Gráficos por ordenador en 3D
Los Gráficos por ordenador en 3D es una rama de la infografía que se basa en la elaboración de un conjunto de modelos tridimensionales utilizando algoritmos diseñados para producir una verosimilitud fotográfica y óptica en la imagen final. Se utiliza en la creación y la post-producción de obras o partes de obras para el cine o la televisión, en los videojuegos, la arquitectura, la ingeniería, el arte y en diversos campos científicos, donde la producción de contenidos por otros medios no es posible o inconveniente.
Esquemáticamente, el método de producción de gráficos por ordenador en 3D se compone de dos elementos: una descripción de lo que se entiende pantalla (escena), integrado por representaciones matemáticas de objetos tridimensionales, llamados «modelos», y un mecanismo para producir una imagen 2D de la escena, «motor de renderizado» que se encarga de todos los cálculos necesarios para su creación, mediante el uso de algoritmos que simulan el comportamiento de la luz y las propiedades ópticas y físicas de los objetos y materiales.
Gráficos por ordenador en 3D: Modelo 3D
Objetos tridimensionales simples pueden ser representados por las ecuaciones que operan en un sistema de referencia cartesiano tridimensional: por ejemplo, la ecuación x² + y² + Z $ ² $ = R $ ² $ es perfecto para una esfera de radio r. Aunque tales ecuaciones simples pueden parecer restrictivas, el conjunto de objetos se puede lograr ampliar con una técnica llamada geometría sólida constructiva, que combina objetos sólidos (tales como cubos, esferas, cilindros, etc.) Para formar objetos más complejos a través de operaciones booleanas (unión, intersección y sustracción): un tubo de mayo por ejemplo puede ser representados como la diferencia entre dos cilindros que tienen diferentes diámetros.
Estas ecuaciones no son suficientes para describir con precisión las formas complejas que constituyen la mayor parte del mundo real, para el que no es de uso común. Para modelar superficies arbitrariamente curvados puede utilizar el parche, o la extensión de la curva de selección, que se curva continuos aproximados, las tres dimensiones. Los parches son los más utilizados en la práctica basada en spline NURBS.
El uso de ecuaciones matemáticas, así como estos requieren el uso de una gran cantidad de potencia de cálculo, y por lo tanto no son prácticos para aplicaciones en tiempo real tales como los videojuegos y simulaciones. Una técnica más eficiente, y siendo el poli-modelado más común y flexible y modelado poligonal. Esto permite un mayor nivel de detalle, pero a expensas de la mayor cantidad de información necesaria para almacenar el objeto resultante, denominado modelo poligonal.
Un modelo poligonal y «facetas» como una escultura en bruto todavía se pueden refinar los algoritmos para representar superficies curvas: esta técnica se llama «la subdivisión de superficies». El modelo se refina con un proceso de interpolación iterativo haciéndola más densa de polígonos, que aproximan curvas de mejor ideal, derivados matemáticamente por los diversos vértices del modelo.
Creación de la escena
Puede componer una escena de «primitivo», es decir, modelos tridimensionales que representan las primitivas geométricas, desglosado en las caras individuales o combinados para formar objetos más complejos. La forma más fácil de organizar es crear un conjunto de primitivas, pero este método no permite una descripción más detallada de la escena, simplemente «explica» al procesador a dibujar la misma. Una técnica más avanzada organiza objetos en una estructura de datos de árbol (escenario gráfico), que le permite lógicamente agrupar objetos (por ejemplo, puede reproducir varias veces un objeto, después de haber modelado a través de múltiples parches NURBS agrupados dentro de la misma escena).
Las primitivas se describen generalmente en su propio sistema de referencia local, y se colocan en la escena a través de transformaciones adecuadas. Las transformaciones afines utiliza más como la dilatación, rotación y traslación, se pueden describir en un espacio proyectivo con una matriz 4×4: se aplican multiplicando la matriz con el vehículo para cuatro miembros que representan a cada punto de la curva de control. La cuarta dimensión se llama homogénea de coordenadas.
