Los gráficos por computadora se ocupan de generar imágenes y arte con la ayuda de computadoras . Los gráficos por computadora son una tecnología fundamental en la fotografía digital, el cine, los videojuegos, el arte digital, las pantallas de teléfonos celulares y computadoras, y muchas aplicaciones especializadas. Se ha desarrollado una gran cantidad de hardware y software especializados, y las pantallas de la mayoría de los dispositivos funcionan con hardware de gráficos por computadora . Es un área vasta y de reciente desarrollo de la ciencia informática. La frase fue acuñada en 1960 por los investigadores de gráficos por computadora Verne Hudson y William Fetter de Boeing. A menudo se abrevia como CG, o típicamente en el contexto del cine como imágenes generadas por computadora (CGI). Los aspectos no artísticos de los gráficos por computadora son el tema de la investigación en ciencias de la computación . [1]
Algunos temas en gráficos de computadora incluyen diseño de interfaz de usuario , gráficos de sprites , renderizado , trazado de rayos , procesamiento de geometría , animación por computadora , gráficos vectoriales , modelado 3D , sombreadores , diseño de GPU , superficies implícitas , visualización , computación científica , procesamiento de imágenes , fotografía computacional , visualización científica , geometría computacional y visión por computadora , entre otros. La metodología general depende en gran medida de las ciencias subyacentes de geometría , óptica , física y percepción .
Los gráficos por computadora son responsables de mostrar datos artísticos e imágenes de manera efectiva y significativa al consumidor. También se utilizan para procesar datos de imágenes recibidos del mundo físico, como contenido fotográfico y de video. El desarrollo de los gráficos por computadora ha tenido un impacto significativo en muchos tipos de medios y ha revolucionado la animación , las películas , la publicidad y los videojuegos en general.
El término gráficos de computadora se ha utilizado en un sentido amplio para describir "casi todo lo que hay en las computadoras que no sea texto o sonido". [2] Por lo general, el término gráficos de computadora se refiere a varias cosas diferentes:
En la actualidad, los gráficos por computadora están muy extendidos. Estas imágenes se encuentran en la televisión, los periódicos, los informes meteorológicos y en una variedad de investigaciones médicas y procedimientos quirúrgicos. Un gráfico bien construido puede presentar estadísticas complejas de una forma que sea más fácil de entender e interpretar. En los medios de comunicación, "tales gráficos se utilizan para ilustrar artículos, informes, tesis" y otros materiales de presentación. [3]
Se han desarrollado muchas herramientas para visualizar datos. Las imágenes generadas por computadora se pueden clasificar en varios tipos diferentes: bidimensionales (2D), tridimensionales (3D) y gráficos animados. A medida que la tecnología ha mejorado, los gráficos de computadora en 3D se han vuelto más comunes, pero los gráficos de computadora en 2D aún se usan ampliamente. Los gráficos de computadora han surgido como un subcampo de la ciencia informática que estudia métodos para sintetizar y manipular digitalmente contenido visual. Durante la última década, se han desarrollado otros campos especializados como la visualización de información y la visualización científica más relacionada con "la visualización de fenómenos tridimensionales (arquitectónicos, meteorológicos, médicos, biológicos , etc.), donde el énfasis está en representaciones realistas de volúmenes, superficies, fuentes de iluminación, etc., tal vez con un componente dinámico (temporal)". [4]
Las ciencias precursoras del desarrollo de los gráficos por computadora modernos fueron los avances en ingeniería eléctrica , electrónica y televisión que tuvieron lugar durante la primera mitad del siglo XX. Las pantallas podían mostrar arte desde el uso de máscaras por parte de los hermanos Lumière para crear efectos especiales para las primeras películas que datan de 1895, pero tales pantallas eran limitadas y no interactivas. El primer tubo de rayos catódicos , el tubo Braun , se inventó en 1897; a su vez, permitiría el osciloscopio y el panel de control militar , los precursores más directos del campo, ya que proporcionaron las primeras pantallas electrónicas bidimensionales que respondían a la entrada programática o del usuario. Sin embargo, los gráficos por computadora permanecieron relativamente desconocidos como disciplina hasta la década de 1950 y el período posterior a la Segunda Guerra Mundial , tiempo durante el cual la disciplina surgió de una combinación de investigación académica puramente universitaria y de laboratorio en computadoras más avanzadas y el mayor desarrollo del ejército de los Estados Unidos de tecnologías como el radar , la aviación y la cohetería desarrolladas durante la guerra. Se necesitaban nuevos tipos de pantallas para procesar la gran cantidad de información resultante de tales proyectos, lo que condujo al desarrollo de los gráficos por computadora como disciplina. [5]
Los primeros proyectos como Whirlwind y SAGE introdujeron el CRT como una interfaz de interacción y visualización 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 que presentaba gráficos interactivos reconocibles, 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 simuló un partido de tenis. En 1959, Douglas T. Ross , mientras trabajaba en el MIT en la transformación de enunciados matemáticos en vectores de máquinas herramienta 3D generados por computadora, creó una imagen de osciloscopio de un personaje de dibujos animados de Disney . [6]
La pionera en electrónica Hewlett-Packard salió a bolsa en 1957, después de haberse incorporado la década anterior, y estableció fuertes vínculos con la Universidad de Stanford a través de sus fundadores, que eran ex alumnos . Esto dio inicio a la transformación que duró décadas de la zona sur de la bahía de San Francisco en el principal centro de tecnología informática del mundo, hoy conocido como Silicon Valley . El campo de los gráficos por ordenador se desarrolló con la aparición del hardware de gráficos por ordenador.
