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Imágenes generadas por computadora

Exposición de arte digital generado por ordenador titulada " Creaciones Morfogenéticas " de Andy Lomas en el Watermans Arts Centre , al oeste de Londres , en 2016. Las imágenes ...

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Exposición de arte digital generado por ordenador titulada " Creaciones Morfogenéticas " de Andy Lomas en el Watermans Arts Centre , al oeste de Londres , en 2016.

Las imágenes generadas por computadora ( CGI ) son una aplicación específica de los gráficos por computadora para crear o mejorar imágenes en arte , medios impresos , simuladores , videos y videojuegos. Estas imágenes pueden ser estáticas ( imágenes fijas ) o dinámicas (imágenes en movimiento). El término CGI se refiere tanto a gráficos por computadora en 2D como (más frecuentemente) en 3D, con el propósito de diseñar personajes, mundos virtuales , escenas y efectos especiales (en películas , programas de televisión, comerciales, etc.). La aplicación de CGI para crear o mejorar animaciones se denomina animación por computadora (o animación CGI).

Historia

La primera película en utilizar CGI, así como la composición de película de acción real con CGI, fue Vértigo , [ 1 ] que utilizó gráficos abstractos por computadora de John Whitney en los créditos iniciales de la película. La primera película en utilizar CGI con acción real en la trama de la película fue Westworld de 1973. [ 2 ] La primera película en presentar un personaje completamente CGI fue El joven Sherlock Holmes de 1985 , que mostró un personaje de caballero de vidrieras completamente animado. [ 3 ] Otras películas tempranas que incorporaron CGI incluyen Demon Seed (1977), Star Wars (1977), [ 2 ] Tron (1982), Star Trek II: La ira de Khan (1982), [ 2 ] Golgo 13: El profesional (1983), [ 4 ] El último guerrero estelar (1984), [ 5 ] El regreso de Godzilla (1984), [ 6 ] El abismo (1989), Terminator 2: El juicio final (1991) y Parque Jurásico (1993). El primer video musical en usar CGI fue "Adventures in Success" de Will Powers (1983). [ 7 ] En 1995, Toy Story de Pixar se convirtió en el primer largometraje completamente CGI, marcando un hito histórico tanto para la animación como para la realización cinematográfica. [ 8 ] Antes de que la CGI se generalizara en el cine, la realidad virtual, la informática personal y los videojuegos, una de las primeras aplicaciones prácticas de la CGI fue para la aviación y el entrenamiento militar, concretamente el simulador de vuelo . Los sistemas visuales desarrollados en los simuladores de vuelo también fueron un importante precursor de los gráficos tridimensionales por ordenador y los sistemas de imágenes generadas por ordenador (CGI) actuales. Esto se debe a que el objetivo de la simulación de vuelo era reproducir en tierra el comportamiento de una aeronave en vuelo. Gran parte de esta reproducción tenía que ver con una síntesis visual creíble que imitaba la realidad. [ 9 ] El Link Digital Image Generator (DIG) de la compañía Singer (Singer-Link) se consideró uno de los sistemas CGI de primera generación del mundo. [ 10 ] Era un sistema en tiempo real, con capacidad 3D, diurno/atardecer/nocturno que fue utilizado por los transbordadores espaciales de la NASA , para el F-111s, Black Hawk y el B-52 . El Generador de Imágenes Digitales de Link tenía una arquitectura para proporcionar un sistema visual que correspondiera de manera realista con la vista del piloto. [ 11 ] La arquitectura básica del DIG y las mejoras posteriores contenían un gestor de escena seguido de un procesador geométrico, un procesador de vídeo y hacia la pantalla con el objetivo final de un sistema visual que procesara texturas realistas, sombreado, capacidades de translucidez y libre de aliasing. [ 12 ]

