Gráficos por computadora

Proyectos iniciales como Whirlwind y SAGE introdujeron el CRT como una interfaz de visualización e interacción viable , e introdujeron el lápiz óptico como dispositivo de entrada . Douglas T. Ross, del sistema Whirlwind SAGE, realizó un experimento personal en el que escribió un pequeño programa que capturaba el movimiento de su dedo y mostraba su vector (su nombre trazado) en un osciloscopio. Uno de los primeros videojuegos interactivos con gráficos reconocibles e interactivos, Tennis for Two , fue creado para un osciloscopio por William Higinbotham para entretener a los visitantes en 1958 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y simulaba un partido de tenis. En 1959, Douglas T. Ross , mientras trabajaba en el MIT transformando enunciados matemáticos en vectores de máquinas herramienta 3D generados por computadora, creó una imagen en un osciloscopio de un personaje de dibujos animados de Disney . ^{[ 6 ]}

La empresa pionera en electrónica Hewlett-Packard salió a bolsa en 1957 tras su constitución la década anterior, y estableció fuertes vínculos con la Universidad de Stanford a través de sus fundadores, que eran exalumnos ^{[ 7 ]} . Esto dio inicio a la transformación, que duró décadas, del sur del Área de la Bahía de San Francisco en el principal centro tecnológico informático del mundo, ahora conocido como Silicon Valley . El campo de los gráficos por computadora se desarrolló con la aparición del hardware gráfico.

Los avances en informática propiciaron mayores avances en los gráficos interactivos por ordenador . En 1959, se desarrolló el ordenador TX-2 en el Laboratorio Lincoln del MIT . El TX-2 integraba varias interfaces hombre-máquina novedosas. Se podía usar un lápiz óptico para dibujar bocetos en el ordenador mediante el revolucionario software Sketchpad de Ivan Sutherland . ^{[ 8 ]} Con un lápiz óptico, Sketchpad permitía dibujar formas simples en la pantalla del ordenador, guardarlas e incluso recuperarlas posteriormente. El lápiz óptico tenía una pequeña célula fotoeléctrica en su punta. Esta célula emitía un pulso electrónico cuando se colocaba frente a la pantalla del ordenador y el cañón de electrones de la pantalla disparaba directamente hacia ella. Al sincronizar el pulso electrónico con la posición actual del cañón de electrones, era fácil determinar con precisión dónde se encontraba el lápiz en la pantalla en cualquier momento. Una vez determinado esto, el ordenador podía dibujar un cursor en esa ubicación. Sutherland pareció encontrar la solución perfecta para muchos de los problemas gráficos a los que se enfrentaba. Incluso hoy en día, muchos estándares de interfaces gráficas de ordenador se originaron con este programa Sketchpad. Un ejemplo de esto se encuentra en las restricciones de dibujo. Si se desea dibujar un cuadrado, por ejemplo, no es necesario preocuparse por trazar cuatro líneas perfectas para formar los bordes del rectángulo. Basta con especificar que se desea dibujar un rectángulo y, a continuación, indicar su ubicación y tamaño. El software construirá entonces un rectángulo perfecto, con las dimensiones correctas y en la ubicación precisa. Otro ejemplo es que el software de Sutherland modelaba objetos, no solo imágenes de objetos. En otras palabras, con un modelo de automóvil, se podía cambiar el tamaño de los neumáticos sin afectar al resto del vehículo. Se podía estirar la carrocería sin deformar los neumáticos.

La frase "gráficos por computadora" se le atribuye a William Fetter , diseñador gráfico de Boeing en 1960. Fetter, a su vez, se la atribuyó a Verne Hudson, también de Boeing. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

En 1961, otro estudiante del MIT, Steve Russell , creó otro título importante en la historia de los videojuegos : ¡Spacewar! Desarrollado para la DEC PDP-1, Spacewar fue un éxito instantáneo y las copias comenzaron a llegar a otros propietarios de PDP-1 , hasta que finalmente DEC obtuvo una. Los ingenieros de DEC lo utilizaron como programa de diagnóstico en cada nueva PDP-1 antes de su envío. El equipo de ventas se percató rápidamente de esto y, al instalar las nuevas unidades, ejecutaban el "primer videojuego del mundo" para sus nuevos clientes. ( Tennis For Two de Higginbotham había superado a Spacewar por casi tres años, pero era prácticamente desconocido fuera del ámbito académico o de investigación).

Casi al mismo tiempo (1961-1962), en la Universidad de Cambridge, Elizabeth Waldram escribió código para mostrar mapas de radioastronomía en un tubo de rayos catódicos. ^{[ 10 ]}

EE Zajac, científico del Laboratorio Bell Telephone (BTL), creó en 1963 una película titulada "Simulación de un sistema de control de actitud gravitacional de dos giros". ^{[ 11 ]} En esta película generada por computadora, Zajac mostró cómo se podía alterar la actitud de un satélite mientras orbita la Tierra. Creó la animación en una computadora central IBM 7090. También en BTL, Ken Knowlton , Frank Sinden, Ruth A. Weiss y Michael Noll comenzaron a trabajar en el campo de los gráficos por computadora. Sinden creó una película titulada Fuerza, masa y movimiento que ilustraba las leyes del movimiento de Newton en funcionamiento. Casi al mismo tiempo, otros científicos estaban creando gráficos por computadora para ilustrar sus investigaciones. En el Laboratorio de Radiación Lawrence , Nelson Max creó las películas Flujo de un fluido viscoso y Propagación de ondas de choque en una forma sólida . Boeing Aircraft creó una película titulada Vibración de una aeronave .

También a principios de la década de 1960, la industria automotriz recibió un impulso gracias al trabajo pionero de Pierre Bézier en Renault , quien utilizó las curvas de Paul de Casteljau —ahora llamadas curvas de Bézier en honor a su labor en este campo— para desarrollar técnicas de modelado 3D para las carrocerías de los automóviles Renault . Estas curvas sentaron las bases de gran parte del trabajo de modelado de curvas en este campo, ya que, a diferencia de los polígonos, las curvas son entidades matemáticamente complejas de dibujar y modelar correctamente.