Cada nodo del escenario gráfico se asocia una transformación, que también se aplica a cada nodo de tema, recrear la interacción física entre objetos agrupados (como la que existe entre un hombre y su traje). Incluso en el modelado de sistemas y la prestación de que no haga uso del escenario gráfico todavía está presente generalmente el concepto de transformación aplicado «verticalmente».
Rendering
Rendering es el proceso de producción de la imagen final a partir del modelo matemático del sujeto (escena). Hay muchos algoritmos de renderizado, pero todos implican la proyección de modelos 3D en una superficie 2D.
Algoritmos de renderizado se dividen en dos categorías: renderizadores scanline y trazadores de rayos. El primer objeto de explotación por objeto, dibujo directamente en la pantalla cada polígono o micropoligono; que necesitan para que todos los objetos (incluso aquellos modelados con curvas continuas) eran polígonos facetas. Los segundos operan píxel por píxel, trazando un rayo visual imaginaria desde el punto de vista dentro de la escena, y determinar el color del píxel de las intersecciones con los objetos.
Una de las principales funciones de un render es determinar la superficie oculta. El trazado de rayos implícitamente realiza esta función, mediante la determinación del color de un píxel basado en la intersección del rayo con el primer objeto visual, pero para el otro tipo de algoritmos se utilizan técnicas más avanzadas para determinar qué polígono están cerca del punto de vista . El método más simple es dibujar polígonos desde los más alejados, para que los más cercanos puedan sobrescribir en ellos; pero esta técnica, llamada algoritmo del pintor, es ineficaz con polígonos superpuestos. Para resolver este problema se desarrolló el Z-Buffer, que utiliza un buffer para almacenar la coordenada z relativa a cada píxel procesado: si la profundidad del polígono que se está procesando para el píxel es menor que el de la memoria, el píxel se reescribe; de lo contrario el algoritmo se mueve al siguiente pixel.
Una imagen es fuerte, con infinita profundidad de campo es en absoluto realista. El ojo humano está acostumbrado a las imperfecciones, como reflejo en la lente, la escasa profundidad de campo y el desenfoque de movimiento presentes en las fotografías y en las películas.
Iluminación y sombreado
Sombreado es el proceso de determinar el color de un determinado píxel de la imagen. Por lo general, incluye el proceso de iluminación, que reconstruye la interacción entre los objetos y fuentes de luz: para este fin son necesarios para un modelo de iluminación de las propiedades de la luz, las propiedades de la reflexión y la superficie normal en el punto donde se calcula la ecuación de la iluminación.
Para producir una representación visual de la imagen de manera efectiva, tiene que simular la física de la luz. El modelo matemático más abstracto del comportamiento de la luz es la ecuación de la representación, en base a la ley de conservación de la energía. Es una ecuación integral, que calcula la luz en una determinada posición como la luz emitida en la posición acoplada a la integral de la luz reflejada de todos los objetos en la escena que incide sobre ese punto. Esta ecuación sin fin no puede ser resuelto con algoritmos terminados, y por lo tanto requiere una aproximación.
Los modelos de iluminación simple consideran sólo la luz que viaja directamente de una fuente de luz de un objeto: esto se llama «iluminación directa». La forma en que la luz es reflejada por el objeto puede ser descrita por una función matemática, denominada (función de distribución de reflectancia bidireccional, BRDF) , que tiene en cuenta el material iluminado. La mayoría de los sistemas de representación simplifica aún más y calcula la iluminación directa como la suma de dos componentes: difusa y especular. La componente difusa o Lambertiana corresponde a la luz que es rechazada por el objeto en todas las direcciones, el espejo a la luz que se refleja en la superficie del objeto, como en un espejo. El patrón de reflexión de Phong añade un tercer componente, el medio ambiente, que proporciona una simulación básica de la iluminación indirecta.
