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.
