtenidas de la referencia [20].

Figura 8. Principales músculos que intervienen en la generación de una expresión

 Frontal interior (Frontalis inner): la parte media del músculo frontal eleva la parte
interior de las cejas.
 Frontal exterior (Frontalis outer): la parte lateral del músculo frontal eleva la parte
exterior de las cejas.
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

 Frontal (Frontalis major): eleva las cejas de forma que el arco formado es más
prominente.
 Corrugador lateral (Lateral Corrugator): tira de la parte interna de las cejas.
 Corrugador de la ceja o superciliar (Corrugator Supercilli): junta las cejas.
 Cigomático mayor (Zygomatic Major): desplaza la comisura de los labios superior
lateralmente.
 Depresor del ángulo de la boca (Angular Depressor): tira de la comisura de la boca
inferior lateralmente.
 Elevador del ángulo de la boca (Labii Nasi): eleva la comisura y el labio superior,
empujando la parte interior de la mejilla hacia el ojo.
 Elevador del labio superior y del ala de la nariz (Inner Labii Nasi): Se eleva y
profundiza el surco naso labial.

Las FACS ( por sus siglas en inglés de “Facial Action Coding System”) es un sistema para
taxonomizar movimientos faciales visualmente apreciables en el rostro como: los
movimiento de la cabeza, movimientos oculares y otros que corresponden a la región del
rostro. Los códigos principales están basados en 44 movimientos básicos y son
visualmente distinguibles en el área del rostro. Estos movimientos sirven para la creación
de cualquier emoción [21].
Las FACS definen las unidades de acción (AU por sus siglas en inglés “Action Units”) que
corresponde al o los movimientos o acciones fundamentales de los músculos y los
descriptores de acción (AD por sus siglas en inglés “Action Descriptor”) son él o los
músculos que intervienen para el modelado de una AU [18]. En la Figura 9 se puede ver
algunos de estos movimientos de AUs en FACS.

Figura 9. Simples unidades de acción (AUs) en el sistema de codificación de acción facial (FACS)

Las FACS definen un nivel de intensidad para cada unidad de acción (AU). Esta escala,
tiene un rango de intensidad que varía de la ‘A’ a la ‘E’ en donde ‘A’ representa a un ligero
rastro, ‘B’ es una leve evidencia, ‘C’ ya es trazo marcado, ‘D’ ya es una emoción intensa o
severa considerada también como un nivel extremo, ‘E’ es la intensidad extrema con la
que se puede representar cada AU, también es importante mencionar que la escala de
intensidades no tiene intervalos iguales, esto quiere decir que algunos intervalos como ‘D’
y ‘E’ podrían cubrir una gama más amplia de cambios en la apariencia que las demás. [22].
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

De esta forma cuando se habla de AUs no es necesario aprender la descripción del
movimiento sino sólo su número, como ejemplo tomando en cuenta la Figura 9 se puede
decir que quiere la AU43 y por ende se trata de la acción de cerrar los ojos, de esta misma
forma es posible agregar la intensidad escribiendo por ejemplo AU 43E que significa que
será la acción de cerrar los ojos con la intensidad máxima posible lo que podría describirse
gráficamente como apretar los ojos. Aunque en realidad las FACS especifican la apariencia
de cada intensidad de cada unidad de acción (AU) [22]. Por último cabe mencionar que las
FACS pueden ser unilaterales o bilaterales, lo que significa que cada unidad de acción (AU)
puede ser ejecutada en el lado derecho o izquierdo del rostro o en ambos [22] [23].
Para tener en mente una imagen más clara de lo que se habla cuando se menciona AU1,
AU2, etc. En las figuras 10-16 se presentan completas la lista de los movimientos de las
AUs en donde muestra: el número de la unidad de acción (AU), su descripción, él o los
músculos que involucran y la representación gráfica de algunos movimientos de unidades
de acción (AUs).