No pasó mucho tiempo antes de que las grandes corporaciones comenzaran a interesarse por los gráficos por computadora. TRW , Lockheed-Georgia , General Electric y Sperry Rand se encuentran entre las muchas empresas que comenzaron a trabajar en gráficos por computadora a mediados de la década de 1960. IBM respondió rápidamente a este interés lanzando la terminal gráfica IBM 2250 , la primera computadora gráfica disponible comercialmente. Ralph Baer , ​​ingeniero supervisor en Sanders Associates , creó un videojuego doméstico en 1966 que posteriormente fue licenciado a Magnavox y llamado Odyssey . Si bien era muy simple y requería componentes electrónicos bastante económicos, permitía al jugador mover puntos de luz en una pantalla. Fue el primer producto de gráficos por computadora para el consumidor. David C. Evans fue director de ingeniería en la división de computadoras de Bendix Corporation de 1953 a 1962, después de lo cual trabajó durante los siguientes cinco años como profesor visitante en Berkeley. Allí continuó su interés en las computadoras y cómo interactuaban con las personas. En 1966, la Universidad de Utah contrató a Evans para crear un programa de informática, y los gráficos por computadora se convirtieron rápidamente en su principal interés. Este nuevo departamento se convertiría en el principal centro de investigación mundial en gráficos por computadora durante la década de 1970.

Además, en 1966, Ivan Sutherland continuó innovando en el MIT al inventar el primer casco de realidad virtual (HMD) controlado por computadora. Este mostraba dos imágenes de estructura alámbrica separadas, una para cada ojo. Esto permitía al usuario ver la escena de la computadora en 3D estereoscópico . El pesado hardware necesario para soportar la pantalla y el sensor se denominó la Espada de Damocles debido al peligro potencial que representaba si caía sobre el usuario. Tras obtener su doctorado en el MIT, Sutherland se convirtió en Director de Procesamiento de Información en ARPA (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada) y, posteriormente, en profesor en Harvard. En 1967, Evans lo reclutó para unirse al programa de ciencias de la computación de la Universidad de Utah , un desarrollo que convertiría a ese departamento en uno de los centros de investigación más importantes en gráficos durante casi una década, formando a algunos de los pioneros más importantes del campo. Allí, Sutherland perfeccionó su HMD; veinte años después, la NASA redescubriría sus técnicas en su investigación de realidad virtual . En Utah, Sutherland y Evans eran consultores muy solicitados por grandes empresas, pero les frustraba la falta de hardware gráfico disponible en aquel momento, por lo que comenzaron a elaborar un plan para fundar su propia empresa.

En 1968, Dave Evans e Ivan Sutherland fundaron la primera empresa de hardware de gráficos por computadora, Evans & Sutherland . Si bien Sutherland originalmente quería que la empresa estuviera ubicada en Cambridge, Massachusetts, finalmente se eligió Salt Lake City debido a su proximidad al grupo de investigación de los profesores en la Universidad de Utah.

También en 1968, Arthur Appel describió el primer algoritmo de trazado de rayos , el primero de una clase de algoritmos de renderizado basados ​​en el trazado de rayos que desde entonces se han vuelto fundamentales para lograr el fotorrealismo en los gráficos mediante el modelado de las trayectorias que siguen los rayos de luz desde una fuente de luz, hasta las superficies de una escena y hasta la cámara.

En 1969, la ACM creó el Grupo de Interés Especial en Gráficos ( SIGGRAPH ), que organiza conferencias , estándares gráficos y publicaciones en el campo de los gráficos por computadora. En 1973, se celebró la primera conferencia anual de SIGGRAPH, que se ha convertido en uno de los pilares de la organización. SIGGRAPH ha crecido en tamaño e importancia a medida que el campo de los gráficos por computadora se ha expandido con el tiempo.

Posteriormente, en la década de 1970, se produjeron varios avances importantes en este campo en la Universidad de Utah , que había contratado a Ivan Sutherland . Junto con David C. Evans , impartió una clase avanzada de gráficos por computadora, la cual contribuyó significativamente a la investigación fundamental del sector y formó a varios estudiantes que posteriormente fundarían algunas de las empresas más importantes de la industria, como Pixar , Silicon Graphics y Adobe Systems . Tom Stockham dirigió el grupo de procesamiento de imágenes de la Universidad de Utah, que colaboró ​​estrechamente con el laboratorio de gráficos por computadora.

Uno de estos estudiantes era Edwin Catmull . Catmull acababa de dejar The Boeing Company y estaba cursando su licenciatura en física. Criado con Disney , Catmull adoraba la animación, pero pronto descubrió que no tenía talento para el dibujo. Ahora, Catmull (junto con muchos otros) veía en las computadoras la evolución natural de la animación y querían formar parte de la revolución. La primera animación por computadora que vio Catmull fue la suya propia. Creó una animación de su mano abriéndose y cerrándose. También fue pionero en el mapeo de texturas para pintar texturas en modelos tridimensionales en 1974, considerada ahora una de las técnicas fundamentales del modelado 3D . Uno de sus objetivos fue producir un largometraje utilizando gráficos por computadora, un objetivo que lograría dos décadas después tras su papel fundador en Pixar . En la misma clase, Fred Parke creó una animación del rostro de su esposa. Ambas animaciones se incluyeron en la película Futureworld de 1976 .

Mientras el laboratorio de gráficos por computadora de la Universidad de Utah atraía a gente de todas partes, John Warnock fue otro de esos pioneros; más tarde fundó Adobe Systems y revolucionó el mundo editorial con su lenguaje de descripción de páginas PostScript . Adobe crearía posteriormente el software de edición de fotos estándar de la industria, Adobe Photoshop , y un destacado programa de efectos especiales para la industria cinematográfica, Adobe After Effects .

James Clark también estaba allí; más tarde fundó Silicon Graphics , un fabricante de sistemas de renderizado avanzados que dominaría el campo de los gráficos de alta gama hasta principios de la década de 1990.

