Computación gráfica para niños
La computación gráfica o gráficos por computadora es un área de la informática que usa computadoras para crear imágenes visuales o para modificar información visual y espacial del mundo real. Es como magia digital que nos permite ver mundos imaginarios o mejorar lo que ya existe.
El primer gran avance en los gráficos por computadora fue el desarrollo de un programa llamado Sketchpad en 1962, creado por Ivan Sutherland.
Este campo se divide en varias áreas interesantes:
- Creación de imágenes 3D en tiempo real (muy usado en videojuegos).
- Animación por computadora.
- Edición de efectos especiales para películas y televisión.
- Edición de imágenes.
- Modelado (diseño de objetos) para ingeniería o medicina.
Al principio, el desarrollo de los gráficos por computadora fue impulsado por universidades y el apoyo del gobierno. Pero cuando se vio lo útiles que eran en la televisión y el cine, las empresas empezaron a invertir mucho dinero en este campo.
Mucha gente cree que la primera película en usar gráficos por computadora fue "2001: Una odisea del espacio" (1968). Sin embargo, los gráficos que aparecían en las pantallas de las computadoras en esa película eran dibujos hechos a mano. Los efectos especiales se lograron con técnicas tradicionales y maquetas.
Quizás la primera vez que se usaron gráficos por computadora para mostrar lo que las computadoras podían hacer fue en la película "Futureworld" (1976). Esta película incluyó una animación de una cara y una mano humanas, creadas por Ed Catmull y Fred Parke en la Universidad de Utah.
Contenido
¿Qué son los Gráficos 2D por Computadora?
El primer paso importante en la computación gráfica fue el uso de las pantallas antiguas, llamadas tubos de rayos catódicos. Hay dos formas principales de crear gráficos 2D: los gráficos de vectores y los gráficos de píxeles (también llamados raster).
Gráficos de Vectores
Los gráficos de vectores guardan información exacta sobre puntos, líneas y formas. Por ejemplo, saben la posición de los puntos, cómo se unen para formar líneas o caminos, y el color o grosor de las formas. La mayoría de los sistemas de gráficos de vectores también pueden usar formas básicas como círculos y rectángulos. Para que una imagen de vectores se vea en una pantalla, casi siempre tiene que convertirse a una imagen de píxeles.
Gráficos de Píxeles (Raster)
Los gráficos de píxeles, conocidos como Mapa de bits, son como una cuadrícula de pequeños puntos de color. Cada punto, o píxel, tiene un valor específico que define su brillo, transparencia o color. Una imagen de píxeles tiene un tamaño fijo, con un número específico de filas y columnas. Las pantallas de computadora normales muestran imágenes de píxeles con resoluciones como 1280 columnas por 1024 filas. Hoy en día, a menudo se combinan los gráficos de píxeles y de vectores en un solo archivo, como en los archivos PDF o SVG.
¿Cómo funcionan los Gráficos 3D por Computadora?
Con la llegada de computadoras más potentes, como las estaciones de trabajo, surgieron los gráficos 3D, que se basan en los gráficos de vectores. En lugar de guardar información sobre puntos y líneas en un plano 2D, la computadora guarda la posición de puntos, líneas y caras (para construir un polígono) en un espacio de tres dimensiones.
Los polígonos tridimensionales son la base de casi todos los gráficos 3D creados por computadora. Por eso, la mayoría de los programas de gráficos 3D guardan puntos (usando tres coordenadas: X, Y, Z), líneas que conectan esos puntos, y caras que se definen por las líneas. Una secuencia de caras crea los polígonos tridimensionales.
Los programas actuales para crear gráficos van más allá de solo guardar polígonos. Los gráficos de hoy no solo son colecciones de polígonos que forman objetos reconocibles, sino que también usan técnicas como el sombreado, el texturizado y la rasterización (convertir a píxeles).
Sombreado (Shading)
El sombreado en gráficos por computadora es el proceso de calcular cómo se verán las caras de un polígono cuando son iluminadas por una fuente de luz virtual. Este cálculo varía según la información disponible sobre la cara y la técnica de sombreado que se use. Generalmente, afecta el brillo, la intensidad, la reflexión y la transparencia de la superficie.
Iluminación en Gráficos 3D
Un modelo de iluminación se usa para calcular la intensidad de la luz que vemos desde un punto en la superficie de un objeto. Los programas de gráficos usan estos cálculos para determinar cómo se verá la luz en todas las partes de las superficies de una escena.
Modelar los colores y los efectos de iluminación en un objeto es un proceso complejo que combina principios de la física y la psicología. Para simplificar los cálculos, la mayoría de los programas usan modelos más sencillos que se basan en cálculos de luz simplificados.
