CONCEPTO DE COMPUTACIÓN GRÁFICA

Computación gráfica es la rama de las ciencias de la computación que se encarga del estudio, diseño y trabajo del despliegue de imágenes en la pantalla de un computador a través de las herramientas proporcionadas por la física, la óptica, la térmica, la geometría, etc.

La Computación Gráfica nace en 1955 con SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), una máquina creada durante la Guerra Fría por el ejército de los Estados Unidos para rastrear a las naves aéreas que ingresaban al espacio aéreo norteamericano. Esta máquina se integró a los sistemas de radar de la época para proveer la primera aplicación de computación gráfica interactiva. 

En 1963, en el MIT (Massachussets Institute of Technology) Ivan Sutherland presentó su programa Sketchpad (“Tablero de dibujo”) inspirado en la idea de “integrar la representación numérica de un objeto con su representación gráfica, para que al manipular la representación gráfica se pudiera manipular al mismo tiempo la representación numérica.” 

Aplicaciones de la Computación Gráfica 

Actualmente existen muchas aplicaciones, en diversos campos de la ingeniería e investigación científica, que demandan una gran cantidad de recursos computacionales. La Computación Gráfica cubre áreas muy diversas, que abarcan desde la visualización científica o ingenieril hasta el arte y el tratamiento fotográfico. 

TIPOS DE MODELO DEL COLOR

RGB: Un amplio porcentaje del espectro visible se puede representar combinando luz roja, verde y azul (RGB) en proporciones e intensidades diferentes. En el lugar en el que se superponen los colores, se crean el cian, el magenta y el amarillo.

Los colores RGB se denominan colores aditivos porque el blanco se crea mezclando rojo, verde y azul, es decir, toda la luz se refleja y es captada por el ojo. Los colores aditivos se usan en iluminación, te­levisión y monitores de ordenadores. Su monitor, por ejemplo, crea color mediante la emisión de luz a través de fósforos de color rojo, verde y azul.

Ilustrador también incluye un modo de color RGB modificado, de­nominado RGB compatible con Web, que incluye sólo aquellos colores RGB que son apropiados para su uso en Internet.

CMYK: Mientras que el modelo RGB depende de una fuente de luz para crear color, el modelo CMYK se basa en la capacidad de absorber luz de la tinta impresa en papel. Cuando la luz blanca incide en tintas translúcidas, se absorbe una parte del espectro. El color que no es absorbido se refleja y es captado por el ojo. Por ello se les llama colores sustractivos.

Al combinar pigmentos puros de cian (C), magenta (M) y amarillo (Y) se produce el negro, puesto que se absorben, o se eliminan, todos los colores. Por eso se denominan colores sustractivos. La tinta negra (K) se añade para mejorar la densidad de la sombra. La letra K se ha venido utilizando porque el negro es el color clave (“Key” en inglés) para registrar otros colores, y porque la letra B (que podría haberse usado para representar el color negro (“Black” en inglés”) representa al azul  (“Blue” en inglés). La combinación de estas tintas para reproducir colores se denomina cuatricro­mía.

En este modo, cada tinta de la cuatricromía puede utilizar un valor comprendido entre 0 y 100%. Los colores más claros tienen un porcentaje pequeño de tinta, mientras que los más oscuros tienen porcentajes mayores. Utilice CMYK al preparar un documento para imprimirlo en cuatricromía.


HSB: El modelo HSB se basa en la percepción humana del color y describe tres características fundamentales del color:

Tono Color reflejado o transmitido a través de un objeto. Se mide como una posición en la rueda de colores están­dar y se expresa en grados entre 0° y 360°. Normalmente, el tono se identifica por el nombre del color, como rojo, naranja o verde.

Saturación A veces denominada cromatismo, es la fuerza o pureza del color. La saturación representa la cantidad de gris que existe en proporción al tono y se expresa como un porcentaje comprendido entre el 0% (gris) y el 100% (saturación completa). En la rueda de colores estándar, la saturación aumenta a medida que nos aproximamos al borde de la misma.