Figura 10.1ra Parte Tabla de AUs

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 11. 2da Parte Tabla de AUs

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 12.3ra Parte Tabla de AUs
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 13.4a Parte Tabla de AUs

Figura 14.5a Parte Tabla de AUs
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 15.6a Parte Tabla de AUs

2.5 Descripción de unidades de acción (AUs)

Las unidades de acción (AU) están divididas en dos zonas: la superior e inferior como se
muestra en la figura 16. Estas a su vez pueden ser divididas en varias subcategorías
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

dependiendo de los movimientos que los músculos involucrados en AUs superiores, AUs
inferiores con acción oblicua, AUs inferiores con acciones de arriba/abajo, AUs inferiores
con acciones horizontales y AUs inferiores con acción orbital están agrupadas [9].

Figura 16. AUs divididas en dos sectores del rostro: en la parte superior e inferior

Los FAPs son medidos usando las unidades paramétricasde animación facial (“Facial
Animation Parameter Units” o FAPUs por siglas en inglés), las FAPUs son definidas con
respecto a las distancias entre el rasgo facial clave y su estado natural, es la diferencia de
cada punto del rostro nuevo contra el punto en el estado neutral.
Existen más de 7000 combinaciones de los movimientos faciales conseguidas através de
la mezcla de AUs [25]. Durante el proceso de modelado se encuentran las AUs
denominadas primarias, pues son el rasgo característico de la expresión y las AUs
auxiliares que son rasgos que pueden acompañar o no a la expresión buscada, estos se
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

encargan de resaltar la AU primaria, para el trabajo se harán uso de ambas. En la tabla 7
se puede apreciar como ejemplo las AUs primaria y auxiliares que pueden modelar una
expresión [24], un ejemplo del uso de las AUs para denotar una expresión se puede ver
en la figura 17.

Tabla 7. AUs primarias y auxiliares que modelan una expresión.
Expresión AU Primaria AU Auxiliar
Felicidad 6,12 25,26,46
Tristeza 1,15,17 4,7,25,26
Asco o Rechazo 9,10 17,25,26
Sorpresa 5,26,27,1+2
Enojo 2,4,7,23,24 17,25,26,16
Miedo 20,1+5,5+7 4,5,7,25,26
Anticipación 1+2,5,24
Confianza 4,18,23

Figura 17. Ejemplo de AUs aplicadas a una expresión

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Capítulo 3 - Modelado y Animación

Lograr que personajes virtuales (avatares) expresen diferentes emociones, que posean
personalidades definidas, o que reaccionen de acuerdo al estado de ánimo en el que se
encuentran, se ha vuelto una tarea en la que muchos investigadores han invertido sus
esfuerzos.
Con este fin, el crear un modelo y animación realista del personaje (cara y/o cuerpo), es la
clave para transmitir correctamente la emoción del personaje.
Este capítulo se dará la explicación de varios conceptos claves en la realización de nuestro
trabajo. Primero, en el área de cómputo gráfico, se enfocará en la explicación de
diferentes técnicas para la modelización y animación de caras. Luego, en el área de
programación del motor de animación para colocar las emociones.

3.1 Modelado y Animación de Caras

Un rostro humano se caracteriza por tener elementos que deben ser representados en un
modelo virtual para lograr el realismo. Estos son:
• Cabello • Ojos • Orejas
• Labios • Dientes

3.2 Composición y animación facial

En este capítulo se recopilan y analizan las técnicas para desarrollar el modelado y
animación facial, estos métodos pueden ser divididos en dos clases [26]:
 Manipulación Geométrica. Esta categoría involucra los temas de parametrización,
interpolación y modelado a partir del movimiento de los músculos.
 Manipulación de Imágenes. Este caso implica la manipulación de texturas.
Diagrama que muestra los métodos de modelado y animación facial que más adelante
serán explicados a lo largo del capítulo [26].