Sumado a la necesidad de combinar la síntesis virtual con los requisitos de entrenamiento de nivel militar, las tecnologías CGI aplicadas en la simulación de vuelo a menudo estaban años por delante de lo que habría estado disponible en la informática comercial o incluso en el cine de alto presupuesto. Los primeros sistemas CGI solo podían representar objetos compuestos por polígonos planos. Los avances en algoritmos y electrónica en los sistemas visuales de simuladores de vuelo y CGI en las décadas de 1970 y 1980 influyeron en muchas tecnologías que aún se utilizan en el CGI moderno, añadiendo la capacidad de superponer texturas sobre las superficies, así como de realizar transiciones de imágenes de un nivel de detalle al siguiente de manera fluida. [ 13 ]

La evolución de los efectos especiales generados por computadora (CGI) propició el surgimiento de la cinematografía virtual en la década de 1990, donde la visión de la cámara simulada no está limitada por las leyes de la física. La disponibilidad de software CGI y el aumento de la velocidad de las computadoras han permitido a artistas individuales y pequeñas empresas producir películas, videojuegos y obras de arte de calidad profesional desde sus computadoras personales.

Imágenes estáticas y paisajes

Un paisaje fractal creado en Terragen.

Las imágenes animadas no solo forman parte de las imágenes generadas por computadora; los paisajes de aspecto natural (como los paisajes fractales ) también se generan mediante algoritmos informáticos . Una forma sencilla de generar superficies fractales es utilizar una extensión del método de malla triangular , basándose en la construcción de algún caso especial de una curva de De Rham , por ejemplo, el desplazamiento del punto medio . [ 14 ] Por ejemplo, el algoritmo puede comenzar con un triángulo grande, luego hacer zoom recursivamente dividiéndolo en cuatro triángulos de Sierpinski más pequeños , y luego interpolar la altura de cada punto a partir de sus vecinos más cercanos. [ 14 ] La creación de una superficie browniana se puede lograr no solo agregando ruido a medida que se crean nuevos nodos, sino también agregando ruido adicional en múltiples niveles de la malla. [ 14 ] De esta manera, se puede crear un mapa topográfico con diferentes niveles de altura utilizando algoritmos fractales relativamente sencillos. Algunos fractales típicos y fáciles de programar utilizados en CGI son el fractal de plasma y el fractal de falla, más dramático . [ 15 ]

Se han investigado y desarrollado muchas técnicas específicas para producir efectos generados por computadora altamente focalizados; por ejemplo, el uso de modelos específicos para representar la meteorización química de las piedras para modelar la erosión y producir una "apariencia envejecida" para una superficie de piedra determinada. [ 16 ]

Escenas arquitectónicas

Imagen generada por ordenador que muestra una casa al atardecer, creada con Blender.

Los arquitectos modernos utilizan los servicios de empresas de gráficos por computadora para crear modelos tridimensionales tanto para clientes como para constructores. Estos modelos generados por computadora pueden ser más precisos que los dibujos tradicionales. La animación arquitectónica (que proporciona películas animadas de edificios, en lugar de imágenes interactivas) también se puede utilizar para visualizar la posible relación de un edificio con su entorno y los edificios circundantes. El procesamiento de espacios arquitectónicos sin el uso de papel y lápiz es ahora una práctica ampliamente aceptada gracias a varios sistemas de diseño arquitectónico asistido por computadora. [ 17 ]

Las herramientas de modelado arquitectónico permiten al arquitecto visualizar un espacio y realizar recorridos virtuales interactivos, proporcionando así entornos interactivos tanto a nivel urbano como de edificio. [ 18 ] Las aplicaciones específicas en arquitectura no solo incluyen la especificación de estructuras de edificios (como muros y ventanas) y recorridos virtuales, sino también los efectos de la luz y cómo la luz solar afectará un diseño específico en diferentes momentos del día. [ 19 ] [ 20 ]

Las herramientas de modelado arquitectónico se basan cada vez más en internet. Sin embargo, la calidad de los sistemas basados ​​en internet aún está por debajo de la de los sofisticados sistemas de modelado internos. [ 21 ]

