18) Proceso de creación de una escena 3D

Proceso de creación de una escena 3D.

Para la creación de un modelo arqueológico se manejan programas de reconstrucción en 3D. En un programa 3D se trabaja dentro de un espacio virtual tridimensional usando un interfaz 2D. A continuación se presentará el proceso a seguir en la creación de una reconstrucción 3D.

Es habitual el uso de la representación matemática del espacio cartesiana/euclideana. El sistema de coordenadas cartesiano se basa en tres ejes perpendiculares X, Y y Z que se intersectan en un punto. Este punto de referencia se llama origen. (Imagen 98, 99)

Imagen 98

Imagen 99

                         

A parte de los menús que contienen diversas herramientas, el interface cuenta con varias ventanas que permiten ver el contenido de la escena desde diferentes vistas geométricas: arriba, derecha, izquierda (sistema diedrico), axonometrico y cámara (sistema cónico) (Imagen 100).

                              Imagen 100

Se dispone de dos métodos principales de proyección, denominados ortográfico (sistema axonométrico) y perspectiva (sistema cónico). En la proyección ortográfica las líneas son paralelas con respecto a la cámara. Los objetos mantienen el mismo tamaño a pesar de su distancia a ésta. La proyección en perspectiva simula profundidad y las líneas fugan a un punto, el ojo del espectador. Es útil para simular una cámara real. (Imagen 101)

Imagen 101

Procedimiento:

1) Modelado 3D:

La etapa de modelado consiste en dar forma a los objetos individuales que serán utilizados más adelante en la escena. En computación grafica el modelado 3D  es el proceso de desarrollo de una representación matemática de la superficie tridimensional del objeto (inanimado o animado)  a través de un software especializado. El modelo se puede mostrar como una imagen de dos dimensiones a través de un proceso llamado 3D rendering, en un mundo virtual (real time enviroment)  o  en una simulación de fenómenos físicos. El modelo también puede ser físicamente creado usando dispositivos de impresión 3D.

Un modelo 3D se representa mediante puntos situados en el espacio y conectados por diversas entidades geométricas, tales como triángulos, líneas, superficies curvas, etc.  Se pueden dibujar a mano, algorítmicamente (modelado  procedural), o se puede conseguir mediante tecnologías de toma de datos de la realidad, como fotogrametría y escaneado, que como se vio en detalle en el apartado anterior se trataría de tecnologías herederas de la lente.

Hoy en día, los modelos 3D se utilizan en una amplia variedad de campos. La industria médica utiliza modelos detallados de órganos humanos. La industria del videojuego y cinematográfica  los usa para crear espacios y personajes. El sector científico utiliza modelos muy detallados en distintos campos como los compuestos químicos. La arquitectura muestra edificios propuestos e integrados a paisajes.  En ingeniería son utilizados para el diseño de nuevos dispositivos, vehículos y estructuras. En las últimas décadas la ciencia de la Tierra  ha empezado a construir modelos geológicos 3D como una práctica estándar y en arqueología empieza a ser práctica común la construcción de modelos 3D del yacimiento.  

Casi todos los modelos 3D se pueden dividir en dos categorías: sólidos y de contorno.

Los modelos sólidos definen el volumen del objeto que representan. Son más realistas, pero su construcción es más compleja. Se utilizan sobre todo para las simulaciones no visuales, como simulaciones médicas y de ingeniería, para CAD y aplicaciones visuales especializadas, tales como  ray tracing , geometría sólida constructiva y CSG ( modelado para crear una superficie compleja  mediante el uso de operadores booleanos  que combinan  objetos).

Los modelos de contorno (Shell) muestran solo la superficie, por ejemplo el límite del objeto, no su volumen (como una cáscara de huevo infinitesimalmente delgada). Resultan más fáciles de manejar que los modelos sólidos. Casi todos los modelos visuales que se utilizan en los juegos y  películas son modelos de  contorno.

Técnicas de modelado:

1) Modelado poligonal: Los puntos creados en el espacio 3D, llamados vértices, están conectados por segmentos de línea para formar una malla poligonal. La gran mayoría de los modelos 3D de hoy se construyen como modelos poligonales texturizados. Sin embargo, los polígonos son planos y las superficies curvas sólo se pueden aproximar utilizando muchos polígonos.

2)Modelado Curve: Las superficies están definidas por curvas, que son modificadas por medio de puntos de control.

3)Escultura Digital: Sigue siendo un método relativamente nuevo de modelar en 3D. En este momento hay tres tipos de escultura digital: desplazamiento,  teselación volumétrica y dinámico. Esta técnica se suele usar para modelar objetos orgánicos y detalles de alta resolución. Programas como Mudbox y Zbrush permiten este tipo de modelado y contienen herramientas para pintar texturas directamente en la malla 3D.

