Cómo funcionan los gráficos por ordenador

Antes de mostrar la imagen por pantalla, ésta debe encontrarse en la memoria del ordenador. La ventaja de guardar la imagen en memoria es que se pueden aplicar diversas técnicas matemáticas para modificar la información correspondiente a cada píxel.

Representación de colores

Las computadoras almacenan y manipulan colores representándolos como una combinación de tres números. Por ejemplo, en el sistema de colores RGB (siglas en inglés de red-green-blue, 'rojo-verde-azul'), el computador utiliza sendos números para representar los componentes primarios rojo, verde y azul de cada color. Otros sistemas pueden representar otras propiedades del color, como por ejemplo el matiz (frecuencia de la luz), la saturación (la intensidad cromática) y el brillo.

Si se emplea un byte de memoria para almacenar cada componente de color en un sistema de tres colores, pueden representarse más de 16 millones de combinaciones cromáticas. A la hora de crear una imagen grande, sin embargo, permitir tantas combinaciones puede exigir mucha memoria y tiempo de proceso. Un método alternativo denominado aplicación (mapping) de colores utiliza sólo un número por combinación cromática y almacena cada número en una tabla de colores disponibles, equivalente a la paleta de un pintor. El problema de la aplicación de colores es que el número de colores de la paleta suele ser demasiado pequeño para crear imágenes con colores realistas. La elección de los colores de la paleta que proporcionan la mejor imagen (la llamada cuantificación cromática) se convierte en una parte muy importante del proceso de creación de imagen. Otro método, llamado dithering, alterna los colores disponibles en la paleta por toda la imagen —de forma similar a las pautas de puntos en la impresión de un periódico— para crear la apariencia de más colores de los que realmente hay.

Efecto de escalonado (aliasing) y reducción del mismo

Como un monitor informático es esencialmente una rejilla de cuadrados coloreados contiguos, las líneas diagonales tienden a representarse con un aspecto escalonado. Este fenómeno, puede reducirse calculando lo cerca que está cada píxel a la línea ideal de la imagen dibujada y basar el color del píxel en su distancia a dicha línea. Por ejemplo, si el píxel está directamente sobre la línea, recibe el color más oscuro, y si sólo está parcialmente alineado, recibe un color más claro. Este proceso suaviza eficazmente la línea.

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 la 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.

Creación de gráficos tridimensionales por ordenador

Muchos usos de los gráficos por ordenador —como la animación por ordenador, el diseño y fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM, siglas en inglés), los videojuegos o la visualización científica de datos como imágenes de órganos internos obtenidas por resonancia magnética— exigen dibujar objetos de tres dimensiones en la pantalla del ordenador. El cálculo de escenas en 3D se realiza mediante algoritmos de rendering, algunos en paralelo o de forma distribuida.

Existen microprocesadores especiales para gráficos en 3D. El cálculo de imágenes 3D por hardware suele ser cara, pero permite al usuario crear hasta 60 imágenes por segundo en tiempo real. Los sistemas de render por software son más lentos, y exigen hasta todo un día para plasmar una única imagen. Se puede lograr una calidad que puede llegar al realismo fotográfico.

Modelado

El primer paso es la creación de objetos en 3D. La superficie de un objeto, por ejemplo una esfera, se representa como una serie de superficies curvas o como polígonos, generalmente triángulos. Los puntos de la superficie del objeto, llamados vértices, se representan en el ordenador por sus coordenadas espaciales. También hay que especificar otras características del modelo, como el color de cada vértice y la dirección perpendicular a la superficie en cada vértice (la llamada normal). Como los polígonos no proporcionan superficies suaves, los modelos detallados exigen un número enormemente elevado de polígonos para crear una imagen con aspecto natural.

Otra técnica empleada para crear superficies suaves se basa en una superficie paramétrica, una superficie bidimensional que existe en tres dimensiones. Por ejemplo, un globo terráqueo puede considerarse una superficie en 2D con coordenadas de latitud y longitud que la representan en tres dimensiones. De forma similar pueden especificarse superficies más complejas, como las de un nudo.