En algunas aplicaciones, se utilizan imágenes generadas por computadora para realizar una "ingeniería inversa" de edificios históricos. Por ejemplo, una reconstrucción generada por computadora del monasterio de Georgenthal en Alemania se derivó de las ruinas del monasterio, pero ofrece al espectador una "apariencia y sensación" de cómo habría sido el edificio en su época. [ 22 ]

Modelos anatómicos

Imagen de angiografía pulmonar por tomografía computarizada generada por computadora a partir de una serie de radiografías.

Los modelos generados por computadora utilizados en la animación esquelética no siempre son anatómicamente correctos. Sin embargo, organizaciones como el Instituto de Computación Científica e Imágenes han desarrollado modelos computacionales anatómicamente correctos. Estos modelos pueden utilizarse tanto con fines didácticos como operativos. Hasta la fecha, los estudiantes de medicina siguen utilizando una gran cantidad de imágenes médicas creadas por artistas, como las de Frank H. Netter (por ejemplo, imágenes cardíacas ). No obstante, cada vez hay más modelos anatómicos disponibles en línea.

Una radiografía individual de un paciente no es una imagen generada por computadora, incluso si está digitalizada. Sin embargo, en aplicaciones que involucran tomografías computarizadas, se produce automáticamente un modelo tridimensional a partir de múltiples radiografías de corte único, generando así una "imagen generada por computadora". Las aplicaciones que involucran resonancia magnética también combinan varias "instantáneas" (en este caso mediante pulsos magnéticos) para producir una imagen interna compuesta.

En las aplicaciones médicas modernas, se construyen modelos específicos para cada paciente en la "cirugía asistida por computadora". Por ejemplo, en el reemplazo total de rodilla , la construcción de un modelo detallado específico para cada paciente puede utilizarse para planificar cuidadosamente la cirugía. [ 23 ] Estos modelos tridimensionales generalmente se extraen de múltiples tomografías computarizadas de las partes relevantes de la anatomía del propio paciente. Dichos modelos también pueden utilizarse para planificar implantes de válvula aórtica , uno de los procedimientos comunes para tratar enfermedades cardíacas . Dado que la forma, el diámetro y la posición de las aberturas coronarias pueden variar considerablemente de un paciente a otro, la extracción (a partir de tomografías computarizadas ) de un modelo que se asemeje mucho a la anatomía valvular del paciente puede ser muy beneficiosa para planificar el procedimiento. [ 24 ]

Imágenes de telas y piel

Pelaje húmedo generado por computadora creado en Autodesk Maya

Los modelos de tela generalmente se dividen en tres grupos:

  • La estructura geométrico-mecánica en el cruce de hilos
  • La mecánica de las láminas elásticas continuas
  • Las características geométricas macroscópicas de la tela. [ 25 ]

Hasta la fecha, lograr que la ropa de un personaje digital se pliegue automáticamente de forma natural sigue siendo un desafío para muchos animadores. [ 26 ]

Además de su uso en el cine, la publicidad y otros medios de exhibición pública, las principales firmas de diseño de moda utilizan habitualmente imágenes de ropa generadas por ordenador. [ 27 ]

El reto que supone representar imágenes de piel humana implica tres niveles de realismo:

  • Fotorrealismo en la semejanza con la piel real a nivel estático.
  • Realismo físico al asemejarse a sus movimientos.
  • Realismo funcional al asemejarse a su respuesta a las acciones. [ 28 ]

Las características visibles más finas, como las arrugas y los poros de la piel , tienen un tamaño aproximado de 100 μm o 0,1 milímetros . La piel se puede modelar como una función de textura bidireccional (BTF) de 7 dimensiones o como una colección de funciones de distribución de dispersión bidireccional (BSDF) sobre las superficies del objetivo.