Los avances posteriores en informática llevaron a 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 una serie de nuevas interfaces hombre-máquina. Se podía utilizar un lápiz óptico para dibujar bocetos en el ordenador utilizando el revolucionario software Sketchpad de Ivan Sutherland . [7] Utilizando un lápiz óptico, Sketchpad permitía dibujar formas sencillas en la pantalla del ordenador, guardarlas e incluso recuperarlas más tarde. El propio lápiz óptico tenía una pequeña célula fotoeléctrica en su punta. Esta célula emitía un pulso electrónico cada vez que se colocaba delante de una pantalla de ordenador y el cañón de electrones de la pantalla disparaba directamente sobre él. Simplemente sincronizando el pulso electrónico con la ubicación actual del cañón de electrones, era fácil señalar exactamente dónde estaba el lápiz en la pantalla en un momento dado. Una vez que se determinaba eso, el ordenador podía dibujar un cursor en esa ubicación. Sutherland parecía 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 comenzaron con este primer programa Sketchpad. Un ejemplo de esto se encuentra en las restricciones de dibujo. Si uno quiere dibujar un cuadrado, por ejemplo, no tiene que preocuparse por dibujar cuatro líneas perfectas para formar los bordes de la caja. Uno puede simplemente especificar que quiere dibujar una caja y luego especificar la ubicación y el tamaño de la caja. El software construirá entonces una caja perfecta, con las dimensiones correctas y en la ubicación correcta. Otro ejemplo es que el software de Sutherland modelaba objetos, no solo una imagen de objetos. En otras palabras, con un modelo de un automóvil, uno podría cambiar el tamaño de los neumáticos sin afectar el resto del automóvil. Podría estirar la carrocería del automóvil sin deformar los neumáticos.
La frase "gráficos por computadora" se le atribuye a William Fetter , un diseñador gráfico de Boeing en 1960. Fetter, a su vez, se la atribuyó a Verne Hudson, también de Boeing. [7] [8]
En 1961, otro estudiante del MIT, Steve Russell , creó otro título importante en la historia de los videojuegos : Spacewar! Escrito para la DEC PDP-1, Spacewar fue un éxito instantáneo y comenzaron a llegar copias a otros propietarios de PDP-1 y, finalmente, DEC obtuvo una copia. [ cita requerida ] Los ingenieros de DEC lo usaron como programa de diagnóstico en cada nueva PDP-1 antes de enviarla. El equipo de ventas se dio cuenta de esto bastante rápido y, cuando instalaban 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 casi desconocido fuera de un entorno académico o de investigación).
Casi al mismo tiempo (1961-1962), en la Universidad de Cambridge, Elizabeth Waldram escribió un código para mostrar mapas de radioastronomía en un tubo de rayos catódicos. [9]
EE Zajac, un científico del Laboratorio Bell Telephone (BTL), creó una película llamada "Simulación de un sistema de control de actitud gravitacional de dos giros" en 1963. [10] 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 llamada Fuerza, masa y movimiento que ilustra las leyes de 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 forma sólida . Boeing Aircraft creó una película llamada Vibración de una aeronave .
También en algún momento a principios de la década de 1960, los automóviles también proporcionarían un impulso a través del trabajo temprano de Pierre Bézier en Renault , quien utilizó las curvas de Paul de Casteljau , ahora llamadas curvas de Bézier por el trabajo de Bézier en el campo, para desarrollar técnicas de modelado 3D para carrocerías de automóviles Renault . Estas curvas formarían la base de gran parte del trabajo de modelado de curvas en el campo, ya que las curvas, a diferencia de los polígonos, son entidades matemáticamente complejas para dibujar y modelar bien.