Un avance fundamental en gráficos 3D por computadora fue creado en la Universidad de Utah por estos pioneros: la determinación de superficies ocultas . Para dibujar una representación de un objeto 3D en la pantalla, la computadora debe determinar qué superficies están "detrás" del objeto desde la perspectiva del observador y, por lo tanto, deben "ocultarse" al crear (o renderizar) la imagen. El Sistema Gráfico 3D Core (o Core ) fue el primer estándar gráfico desarrollado. Un grupo de 25 expertos del Grupo de Interés Especial SIGGRAPH de la ACM desarrolló este "marco conceptual". Las especificaciones se publicaron en 1977 y se convirtieron en la base de muchos desarrollos futuros en el campo.

También en la década de 1970, Henri Gouraud , Jim Blinn y Bui Tuong Phong contribuyeron a sentar las bases del sombreado en CGI mediante el desarrollo de los modelos de sombreado de Gouraud y Blinn-Phong , lo que permitió que los gráficos superaran una apariencia plana y lograran una representación más precisa de la profundidad. Jim Blinn también innovó aún más en 1978 al introducir el mapeo de relieve , una técnica para simular superficies irregulares, precursora de muchos tipos de mapeo más avanzados que se utilizan hoy en día.

Las máquinas recreativas de videojuegos modernas, tal como las conocemos hoy, nacieron en la década de 1970, con los primeros juegos arcade que utilizaban gráficos de sprites 2D en tiempo real . Pong, en 1972, fue uno de los primeros éxitos de las máquinas recreativas. Speed ​​Race, en 1974, presentaba sprites que se movían a lo largo de una carretera de desplazamiento vertical . Gun Fight, en 1975, presentaba personajes animados con apariencia humana, mientras que Space Invaders, en 1978, mostraba una gran cantidad de figuras animadas en pantalla; ambos utilizaban un circuito especializado de desplazamiento de barril, compuesto por chips discretos, para ayudar a su microprocesador Intel 8080 a animar los gráficos del búfer de fotogramas .

En la década de 1980 comenzó la comercialización de los gráficos por computadora. Con la proliferación de las computadoras personales , una materia que antes había sido una disciplina exclusivamente académica fue adoptada por un público mucho más amplio, y el número de desarrolladores de gráficos por computadora aumentó significativamente.

A principios de la década de 1980, la tecnología de integración a muy gran escala (VLSI) de semiconductores de óxido metálico (MOS) propició la disponibilidad de microprocesadores de unidad central de procesamiento (CPU) de 16 bits y los primeros chips de unidad de procesamiento gráfico (GPU), que comenzaron a revolucionar los gráficos por computadora, permitiendo gráficos de alta resolución para terminales de gráficos por computadora, así como para sistemas de computadoras personales (PC). El μPD7220 de NEC fue la primera GPU, fabricada en un chip VLSI NMOS totalmente integrado . Admitía una resolución de hasta 1024x1024 y sentó las bases para el incipiente mercado de gráficos para PC. Se utilizó en varias tarjetas gráficas y se licenció para clones como el Intel 82720, la primera de las unidades de procesamiento gráfico de Intel . ^{[ 12 ]} La memoria MOS también se abarató a principios de la década de 1980, lo que permitió el desarrollo de memoria de búfer de fotogramas asequible, ^{[ 13 ]} en particular la RAM de vídeo (VRAM) introducida por Texas Instruments (TI) a mediados de la década de 1980. ^{[ 14 ]} En 1984, Hitachi lanzó el ARTC HD63484, la primera GPU MOS complementaria (CMOS). Era capaz de mostrar alta resolución en modo color y hasta resolución 4K en modo monocromo, y se utilizó en varias tarjetas gráficas y terminales durante finales de la década de 1980. ^{[ 15 ]} En 1986, TI presentó el TMS34010 , el primer procesador gráfico MOS totalmente programable . ^{[ 14 ]}

Durante esta década, los terminales de gráficos por computadora se volvieron cada vez más inteligentes, convirtiéndose en estaciones de trabajo semiautónomas e independientes. El procesamiento de gráficos y aplicaciones se trasladó progresivamente a la inteligencia de la estación de trabajo, en lugar de seguir dependiendo de mainframes y minicomputadoras centrales . Un ejemplo típico de la transición inicial a los gráficos por computadora de alta resolución fueron las estaciones de trabajo inteligentes para el mercado de la ingeniería asistida por computadora: las Orca 1000, 2000 y 3000, desarrolladas por Orcatech de Ottawa, una empresa derivada de Bell-Northern Research , y lideradas por David Pearson, uno de los pioneros de las estaciones de trabajo. La Orca 3000 se basaba en el microprocesador Motorola 68000 de 16 bits y procesadores AMD bit-slice , y utilizaba Unix como sistema operativo. Estaba dirigida directamente al segmento más sofisticado del sector de la ingeniería de diseño. Artistas y diseñadores gráficos comenzaron a ver la computadora personal, en particular la Amiga y la Macintosh , como una herramienta de diseño seria, capaz de ahorrar tiempo y dibujar con mayor precisión que otros métodos. El Macintosh sigue siendo una herramienta muy popular para gráficos por computadora entre estudios de diseño gráfico y empresas. Las computadoras modernas, desde la década de 1980, suelen usar interfaces gráficas de usuario (GUI) para presentar datos e información con símbolos, íconos e imágenes, en lugar de texto. Los gráficos son uno de los cinco elementos clave de la tecnología multimedia .