Brillo Luminosidad u oscuridad relativa del color y normalmente se expresa como un porcentaje comprendido entre 0% (negro) y 100% (blanco).

TÉCNICAS DE ILUMINACIÓN

Se presenta a continuación una cantidad de técnicas de iluminación para ofrecer mayor realismo a las simulaciones graficas tales como el rastreo de rayos, serie de mapeo y manipulación de textura.

Técnicas de sombreado e iluminación:

En los métodos de rastreo de rayos se emite un rayo que permite localizar las intersecciones de la superficie para modelar objetos partiendo de los conceptos de Geometría Sólida Constructiva; el rayo desplegado rebota sobre casa pixel que lo recibe alrededor de toda la escena, esto es bastante útil en el tratamiento de iluminación con fuentes de luz múltiples.

Después de conocer algunas técnicas de iluminación y sombreado se pueden analizar otro tipo de métodos para brindar mayor realismo a las superficies mediante el manejo de luces; este tipo de técnicas incorporan el rastreo de rayos, mediante las cuales simplemente se trata de simular el comportamiento de estos en las superficies al tocar un píxel perteneciente a los objetos sólidos; en ese momento se calcula la intersección entre el rayo y la superficies.

Algoritmo PHONG: Puede producir cierto grado de realismo en objetos tridimensionales combinando tres elementos: luz difusa, especular y ambiental para cada punto en una superficie. Emplea muchas suposiciones, como por ejemplo que todas las luces son puntos, solo una superficie geométrica es considerado, solo modelos locales de difusa y especular. Colores especulares son los mismos que los colores de luz y el ambiente es constante y global.

Algoritmo GOURAUD: Es una técnica usada en gráficos 3D por ordenador que simula efectos de luz y color sobre superficies de objetos. Esta técnica de sombreado permite suavizar superficies con una carga computacional menor que con otros métodos basados en el cálculo píxel a píxel

COMPUTACIÓN GRÁFICA 3D

La computación gráfica 3D trata acerca de la síntesis de una imagen bidimensional a partir de un modelo geométrico tridimensional. De acuerdo con la complejidad de los cálculos empleados en la generación de las imágenes, las técnicas se clasifican en prerendering y real-time rendering. Aquellas son típicamente empleadas en la creación de animaciones de tipo foto-realista; mientras que éstas se emplean en aplicaciones que requieren interactividad. En el último caso, es necesario el uso de un procesador de gráficos dedicado (en la actualidad, ampliamente disponibles para el usuario común).

Técnicas de rendering

De acuerdo al modo en el que la luz se modele, las técnicas de rendering se clasifican en las siguientes categorías:

Rasterización: Este método consiste en iterar en cada cuadro a través de todas las primitivas geométricas que conforman la escena para determinar, a partir del punto de vista del usuario, cuales píxeles de la imagen se ven afectados. Por ser el método de rendering más ampliamente empleado por la mayoría de GPUs en la actualidad, este método es el más eficiente y por ello es el predilecto cuando la aplicación requiere interactividad.

Ray-tracing: El ray tracing es una extensión del ray-casting. Mientras que en el ray-casting el color de cada píxel de la imagen se calcula como el color del primer objeto intersecado por un rayo imaginario que se lanza desde el punto de vista, al píxel en cuestión; en el ray-tracing se emplea esta técnica de modo recursivo, i.e., empleando rayos de refracción y reflexión a partir del punto en la superficie del objeto intersecado por el rayo inicial. Usualmente este cómputo se realiza promediando un número aleatorio de muestras (rayos de luz emanados de la superficie de los objetos que intersecan el punto de vista) mediante técnicas de Monte Carlo.

Métodos de iluminación global: En estas técnicas se emplea la teoría de elementos finitos para simular el modo en que las superficies iluminadas actúan a su vez como fuentes de iluminación de otras superficies, produciendo una efecto más realista en el que el ambiente de la escena parece ser mejor captado.