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 se estaban iniciando en los 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 , un ingeniero supervisor de Sanders Associates , ideó un videojuego doméstico en 1966 que luego fue licenciado a Magnavox y llamado Odyssey . Si bien era muy simple y requería piezas electrónicas bastante económicas, permitía al jugador mover puntos de luz por 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 ordenador se convirtieron rápidamente en su principal interés. Este nuevo departamento se convertiría en el principal centro de investigación del mundo en gráficos por ordenador durante la década de 1970.
En 1966, Ivan Sutherland continuó innovando en el MIT cuando inventó el primer visor montado en la cabeza controlado por computadora (HMD). Mostraba dos imágenes separadas en forma de alambre, una para cada ojo. Esto permitía al espectador ver la escena de la computadora en 3D estereoscópico . El pesado hardware necesario para sostener el visor y el rastreador se llamaba la Espada de Damocles debido al peligro potencial que suponía si cayera sobre el usuario. Después de recibir su doctorado en el MIT, Sutherland se convirtió en Director de Procesamiento de Información en ARPA (Advanced Research Projects Agency), y más tarde se convirtió en profesor en Harvard. En 1967, Sutherland fue reclutado por Evans para unirse al programa de ciencias de la computación en 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 a partir de entonces, y que eventualmente produciría algunos de los pioneros más importantes en el campo. Allí, Sutherland perfeccionó su HMD; veinte años más tarde, la NASA redescubriría sus técnicas en su investigación de realidad virtual . En Utah, Sutherland y Evans eran consultores muy solicitados por grandes empresas, pero estaban frustrados por la falta de hardware gráfico disponible en ese momento, por lo que comenzaron a formular un plan para iniciar su propia empresa.
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En 1968, Dave Evans e Ivan Sutherland fundaron la primera empresa de hardware para gráficos informáticos, Evans & Sutherland . Aunque Sutherland quería en un principio que la empresa se instalara en Cambridge (Massachusetts), se eligió Salt Lake City por su proximidad al grupo de investigación de los profesores de la Universidad de Utah.
También en 1968, Arthur Appel describió el primer algoritmo de proyección de rayos , el primero de una clase de algoritmos de renderizado basados en trazado de rayos que desde entonces se han vuelto fundamentales para lograr el fotorrealismo en gráficos al modelar las trayectorias que toman los rayos de luz desde una fuente de luz hasta las superficies de una escena y dentro de la cámara.
En 1969, la ACM inició el Grupo de Interés Especial en Gráficos ( SIGGRAPH ), que organiza conferencias , estándares gráficos y publicaciones dentro del campo de los gráficos por computadora. En 1973, se celebró la primera conferencia anual de SIGGRAPH, que se ha convertido en uno de los focos de atención 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 en este campo en la Universidad de Utah , que había contratado a Ivan Sutherland . Fue emparejado con David C. Evans para enseñar una clase avanzada de gráficos por computadora, que aportó una gran cantidad de investigación fundacional al campo y enseñó a varios estudiantes que luego fundarían varias de las empresas más importantes de la industria, a saber, Pixar , Silicon Graphics y Adobe Systems . Tom Stockham dirigió el grupo de procesamiento de imágenes en UU, que trabajó en estrecha colaboración con el laboratorio de gráficos por computadora.
Uno de estos estudiantes fue Edwin Catmull . Catmull acababa de llegar de The Boeing Company y había estado trabajando en su licenciatura en física. Habiendo crecido en Disney , a Catmull le encantaba la animación, pero rápidamente descubrió que no tenía talento para el dibujo. Ahora Catmull (junto con muchos otros) veía las computadoras como la progresión natural de la animación y querían ser parte de la revolución. La primera animación por computadora que vio Catmull fue la suya. 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, ahora considerado una de las técnicas fundamentales en el modelado 3D . Se convirtió en uno de sus objetivos producir una película de larga duración utilizando gráficos de computadora, una meta que lograría dos décadas después de su papel fundador en Pixar . En la misma clase, Fred Parke creó una animación del rostro de su esposa. Las dos animaciones se incluyeron en el largometraje de 1976 Futureworld .