Al animar una textura como el cabello o el pelaje para un modelo generado por computadora, primero se crean cabellos base individuales y luego se duplican para demostrar volumen. [ 29 ] Los cabellos iniciales suelen tener diferentes longitudes y colores, para que cada uno cubra varias secciones diferentes del modelo. Esta técnica se utilizó notablemente en Monsters Inc (2001) de Pixar para el personaje Sulley, que tenía aproximadamente 1000 cabellos iniciales generados que luego se duplicaron 2800 veces. [ 29 ] La cantidad de duplicaciones puede variar de miles a millones, dependiendo del nivel de detalle que se busque.

Simulación y visualización interactivas

La visualización interactiva consiste en la representación de datos que pueden variar dinámicamente, permitiendo al usuario verlos desde múltiples perspectivas. Las áreas de aplicación pueden variar significativamente, desde la visualización de patrones de flujo en dinámica de fluidos hasta aplicaciones específicas de diseño asistido por computadora . [ 30 ] Los datos representados pueden corresponder a escenas visuales específicas que cambian a medida que el usuario interactúa con el sistema; por ejemplo, los simuladores, como los simuladores de vuelo , utilizan ampliamente técnicas de CGI para representar el mundo. [ 31 ]

A nivel abstracto, un proceso de visualización interactiva implica una "canalización de datos" en la que los datos brutos se gestionan y filtran a un formato adecuado para su representación. Esto se suele denominar "datos de visualización" . Los datos de visualización se asignan a una "representación de visualización" que se puede introducir en un sistema de renderizado. Esto se suele denominar "representación renderizable" . Esta representación se renderiza como una imagen visualizable. [ 31 ] A medida que el usuario interactúa con el sistema (por ejemplo, utilizando controles de joystick para cambiar su posición en el mundo virtual), los datos brutos se introducen en la canalización para crear una nueva imagen renderizada, lo que a menudo convierte la eficiencia computacional en tiempo real en una consideración clave en este tipo de aplicaciones. [ 31 ] [ 32 ]

Animación por computadora

Las películas de machinima son, por naturaleza, películas generadas por computadora (CGI).

Si bien las imágenes de paisajes generadas por computadora pueden ser estáticas, la animación por computadora se aplica únicamente a imágenes dinámicas que se asemejan a una película. Sin embargo, en general, el término animación por computadora se refiere a imágenes dinámicas que no permiten la interacción del usuario, mientras que el término mundo virtual se utiliza para entornos animados interactivos.

La animación por computadora es, en esencia, la sucesora digital del arte de la animación stop motion de modelos 3D y la animación fotograma a fotograma de ilustraciones 2D. Las animaciones generadas por computadora son más controlables que otros procesos más físicos, como la construcción de miniaturas para tomas de efectos especiales o la contratación de extras para escenas con multitudes, y porque permiten la creación de imágenes que no serían factibles con ninguna otra tecnología. También permite que un solo artista gráfico produzca este tipo de contenido sin necesidad de actores, decorados costosos ni utilería.

Para crear la ilusión de movimiento, se muestra una imagen en la pantalla del ordenador y se reemplaza repetidamente por una nueva imagen similar a la anterior, pero ligeramente adelantada en el tiempo (normalmente a una velocidad de 24 o 30 fotogramas por segundo). Esta técnica es idéntica a la que se utiliza para lograr la ilusión de movimiento en la televisión y el cine .

Modelos de conversión de texto a imagen

Una imagen condicionada a la indicación , generada por Stable Diffusion 3.5, un modelo de conversión de texto a imagen a gran escala lanzado por primera vez en 2022.an astronaut riding a horse, by Hiroshige

Un modelo de conversión de texto a imagen (T2I o TTI) es un modelo de aprendizaje automático que toma como entrada una descripción en lenguaje natural y produce una imagen que coincide con esa descripción.