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 18. Ramas de la Animación Facial

3.2.1 Tipos de Modelado Facial

Las siguientes técnicas son las más comunes y utilizadas para los modelos faciales.

3.2.2 Modelos Poligonales

Para los modelos geométricos es necesario implementar superficies utilizando
comúnmente las mallas poligonales. Un punto de suma importancia es que al momento
de emplear áreas poligonales se establezcan los polígonos con una malla fácil de modelar
en varias poses. Para efectos de facilidad, cada sección del rostro debe poseer un grupo
de polígonos estructurados cuya manipulación únicamente se ejerza en dichas áreas. La
superficie poligonal debe manejarse cuidadosamente para que el resultado que se
obtenga sea lo más parecido posible a la realidad [29].
La parte del rostro que toma más detalle es la boca; ésta requiere ser particularmente
flexible, porque debido al movimiento que esta sección realiza, se producen diversas
deformaciones en el resto de la cara. El número de polígonos determina el nivel de
detalle de la superficie. Se pueden localizar diversos trabajos que han requerido de miles
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

de polígonos para proporcionarles gran detalle en las secciones más expresivas como son
la frente, ojos y boca y así obtener los pliegues correctos para expresar emociones.

Figura 19. Modelo Poligonal

A continuación se muestra una tabla de análisis de ventajas y desventajas de este
modelo.
Tabla 8. Análisis de ventajas y desventajas del Modelo Poligonal
3.2.3 Modelo Paramétrico

Este modelo se fundamenta a partir de una función que representa cierta área, debido a
que esto requiere de mucho trabajo se hace uso de la concatenación, donde se instauran
“parche paramétricos” que son superficies cuadráticas que se adquieren en la
interpolación y éstos son unidos por los extremos, lo cual se conoce como propiedad de
continuidad. Obteniendo que a mayor derivada del patch mayor sea la suavidad [31].
Al utilizar B-Splines racionales no uniformes o NURBS se complementan las curvas en
maya que al combinarse forman superficies [26].

Ventajas Desventajas
Lograr realismo y flexibilidad al área
facial
Influencia del número de polígonos
utilizados para el nivel de detalle.
Uso de algoritmos que solucionan
problemas como superficies ocultas
y sombreado de superficies visibles.
Cálculos muy costosos debido al alto
contenido de polígonos.
Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 20. Modelo Paramétrico utilizando NURBS

A continuación se muestra una tabla de análisis de ventajas y desventajas de este
modelo.

Tabla 9. Análisis de ventajas y desventajas del Modelo Paramétrico utilizando NURBS
Ventajas Desventajas
Los NURBS describen las curvas de
forma más exacta que los polígonos,
debido a que utilizan métodos
analíticos.
Suelen ocupar demasiada memoria de
la computadora, debido a que realizan
bastantes cálculos.
Se renderizan a una buena velocidad. Es mejor para trabajar con secciones
pequeñas como los labios y no para
otras arrugas.
3.2.4 Modelo con Subdivisiones.

Este método combina el modelado por polígonos y el modelado paramétrico. Se basa en
dividir superficies poligonales, logrando así más suavidad en el modelo y curvas más
precisas teniendo una malla de baja resolución para después refinarla [29] [31].

Figura 21. Subdivisión de polígonos.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Tabla 10. Análisis de ventajas y desventajas del Modelo de Subdivisiones

Ventajas Desventajas
Al interpolar los cuadros intermedios se
obtiene un gran ahorro de memoria.
La información acerca de las expresiones
es muy limitada.
Óptimo control de la animación ya que el
usuario decide las expresiones contenidas
en los cuadros clave.
Compromete a un mayor trabajo del
animador debido a su alto nivel de
control.