Los objetos son en realidad bombardeados por muchas fuentes de luz indirecta: la luz «rebote» de un objeto a otro hasta que se pierde energía. La ‘»iluminación global» investiga este comportamiento de la radiación de luz. Como iluminación directa, que incluye un componente difuso y un espejo. Reflexión mutuos preocupación generalizada la luz que incide sobre un objeto después de tener ya golpeó otra. Dado que esto ha absorbido una determinada longitud de onda del espectro de luz que lo golpeó, la luz que repele tiene un color diferente al de la que se ilumina. El espejo de reflexión recíproca se ve generalmente con sosa cáustica (o con la concentración de la radiación de la luz en un punto de una superficie especular, como la que se obtiene a partir de la luz solar con una lente).
Dado que los algoritmos completos de iluminación global, como radiosidad y mapeo de fotones, requieren gran capacidad de cálculo, se han desarrollado técnicas para aproximar la iluminación global. El algoritmo de la oclusión ambiente, por ejemplo, calcula por la cantidad de luz ambiental puede lograrse cada punto de un modelo.
Modelos poligonales utilizados en aplicaciones de tiempo real puede no tener un alto nivel de detalle; la forma más fácil para iluminarlos es calcular un valor de brillo para cada polígono, en base a su estado normal. Este método se llama sombreado plano, ya que revela la forma «plana» de cada polígono. Para evitar este «faceta», los valores correspondientes a los vértices para ser interpolados. El sombreado Gouraud calcula la intensidad en cada vértice del modelo basado en la normal correspondiente y, a continuación, realiza una interpolación lineal en toda la superficie del polígono. El defecto más evidente en esta técnica es que «pierde» las reflexiones especulares cerca del centro de un polígono. La solución viene dada por el sombreado Phong interpolación sobre toda la superficie de las normales de vértice del polígono, y posteriormente el pixel por pixel cálculo de iluminación.
Estas ecuaciones se aplican a objetos que poseen su propio color, pero el modelo todos los detalles presentes en la superficie de un objeto sería enormemente costoso. Con la asignación de texturas puede describir la superficie de un objeto sin añadir complejidad a la escena, una imagen (textura) es «difundir» en la superficie de un objeto, como un mapa del mundo en una esfera para crear un mapa del mundo; durante el sombreado, el color del modelo se identifica en una de la textura, en sus píxeles correspondiente.
Desde texturas pueden no reflejar la iluminación de la escena, pero sólo el color del modelo, a «perturbar» polígonos normales utilizando bump mapping. Esto hace uso de imágenes que contienen, en lugar de un color, un valor que se utiliza para modificar la normal a el polígono en el punto correspondiente, y por lo tanto cambiar la forma de la superficie. Esta técnica agrega superficies «ásperas» con gran ahorro de polígonos.
El mapeo normal es una técnica que sustituye en lugar de molestar a la normal a la superficie: un mapa normal es una imagen para 3 canales en el que cada píxel representa un vector 3D, es decir, el punto normal a la misma.
El objetivo de cada algoritmo de sombreado es determinar el color resultante de un punto específico en la superficie de un objeto. Los shaders programables ofrecen una gran versatilidad en este, basándose en los lenguajes de programación específicos llamados «lenguajes de sombreado». Estos lenguajes son desarrollados para aplicaciones específicas en gráficos por ordenador, e incluyen álgebra y funciones específicas a los problemas de iluminación lineal. Shaders pueden incluir cualquier tipo de iluminación técnica, mapeado de texturas y la manipulación geométrica. A «sombreadores de procedimiento» determina el color resultante de forma totalmente algorítmica: bien puede ser convincente sin necesidad de grandes texturas.
Ellos forman una clase de sus propios los «vertex shaders» y «pixel shaders», designados específicamente para trabajar juntos y algoritmos de la línea de exploración para ejecutarse en una GPU. Mientras que anteriormente todos los hardware de gráficos Implementado una tubería específica que obligó al usuario a utilizar exclusivamente el modelo de iluminación para el que fue programado hardware, con esta categoría de cada shader cuando la prestación se encuentra bajo el control del promotor.