Gráficos por ordenador o computadora, imágenes de dos y tres
dimensiones creadas por computadora, que se emplean con fines
científicos, artísticos o industriales (por ejemplo, para
diseñar, probar y promocionar productos). Los gráficos por
ordenador han hecho que las computadoras sean más fáciles de
usar: las interfaces gráficas de usuario (GUI, siglas en
inglés) y los sistemas multimedia como World Wide Web,
permiten a los usuarios de ordenadores seleccionar imágenes
para ejecutar órdenes, lo que elimina la necesidad de
memorizar instrucciones complicadas.
Gráficos
Servicios en Internet:
Gráficos por
ordenador o computadora
2 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.
2.1 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 ordenador 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.
2.2 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 se
puede reducir calculando lo cerca que está cada píxel de 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.
2.3 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 los 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.
3 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 caro, pero
permite al usuario crear hasta 60 imágenes por segundo en
tiempo real. Los sistemas de render por software son más
lentos, y pueden exigir hasta todo un día para plasmar una
única imagen, en función de la computadora utilizada. Se puede
lograr una calidad que puede llegar al realismo fotográfico.
3.1 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.
3.2 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.
3.3 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.
3.4 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.
3.5 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.
3.6 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.
Artículo enviado
por: María Torres Amic, Córdoba, España.