3.3 Métodos de animación facial

Existen cuatro métodos diferentes de animación facial que a continuación se enlistan.
3.3.1 Animación por cuadros

En este tema los cuadros intermedios permiten transiciones más suaves entre cuadros
clave. Llamando cuadros clave a todas aquellas expresiones que se quieren mostrar. Por lo
cual en esta técnica se requiere de una interpolación para originar los cuadros
intermedios. Esta animación puede ser de dos formas siguientes [29].
Geométrica. Altera las posiciones de los vértices de los polígonos de la malla del rostro. La
interpolación de los vértices de las caras base determina la ubicación de cada vértice en la
cara intermedia.
Paramétrica. Esta técnica determina los parámetros utilizados para la cara intermediamediante la interpolación de los parámetros de las caras bases.
Se definen a continuación tres formas de interpolación.
Lineal. La transición se basa en la siguiente fórmula la cual tiene un valor constante
p1=cuadro p2=cuadro2 t=coeficiente temporal que varía en un intervalo sugerido.
𝑝! = 𝑝! 1,0 − 𝑡 + 𝑝!𝑡, 0 ≤ 𝑡 ≤ 1
Cuadrática. Se rige por la siguiente fórmula de transición, que muestra una aceleración al
término de la transición.

Cubica. En este método se trata de adaptar la curva de animación haciendo uso de la
información de deformación de los cuadros clave, manteniendo las transiciones suaves.

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

3.3.2 Animación parametrizada

Aquí se toma en cuenta la parametrización universal la cual tiene como objetivo dotar un
conjunto de instrucciones que permita moldear los objetos para crear los movimientos de
forma finita. Por lo tanto esta animación utiliza parámetros en donde cada uno
corresponde a una parte del rostro, para poder deformar cada sección de forma separada
[29].

3.3.3 Animación basada en pseudo-músculos

Estas técnicas deforman la malla facial a través de simulación de las contracciones de los
verdaderos músculos, haciendo caso omiso de la anatomía facial subyacente. Se
implementa utilizando diversos métodos geométricos como: abstract muscle action
(AMA), Free Form Deformations y Rational Free Form Deformation (RFFD) [29].

3.3.4 Animación basada en músculos

La expresión modelo muscular a gran escala implica que cada sección de la cabeza
humana que intervenga directa o indirectamente en algún movimiento será simulada [26].
Los métodos apoyados en músculos utilizan modelos de resortes basados en anatomía o
modelos multicapas de la piel y músculos para distorsionar la malla facial. Estos modelos
propagan las fuerzas del músculo en una malla de resortes elásticos. La malla extiende la
estructura de resortes a tres capas moldeando el comportamiento facial de forma más
realista. Esto exige un ajuste exhaustivo para modelar un rostro específico. Uno de los
pioneros en el desarrollo de modelos de animación por músculos fue Waters, quien
definió tres tipos de músculos: lineal, esfínter y planar.
Músculo lineal o paralelo. Son implementados como vectores que se contraen y se relajan.
Músculo esfínter o circularis. Concierne áreas de forma elipsoidal y los desplazamientos de
cierto punto son evaluados usando la ecuación para elipsoides paramétricas.
Músculo planar o planos. Consiste de algunas fibras casi paralelas agrupadas de forma
plana. Regularmente este tipo de músculo es hallado en la frente [26].

Visualización de Emociones Basado en el Modelo de Plutchik

Figura 22. Modelo lineal de Waters.

3.4 Avance de una malla poligonal y texturizado del rostro

Cuando se realiza diseño 3D para modelar un rostro es muy importante tener en cuenta
los músculos y huesos que lo forman, es por ello que se requieren planos de referencia
como se muestra en la imagen siguiente, donde de lado izquierdo se muestran las líneas
dibujadas sobre la cara de la persona y de lado derecho las líneas son creadas por el
software utilizado, ambos métodos son efectivos para simular la topología de los
músculos para gesticular correctamente los movimientos naturales [32].

Figura 23. Planos de referencia

Las regiones de los ojos, oídos y boca deben ser cubiertas siguiendo la forma de los
músculos con los polígonos. Al terminar se obtendrá una malla de polígonos que cubran
toda la cabeza y el render generado de la misma [32].
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Figura 24. Polígonos trazados en los ojos para simular los músculos.