Mientras el laboratorio de gráficos por ordenador de la UU. atraía a gente de todas partes, John Warnock fue otro de esos pioneros; más tarde fundó Adobe Systems y creó una revolución en el mundo editorial con su lenguaje de descripción de páginas PostScript . Adobe crearía más tarde el software de edición de fotografías estándar de la industria, Adobe Photoshop , y un destacado programa de efectos especiales para la industria cinematográfica, Adobe After Effects .
James Clark también estuvo 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.
Estos pioneros crearon en la UU un avance importante en el campo de los gráficos por ordenador en 3D: la determinación de superficies ocultas . Para dibujar una representación de un objeto en 3D en la pantalla, el ordenador debe determinar qué superficies están "detrás" del objeto desde la perspectiva del observador y, por lo tanto, deben estar "ocultas" cuando el ordenador crea (o renderiza) la imagen. El sistema de gráficos 3D Core (o Core ) fue el primer estándar gráfico que se desarrolló. 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 este 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 Gouraud y Blinn-Phong , lo que permitió que los gráficos pasaran de un aspecto "plano" a un aspecto que retrata la profundidad con mayor precisión. Jim Blinn también innovó aún más en 1978 al introducir el mapeo de relieve , una técnica para simular superficies irregulares y el predecesor de muchos tipos de mapeo más avanzados que se utilizan en la actualidad.
El arcade de videojuegos moderno tal como lo conocemos hoy nació en la década de 1970, con los primeros juegos arcade que usaban gráficos de sprites 2D en tiempo real . Pong en 1972 fue uno de los primeros juegos de arcade de éxito. Speed Race en 1974 presentaba sprites que se movían a lo largo de una carretera que se desplazaba verticalmente . Gun Fight en 1975 presentaba personajes animados con apariencia humana, mientras que Space Invaders en 1978 presentaba una gran cantidad de figuras animadas en la pantalla; ambos usaban un circuito de cambio de barril especializado hecho de chips discretos para ayudar a su microprocesador Intel 8080 a animar sus gráficos de búfer de cuadros .
En la década de 1980, comenzó la comercialización de los gráficos por computadora. A medida que proliferaban los ordenadores domésticos , una disciplina que antes había sido exclusiva de los académicos 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 de metal (MOS) condujo a 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 de computadora, permitiendo gráficos de alta resolución para terminales de gráficos de computadora, así como sistemas de computadora personal (PC). El μPD7220 de NEC fue la primera GPU, fabricada en un chip NMOS VLSI completamente integrado . Admitía una resolución de hasta 1024x1024 y sentó las bases para el emergente 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 . [11] La memoria MOS también se volvió más barata a principios de la década de 1980, lo que permitió el desarrollo de una memoria de búfer de cuadros asequible , [12] en particular la RAM de video (VRAM) introducida por Texas Instruments (TI) a mediados de la década de 1980. [13] En 1984, Hitachi lanzó la ARTC HD63484, la primera GPU MOS complementaria (CMOS). Era capaz de mostrar alta resolución en modo de color y hasta una resolución de 4K en modo monocromo, y se utilizó en varias tarjetas gráficas y terminales durante finales de la década de 1980. [14] En 1986, TI presentó el TMS34010 , el primer procesador gráfico MOS totalmente programable . [13]
Las terminales de gráficos de computadora durante esta década se volvieron cada vez más inteligentes, semiautónomas y estaciones de trabajo autónomas. El procesamiento de gráficos y aplicaciones fue migrado cada vez más a la inteligencia en la estación de trabajo, en lugar de seguir dependiendo de mainframes centrales y minicomputadoras . Típicas de la transición temprana a los gráficos de computadora de alta resolución, las estaciones de trabajo inteligentes para el mercado de ingeniería asistida por computadora fueron las estaciones de trabajo Orca 1000, 2000 y 3000, desarrolladas por Orcatech de Ottawa, una escisión de Bell-Northern Research , y lideradas por David Pearson, un pionero de las estaciones de trabajo. La Orca 3000 se basaba en el microprocesador Motorola 68000 de 16 bits y los procesadores bit-slice de AMD , y tenía Unix como sistema operativo. Estaba dirigida directamente al extremo sofisticado del sector de la ingeniería de diseño. Los artistas y diseñadores gráficos comenzaron a ver la computadora personal, particularmente la Amiga y la Macintosh , como una herramienta de diseño seria, una que podía ahorrar tiempo y dibujar con mayor precisión que otros métodos. El Macintosh sigue siendo una herramienta muy popular para la creación de gráficos por ordenador entre los estudios y las empresas de diseño gráfico. Los ordenadores modernos, que datan de la década de 1980, suelen utilizar interfaces gráficas de usuario (GUI) para presentar datos e información con símbolos, iconos 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 representar gráficos por computadora realistas en 3D . Según la Sociedad de Procesamiento de la Información de Japón: "El núcleo de la representación de imágenes en 3D es calcular la luminancia de cada píxel que compone una superficie representada desde el punto de vista, la fuente de luz y la posición del objeto dados. El sistema LINKS-1 fue desarrollado para realizar una metodología de representación de imágenes en la que cada píxel pudiera procesarse en paralelo de forma independiente utilizando el trazado de rayos . Al desarrollar una nueva metodología de software específicamente para la representación de imágenes de alta velocidad, LINKS-1 pudo representar rápidamente imágenes altamente realistas". [15] El LINKS-1 era la computadora más poderosa del mundo , en 1984. [16]
También en el campo del renderizado realista, en 1986 se desarrolló la ecuación de renderizado general de David Immel y James Kajiya , un paso importante hacia la implementación de la iluminación global , necesaria para alcanzar el fotorrealismo en los gráficos por computadora.