4) Simulaciones: Se trata de objetos complejos, como el fuego, nubes o fluidos. Se modelan como sistemas o conjuntos de partículas sujetos a unas reglas dinámicas.  Este sistema está compuesto por muchos objetos diminutos con unas propiedades y atributos particulares que poseen un estado temporal, un ciclo de vida. Las primitivas más usadas son puntos y líneas. Cada partícula tendrá una serie de atributos en relación al efecto que se quiera conseguir.

2)Sombreado

En gráficos por ordenador, el término sombreado (shading) se refiere al proceso que altera el color de un objeto, superficie o polígono de la escena 3D. Se basa en el ángulo y distancia con respecto a las luces con la finalidad proporcionar un efecto fotorealista. El sombreado se genera durante el  proceso de rendering por un programa llamado shader.

El sombreado de una superficie se basa en una combinación de materiales básicos y texturas aplicados al objeto. Los materiales, que se denominan también shaders, definen la substancia del objeto. Los atributos más básicos de los materiales incluyen color, transparencia y brillo. Dependiendo del grado de complejidad de la escena y del nivel de realismo que se pretenda conseguir se pueden utilizar materiales más complejos como: surface, displacement, volumetric materials, layered etc.

Los factores que determinan que la apariencia de un objeto sea más compleja, que mediante el uso de los atributos básicos de los materiales, color, transparencia y brillo, se define mediante texturas. Se pueden aplicar  texturas 2D y 3D, texturas procedurales y de archivo.

Los shaders en tiempo real están destinados a ejecutarse al nivel del consumidor GPU (unidad de procesamiento gráfico, presente en la tarjeta gráfica). A medida que el poder computacional de las GPU sigue aumentando más rápido que los convencionales de CPU (unidad central de procesamiento, presente en el ordenador) el interés en la programación shader atrae cada vez más atención. Esta programación está asistida por lenguajes diseñados específicamente para ello.  Cada uno de estos lenguajes de programación necesita enlazarse mediante una API (interfaz de programación), entre otras DirectX u OpenGL son las más famosas.

3) Iluminación:

En el mundo real el material que constituye a un objeto es uno de los dos factores principales que determina la apariencia de su superficie, el otro es la luz.  Cuando la luz incide en el objeto ésta puede ser absorbida, reflejada o refractada por él. Todos los objetos tienen un cierto grado de absorción y reflejo de luz. El reflejo de la luz se divide en tres tipos: difuso, especular y brillante. Cuanto más suave es el objeto más brilla y cuanto más rugoso más mate se observa.

En cuanto a la iluminación digital se dispone de iluminación indirecta y local.

1) Iluminación indirecta (Global illumination):

Es una aproximación a la transmisión de luz indirecta que se observa en el mundo real. La luz indirecta resulta de la reflexión de la luz en una superficie. Se trata de la luz reflejada que observamos en toda la escena. La aportación de luz rebotada de todas las superficies de la escena se utiliza para calcular la contribución de luz general y proporciona valores de color en los objetos que no están directamente iluminados (esto es, de los puntos que no reciben luz directamente de otra fuente como por ejemplo un foco).

La iluminación global acontece cuando la luz es reflejada desde o transmitida a través de una superficie opaca (reflexión solar),  transparente o semitransparente  (refracción de la luz ) que rebota en un objeto y es absorbida por otro.

2) Iluminación local (Light sources):

La iluminación local o directa es emitida desde una fuente de luz que viaja en línea recta hacia un punto a iluminar, de una superficie o un volumen. Proviene de una sola fuente, como un foco de luz. Con la iluminación directa solo la luz emitida desde cada fuente es usada para calcular el conjunto de luz dada.

4)Animación (Rigging)

Para la animación de objetos o personajes se pueden utilizar las siguientes modalidades:

Transformaciones básicas en los tres ejes (XYZ), rotación, escala y traslación.

Forma: shapes

Esqueletos: a los objetos se les puede asignar un esqueleto, una estructura central con la capacidad de afectar la forma y movimientos del objeto. Esto ayuda al proceso de animación, en el cual el movimiento del esqueleto automáticamente afectará las porciones correspondientes del modelo. A este sistema se le denomina Rigging o Set Up

Deformadores: mediante ecuaciones matemáticas, cajas de deformación etc...

