Gráficos 3D por computadora
| ||||||
Gráficos 3D por computadoras. Son los trabajos de artes gráficas que son realizados a base de computadoras y programas especiales 3D, al proceso de crear los gráficos y también al campo de estudio de técnicas y tecnologías relacionadas con los gráficos 3D. El grafico tridimensional atrasa al 2D por su forma en que fue creado. El gráfico 3D se creó por medio de un proceso de cálculos matemáticos sobre entidades geométricas 3D originadas en un ordenador, donde tiene como función principal conseguir una proyección visual en dos dimensiones para ser mostradas en una pantalla, asimismo, esta puede ser impresa en un papel.
La fotografía y la escultura son muy parecidas a los gráficos tridimensionales, similitud que no poseen los gráficos bidimensionales, ahora bien estos son análogos a la pintura. Al realizar los gráficos por computadora esta distinción se hace confusa, ya que existen aplicación bidimensionales que usan técnicas tridimensional para poder llegar a la iluminación o a otros efectos, ahora bien, las aplicaciones tridimensionales utilizan las técnicas bidimensional. Para la creación de los gráficos tridimensionales se debe de tener en cuenta el modelado, el texturizado, la iluminación, la animación y el renderizado.
Sumario
Tecnología
OpenGL y Direct3D son dos APIs (Application Programming Interface - Interfase de Programación de Aplicaciones) muy populares para la generación de imágenes 3D en tiempo real. Muchas placas de vídeo modernas proveen algún grado de aceleración por hardware basado en estas APIs, frecuentemente habilitando el despliegue de complejos gráficos tridimensionales en tiempo real. Sin embargo, no es necesario emplear alguna de estas interfaces para crear imágenes 3D.
Creación de Gráficos 3D
El proceso de creación de gráficos 3D por computadora puede ser dividido en estas tres fases básicas:
- Modelado
- Composición de la escena
- Rénder (creación de la imagen final)
Modelado
La etapa de modelado consta de ir dando forma a objetos individuales que luego serán usados en la escena. Existen diversas técnicas de modelado; Constructive Solid Geometry, modelado con NURBS y modelado poligonal son algunos ejemplos. Los procesos de modelado puede incluir la edición de la superficie del objeto o las propiedades del material (p.e., color, luminosidad, difusión, especularidad, características de reflexión, transparencia u opacidad, o el índice de refracción), agregar texturas, mapas de relieve (bump-maps) y otras características.
El proceso de modelado puede incluir algunas actividades relacionadas con la preparación del modelo 3D para su posterior animación. A los objetos se les puede asignar un esqueleto, una estructura central con la capacidad de afectar la forma y movimientos de ese objeto. Esto ayuda al proceso de animación, en el cual el movimiento del esqueleto automáticamente afectara las porciones correspondientes del modelo.
El modelado puede ser realizado por programas dedicados (p.e. Lightwave, Rhinoceros 3D, Moray, un componente de una aplicación (Shaper, Lofter en 3D Studio o por un lenguaje de descripción de escenas (como en POV-Ray. En algunos casos, no hay una distinción estricta entre estas fases; en dichos casos, el modelado es solo una parte del proceso de creación de escenas, por ejemplo, con Caligari trueSpace).
Composición de la escena
Esta etapa involucra la distribución de objetos, luces, cámaras y otras entidades en una escena que será utilizada para producir una imagen estática o una animación. Si se utiliza para Animación, esta fase, en general, hace uso de una técnica llamada "Keyframing", que facilita la creación de movimientos complicados en la escena. Con la ayuda de la técnica de keyframing, en lugar de tener que corregir la posición de un objeto, su rotación o tamaño en cada cuadro de la animación, solo se necesita marcar algunos cuadros clave (keyframes). Los cuadros entre keyframes son generados automáticamente, lo que se conoce como 'Interpolación'.
La iluminación es un aspecto importante de la composición de la escena. Como en la realidad, la iluminación es un factor importante que contribuye al resultado estético y a la calidad visual del trabajo terminado. Por eso, puede ser un arte difícil de dominar. Los efectos de iluminación pueden contribuir en gran medida al humor y la respuesta emocional generada por la escena, algo que es bien conocido por fotógrafos y técnicos de iluminación teatral.
Tesselation y Mallas
El proceso de transformar la representación de objetos, como el punto medio de coordenadas de una esfera y un punto en su circunferencia, en una representación poligonal de una esfera, se conoce como tesselation. Este paso es usado en el rénder basado en polígonos, donde los objetos son descompuestos de representaciones abstractas primitivas como esferas, conos, etc., en las denominadas mallas, que son redes de triángulos interconectados.
Las mallas de triángulos son populares ya que está probado que son fáciles de 'renderizar' usando Scanline rendering.
Las representaciones poligonales no son utilizadas en todas las técnicas de rénder, y en estos casos, el paso de tesselation no es incluido en la transición de representación abstracta y la escena 'renderizada'.
Renderizado
Rénder se llama al proceso final de generar la imagen 2D o animación a partir de la escena creada. Esto puede ser comparado con tomar una foto o filmar la escena en la vida real, después que se terminó de armar. Generalmente se buscan imágenes de calidad fotorrealista, y para este fin se han desarrollado muchos métodos especiales. Las técnicas van desde el rénder de alambre (wireframe rendering), pasando por el rénder basado en polígonos, hasta las técnicas más modernas como: Scanline Rendering, Raytracing o Radiosity.
