Gráficos por computadora

Gráficos por computadora
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Concepto:imágenes de dos y tres dimensiones creadas por un ordenador, éstas pueden ser empleadas con fines científicos, artísticos o industriales.

Gráficos por computadora, imágenes de dos y tres dimensiones creadas por un ordenador, éstas pueden ser empleadas con fines científicos, artísticos o industriales. También se refiere a la disciplina para generar dichos gráficos.

Historia

El concepto de introdujo en los años 70, donde designaba únicamente los gráficos, que entonces llamábamos gráficos por computadora, tenían la intención de representar en forma de imagen información generalmente estática por medio de diagramas, mapas o esquemas. Pero el concepto de gráfico por computadora se extendió rápidamente a todos los gráficos producidos por medios informáticos.

En 1978 el laboratorio central de Física Aplicada de la Universidad John-Hopkins publica un trabajo que se convertiría en la obra "Matematical elements for computer graphics" de David F. Rogers. Esta devino desde ese momento una de las disciplinas importante tanto para el trazado de línea como en la representación de objetos naturales. La informática gráfica se hizo presente en la gestión, la Medicina, la televisión, la industria del espectáculo, los videojuegos, la industria fílmica, y asi en todas las disciplinas científicas, Matemáticas, Aeronáuticas, Mecánicas y otras muchas esferas del conocimiento.

La disciplina originalmente se relacionó mucho a las técnicas de Tratamiendo de Imágenes (escaneo de tramas, gestion de ventanas, Algoritmos de rellenado y eliminación de partes ocultas, compresión, texturizado, sombreado, color). Su evolución no puede comprenderse sino con el análisis de su producción digital, tanto dentro del tratamiento estático o dinámico(animaciones) dentro de sus resultados.

Esta define los gráficos, creados y generados por un ordenador, donde la gestión se basa en una estación gráfica compuesta de elementos materiales como el Procesador y la Tarjeta gráfica (cuyas potencialidades determinan la rapidez de respuesta y el cálculo de unidades gráficas), las herramientas de adquisición como el digitalizador o la Cámara digital, las periféricos de interfaz de usuario como el ratón o la Tablilla gráfica, de medios de almacenamiento como el Disco Duro o las memorias USB y de herramientas de reproducción como la impresora o el monitor del ordenador, de una interfaz de usuario que permita la interacción entre el usuario y el ordenador y finalmente de formatos de almacenamiento y exportación que garantizan el paso entre la imagen renderizada y su representación digital.

Al comienzo de los años 90, casi todas las herramientas técnicas estaban preparadas para ser utilizadas por los diseñadores gráficos y dibujantes. Los nuevos artistas digitales se fueron apropiando de esta disciplina antes reservada para los ingenieros creadores de estas herramientas.

Tipos de gráficos

Existen diferentes tipos de gráficos.

Graficos en 2D

Los graficos en 2D son la generación basada en computadora de imágenes digitales, principalmente de modelos geométricos e imágenes digitalizadas. Éste término con frecuencia se usa para referirnos a la rama de la informática que estudia dichas técnicas.

Graficos rasterizados

Son los gráficos dentro del conjunto de los gráficos 2D que están determinados únicamente por los Pixel que describen los colores de cada punto de la imagen y si es aplicable la transparencia de cada uno. Esta característica determina también el tipo de almacenamiento.

Gráficos vectoriales

Son los gráficos dentro del conjunto de los gráficos 2D que están determinados por primitivas geométricas parametrizadas y operaciones que las combinan para lograr composiciones complejas.

Graficos 3D

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Los gráficos tridimensionales en contraste con los gráficos bidimensionales son gráficos que usan una representación tridimensional de los datos geométricos que los conforman.

Dicha información se utiliza al final del proceso de renderización para representar esos objetos 3D en 2 dimensiones y así puedan ser percibidos usando un monitor o impresora. Existen otras diferencias con respecto al modelo bidimensional, los gráficos 3D no son gráficos hasta que no son proyectados en 2 dimensiones por medio de transformaciónes matemáticas.

¿Cómo funcionan?

Las imágenes deben encontrarse en la memoria antes de ser mostradas en la pantalla del ordenador. El hecho de guardar la imagen en memoria hace posible la aplicación de técnicas matemáticas diversas para modificar la información correspondiente a cada punto.

Representación de colores

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Existen varios sistemas para que las computadoras almacenan y manipulen colores. El sistema RGB(siglas en inglés de red-green-blue, 'rojo-verde-azul') permite representar un color como una combinación de tres números. Otros sistemas utilizan otras propiedades del color, como la frecuencia de la luz, la saturación y el brillo.

El sistema RGB es un sistema aditivo y es solo apropiado para representar colores con rayos de luz. Para representar colores con tintes se utiliza un sistema substractivo como el CMYK mas adecuado para representar colores en impresoras y plotters.

Si se emplea un Byte para almacenar cada componente de color en un sistema RGB, pueden llegar a representarse más de 16 millones de combinaciones cromáticas. Esto va mucho más allá de lo que el ojo humano es capaz de distinguir, haciendo que dos colores consecutivos en ésta trama sean para cualquier persona indistinguibles uno del otro, pero por otra parte permitiendo una gran dosis de realismo en las imágenes digitalizadas.