En el campo de la representación realista, la Universidad de Osaka de Japón desarrolló el Sistema de Gráficos por Computadora LINKS-1 , una supercomputadora que utilizaba hasta 257 microprocesadores Zilog Z8001 , en 1982, con el propósito de renderizar gráficos por computadora 3D realistas . Según la Sociedad de Procesamiento de la Información de Japón: "El núcleo de la representación de imágenes 3D es el cálculo de la luminancia de cada píxel que compone una superficie renderizada a partir del punto de vista, la fuente de luz y la posición del objeto dados. El sistema LINKS-1 se desarrolló para implementar una metodología de representación de imágenes en la que cada píxel pudiera procesarse en paralelo de forma independiente mediante el trazado de rayos . Al desarrollar una nueva metodología de software específicamente para la representación de imágenes de alta velocidad, LINKS-1 pudo renderizar rápidamente imágenes altamente realistas". ^{[ 16 ]} El LINKS-1 era la computadora más potente del mundo en 1984. ^{[ 17 ]}

También en el campo de la representación realista, la ecuación general de representación de David Immel y James Kajiya se desarrolló en 1986, un paso importante hacia la implementación de la iluminación global , necesaria para lograr el fotorrealismo en los gráficos por computadora.

La continua popularidad de Star Wars y otras franquicias de ciencia ficción influyó en los efectos especiales generados por computadora (CGI) cinematográficos de la época, ya que Lucasfilm e Industrial Light & Magic se convirtieron en la empresa de referencia para muchos otros estudios en lo que respecta a gráficos por computadora de primer nivel en el cine. Se realizaron importantes avances en la técnica de croma (pantalla azul) para las últimas películas de la trilogía original. Otros dos vídeos también perdurarían en el tiempo como elementos históricamente relevantes: el icónico videoclip de Dire Straits , casi completamente generado por computadora, para su canción " Money for Nothing " en 1985, que popularizó el CGI entre los aficionados a la música de la época, y una escena de El joven Sherlock Holmes del mismo año que presentaba el primer personaje completamente generado por computadora en un largometraje (un caballero animado de vidrieras ). En 1988, Pixar , que ya se había independizado de Industrial Light & Magic, desarrolló los primeros sombreadores (pequeños programas diseñados específicamente para realizar sombreado como un algoritmo independiente) , aunque el público no vería los resultados de este progreso tecnológico hasta la década siguiente. A finales de la década de 1980, los ordenadores de Silicon Graphics (SGI) se utilizaron para crear algunos de los primeros cortometrajes totalmente generados por ordenador en Pixar , y las máquinas de Silicon Graphics se consideraron un hito en el sector durante esa década.

La década de 1980 también se conoce como la era dorada de los videojuegos ; los sistemas que vendieron millones de copias de Atari , Nintendo y Sega , entre otras compañías, expusieron los gráficos por computadora por primera vez a una nueva audiencia joven e impresionable, al igual que las computadoras personales basadas en MS-DOS , Apple II , Mac y Amiga , que también permitían a los usuarios programar sus propios juegos si tenían la habilidad suficiente. Para las máquinas recreativas , se hicieron avances en los gráficos 3D comerciales en tiempo real . En 1988, se introdujeron las primeras tarjetas gráficas 3D dedicadas en tiempo real para máquinas recreativas, con el Namco System 21 ^{[ 18 ]} y el Taito Air System. ^{[ 19 ]} En el ámbito profesional, Evans & Sutherland y SGI desarrollaron hardware de gráficos rasterizados 3D que influyó directamente en la posterior unidad de procesamiento gráfico (GPU) de un solo chip, una tecnología donde se utiliza un chip separado y muy potente en procesamiento paralelo con una CPU para optimizar los gráficos.

Durante esa década, los gráficos por computadora también se aplicaron a muchos otros mercados profesionales, incluyendo el entretenimiento y la educación basados ​​en la ubicación con el E&S Digistar, el diseño de vehículos, la simulación de vehículos y la química.

El punto culminante de la década de 1990 fue el surgimiento del modelado 3D a gran escala y el aumento general de la calidad de las imágenes generadas por computadora (CGI). Las computadoras domésticas pudieron realizar tareas de renderizado que antes estaban limitadas a estaciones de trabajo que costaban miles de dólares; a medida que los programas de modelado 3D se hicieron accesibles para sistemas domésticos, la popularidad de las estaciones de trabajo de Silicon Graphics disminuyó y las potentes máquinas con Microsoft Windows y Apple Macintosh que ejecutaban productos de Autodesk como 3D Studio u otro software de renderizado doméstico ganaron importancia. Hacia finales de la década, la GPU comenzaría su ascenso hasta alcanzar la prominencia que aún conserva hoy en día.

El sector empezó a ver los primeros gráficos renderizados que podían pasar por fotorrealistas para el ojo inexperto (aunque todavía no lo conseguían con un artista de CGI profesional) y los gráficos 3D se hicieron mucho más populares en los videojuegos , el multimedia y la animación . A finales de los años ochenta y principios de los noventa se crearon en Francia las primeras series de televisión con gráficos por ordenador: La Vie des bêtes del estudio Mac Guff Ligne (1988), Les Fables Géométriques (1989-1991) del estudio Fantôme y Quarxs , la primera serie de gráficos por ordenador para HDTV de Maurice Benayoun y François Schuiten (producción del estudio ZA, 1990-1993).

En el cine, Pixar inició su ascenso comercial en esta época bajo la dirección de Edwin Catmull , con su primer gran estreno en 1995: Toy Story , un éxito de crítica y taquilla multimillonario. El estudio que inventó el sombreador programable cosecharía numerosos éxitos de animación, y su trabajo en animación de vídeo prerrenderizada sigue considerándose un referente en la industria y un pionero en la investigación.

En los videojuegos, en 1992, Virtua Racing , que se ejecutaba en la placa del sistema arcade Sega Model 1 , sentó las bases para los juegos de carreras totalmente en 3D y popularizó los gráficos poligonales 3D en tiempo real entre un público más amplio en la industria de los videojuegos . ^{[ 20 ]} Posteriormente, el Sega Model 2 en 1993 y el Sega Model 3 en 1996 ampliaron los límites de los gráficos 3D comerciales en tiempo real. De vuelta en la PC, Wolfenstein 3D , Doom y Quake , tres de los primeros juegos de disparos en primera persona en 3D masivamente populares , fueron lanzados por id Software con aclamación de la crítica y del público durante esta década utilizando un motor de renderizado innovado principalmente por John Carmack . La Sony PlayStation , la Sega Saturn y la Nintendo 64 , entre otras consolas, vendieron millones y popularizaron los gráficos 3D para los jugadores domésticos. Algunos títulos 3D de primera generación de finales de la década de 1990 se consideraron influyentes en la popularización de los gráficos 3D entre los usuarios de consolas, como los juegos de plataformas Super Mario 64 y The Legend of Zelda: Ocarina of Time , y los primeros juegos de lucha en 3D como Virtua Fighter , Battle Arena Toshinden y Tekken .