La continua popularidad de Star Wars y otras franquicias de ciencia ficción fueron relevantes en la CGI cinematográfica en este momento, ya que Lucasfilm e Industrial Light & Magic se hicieron conocidos como la casa "de referencia" de muchos otros estudios para gráficos de computadora de primer nivel en el cine. Se hicieron avances importantes en la incrustación de croma ("pantalla azul", etc.) para las películas posteriores de la trilogía original. Otras dos piezas de video también sobrevivirían a la era como históricamente relevantes: el icónico video de Dire Straits , casi completamente CGI para su canción " Money for Nothing " en 1985, que popularizó CGI entre los fanáticos de la música de esa época, y una escena de Young Sherlock Holmes el mismo año que presenta el primer personaje completamente CGI en una película (un caballero animado de vidrieras ). En 1988, los primeros sombreadores , pequeños programas diseñados específicamente para hacer sombreado como un algoritmo separado, fueron desarrollados por Pixar , que ya se había separado de Industrial Light & Magic como una entidad separada, aunque el público no vería los resultados de tal progreso tecnológico hasta la próxima década. A fines de la década de 1980, se utilizaron computadoras Silicon Graphics (SGI) para crear algunos de los primeros cortometrajes totalmente generados por computadora en Pixar , y las máquinas Silicon Graphics fueron consideradas un hito para el campo durante la década.
La década de 1980 también se denomina la era dorada de los videojuegos ; los sistemas de ventas millonarias de Atari , Nintendo y Sega , entre otras compañías, expusieron los gráficos de computadora por primera vez a una audiencia nueva, joven e impresionable, al igual que las computadoras personales basadas en MS-DOS , Apple II , Mac y Amigas , todas las cuales también permitían a los usuarios programar sus propios juegos si eran lo suficientemente hábiles. Para las salas de juegos , se hicieron avances en gráficos 3D comerciales en tiempo real . En 1988, se introdujeron las primeras placas de gráficos 3D en tiempo real dedicadas para salas de juegos, con Namco System 21 [17] y Taito Air System. [18] En el lado 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 en la que 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 mercados profesionales adicionales, incluidos el entretenimiento y la educación basados en la ubicación con E&S Digistar, el diseño de vehículos, la simulación de vehículos y la química.
La década de 1990 se caracterizó por la aparición del modelado 3D a gran escala y un aumento impresionante de la calidad de la CGI en general. Los ordenadores domésticos empezaron a ser capaces de realizar tareas de renderización que antes estaban limitadas a estaciones de trabajo que costaban miles de dólares; a medida que los modeladores 3D empezaron a estar disponibles para los sistemas domésticos, la popularidad de las estaciones de trabajo Silicon Graphics disminuyó y las potentes máquinas Microsoft Windows y Apple Macintosh que ejecutaban productos de Autodesk como 3D Studio u otro software de renderización doméstico cobraron importancia. A finales de la década, la GPU comenzaría a ascender hasta alcanzar la importancia que todavía disfruta hoy.
El campo comenzó a ver los primeros gráficos renderizados que realmente podían pasar como fotorrealistas para el ojo inexperto (aunque aún no podían hacerlo con un artista CGI entrenado) y los gráficos 3D se volvieron mucho más populares en juegos , multimedia y animación . A fines de la década de 1980 y principios de la década de 1990 se crearon, en Francia, las primeras series de televisión de gráficos por computadora: 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 computadora de HDTV de Maurice Benayoun y François Schuiten (estudio ZA production, 1990-1993).