Los modelos de conversión de texto a imagen comenzaron a desarrollarse gradualmente a mediados de la década de 2010, durante los inicios del auge de la IA , como resultado de los avances en las redes neuronales profundas . En 2022, la producción de los modelos de conversión de texto a imagen más avanzados, como DALL-E 2 de OpenAI , Imagen de Google Brain , Stable Diffusion de Stability AI , Midjourney y Gen-4 de Runway, comenzó a considerarse cercana a la calidad de las fotografías reales y el arte dibujado por humanos .

Los modelos de conversión de texto a imagen son generalmente modelos de difusión latente , que realizan el proceso de difusión en un espacio latente comprimido en lugar de directamente en el espacio de píxeles. Se utiliza un autoencoder (a menudo un autoencoder variacional ) para convertir entre el espacio de píxeles y esta representación latente. Estos sistemas suelen utilizar un modelo de lenguaje o de visión-lenguaje preentrenado para convertir la entrada en una representación vectorial de texto, y un modelo generativo de imágenes basado en difusión que produce imágenes condicionadas a dicha representación. Los modelos más eficaces se han entrenado generalmente con grandes cantidades de datos de imágenes y texto extraídos de la web . [ 33 ]

mundos virtuales

Un submarino amarillo en Second Life
Bolas metálicas creadas en Blender

Un mundo virtual es un entorno simulado y basado en agentes que permite a los usuarios interactuar con personajes animados artificialmente (por ejemplo, agentes de software ) o con otros usuarios físicos, mediante el uso de avatares . Los mundos virtuales están diseñados para que sus usuarios los habiten e interactúen, y el término hoy en día se ha convertido en gran medida en sinónimo de entornos virtuales interactivos en 3D, donde los usuarios adoptan la forma de avatares visibles gráficamente para otros. [ 34 ] Estos avatares suelen representarse como representaciones gráficas textuales, bidimensionales o tridimensionales , aunque son posibles otras formas [ 35 ] (sensaciones auditivas [ 36 ] y táctiles, por ejemplo). Algunos mundos virtuales, pero no todos, permiten múltiples usuarios.

En los tribunales

Las imágenes generadas por computadora se han utilizado en los tribunales, principalmente desde principios de la década de 2000. Sin embargo, algunos expertos han argumentado que son perjudiciales. Se utilizan para ayudar a los jueces o al jurado a visualizar mejor la secuencia de eventos, pruebas o hipótesis. [ 37 ] Sin embargo, un estudio de 1997 demostró que las personas tienen poca intuición física y son fácilmente influenciables por las imágenes generadas por computadora. [ 38 ] Por lo tanto, es importante que los jurados y otros responsables de la toma de decisiones legales sean conscientes de que dichas exhibiciones son simplemente una representación de una posible secuencia de eventos.

Transmisiones y eventos en directo

Las visualizaciones meteorológicas fueron la primera aplicación de CGI en televisión. Una de las primeras empresas en ofrecer sistemas informáticos para generar gráficos meteorológicos fue ColorGraphics Weather Systems en 1979 con el "LiveLine", basado en un ordenador Apple II . Posteriormente, ColorGraphics lanzó modelos que utilizaban ordenadores Cromemco equipados con su tarjeta gráfica de vídeo Dazzler .

Actualmente, en la predicción meteorológica es habitual mostrar vídeos a cámara completa con imágenes capturadas en tiempo real por múltiples cámaras y otros dispositivos de imagen. Combinadas con símbolos gráficos en 3D y proyectadas sobre un modelo geoespacial virtual común, estas visualizaciones animadas constituyen la primera aplicación real de la tecnología CGI a la televisión.