La tecnología y los algoritmos de renderizado continuaron mejorando notablemente. En 1996, Krishnamurty y Levoy inventaron el mapeo normal , una mejora del mapeo de relieve de Jim Blinn . En 1999, Nvidia lanzó la emblemática GeForce 256 , la primera tarjeta gráfica doméstica denominada unidad de procesamiento gráfico (GPU), que, según sus propias palabras, contenía "motores integrados de transformación , iluminación , configuración / recorte de triángulos y renderizado ". A finales de la década, los ordenadores adoptaron marcos de trabajo comunes para el procesamiento gráfico, como DirectX y OpenGL . Desde entonces, los gráficos por ordenador se han vuelto cada vez más detallados y realistas, gracias a un hardware gráfico y un software de modelado 3D más potentes . AMD también se convirtió en un desarrollador líder de tarjetas gráficas en esta década, creando un "duopolio" en el sector que perdura hasta hoy.

Durante esta época, los efectos especiales generados por computadora (CGI) se generalizaron. Los videojuegos y el cine CGI popularizaron los gráficos por computadora a finales de la década de 1990 y continuaron haciéndolo a un ritmo acelerado en la década de 2000. Los CGI también se adoptaron masivamente para la publicidad televisiva a finales de la década de 1990 y durante la década de 2000, familiarizándose así con una gran audiencia.

El continuo auge y la creciente sofisticación de la unidad de procesamiento gráfico fueron cruciales para esta década, y las capacidades de renderizado 3D se convirtieron en una característica estándar a medida que las GPU de gráficos 3D se convirtieron en una necesidad para los fabricantes de computadoras de escritorio . La línea de tarjetas gráficas Nvidia GeForce dominó el mercado a principios de la década con una presencia competitiva significativa ocasional de ATI . ^{[ 21 ]} A medida que avanzaba la década, incluso las máquinas de gama baja generalmente contenían algún tipo de GPU con capacidad 3D, ya que Nvidia y AMD introdujeron chipsets de bajo precio y continuaron dominando el mercado. Los sombreadores que se habían introducido en la década de 1980 para realizar procesamiento especializado en la GPU, a finales de la década serían compatibles con la mayoría del hardware de consumo, acelerando considerablemente los gráficos y permitiendo una gran mejora en la textura y el sombreado en los gráficos por computadora a través de la adopción generalizada del mapeo normal , el mapeo de relieve y una variedad de otras técnicas que permitieron la simulación de una gran cantidad de detalles.

Los gráficos por computadora utilizados en películas y videojuegos comenzaron gradualmente a ser realistas hasta el punto de entrar en el valle inquietante . Las películas CGI proliferaron, con películas animadas tradicionales como Ice Age y Madagascar , así como numerosas producciones de Pixar como Buscando a Nemo dominando la taquilla en este campo. Final Fantasy: The Spirits Within , estrenada en 2001, fue el primer largometraje completamente generado por computadora en utilizar personajes CGI fotorrealistas y estar hecho completamente con captura de movimiento. ^{[ 22 ]} Sin embargo, la película no fue un éxito de taquilla. ^{[ 23 ]} Algunos comentaristas han sugerido que esto puede deberse en parte a que los personajes CGI principales tenían rasgos faciales que caían en el " valle inquietante ". ^{[ nota 1 ]} Otras películas animadas como El Expreso Polar también llamaron la atención en este momento. Star Wars también resurgió con su trilogía de precuelas y los efectos continuaron estableciendo un estándar para el CGI en el cine.

En los videojuegos , la Sony PlayStation 2 y 3 , la línea de consolas Microsoft Xbox y las ofertas de Nintendo como la GameCube mantuvieron una gran cantidad de seguidores, al igual que la PC con Windows . Títulos emblemáticos con gran cantidad de CGI, como la serie Grand Theft Auto , Assassin's Creed , Final Fantasy , BioShock , Kingdom Hearts , Mirror's Edge y docenas de otros, continuaron acercándose al fotorrealismo , impulsando la industria de los videojuegos e impresionando, hasta que los ingresos de esa industria se volvieron comparables a los del cine. Microsoft tomó la decisión de exponer DirectX más fácilmente al mundo de los desarrolladores independientes con el programa XNA , pero no tuvo éxito. Sin embargo, DirectX en sí mismo siguió siendo un éxito comercial. OpenGL también continuó madurando, y tanto este como DirectX mejoraron enormemente; los lenguajes de sombreado de segunda generación HLSL y GLSL comenzaron a popularizarse en esta década.

En computación científica , se inventó la técnica GPGPU para transferir grandes cantidades de datos bidireccionalmente entre una GPU y una CPU, acelerando el análisis en diversos experimentos de bioinformática y biología molecular . Esta técnica también se ha utilizado para la minería de Bitcoin y tiene aplicaciones en visión artificial .

En la década de 2010, los efectos CGI se han vuelto prácticamente omnipresentes en el vídeo, los gráficos prerrenderizados son casi científicamente fotorrealistas y los gráficos en tiempo real en un sistema de gama suficientemente alta pueden simular el fotorrealismo para el ojo inexperto.

El mapeo de texturas ha madurado hasta convertirse en un proceso de múltiples etapas con muchas capas; por lo general, no es raro implementar mapeo de texturas, mapeo de relieve o isosuperficies o mapeo normal , mapas de iluminación que incluyen reflejos especulares y técnicas de reflexión , y volúmenes de sombras en un solo motor de renderizado usando sombreadores , que están madurando considerablemente. Los sombreadores son ahora casi una necesidad para el trabajo avanzado en el campo, proporcionando una complejidad considerable en la manipulación de píxeles , vértices y texturas a nivel de elemento, e innumerables efectos posibles. Sus lenguajes de sombreado HLSL y GLSL son campos activos de investigación y desarrollo. El renderizado basado en la física o PBR, que implementa muchos mapas y realiza cálculos avanzados para simular el flujo de luz óptica real , es también un área de investigación activa, junto con áreas avanzadas como la oclusión ambiental , la dispersión subsuperficial , la dispersión de Rayleigh , el mapeo de fotones , el trazado de rayos y muchas otras. Se han iniciado experimentos para determinar la potencia de procesamiento necesaria para proporcionar gráficos en tiempo real en modos de ultra alta resolución como 4K Ultra HD , aunque esto está fuera del alcance de todos los equipos que no sean de gama alta.

En el cine, la mayoría de las películas de animación son ahora CGI; se producen muchas películas de animación CGI al año , pero pocas, si acaso alguna, intentan el fotorrealismo debido al temor persistente al valle inquietante . La mayoría son dibujos animados en 3D .

En el ámbito de los videojuegos, la Microsoft Xbox One , la Sony PlayStation 4 y la Nintendo Switch dominaban el mercado doméstico y todas ellas eran capaces de ofrecer gráficos 3D avanzados; Windows seguía siendo una de las plataformas de juego más activas.

En la década de 2020, los avances en la tecnología de trazado de rayos permitieron su uso para la renderización en tiempo real, así como para gráficos impulsados ​​por IA para generar o ampliar fotogramas.

Aunque el trazado de rayos ya existía, Nvidia fue la primera en impulsarlo con núcleos dedicados al trazado de rayos, así como para la IA con núcleos DLSS y Tensor . AMD siguió su ejemplo con núcleos FSR , Tensor y de trazado de rayos.

Los gráficos por computadora en 2D son la generación de imágenes digitales mediante computadora , principalmente a partir de modelos, como imágenes digitales, y mediante técnicas específicas para ellos.

Los gráficos por computadora en 2D se utilizan principalmente en aplicaciones que se desarrollaron originalmente a partir de tecnologías tradicionales de impresión y dibujo , como la tipografía. En estas aplicaciones, la imagen bidimensional no es solo una representación de un objeto del mundo real, sino un artefacto independiente con valor semántico añadido; por lo tanto, se prefieren los modelos bidimensionales porque ofrecen un control más directo de la imagen que los gráficos por computadora en 3D , cuyo enfoque se asemeja más a la fotografía que a la tipografía .

Gráficos vectoriales

Los formatos de gráficos vectoriales son complementarios a los gráficos rasterizados . Los gráficos rasterizados representan imágenes como una matriz de píxeles y se utilizan habitualmente para la representación de imágenes fotográficas. ^{[ 24 ]} Los gráficos vectoriales consisten en codificar información sobre las formas y los colores que componen la imagen, lo que permite una mayor flexibilidad en la representación. Hay ocasiones en las que trabajar con herramientas y formatos vectoriales es la mejor práctica, y otras en las que trabajar con herramientas y formatos rasterizados es la mejor práctica. En ocasiones, ambos formatos se combinan. Comprender las ventajas y limitaciones de cada tecnología y la relación entre ellas es fundamental para un uso eficiente y eficaz de las herramientas.

Modelos generativos de aprendizaje automático

Desde mediados de la década de 2010, gracias a los avances en redes neuronales profundas , se han creado modelos que toman como entrada una descripción en lenguaje natural y producen como salida una imagen que coincide con dicha descripción. Los modelos de conversión de texto a imagen generalmente combinan un modelo de lenguaje , que transforma el texto de entrada en una representación latente, y un modelo generativo de imágenes, que produce una imagen condicionada por esa representación. Los modelos más eficaces se han entrenado generalmente con grandes cantidades de datos de imágenes y texto extraídos de la web. Para 2022, los mejores de estos modelos, como Dall-E 2 y Stable Diffusion , son capaces de crear imágenes en una variedad de estilos, desde imitaciones de artistas vivos hasta imágenes casi fotorrealistas, en cuestión de segundos, siempre que se disponga de un hardware lo suficientemente potente. ^{[ 25 ]}

Los gráficos 3D, a diferencia de los gráficos 2D, utilizan una representación tridimensional de datos geométricos. Para optimizar el rendimiento, estos datos se almacenan en el ordenador. Esto incluye imágenes que pueden visualizarse posteriormente o en tiempo real.

A pesar de estas diferencias, los gráficos 3D por computadora se basan en algoritmos similares a los de los gráficos 2D en la generación de fotogramas y en gráficos rasterizados (como en 2D) en la visualización final. En el software de gráficos por computadora, la distinción entre 2D y 3D a veces se difumina; las aplicaciones 2D pueden usar técnicas 3D para lograr efectos como la iluminación, y las aplicaciones principalmente 3D pueden usar técnicas de renderizado 2D.

Los gráficos 3D por computadora son lo mismo que los modelos 3D. El modelo se encuentra dentro del archivo de datos gráficos, independientemente del renderizado. Sin embargo, existen diferencias, entre ellas que el modelo 3D es la representación de cualquier objeto 3D. Hasta que no se visualiza, un modelo no es gráfico. Gracias a la impresión, los modelos 3D no se limitan al espacio virtual. El renderizado 3D es la forma en que se puede visualizar un modelo. También se puede utilizar en simulaciones y cálculos informáticos no gráficos.

La animación por computadora es el arte de crear imágenes en movimiento mediante el uso de computadoras . Es un subcampo de los gráficos y la animación por computadora . Cada vez se crea más mediante gráficos 3D , aunque los gráficos 2D todavía se utilizan ampliamente para necesidades estilísticas, de bajo ancho de banda y de renderizado en tiempo real más rápido . A veces, el objetivo de la animación es la propia computadora, pero otras veces es otro medio , como el cine . También se la conoce como CGI ( imágenes generadas por computadora), especialmente cuando se utiliza en películas.

Las entidades virtuales pueden contener y ser controladas por diversos atributos, como valores de transformación (ubicación, orientación y escala) almacenados en la matriz de transformación de un objeto . La animación es el cambio de un atributo a lo largo del tiempo. Existen múltiples métodos para lograr la animación; la forma rudimentaria se basa en la creación y edición de fotogramas clave , cada uno de los cuales almacena un valor en un momento dado, por cada atributo que se va a animar. El software de gráficos 2D/3D cambiará con cada fotograma clave, creando una curva editable de un valor mapeado a lo largo del tiempo, en la que se produce la animación. Otros métodos de animación incluyen técnicas procedimentales y basadas en expresiones : la primera consolida elementos relacionados de entidades animadas en conjuntos de atributos, útiles para crear efectos de partículas y simulaciones de multitudes ; la segunda permite que un resultado evaluado devuelto por una expresión lógica definida por el usuario, junto con las matemáticas, automatice la animación de forma predecible (conveniente para controlar el comportamiento de los huesos más allá de lo que ofrece una jerarquía en la configuración del sistema esquelético ).

Para crear la ilusión de movimiento, se muestra una imagen en la pantalla del ordenador y se sustituye rápidamente por una nueva imagen similar a la anterior, pero ligeramente desplazada. Esta técnica es idéntica a la ilusión de movimiento que se utiliza en la televisión y el cine .

En la imagen digital, un píxel (o elemento de imagen ^{[ 26 ]} ) es un punto individual en una imagen rasterizada . Los píxeles se colocan en una cuadrícula bidimensional regular y suelen representarse mediante puntos o cuadrados. Cada píxel es una muestra de la imagen original, y cuantas más muestras, mayor será la precisión de la representación. La intensidad de cada píxel es variable; en los sistemas de color, cada píxel suele tener tres subpíxeles , como rojo, verde y azul .

Los gráficos son representaciones visuales sobre una superficie, como la pantalla de un ordenador. Algunos ejemplos son fotografías, dibujos, diseños gráficos, mapas , planos de ingeniería u otras imágenes. Los gráficos suelen combinar texto e ilustración. El diseño gráfico puede consistir en la selección, creación o disposición deliberada de la tipografía, como en un folleto, volante, cartel, sitio web o libro, sin ningún otro elemento. El objetivo puede ser la claridad o la comunicación eficaz, la asociación con otros elementos culturales o, simplemente, la creación de un estilo distintivo.

Las primitivas son unidades básicas que un sistema gráfico puede combinar para crear imágenes o modelos más complejos. Algunos ejemplos son los sprites y los mapas de personajes en videojuegos 2D, las primitivas geométricas en CAD o los polígonos y triángulos en la renderización 3D. Las primitivas pueden ser compatibles con el hardware para una renderización eficiente o bien ser los bloques de construcción proporcionados por una aplicación gráfica .

El renderizado es la generación de una imagen 2D a partir de un modelo 3D mediante programas informáticos. Un archivo de escena contiene objetos en un lenguaje o estructura de datos estrictamente definidos; incluye información sobre geometría, punto de vista, texturizado, iluminación y sombreado , que describe la escena virtual. Los datos contenidos en el archivo de escena se transfieren a un programa de renderizado para su procesamiento y la generación de una imagen digital o un archivo de imagen de gráficos rasterizados . El programa de renderizado suele estar integrado en el software de gráficos, aunque también existen complementos o programas independientes. El término "renderizado" puede utilizarse por analogía con la representación artística de una escena. Si bien los detalles técnicos de los métodos de renderizado varían, los desafíos generales para producir una imagen 2D a partir de una representación 3D almacenada en un archivo de escena se describen como la canalización gráfica a lo largo de un dispositivo de renderizado, como una GPU . Una GPU es un dispositivo capaz de asistir a la CPU en los cálculos. Para que una escena se vea relativamente realista y predecible bajo iluminación virtual, el software de renderizado debe resolver la ecuación de renderizado . La ecuación de renderizado no contempla todos los fenómenos de iluminación, pero constituye un modelo general de iluminación para imágenes generadas por ordenador. El término «renderizado» también se utiliza para describir el proceso de cálculo de efectos en un archivo de edición de vídeo para producir el resultado final.

Proyección 3D

La proyección 3D es un método para mapear puntos tridimensionales en un plano bidimensional. Dado que la mayoría de los métodos actuales para mostrar datos gráficos se basan en medios bidimensionales planos, el uso de este tipo de proyección está muy extendido. Este método se utiliza en la mayoría de las aplicaciones 3D en tiempo real y, por lo general, emplea la rasterización para generar la imagen final.

trazado de rayos

El trazado de rayos es una técnica perteneciente a la familia de algoritmos de orden de imagen que genera una imagen siguiendo la trayectoria de la luz a través de los píxeles en un plano de imagen . Esta técnica es capaz de producir un alto grado de fotorrealismo , generalmente superior al de los métodos de renderizado por escaneo típicos , pero con un mayor coste computacional .

Sombreado

El sombreado se refiere a la representación de profundidad en modelos o ilustraciones 3D mediante la variación de los niveles de oscuridad . Es un proceso utilizado en el dibujo para representar niveles de oscuridad en papel aplicando el material con mayor densidad o con un tono más oscuro para las áreas oscuras, y con menor densidad o con un tono más claro para las áreas claras. Existen diversas técnicas de sombreado, como el tramado cruzado, donde se dibujan líneas perpendiculares de diferente proximidad en una cuadrícula para sombrear un área. Cuanto más juntas estén las líneas, más oscura parecerá el área. Del mismo modo, cuanto más separadas estén las líneas, más clara parecerá el área. Recientemente, el término se ha generalizado para referirse a la aplicación de sombreadores .

