Gráficos 3D por computadora

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Ejemplo de gráfico 3D

Tetera dibujada mediante gráfico 3D.

El término gráficos 3D por computadora o por ordenador (3D computer graphics) se refiere a trabajos de arte gráfico que fueron creados con ayuda de computadoras y programas especiales 3D. En general, el término puede referirse también al proceso de crear dichos gráficos, o el campo de estudio de técnicas y tecnología relacionadas con los gráficos 3D.

Un gráfico 3D difiere de uno 2D principalmente por la forma en que ha sido generado. Este tipo de gráficos se origina mediante un proceso de cálculos matemáticos sobre entidades geométricas tridimensionales producidas en un ordenador, y cuyo propósito es conseguir una proyección visual en dos dimensiones para ser mostrada en una pantalla o impresa en papel.

En general, el arte de los gráficos 3D es similar a la escultura o la fotografía, mientras que el arte de los gráficos 2D es análogo a la pintura. En los programas de gráficos por computadora esta distinción es a veces difusa: algunas aplicaciones 2D utilizan técnicas 3D para alcanzar ciertos efectos como iluminación, mientras que algunas aplicaciones 3D primarias hacen uso de técnicas 2D.

[editar] Tecnología

OpenGL y Direct3D son dos APIs (Application Programming Interface - Interfaz de Programación de Aplicaciones) muy populares para la generación de imágenes 3D en tiempo real. Muchas tarjetas gráficas modernas proveen de cierto 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 la generación de imágenes 3D.

[editar] 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)

[editar] Modelado

La etapa de modelado consiste en 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 pueden incluir la edición de la superficie del objeto o las propiedades del material (por ejemplo, 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. Véase también animación por cinemática directa (Forward Kinematic animation) y animación por cinemática inversa (Inverse Kinematic animation).

El modelado puede ser realizado por programas dedicados (como Lightwave 3D, Rhinoceros 3D o 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 sólo una parte del proceso de creación de escenas (por ejemplo, con Caligari trueSpace).

[editar] 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.

[editar] 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, etcétera, 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'.

[editar] Renderizado

Se llama rénder al proceso final de generar la imagen 2D o animación a partir de la escena creada. Esto puede ser comparado a tomar una foto o en el caso de la animación, a filmar una escena de la vida real. Generalmente se buscan imágenes de calidad fotorrealista, y para este fin se han desarrollado muchos métodos especiales. Las técnicas van desde las más sencillas, como el rénder de alambre (wireframe rendering), pasando por el rénder basado en polígonos, hasta las técnicas más modernas como el Scanline Rendering, el Raytracing, la radiosidad o el Mapeado de fotones

El software de rénder puede simular efectos cinematográficos como el lens flare, la profundidad de campo, o el 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 los sistemas de partículas que pueden simular lluvia, humo o fuego, el muestreo volumétrico para simular niebla, polvo y otros efectos atmosféricos, y las cáusticas para simular el efecto de la luz al atravesar superficies refractantes.

El proceso de rénder necesita una gran capacidad de cálculo, pues requiere simular gran cantidad de procesos físicos complejos. La capacidad de cálculo 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 ordenador hacen uso, en general, de lo que se conoce como render farm (granja de rénder) para acelerar la producción de fotogramas.

[editar] Modelos de reflexión y sombreado

Los gráficos 3D por ordenador modernos cuentan con un modelo de reflexión llamado Phong reflection model, que no debe ser confundido con Phong shading, que es algo completamente diferente.

Este modelo de reflexión y las técnicas de sombreado que permite, se aplican solo a rénders basados en polígonos. Por ejemplo, raytracing y radiosity no lo utilizan.

Técnicas de rénder de reflexión populares son:

Flat shading: Una técnica que sombrea cada polígono de un objeto basado en la normal del polígono y la posición e intensidad de una fuente de luz.
Gouraud shading: Inventado por H. Gouraud en 1971, es una rápida técnica de sombreado de vértices usada para simular superficies suavemente sombreadas.
Texture mapping: Es una técnica para simular un gran nivel de detalle superficial, aplicando imágenes (texturas) sobre los polígonos.
Phong shading: Inventado por Wu Tong Phong, es utilizado para simular brillos especulares y superficies sombreadas suaves.
Bump mapping: Creado por Jim Blinn, es una técnica de perturbación utilizada para simular superficies rugosas.

[editar] 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:

OpenGL
Direct3D (subconjunto de DirectX para producir gráficos interactivos en 3D)
RenderMan

[editar] Software de gráficos 3D

A pesar de haber muchos paquetes de modelado y animación 3D, los cuatro que se han ganado la mayor popularidad son:

Maya (Alias Wavefront). 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 Octubre de 2006 era la 9.0. Es el líder en el desarrollo 3D de la industria del videojuego y es muy utilizado a nivel amateur.
Lightwave 3D (Newtek). Fue originalmente desarrollado por Amiga Computers a principios de la década de los 90. Más tarde evolucionó en un avanzado paquete gráfico y animación 3D. Actualmente disponible para Windows, Mac OS y Mac OS X. La versión a principios del 2006 era la 8.5. El programa consiste en dos componentes: el modelador y el editor de escena. Es utilizado en multitud de productoras de efectos visuales como Digital Domain.
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.

Junto a estos paquetes mayores, hay otros que no se han ganado tal aceptación general, pero que no son simples juguetes. Algunos son:

Caligari trueSpace - una aplicación 3D integrada, con una interfase muy intuitiva. Una característica distintiva de esta aplicación es que todas las fases de creación de gráficos 3D son realizadas dentro de un único programa. No es tan avanzado como los paquetes líderes, pero 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.
Rhinoceros 3D - Un potente modelador bajo NURBS.
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.
Blender (NaN) - Programa de modelado y animación libre, con características como soporte para programación bajo Python con un amplia gamma de script en constante desarrollo, posee un engine robusto para la programación de juegos, un Motor de render propio y una comunidad de usuarios totalmente abierta y dispuesta a colaborar.
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.