Transformación

Una vez creados estos modelos, se colocan ante un fondo generado por computadora. Por ejemplo, una esfera plasmada puede colocarse ante un fondo de nubes. Las instrucciones del usuario especifican el tamaño y orientación del objeto. A continuación se seleccionan los colores, su situación y la dirección de la luz en la escena generada por computadora, así como la localización y la dirección del ángulo de visión de la escena.

En ese momento, el programa informático suele dividir los objetos geométricos complejos en "primitivas" sencillas, como triángulos. A continuación, el sistema determina dónde aparecerá cada primitiva en la pantalla empleando la información sobre la posición de visión y la localización de cada objeto en la escena.

Iluminación y sombreado

Una vez situada una primitiva hay que sombrearla. La información del sombreado se calcula para cada vértice a partir del lugar y el color de la luz en la escena generada por ordenador, de la orientación de cada superficie, del color y otras propiedades de la superficie del objeto en ese vértice, y de los posibles efectos atmosféricos que rodean el objeto, como por ejemplo niebla.

Los gráficos por hardware suelen emplear el sombreado de Gouraud, que calcula la iluminación en los vértices de la primitiva e interpola los colores a lo largo de la superficie para que el objeto tenga un aspecto más realista. El sombreado de Phong representa los brillos variando la iluminación y los colores en la dirección perpendicular a la superficie en cada vértice (la normal) y calcula la iluminación en cada píxel. Esto proporciona una mejor aproximación de la superficie pero exige más cálculos.

Aplicación

Varias técnicas permiten al artista añadir detalles realistas a modelos con formas sencillas. El método más común es la aplicación de texturas, que aplica una imagen a la superficie de un objeto como si fuera papel pintado. Por ejemplo, es posible aplicar un dibujo de ladrillos a una esfera. En este proceso, el aspecto del objeto al ser iluminado sólo se ve afectado por la forma del objeto, no por las características de la textura (como los bordes rectangulares y los intersticios de los ladrillos): la esfera sigue apareciendo lisa. Otra técnica, llamada aplicación de bultos, proporciona una visión más realista al crear brillos para que la superficie parezca más compleja. En el ejemplo de la textura de ladrillos, la aplicación de bultos podría proporcionar sombreado en los intersticios y brillos en algunas superficies de los ladrillos. La aplicación de bultos no afecta al aspecto de la silueta de la imagen, que sigue siendo la de la forma básica del modelo. La aplicación de desplazamiento resuelve ese problema cambiando físicamente la superficie a partir de un mapa de desplazamientos. Por ejemplo, la textura de ladrillos aplicada a la esfera se extendería a la silueta de la esfera, dándole una textura desigual.

Mezcla

Después de que el proceso de sombreado haya producido un color para cada píxel de la primitiva, el último paso del plasmado es introducir ese color en la memoria intermedia de cuadros. Frecuentemente se emplea una técnica conocida como separación en el eje Z (z-buffer) para determinar cuál es la primitiva más cercana a la situación y ángulo de visión de la escena, con el fin de garantizar que no se dibujen los objetos situados detrás de otros. Por último, si la superficie que se está dibujando es semitransparente, el color del objeto frontal se mezcla con el del objeto que hay detrás.

Cálculo de imágenes con base física

Como el proceso de cálculo de imágenes tiene poco que ver con la forma en que la luz se comporta realmente en una escena, no funciona bien con sombras y reflejos. Otra técnica frecuente de cálculo de imagen, el trazado de rayos, calcula la trayectoria de los rayos luminosos en la escena. El trazado de rayos proporciona sombras más precisas que los otros métodos, y también maneja correctamente las reflexiones múltiples. Aunque es un algoritmo exigente computacionalmente, la calidad que proporciona es alta.

A pesar de que en general representa con precisión las sombras y los reflejos, el trazado de rayos sólo calcula la dirección principal de reflexión, mientras que las superficies reales dispersan la luz en muchas direcciones. Este fenómeno de luz dispersa puede simularse con la iluminación global, que emplea la iluminación de la imagen como un todo en lugar de calcular la iluminación en cada elemento por separado.

Muchas aplicaciones científicas de los gráficos por ordenador exigen proyectar volúmenes tridimensionales en pantallas de dos dimensiones. Esto se logra mediante técnicas que hacen que el volumen parezca semitransparente y emplean trazado de rayos a través del volumen para iluminarlo.

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