En el ámbito cinematográfico, Pixar comenzó su ascenso comercial serio en esta era bajo la dirección de Edwin Catmull , con su primer estreno cinematográfico importante, en 1995, Toy Story , un éxito crítico y comercial de nueve cifras. El estudio que inventó el sombreador programable tuvo muchos éxitos animados, y su trabajo en animación de video pre-renderizada todavía se considera un líder de la industria y un pionero en la investigación.
En los videojuegos, en 1992, Virtua Racing , que se ejecutaba en la placa base del sistema arcade Sega Model 1 , sentó las bases para los juegos de carreras completamente en 3D y popularizó los gráficos poligonales en 3D en tiempo real entre un público más amplio en la industria de los videojuegos . [19] Posteriormente, Sega Model 2 en 1993 y 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 crítica y popular durante esta década utilizando un motor de renderizado innovado [ vago ] principalmente por John Carmack . La Sony PlayStation , Sega Saturn y Nintendo 64 , entre otras consolas, se vendieron por 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 siguieron mejorando enormemente. En 1996, Krishnamurty y Levoy inventaron el mapeo normal , una mejora del mapeo de protuberancias de Jim Blinn . En 1999, Nvidia lanzó la seminal GeForce 256 , la primera tarjeta de video para el hogar anunciada como una unidad de procesamiento gráfico o GPU, que en sus propias palabras contenía " transformación integrada , iluminación , configuración / recorte de triángulos y motores de renderizado ". A fines de la década, las computadoras adoptaron marcos comunes para el procesamiento gráfico, como DirectX y OpenGL . Desde entonces, los gráficos de computadora solo se han vuelto más detallados y realistas, debido al hardware gráfico más potente y al software de modelado 3D . AMD también se convirtió en un desarrollador líder de placas gráficas en esta década, creando un "duopolio" en el campo que existe hasta el día de hoy.
En esta época, los gráficos generados por computadora se volvieron omnipresentes. A fines de los años 90, los videojuegos y el cine generado por computadora habían extendido el alcance de los gráficos por computadora al público en general y continuaron haciéndolo a un ritmo acelerado en los años 2000. Los gráficos generados por computadora también se adoptaron en masa para los anuncios televisivos a fines de los años 90 y en los años 2000, por lo que se volvieron familiares para una audiencia masiva.
El continuo aumento 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 consideraron 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 . [20] A medida que avanzaba la década, incluso las máquinas de gama baja generalmente contenían una GPU con capacidad 3D de algún tipo, ya que Nvidia y AMD introdujeron conjuntos de chips de bajo precio y continuaron dominando el mercado. Los sombreadores que se habían introducido en la década de 1980 para realizar un procesamiento especializado en la GPU, a fines de la década, serían compatibles con la mayoría del hardware de consumo, acelerando considerablemente los gráficos y permitiendo una textura y sombreado muy mejorados en los gráficos de computadora a través de la adopción generalizada de mapeo normal , mapeo de relieve y una variedad de otras técnicas que permiten la simulación de una gran cantidad de detalles.
Los gráficos de computadora utilizados en películas y videojuegos gradualmente comenzaron a ser realistas hasta el punto de ingresar al " valle inquietante" . Las películas CGI proliferaron, con películas de dibujos animados tradicionales como Ice Age y Madagascar , así como numerosas ofertas de Pixar como Buscando a Nemo dominando la taquilla en este campo. Final Fantasy: The Spirits Within , estrenada en 2001, fue la primera película completamente generada por computadora en usar personajes CGI fotorrealistas y estar completamente hecha con captura de movimiento. [21] Sin embargo, la película no fue un éxito de taquilla. [22] Algunos comentaristas han sugerido que esto puede deberse en parte a que los personajes principales CGI tenían rasgos faciales que caían en el " valle inquietante ". [nota 1] Otras películas animadas como The Polar Express también llamaron la atención en esta época. Star Wars también resurgió con su trilogía de precuelas y los efectos continuaron estableciendo un estándar para CGI en el cine.
En los videojuegos , la PlayStation 2 y 3 de Sony , la línea de consolas Xbox de Microsoft y las ofertas de Nintendo como la GameCube mantuvieron un gran número de seguidores, al igual que la PC con Windows . Títulos destacados 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 , haciendo crecer la industria de los videojuegos e impresionando, hasta que los ingresos de esa industria se volvieron comparables a los de las películas. Microsoft tomó la decisión de exponer DirectX más fácilmente al mundo de los desarrolladores independientes con el programa XNA , pero no fue un éxito. Sin embargo, DirectX en sí mismo siguió siendo un éxito comercial. OpenGL también continuó madurando, y tanto él como DirectX mejoraron mucho; los lenguajes de sombreado de segunda generación HLSL y GLSL comenzaron a ser populares en esta década.