El software de rénder puede simular efectos cinematográficos como lens flare, Profundidad de campo, o Motion blur (desenfoque de movimiento). Estos artefactos son, en realidad, un producto de las imperfecciones mecánicas de la fotografía física, pero como el ojo humano está acostumbrado a su presencia, la simulación de dichos efectos aportan un elemento de realismo a la escena. Se han desarrollado técnicas con el propósito de simular otros efectos de origen natural, como la interacción de la luz con la atmósfera o el humo. Ejemplos de estas técnicas incluyen sistemas de partículas que pueden simular lluvia, humo o fuego, Muestreo volumétrico para simular niebla, polvo y otros efectos atmosféricos, y Cáusticas para simular el efecto de la luz al atravezar superficies refractantes.
El proceso de rénder requiere gran procesamiento, ya que requiere simular gran cantidad de procesos físicos complejos. La capacidad de procesamiento se ha incrementado rápidamente a través de los años, permitiendo un grado superior de realismo en los rénders. Estudios de cine que producen animaciones generadas por computadora hacen uso, en general, de lo que se conoce como Render farm (granja de rénder) para generar imágenes de manera más rápida.
Aplicaciones informáticas
A pesar de haber muchos paquetes de modelado y animación 3D, los cuatro más populares:
- Maya (Autodesk). Es el software de modelado más popular en la industria. Tras la adquisición de la empresa fabricante, ALIAS, por parte de AUTODESK, la versión octava de Maya fue publicada. Es utilizado por multitud de importantes estudios de efectos visuales en combinación con RenderMan, el motor de rénder fotorrealista de Pixar. Última versión a octubre de 2006: Maya 8.
- 3D Studio Max (Discreet). Fue originalmente escrito por Kinetix (una división de Autodesk) como el sucesor de 3D Studio para DOS. Más tarde Kinetix se fusionaría con la última adquisición de Autodesk, Discreet Logic. La versión más reciente en Febrero de 2010 era la 10.0. Es el líder en el desarrollo 3D de la industria del Videojuego y es muy utilizado a nivel amateur.
- Softimage XSI (Avid). El contrincante más grande de Maya. En 1987, Softimage Inc, una compañía situada en Montreal, escribió Softimage|3D, que se convirtió rápidamente en el programa de 3D más popular de ese período. En 1994, Microsoft compró Softimage Inc. y comenzaron a reescribir SoftImage|3D para Windows NT. El resultado se llamó Softimage|XSI. En 1998 Microsoft vendió Softimage a Avid. La versión a mediados del 2003 era la 3.5.
- Lightwave 3D (Newtek). Fue desarrollado por la compañía de Kansas NewTek Inc. en 1989. El software consta de dos partes, Modeler desarrollado por Stuart Ferguson en 1986 y Layout desarrollado por Allen Hastings en 1989 para los ordenadores Commodore Amiga como parte del editor lineal/no-lineal VideoToaster. Más tarde evolucionó en un avanzado paquete de modelado animación, VFX y render para diversas plataformas: Amiga, PC Windows, Apple Macintosh, Silicon Graphics, Dec Alpha, Sun Microsystems y Mips. Actualmente disponible para Windows, Mac OS y Mac OS X. La versión actual es la 9.3. Es utilizado en multitud de estudios para efectos visuales y animación de cine y televisión como Digital Domain, Rhythm & Hues, Eden FX, Dreamworks, Flash Film Works, Pixel Magic, The Embassy, JPL-Nasa, Zoic Studios, Cafe FX etc.
Otros paquetes menos populares:
- Caligari trueSpace. Aplicación en la que todas las fases de creación de gráficos 3D son realizadas dentro de un único programa. Provee características como simulación de fenómenos físicos (viento, gravedad, colisiones entre cuerpos).
- Cinema4d. Motor de rénder rápido, cálculo de radiosidad.
- formZ. Ofrece manipulación topológica de las geometrías.
- Blender. Es un programa libre de modelado, animación, iluminación y renderizado, con simulación de partículas y física de fluidos, cuerpos rígidos y suaves en tiempo real (necesarios para su motor de juegos), con posibilidad de edición y composición de imágenes y video. Puede importar/exportar distintos formatos de imagen 2D(bmp, jpg...) y modelos y escenas 3D(3ds, obj...), y además ofrece la posibilidad de programar scripts en Python.
- Rhinoceros 3D. Un potente modelador bajo NURBS.
- RealSoft3D. Modelador 3D para Linux y Windows. Incluye rénder.
- Universe por Electric Image. Paquete de modelado y animación con uno de los motores de rénder más rápidos que existen.
- POV-Ray. Un avanzado software gratuito de Raytracing. Usa su propio lenguaje de descripción de escena, con características como macros, bucles y declaraciones condicionales. Es completamente gratuito aunque no fue lanzado bajo GPL. No incluye modelador.
- Moray. Modelador para POV-Ray.
- Kerkythea. Programa gratuito que hace renderizados realistas a partir de las propiedades físicas de la luz.
APIs de gráficos 3D
Los gráficos 3D se han convertido en algo muy popular, particularmente en juegos de computadora, al punto que se han creado APIs especializadas para facilitar los procesos en todas las etapas de la generación de gráficos por computadora. Estas APIs han demostrado ser vitales para los desarrolladores de hardware para gráficos por computadora, ya que proveen un camino al programador para acceder al hardware de manera abstracta, aprovechando las ventajas de tal o cual placa de video.
Las siguientes APIs para gráficos por computadora son particularmente populares:
