Gráficos por computadora (ciencia informática)

Los gráficos por computadora son un subcampo de la informática que estudia los métodos para sintetizar y manipular digitalmente el contenido visual. Aunque el término suele referirse al estudio de gráficos por computadora tridimensionales, también abarca gráficos bidimensionales y procesamiento de imágenes.

Los gráficos por computadora estudian la manipulación de información visual y geométrica mediante técnicas computacionales. Se centran en los fundamentos matemáticos y computacionales de la generación y el procesamiento de imágenes, más que en cuestiones puramente estéticas . Los gráficos por computadora suelen diferenciarse del campo de la visualización , aunque ambos campos tienen muchas similitudes.

Los estudios relacionados incluyen:

• Matemáticas aplicadas
• Geometría computacional
• Topología computacional
• Visión por computadora
• Procesamiento de imágenes
• Visualización de información
• Visualización científica

Las aplicaciones de los gráficos por computadora incluyen:

• Diseño de impresión
• Arte digital
• Efectos especiales
• Juegos de vídeo
• Efectos visuales

Existen varias conferencias y revistas internacionales en las que se publican los resultados más significativos en el campo de los gráficos por ordenador. Entre ellas se encuentran las conferencias SIGGRAPH y Eurographics y la revista Transactions on Graphics de la Association for Computing Machinery (ACM). La serie conjunta de simposios SIGGRAPH de Eurographics y ACM incluye los principales foros para los subcampos más especializados: Simposio sobre procesamiento de geometría, ^[1] Simposio sobre renderizado, Simposio sobre animación por ordenador, ^[2] y gráficos de alto rendimiento. ^[3]

Al igual que en el resto de la informática, las publicaciones en congresos sobre gráficos por ordenador suelen ser más importantes que las publicaciones en revistas (y, por tanto, tienen tasas de aceptación más bajas). ^{[4] [5] [6] [7]}

Una clasificación amplia de los principales subcampos en gráficos por computadora podría ser:

1. Geometría : formas de representar y procesar superficies
2. Animación : formas de representar y manipular el movimiento
3. Renderizado : algoritmos para reproducir el transporte de luz
4. Imágenes : adquisición de imágenes o edición de imágenes

El subcampo de la geometría estudia la representación de objetos tridimensionales en un entorno digital discreto. Debido a que la apariencia de un objeto depende en gran medida de su exterior, las representaciones de contorno son las más utilizadas. Las superficies bidimensionales son una buena representación para la mayoría de los objetos, aunque pueden no ser múltiples . Dado que las superficies no son finitas, se utilizan aproximaciones digitales discretas. Las mallas poligonales (y en menor medida las superficies de subdivisión ) son, con diferencia, la representación más común, aunque las representaciones basadas en puntos se han hecho más populares recientemente (véase, por ejemplo, el Simposio sobre gráficos basados ​​en puntos). ^[8] Estas representaciones son lagrangianas, lo que significa que las ubicaciones espaciales de las muestras son independientes. Recientemente, las descripciones de superficies eulerianas (es decir, donde las muestras espaciales son fijas), como los conjuntos de niveles , se han desarrollado como una representación útil para deformar superficies que sufren muchos cambios topológicos ( siendo los fluidos el ejemplo más notable). ^[9]

Los subcampos de geometría incluyen:

• Modelado de superficies implícito : un subcampo más antiguo que examina el uso de superficies algebraicas, geometría sólida constructiva , etc., para la representación de superficies.
• El procesamiento de geometría digital ( reconstrucción de superficies , simplificación, carenado, reparación de mallas, parametrización , remallado, generación de mallas , compresión de superficies y edición de superficies) se incluyen en este encabezado. ^{[10] [11] [12]}
• Geometría diferencial discreta: un campo naciente que define cantidades geométricas para las superficies discretas utilizadas en gráficos de computadora. ^[13]
• Gráficos basados ​​en puntos: un campo reciente que se centra en los puntos como representación fundamental de las superficies.
• Superficies de subdivisión
• Procesamiento de malla fuera del núcleo: otro campo reciente que se centra en conjuntos de datos de malla que no caben en la memoria principal.

El subcampo de la animación estudia las descripciones de superficies (y otros fenómenos) que se mueven o se deforman con el tiempo. Históricamente, la mayor parte del trabajo en este campo se ha centrado en modelos paramétricos y basados ​​en datos, pero recientemente la simulación física se ha vuelto más popular a medida que las computadoras se han vuelto más potentes computacionalmente.

Los subcampos de la animación incluyen:

• Captura de rendimiento
• Animación de personajes
• Simulación física (por ejemplo, modelado de tela , animación de dinámica de fluidos , etc.)

La renderización genera imágenes a partir de un modelo. La renderización puede simular el transporte de luz para crear imágenes realistas o puede crear imágenes que tengan un estilo artístico particular en la renderización no fotorrealista . Las dos operaciones básicas en la renderización realista son el transporte (cuánta luz pasa de un lugar a otro) y la dispersión (cómo interactúan las superficies con la luz). Consulte Renderización (gráficos por computadora) para obtener más información.

Los subcampos de representación incluyen:

• El transporte describe cómo la iluminación de una escena se traslada de un lugar a otro. La visibilidad es un componente fundamental del transporte de la luz.
• Dispersión: Los modelos de dispersión (cómo interactúa la luz con la superficie en un punto determinado ) y sombreado (cómo varían las propiedades del material a lo largo de la superficie) se utilizan para describir la apariencia de una superficie. En gráficos, estos problemas se estudian a menudo en el contexto de la representación, ya que pueden afectar sustancialmente el diseño de algoritmos de representación . Las descripciones de la dispersión se dan generalmente en términos de una función de distribución de dispersión bidireccional (BSDF). El último problema aborda cómo se distribuyen los diferentes tipos de dispersión a lo largo de la superficie (es decir, qué función de dispersión se aplica en cada lugar). Las descripciones de este tipo se expresan normalmente con un programa llamado sombreador . (Existe cierta confusión ya que la palabra "sombreador" a veces se utiliza para programas que describen la variación geométrica local ).
• Representación no fotorrealista
• Representación basada en la física : se ocupa de generar imágenes de acuerdo con las leyes de la óptica geométrica.
• Representación en tiempo real : se centra en la representación para aplicaciones interactivas, generalmente utilizando hardware especializado como GPU.
• Reiluminación : área reciente relacionada con la rápida reproducción de escenas

Diseño de mapas de bits / Edición de imágenes

• Adobe Photoshop
• Corel Photo Paint
• CAÑUTILLO
• Cripta

Dibujo vectorial

• Adobe Ilustrador
• CorelDRAW
• Paisaje de tinta
• Diseñador de afinidad
• Bosquejo

Arquitectura

• VariCAD
• FreeCAD
• AutoCAD
• QCAD
• LibreCAD
• Datos CAD
• Diseñador de Corel

Edición de vídeo

• Adobe Premiere Pro
• Sony Vegas
• Corte final
• DaVinci Resolve
• Cinelerra
• VirtualDub

Escultura, animación y modelado 3D

• Licuadora 3D
• Alas 3D
• ZBrush
• Escultura
• Trabajos solidos
• Rinoceronte 3D
• Boceto Up
• 3ds máx.
• Cine 4D
• maya
• Houdini

Composición digital

• Arma nuclear
• Fusión Blackmagic
• Adobe After Effects
• Soda

Representación

• V-rayo
• Desplazamiento hacia el rojo
• Hombre renderizado
• Renderizado de octano
• Mantra
• Lumion (Visualización arquitectónica)

Otros ejemplos de aplicaciones

• ACIS - núcleo geométrico
• Autodesk Softimage
• Rayo de POV
• Escribano
• Silo
• Hexágono
• Onda de luz

• Foley et al . Gráficos por computadora: principios y práctica .
• Shirley. Fundamentos de gráficos por computadora .
• Watt. Gráficos de computadora 3D .

• Una historia crítica de los gráficos y la animación por ordenador
• Serie de artículos sobre la historia de los gráficos por computadora

Los laboratorios industriales que realizan investigaciones sobre gráficos "de cielo azul" incluyen:

• Laboratorios de tecnología avanzada de Adobe
• REAL
• Investigación de Microsoft – Gráficos
• Investigación de Nvidia

Los principales estudios cinematográficos destacados por su investigación gráfica incluyen:

• ILM
• Animación PDI/Dreamworks
• Pixar