En informática científica , se inventó la técnica GPGPU para pasar grandes cantidades de datos de forma bidireccional entre una GPU y una CPU, lo que agiliza el análisis en muchos tipos de experimentos de bioinformática y biología molecular . La técnica también se ha utilizado para la minería de Bitcoin y tiene aplicaciones en la visión artificial .
En la década de 2010, la CGI se ha vuelto casi omnipresente en el video, los gráficos pre-renderizados son casi científicamente fotorrealistas y los gráficos en tiempo real en un sistema de alta gama pueden simular fotorrealismo para el ojo inexperto.
El mapeo de texturas ha madurado hasta convertirse en un proceso de varias etapas con muchas capas; en general, no es raro implementar mapeo de texturas, mapeo de relieve o isosuperficies o mapeo normal , mapas de iluminación que incluyen técnicas de reflejos y reflejos especulares y volúmenes de sombras en un motor de renderizado utilizando 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 en función de cada 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 , también es un área de investigación activa, junto con áreas avanzadas como oclusión ambiental , dispersión del subsuelo , dispersión de Rayleigh , mapeo de fotones y muchas otras. Se están iniciando experimentos sobre la potencia de procesamiento necesaria para proporcionar gráficos en tiempo real en modos de resolución ultraalta como 4K Ultra HD , aunque están fuera del alcance de todos, excepto el hardware de más alta gama.
En el cine, la mayoría de las películas animadas son CGI en la actualidad; se hacen muchas películas animadas CGI por año , pero pocas, si es que hay alguna, intentan el fotorrealismo debido a los temores constantes al valle inquietante . La mayoría son dibujos animados en 3D .
En los videojuegos, Microsoft Xbox One , Sony PlayStation 4 y Nintendo Switch dominaron el espacio doméstico y todas eran capaces de ofrecer gráficos 3D avanzados; la PC con Windows también seguía siendo una de las plataformas de juego más activas.
Los gráficos de computadora 2D son la generación de imágenes digitales basada en computadora , principalmente a partir de modelos, como imágenes digitales, y mediante técnicas específicas para ellos.
Los gráficos por ordenador en 2D se utilizan principalmente en aplicaciones que se desarrollaron originalmente a partir de tecnologías tradicionales de impresión y dibujo , como la tipografía. En esas aplicaciones, la imagen bidimensional no es solo una representación de un objeto del mundo real, sino un artefacto independiente con un valor semántico añadido; por lo tanto, se prefieren los modelos bidimensionales porque ofrecen un control más directo de la imagen que los gráficos por ordenador en 3D , cuyo enfoque es más parecido a la fotografía que a la tipografía .
El pixel art es una forma de arte digital de gran importancia que se crea mediante el uso de software de gráficos rasterizados , en el que las imágenes se editan a nivel de píxeles . Los gráficos de la mayoría de los videojuegos y juegos de ordenador antiguos (o relativamente limitados), los juegos con calculadoras gráficas y muchos juegos para teléfonos móviles son en su mayoría pixel art.
Un sprite es una imagen o animación bidimensional que se integra en una escena más grande. Inicialmente, solo incluía objetos gráficos que se manejaban por separado del mapa de bits de la memoria de una pantalla de video; ahora incluye varias formas de superposiciones gráficas.
Originalmente, los sprites eran un método para integrar mapas de bits no relacionados de modo que parecieran ser parte del mapa de bits normal en una pantalla , como crear un personaje animado que se puede mover en una pantalla sin alterar los datos que definen la pantalla general. Dichos sprites se pueden crear mediante circuitos electrónicos o software . En circuitos, un sprite de hardware es una construcción de hardware que emplea canales DMA personalizados para integrar elementos visuales con la pantalla principal, ya que superpone dos fuentes de video discretas. El software puede simular esto a través de métodos de renderizado especializados.
Los formatos de gráficos vectoriales son complementarios a los gráficos rasterizados . Los gráficos rasterizados son la representación de imágenes como una matriz de píxeles y se utilizan normalmente para la representación de imágenes fotográficas. [23] Los gráficos vectoriales consisten en codificar información sobre las formas y los colores que componen la imagen, lo que puede permitir una mayor flexibilidad en la representación. Hay casos en los que trabajar con herramientas y formatos vectoriales es la mejor práctica, y casos en los que trabajar con herramientas y formatos rasterizados es la mejor práctica. Hay momentos en los que ambos formatos se combinan. La comprensión de las ventajas y limitaciones de cada tecnología y la relación entre ellas es lo más probable que dé como resultado un uso eficiente y eficaz de las herramientas.