Aliasing

Los pantallas de los ordenadores son esencialmente rejillas de cuadrados coloreados, esto obliga a que las líneas diagonales se representen con un aspecto escalonado. El aspecto escalonado de las líneas no da la impresión de que se trate de líneas rectas. Para reducir este efecto se puede calcular lo cerca que está cada píxel de la línea ideal de la imagen dibujada y basar el color del píxel en su distancia a dicha línea.

Así, si el píxel estuviese directamente sobre la línea, tendría un color más intenso, y si sólo está parcialmente alineado, tendría un color más claro. Este proceso logra una correcta impresión de línea recta por medio del suavisado de los escalones.

Procesado de imágenes

El procesado de imágenes es una de las herramientas más potentes e importantes dentro de los gráficos por ordenador. Sus técnicas se emplean en muchas aplicaciones, como detectar el borde de un objeto, realzar la imagen y reducir el ruido en el diagnóstico médico por imagen, difuminarla, o aumentar la nitidez o el brillo en películas y anuncios.

La distorsión de imagen permite al usuario manipular y deformar una imagen a lo largo del tiempo. El empleo más popular de la distorsión de imagen es la metamorfosis, en la que una imagen se deforma y se convierte en otra. La metamorfosis es distinta de procesos similares en los que una imagen simplemente se desvanece dando paso a otra, porque son las estructuras del original lo que cambian.

Para metamorfosear una imagen, el usuario especifica puntos correspondientes en los objetos original y final, que el ordenador utiliza como guía hasta que una imagen se convierte en la otra. Estos puntos de transformación suelen ser o bien una rejilla superpuesta sobre los objetos o bien un conjunto específico de rasgos, como la nariz, los ojos, la boca y las orejas en caso de que se realice una metamorfosis entre dos rostros.

Generación de gráficos 3D

La generación de gráficos 3D consta de varias facetas.

Modelado

El primer paso es la creación de los modelos tridimensionales. La superficie de un objeto, se representa como una serie de superficies, generalmente Triángulos. Cada nodo de ésta superficie se llama vértice y se representan en el ordenador por sus coordenadas X Y y Z.

También hay que especificar otras características del modelo, como el color y la normal a la superficie en cada vértice. Como los triángulos no describen superficies curvas, los modelos detallados exigen un gran número de triángulos para crear una imagen realista.

Iluminación

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Los objetos deben ser iluminados y sombreados si se quiere lograr realismo en un modelo 3D. A partir del color de la luz la escena se calcula la información del sombreado para cada vértice, otros parámetros de este proceso son la orientación de cada superficie, el color y otras propiedades de la superficie. Antes de obtener la representación final se pueden tomar en cuenta otros efectos como la niebla etc.

Los gráficos por Hardware suelen emplear el Sombreado Gouraud, que interpola los colores a lo largo de la superficie partiendo del cálculo de la iluminación en los vértices de la primitiva logrando que el objeto tenga un aspecto más realista.

El Sombreado Phong representa el brillo haciendo variar la iluminación y los colores en dirección perpendicular a la superficie y calculando la iluminación de cada píxel. Esto proporciona una mejor aproximación de la superficie aunque exige más cálculos.

Texturización

De los métodos que más realismo aportan a un modelo está el de aplicación de texturas, que estampa una imagen a la superficie de un objeto. Así, se hace posible aplicar un dibujo de ladrillos a una pared.

La técnica de aplicación de bultos(Bump Mapping), proporciona una visión más realista al alterar la iluminación para que la superficie parezca más realista. La aplicación de bultos no afecta los vértices de la imagen sino el color de los pixeles finales.

Mezcla(z-buffer)

Después del sombreado y texturizado el último paso es el mezclado, o sea introducir ese color en la memoria para que pueda ser representado en la pantalla. Se suele emplear una técnica conocida z-buffer para determinar que primitiva es la más cercana al punto de visión de la escena, con el fin de garantizar que los objetos mas lejanos no se dibujen por encima de los más cercanos. Finalmente, si la superficie que se está dibujando es semitransparente, el color del objeto cercano se mezcla con el del que hay detrás.

En la Industria

En la industria de la Informática los gráficos han jugado un papel principal. Los gráficos por ordenador han hecho que las Computadoras sean más fáciles de utilizar y puedan estar accesibles a un mayor número de persona. El surgimiento de las GUI (siglas en inglés de Graphical User Interface) hacen posible el manejo de los ordenadores seleccionando imágenes para ejecutar órdenes en lugar de utilizar complejas instrucciones.

Nombres notables

  • Pierre Bézier, descubre las curvas que llevan su nombre
  • Paul de Casteljau, descubre el algoritmo de cálculo de las curvas de Bézier
  • Henri Gouraud, descubre el popular algoritmo de sombreado que lleva su nombre
  • Jack E. Bresenham por sus algoritmos de trazado de segmentos y Círculos basados en operaciones enteras.
  • Bui Tuong Phong, creador del algoritmo de sombreado que lleva su nombre; una versión mejorada del mismo está incluida en la librería OpenGL.

Fuentes