Mapeo de texturas

El mapeo de texturas es un método para agregar detalles, textura superficial o color a un gráfico generado por computadora o modelo 3D . Su aplicación a los gráficos 3D fue iniciada por Edwin Catmull en 1974. Un mapa de texturas se aplica (mapea) a la superficie de una forma o polígono. Este proceso es similar a aplicar papel estampado a una caja blanca lisa. El multitexturizado es el uso de más de una textura a la vez en un polígono. ^{[ 27 ]} Las texturas procedimentales (creadas a partir del ajuste de parámetros de un algoritmo subyacente que produce una textura de salida) y las texturas de mapa de bits (creadas en una aplicación de edición de imágenes o importadas desde una cámara digital ) son, en términos generales, métodos comunes para implementar la definición de texturas en modelos 3D en software de gráficos por computadora, mientras que la colocación intencionada de texturas en la superficie de un modelo a menudo requiere una técnica conocida como mapeo UV (disposición arbitraria y manual de coordenadas de textura) para superficies poligonales , mientras que las superficies de B-spline racional no uniforme (NURB) tienen su propia parametrización intrínseca utilizada como coordenadas de textura. La técnica de mapeo de texturas también abarca técnicas para crear mapas normales y mapas de relieve que se corresponden con una textura para simular la altura, y mapas especulares para ayudar a simular el brillo y los reflejos de la luz, así como el mapeo del entorno para simular la reflectividad similar a la de un espejo, también llamada brillo.

Suavizado de bordes

La representación de entidades independientes de la resolución (como modelos 3D) para su visualización en un dispositivo rasterizado (basado en píxeles), como una pantalla de cristal líquido o un televisor CRT, inevitablemente causa artefactos de aliasing, principalmente a lo largo de los bordes geométricos y los límites de los detalles de la textura; estos artefactos se denominan informalmente " jaggies ". Los métodos de suavizado de bordes corrigen estos problemas, lo que da como resultado imágenes más agradables al espectador, pero pueden ser computacionalmente costosos. Se pueden emplear varios algoritmos de suavizado de bordes (como el supermuestreo ), que luego se personalizan para lograr el rendimiento de renderizado más eficiente en relación con la calidad de la imagen resultante; un artista gráfico debe considerar esta compensación si va a utilizar métodos de suavizado de bordes. Una textura de mapa de bits sin suavizado de bordes que se muestra en una pantalla (o ubicación de la pantalla) a una resolución diferente de la resolución de la propia textura (como un modelo texturizado a la distancia de la cámara virtual) exhibirá artefactos de aliasing, mientras que cualquier textura definida procedimentalmente siempre mostrará artefactos de aliasing, ya que son independientes de la resolución; Técnicas como el mipmapping y el filtrado de texturas ayudan a resolver problemas de aliasing relacionados con las texturas.

La renderización volumétrica es una técnica que se utiliza para mostrar una proyección bidimensional de un conjunto de datos tridimensionales muestreados discretamente. Un conjunto de datos tridimensionales típico consiste en un grupo de imágenes de cortes bidimensionales adquiridas mediante un escáner de tomografía computarizada (TC) o resonancia magnética (RM) .

Por lo general, estas imágenes se adquieren siguiendo un patrón regular (por ejemplo, una sección cada milímetro) y suelen tener un número regular de píxeles . Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular, donde cada elemento de volumen, o vóxel, está representado por un único valor que se obtiene al muestrear el área inmediata que lo rodea.

El modelado 3D es el proceso de desarrollar una representación matemática, en forma de estructura alámbrica , de cualquier objeto tridimensional, denominado "modelo 3D", mediante software especializado. Los modelos pueden crearse de forma automática o manual; el proceso manual de preparación de datos geométricos para gráficos 3D por computadora es similar a las artes plásticas , como la escultura . Los modelos 3D pueden crearse utilizando diversos enfoques: el uso de NURBS para generar parches de superficie precisos y suaves, el modelado de malla poligonal (manipulación de geometría facetada) o la subdivisión de malla poligonal (teselación avanzada de polígonos, que da como resultado superficies suaves similares a los modelos NURBS). Un modelo 3D puede visualizarse como una imagen bidimensional mediante un proceso llamado renderizado 3D , utilizarse en una simulación por computadora de fenómenos físicos o animarse directamente para otros fines. El modelo también puede crearse físicamente utilizando dispositivos de impresión 3D .

Charles Csuri fue un pionero de la animación por computadora y las bellas artes digitales, y creó la primera obra de arte por computadora en 1964. Csuri fue reconocido por el Smithsonian como el padre del arte digital y la animación por computadora, y como pionero de la animación por computadora por el Museo de Arte Moderno (MoMA) y la Asociación para la Maquinaria de Computación - SIGGRAPH .

Donald P. Greenberg es un innovador destacado en gráficos por computadora. Ha escrito cientos de artículos y ha sido profesor y mentor de numerosos artistas, animadores e investigadores prominentes en el campo de los gráficos por computadora, como Robert L. Cook , Marc Levoy , Brian A. Barsky y Wayne Lytle . Muchos de sus antiguos alumnos han ganado premios Óscar por sus logros técnicos y varios han recibido el premio SIGGRAPH a la excelencia. Greenberg fue el director fundador del Centro de Gráficos por Computadora y Visualización Científica de la NSF.

Noll fue uno de los primeros investigadores en utilizar una computadora digital para crear patrones artísticos y formalizar el uso de procesos aleatorios en la creación de artes visuales . Comenzó a crear arte digital en 1962, lo que lo convierte en uno de los primeros artistas digitales. En 1965, Noll, junto con Frieder Nake y Georg Nees, fueron los primeros en exhibir públicamente su arte computacional . Durante abril de 1965, la Galería Howard Wise exhibió el arte computacional de Noll junto con patrones de puntos aleatorios de Bela Julesz .

Jack Bresenham es un exprofesor de informática. Desarrolló el algoritmo de la línea de Bresenham , su invento más conocido en 1962, y el algoritmo del círculo de punto medio . Se jubiló tras 27 años de servicio en IBM como miembro sénior del personal técnico, impartió clases durante 16 años en la Universidad de Winthrop y cuenta con nueve patentes .

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