Gracias al gran avance que recientemente ha tenido la tecnología presente en las GPUs, en la actualidad han surgido aplicaciones gráficas mediante las cuales es posible interactuar en tiempo real con una escena sintetizada mediante algún modelo de iluminación complejo, como el ray-tracing. Lo anterior es particularmente posible gracias al advenimiento de los shaders que permiten combinar algunos modelos de iluminación complejos, con los algoritmos básicos de rasterización.

COMPUTACIÓN GRÁFICA EN 2D

La computación gráfica 2D corresponde al conjunto de técnicas que tienen como objeto la generación de una imagen digital a partir de modelos geométricos bidimensionales. Estas técnicas son principalmente empleadas en interfaces gráficas de usuario (ver siguiente Sección) y en aplicaciones desarrolladas a partir de tecnologías de impresión y dibujo, como tipografía, cartografía y dibujo técnico, entre otras. El origen de las mismas se remonta a la década de los 50's en la que aparecieron dispositivos con soporte para gráficos vectoriales.

Los gráficos vectoriales y de rasterización conforman las principales categorías de la computación gráfica 2D. Aquellos emplean primitivas geométricas basadas en ecuaciones matemáticas (e.g., puntos, líneas, curvas y polígonos) para representar las imágenes; mientras que en éstos, la imagen se representa mediante una matriz rectangular de píxeles que puede ser desplegable en un dispositivo de salida cualquiera.

Interfaces gráficas: Una interfaz gráfica permite al usuario interactuar gráficamente (de modo visual) con distintos dispositivos electrónicos, como PCs, PDAs, etc. Las interfaces gráficas, en contraste con las textuales, ofrecen elementos gráficos (i.e., indicadores visuales) que sirven para representar las acciones de la aplicación disponibles al usuario. Dichas acciones son usualmente ejecutadas mediante la manipulación directa de los elementos gráficos presentes en la interfaz. Por razones históricas, el dominio de las interfaces gráficas se encuentra restringido al espacio bidimensional.

Debido al advenimiento del software libre, en la última década se ha dado una gran proliferación y desarrollo de paquetes de interfaces gráficas. Entre los más destacados se tienen los siguientes: Qt, Wxwidgets, GTK+, Motif, XForms, FLTK.

REALIDAD VIRTUAL

Personal de la armada de los Estados Unidos usando un sistema de realidad virtual para entrenar el paracaidismo.

Realidad virtual: es una ciencia basada en el empleo de ordenadores y otros dispositivos, cuyo fin es producir una apariencia de realidad que permita al usuario tener la sensación de estar presente en ella. Se consigue mediante la generación por ordenador de un conjunto de imágenes que son contempladas por el usuario a través de un casco provisto de un visor especial. Algunos equipos se completan con trajes y guantes equipados con sensores diseñados para simular la percepción de diferentes estímulos, que intensifican la sensación de realidad. Su aplicación, aunque centrada inicialmente en el terreno de los videojuegos, se ha extendido a otros muchos campos, como la medicina o las simulaciones de vuelo.

Virtualidad:La virtualidad establece una nueva forma de relación entre el uso de las coordenadas de espacio y de tiempo, supera las barreras espaciotemporales y configura un entorno en el que la información y la comunicación se nos muestran accesibles desde perspectivas hasta ahora desconocidas al menos en cuanto a su volumen y posibilidades. La realidad virtual permite la generación de entornos de interacción que separen la necesidad de compartir el espacio-tiempo, facilitando en este caso nuevos contextos de intercambio y comunicación.

Autores como Lévy, han señalado la existencia de diferentes niveles de virtualidad en su relación con la dimensión bidimensional/tridimensional y su relación con la realidad. Yendo desde un continuo que comienza con una menor virtualidad de aquellos aspectos que nos alejan de la realidad o que categorizamos a priori como claramente imaginarios o ilusorios, aumentando con lo bidimensional, hasta las posibilidades que ofrece la tridimensionalidad en su relación de semejanza o analogía con lo real.

CURVAS DE BEZIER: Idea Intuitiva

•         Se definen por una serie de puntos de control.

•         La curva siempre empieza en el primer punto, y termina en el último.

•         Los puntos intermedios “atraen” hacia si a la curva.