CGI se ha vuelto común en la transmisión de deportes. Los recintos deportivos y de entretenimiento cuentan con contenido transparente y superpuesto a través de transmisiones de cámaras rastreadas para mejorar la visualización por parte de la audiencia. Ejemplos incluyen la línea amarilla de " primer down " que se ve en las transmisiones de partidos de fútbol americano, que muestra la línea que el equipo ofensivo debe cruzar para obtener un primer down. CGI también se utiliza en asociación con el fútbol y otros eventos deportivos para mostrar anuncios comerciales superpuestos a la vista del área de juego. Secciones de campos de rugby y canchas de críquet también muestran imágenes patrocinadas. Las transmisiones de natación a menudo agregan una línea a través de los carriles para indicar la posición del poseedor del récord actual a medida que avanza una carrera, lo que permite a los espectadores comparar la carrera actual con el mejor desempeño. Otros ejemplos incluyen el seguimiento del disco de hockey y las anotaciones del rendimiento de los autos de carreras [ 39 ] y las trayectorias de las bolas de snooker. [ 40 ] [ 41 ] A veces, el CGI en televisión con la alineación correcta al mundo real se ha denominado realidad aumentada .

Captura de movimiento

Las imágenes generadas por ordenador se utilizan a menudo junto con la captura de movimiento para disimular mejor los defectos propios de las imágenes generadas por ordenador y la animación.La aplicación práctica de las imágenes generadas por computadora está limitada por su realismo. Las imágenes generadas por computadora poco realistas o mal gestionadas pueden producir el efecto del valle inquietante . [ 42 ] Este efecto se refiere a la capacidad humana de reconocer cosas que se parecen extrañamente a los humanos, pero que son ligeramente diferentes. Esta capacidad es un defecto de las imágenes generadas por computadora convencionales que, debido a la compleja anatomía del cuerpo humano, a menudo no logran replicarlo a la perfección. Los artistas pueden usar la captura de movimiento para obtener imágenes de una persona realizando una acción y luego replicarla perfectamente con imágenes generadas por computadora para que parezca normal.

En muchos casos, se necesita la captura de movimiento para imitar con precisión los movimientos corporales completos de un actor, modificando ligeramente su apariencia mediante el rejuvenecimiento digital. El rejuvenecimiento digital es un efecto visual que se utiliza para alterar la apariencia de un actor, a menudo mediante tecnologías de escaneo facial, captura de movimiento y referencias fotográficas. Se usa comúnmente en escenas retrospectivas y cameos para que un actor parezca más joven. X-Men: The Last Stand de Marvel fue la primera película en incorporar públicamente el rejuvenecimiento digital, que se utilizó en los actores Patrick Stewart e Ian McKellen para escenas retrospectivas que mostraban a sus personajes en una edad más temprana. [ 43 ] Los efectos visuales fueron realizados por la compañía Lola VFX , y se utilizaron fotos de los actores cuando eran más jóvenes como referencia para luego suavizar las arrugas de su rostro con CGI. Con el tiempo, las tecnologías de rejuvenecimiento digital han avanzado, con películas como Here (2024), que retrata a actores en edades más jóvenes mediante el uso de técnicas de IA digital, escaneando millones de rasgos faciales e incorporando varios de ellos en los rostros de los actores para alterar su apariencia. [ 44 ]

La falta de modelos digitales anatómicamente correctos contribuye a la necesidad de la captura de movimiento cuando se utiliza con imágenes generadas por computadora. Debido a que las imágenes generadas por computadora reflejan solo el exterior, o la piel, del objeto que se está renderizando, no logran capturar las interacciones infinitesimalmente pequeñas entre los grupos musculares entrelazados que se utilizan en habilidades motoras finas como el habla. El movimiento constante del rostro al producir sonidos con la forma de los labios y el movimiento de la lengua, junto con las expresiones faciales que acompañan al habla, son difíciles de replicar a mano. [ 45 ] La captura de movimiento puede captar el movimiento subyacente de los músculos faciales y replicar mejor lo visual que acompaña al audio.

Véase también

Referencias

Citas

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  • "La historia se renueva con gráficos por computadora" Tayfun King, Click , BBC World News (19 de noviembre de 2004)
  • Galería humana visible de los NIH
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