Dinámicas: se anima a los objetos mediante una simulación física. Se utiliza para crear el movimiento de telas, pelo, líquidos, colisiones de objetos etc

La fase de animación es importante a la hora de definir el estilo del proyecto, que podrá ser más o menos realista. Para  una animación muy realista de personajes se suele usar como base la tecnología de captura del movimiento,  que se puede aplicar tanto al cuerpo como a la animación facial. Un ejemplo detallado se pudo ver en el apartado anterior con el  proyecto El Cuerpo y la máscara en el Espacio del Teatro Antiguo (KLV).

En un video juego o en la RV se crea una librería inmensa de animaciones para cada personaje y según la respuesta del jugador se activan unas u otras.

5)Render

Se llama renderización al proceso final que proporciona una imagen o animación en 2D, a partir de la escena tridimensional previamente creada. Mediante el proceso de render se genera una imagen de dos dimensiones, teniendo en cuenta todos los elementos de la escena: la cámara virtual, los objetos tridimensionales, las  fuentes de luz, materiales, texturas...

Es en el proceso de réder cuando se decide qué grado de realismo tendrá el trabajo, ya que hay numerosas presentaciones según sea de interés al proyecto. No es necesario un acabado fotorrealista. Se pueden aplicar distintas tipologías de render,  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, ray casting, la radiosidad o el mapeado de fotones.

                             Imagen 102

En este ejemplo de la Casa de Diana Arcaizante (Balawat)  se observa como la imagen final combina la reconstrucción realista del edificio con la malla poligonal de las habitaciones subterráneas (Imagen 102).

El software de rénder puede simular efectos cinematográficos como el lens flare, la profundidad de campo, o el motion blur (desenfoque de movimiento). Estas herramientas  son, en realidad, un producto de las imperfecciones mecánicas de la fotografía, pero como el ojo humano está acostumbrado a su presencia, la simulación de dichos efectos aporta un elemento de realismo a la escena. Se han desarrollado otras técnicas con el propósito de simular efectos de origen natural, como la interacción de la luz con la atmósfera o el humo. Estas nuevas herramientas contienen 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 número 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. Los 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 fotografías.

El rénder no se realiza de una sola vez, se divide en diferentes pases que ayudan a la hora de componer la imagen final. Normalmente se hace un pase con el modelo, otro con su sombra, otro con el fondo, otro de profundidad etc... 

                              Imagen 103

En la imagen superior se observa el Beauty pass, en el centro, se trata de la imagen final.  De izquierda a derecha, dinosaurio, fondo, mate, sombra y luces (imagen 103).

El render también puede crearse a tiempo real, se utiliza de manera interactiva para las plataformas de juego y la realidad virtual.  La renderización en tiempo real consiste en la rápida generación de imágenes en el ordenador. Aparece una imagen en la pantalla, el espectador actúa o reacciona, y esta información afecta a lo que se genera después. Este ciclo de reacción y render sucede tan deprisa que el espectador no ve las imágenes individuales, sino más bien se sumerge en un proceso dinámico.

Un elemento fundamental en la interacción del espectador y el espacio 3D son los gráficos de aceleración de hardware. Se usa principalmente en aplicaciones donde el rendimiento es fundamental, como los videojuegos, aprovechando el hardware de aceleración gráfica disponible en la tarjeta gráfica.

6) Efectos visuales VFX

Una vez terminada la escena: los modelos con sus materiales y texturas, todas las  animaciones, la iluminación, propiedades del rénder y de las cámaras,  tendremos imágenes creadas por ordenador o CGI. El último paso del proceso serán los efectos especiales, o VFX., antes de componer la imagen final.

Los efectos visuales (VFX) integran imágenes reales de rodaje con imágenes creadas por ordenador. La finalidad puede ser crear ambientes de fantasía o altamente realistas que no puedan ser rodados por medio de una cámara o de resultado muy costoso. Los efectos visuales con CGI se han puesto recientemente a disposición del director de cine independiente con la introducción de softwares asequibles de  animación y composición.

7)Composición

La composición es el proceso final de la cadena y es donde todo el CG, los elementos y las placas digitalizadas se unen para crear una imagen final creíble y realista.

En definitiva, en el Renacimiento se sientan las bases de una nueva forma de mirar: el realismo. La perspectiva creó un espacio virtual como una ilusión de realidad que continuó  perfeccionándose hasta la irrupción de las vanguardias artísticas, momento en el que se empieza a cuestionar esta convención. No olvidamos que este cuestionamiento se limitó al ámbito artístico. Las tecnologías audiovisuales han prorrogado esta ilusión a lo largo del siglo XX. Con la tecnología digital parece que regresa la investigación sobre la perspectiva con elementos novedosos como  la interacción del espectador  hasta llegar a la ausencia del plano de proyección.