Figura 25. Polígonos trazados en la boca para simular los músculos.

Figura 26. Malla de polígonos y cabeza renderizada.

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Figura 27. Ejemplo de modelo facial.
3.4.1 Texturizado

Un rostro humano es caracterizado por tener elementos que deben ser escenificados en
un modelo virtual para lograr realismo.
Por lo cual se requieren de mapas planos de secciones de los objetos del modelo para
texturizar [32]. Generalizando se puede decir que para establecerlos se utilizan y editan
coordenadas UV (Unloaded Vehicle), las cuales se subdividen en otros grupos.

Figura 28. Planos a partir de las subdivisiones del rostro.

Después de haber ajustado y relajado los vértices el plano debe guardarse en formato
BMP para poder maniobrarlo en Photoshop, en donde se adecuara la textura del rostro.
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Figura 29. Mapa plano del rostro para texturizar.
Si es pintada a mano la textura se debe seguir el mapa plano como base, y esta quedará
de manera similar a la siguiente figura, pero si es foto realista se utilizarán tres fotos (una
de frente y dos de perfil) que se incorporarán para encajar con el mapa plano del modelo
que más adelante lo cubrirá quedando así.

Figura 30. Ejemplo de mapa pintado a mano alzada.

Figura 31. Ejemplo de mapa foto realista.

Ya que se tiene listo se guarda como archivo BMP y se regresa al editor 3D, para que así se
genere el render. Estas son expectativas generales ya que el texturizado puede variar
según la técnica que se utilice.

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3.5 Generación y delimitación de unidades que interpretan una emoción

Al delimitar la gama de formas con las que se puede representar una misma emoción y sus
diferentes AUs . Para poder observar las afectaciones de las AUs se ha fraccionado el área
del rostro en cinco áreas (boca, ojos, cejas, barbilla y surcos de la nariz) [8].
En general se puede considerar que las expresiones faciales son medidas del estado
emocional de las personas. Esto depende de las emociones que se hayan experimentado
en continuos instantes de tiempo.
Debido a que una persona experimenta una emoción y esta es representada en su rostro,
se concluye su estado emocional. Es por eso que es necesario saber cómo generar
visualmente una determinada emoción en un rostro virtual.
Considerando dos tipos de emociones, las primarias o básicas y las combinaciones. Las
emociones básicas definidas por Plutchik, son: alegría, tristeza, ira, rechazo, miedo,
anticipación, confianza y sorpresa [15]. Las emociones combinadas son todas aquellas
emociones que pueden representarse como una mezcla entre dos emociones básicas.
Para estas se tomó como base el modelo OCC, y se han considerado 22 de las 24
emociones que representa.

Figura 32. Tabla de emociones.

3.5.1 Emociones primarias

Teniendo como base la cara neutra, se asignaron manualmente valores a los FAPs
asociados a cada emoción. Cada FAP está definido en un rango de números naturales
([−1000, 1000]) que indica los valores mínimos y máximos que puede llegar a desplazarse
el FAP.
Las siguientes imágenes son modelos en los que se basa para la creación de seis
expresiones: alegría, tristeza, miedo, asco, ira, anticipación, confianza y sorpresa.

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Figura 33. Arriba: intensidades bajas de ira, asco, miedo, alegría, tristeza y sorpresa. Abajo:
intensidades altas de ira, asco, miedo, alegría, tristeza y sorpresa.
3.5.2 Emociones Combinadas

A pesar de que los seres humanos cuentan con ocho emociones universales o primarias, el
rostro humano es experto en reflejar muchas más expresiones emocionales. Pero
modelarlas no es sencillo ya que las diferencias entre ellas son muy sutiles.
Para crear estas emociones “combinadas o intermedias”, se implementó un algoritmo que
utiliza el modelo propuesto por Whissell y está