Las fuentes de luz simulan la iluminación en una escena. Aquí están los tres tipos principales:
Luz Puntual (Point Light)
Las luces puntuales emiten luz desde un solo punto en el espacio, como una bombilla. La luz se extiende por igual en todas direcciones y disminuye a medida que te alejas de ella. Se usan para simular lámparas, chispas o explosiones.
Luz Direccional (Directional Light)
Este tipo de luz ilumina toda la escena o un objeto desde una gran distancia, haciendo que el ambiente se vea más real. Es ideal para simular la luz del sol o de la luna, creando efectos de día o noche en una escena.
Luz de Foco (Spot Light)
La luz de foco es como un cono de luz que parte de un punto y se dirige hacia un lugar específico. Simula la luz de un foco de teatro, concentrando la luz en una dirección con una abertura determinada.
Representación Basada en Imagen (IBR)
La computación gráfica permite obtener imágenes 2D a partir de modelos 3D. Para que las imágenes sean muy exactas y parezcan fotografías, los modelos 3D deben ser muy precisos en su forma y colores. Crear paisajes y escenas fotorrealistas con esta técnica requiere mucho esfuerzo y habilidad con programas de diseño.
En lugar de crear modelos 3D, la Representación Basada en Imagen (IBR) usa imágenes tomadas desde diferentes puntos de vista y trata de crear nuevas imágenes desde otros ángulos. Aunque el término IBR es reciente, la idea se ha usado desde el inicio de la investigación en la visión por computadora.
En 1996, dos técnicas se hicieron muy populares: los campos de luz (lightfield) y el lumigraph. Estas técnicas captaron la atención de la comunidad de investigación. Desde entonces, se han propuesto muchas formas de IBR. Un método popular son las texturas que dependen del punto de vista, una técnica de la Universidad del Sur de California. La Universidad de Oxford ha usado conceptos de "Aprendizaje Automático" para IBR.
- Sombreador (Shader): Es un programa que se aplica a los materiales en un sistema 3D para controlar cómo se ven.
- Sombreado Plano (Flat Shading): Una técnica que sombrea cada polígono de un objeto basándose en su dirección y la posición e intensidad de la luz.
- Sombreado de Gouraud: Inventado por Henri Gouraud en 1971, es una técnica rápida que simula superficies suaves interpolando colores a través de la superficie de un polígono.
- Mapeo de Texturas (Texture Mapping): Una técnica para simular detalles en la superficie colocando imágenes (texturas) sobre los polígonos.
- Sombreado de Phong: Inventado por Bui Tuong Phong, es una técnica de sombreado suave que simula superficies curvas iluminadas interpolando las direcciones de los vértices de un polígono. Incluye reflejos con un nivel controlable.
- Mapeo de Relieve (Bump Mapping): Inventado por Jim Blinn, esta técnica simula superficies irregulares o arrugadas cambiando la dirección de la superficie.
- Trazado de Rayos (Ray Tracing): Un método basado en la física de la luz que puede simular múltiples reflejos y la transparencia.
- Radiosidad: Una técnica de iluminación global que simula la luz indirecta (reflejada) en escenas con superficies que dispersan la luz.
- Blob: Una técnica para representar superficies sin usar una forma divisoria estricta, a menudo implementada como una superficie que se genera con una fórmula matemática.
Texturizado (Texturing)
Las superficies de los polígonos pueden tener más de un color. En los programas más avanzados, pueden ser como un lienzo virtual para una imagen o una imagen de píxeles. Esta imagen se coloca en una cara o en una serie de caras y se llama Textura.
Las texturas añaden un nuevo nivel de personalización a cómo se verán las caras y los polígonos, según el método de sombreado y cómo se interpreta la imagen durante el sombreado.
Materiales
Un Material es un conjunto de ajustes que se manipulan con software para darle un acabado a un modelo 3D. Algunos de estos ajustes son:
- Componente Difusa (Diffuse): Está muy relacionada con la textura, ya que es el color principal que tendrá el modelo.
- Componente Normal: Se encarga de cómo interactuará el modelo con la iluminación del entorno.
- Componente Especular (Specular): Es la encargada de qué tan concentrada está la iluminación en el objeto (qué tan brillante es el acabado del objeto).
Galería de imágenes
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Una captura de pantalla de Blender.
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Una proyección 2D de una proyección 3D de un Pentácoron (4D) haciendo doble rotación con dos de sus planos ortogonales.
Véase también
En inglés: Computer graphics Facts for Kids
- Teoría del color
- Gráficos de píxeles
- Gráficos de vectores
- Proyección
- Animación
- Renderización
- Composición
- Transparencia
- Compresión de imágenes
- Imagen generada por computadora
- Infografía