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Desde mediados de la década de 2010, como resultado de 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 esa descripción. Los modelos de texto a imagen generalmente combinan un modelo de lenguaje , que transforma el texto de entrada en una representación latente, y un modelo de imagen generativa , que produce una imagen condicionada a esa representación. Los modelos más efectivos generalmente se han entrenado en cantidades masivas de datos de imágenes y texto extraídos de la web. Para 2022, los mejores de estos modelos, por ejemplo Dall-E 2 y Stable Diffusion , pueden crear imágenes en una variedad de estilos, que van desde imitaciones de artistas vivos hasta casi fotorrealistas, en cuestión de segundos, dado un hardware lo suficientemente potente. [24]
Los gráficos 3D, a diferencia de los gráficos 2D, son gráficos que utilizan una representación tridimensional de datos geométricos. Para fines de rendimiento, estos se almacenan en la computadora. Esto incluye imágenes que pueden mostrarse más tarde o en tiempo real.
A pesar de estas diferencias, los gráficos por ordenador en 3D se basan en algoritmos similares a los de los gráficos por ordenador en 2D en el fotograma y los gráficos rasterizados (como en 2D) en la pantalla final renderizada. En el software de gráficos por ordenador, la distinción entre 2D y 3D a veces es borrosa; las aplicaciones 2D pueden utilizar técnicas 3D para lograr efectos como la iluminación, y principalmente las 3D pueden utilizar técnicas de renderizado 2D.
Los gráficos por ordenador en 3D son lo mismo que los modelos en 3D. El modelo está contenido en el archivo de datos gráficos, aparte de la representación. Sin embargo, existen diferencias, como que el modelo en 3D es la representación de cualquier objeto en 3D. Hasta que no se muestra visualmente, un modelo no es gráfico. Debido a la impresión, los modelos en 3D no se limitan al espacio virtual. La representación en 3D es la forma en que se puede mostrar 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 por computadora y la animación . Cada vez se crea más mediante gráficos por computadora en 3D , aunque los gráficos por computadora en 2D todavía se usan ampliamente para necesidades de estilo, bajo ancho de banda y renderizado más rápido en tiempo real . A veces, el objetivo de la animación es la propia computadora, pero a veces el objetivo es otro medio , como una película . También se lo conoce como CGI ( imágenes generadas por computadora o imágenes generadas por computadora), especialmente cuando se usa 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 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 basadas en procedimientos y 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 obtener un resultado evaluado devuelto a partir de una expresión lógica definida por el usuario, junto con matemáticas, para automatizar la animación de una manera 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 de la computadora y luego se reemplaza rápidamente por una nueva imagen que es similar a la imagen anterior, pero ligeramente desplazada. Esta técnica es idéntica a la ilusión de movimiento en la televisión y las películas .
Las imágenes suelen crearse mediante dispositivos como cámaras , espejos , lentes , telescopios , microscopios , etc.
Las imágenes digitales incluyen tanto imágenes vectoriales como imágenes rasterizadas , pero las imágenes rasterizadas son las más utilizadas.
En imágenes digitales, un píxel (o elemento de imagen [25] ) es un único punto en una imagen rasterizada . Los píxeles se colocan en una cuadrícula bidimensional regular y, a menudo, se representan mediante puntos o cuadrados. Cada píxel es una muestra de una imagen original, donde más muestras suelen proporcionar una representación más precisa del original. 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 en una superficie, como una pantalla de computadora. Algunos ejemplos son fotografías, dibujos, diseños gráficos, mapas , dibujos de ingeniería u otras imágenes. Los gráficos a menudo combinan texto e ilustración. El diseño gráfico puede consistir en la selección, creación o disposición deliberada de la tipografía únicamente, como en un folleto, volante, póster, sitio web o libro sin ningún otro elemento. La claridad o la comunicación efectiva pueden ser el objetivo, se puede buscar la asociación con otros elementos culturales o simplemente la creación de un estilo distintivo.
Los primitivos son unidades básicas que un sistema gráfico puede combinar para crear imágenes o modelos más complejos. Algunos ejemplos serían los sprites y los mapas de personajes en los videojuegos 2D, los primitivos geométricos en CAD o los polígonos o triángulos en la renderización 3D. Los primitivos pueden estar soportados en hardware para una renderización eficiente o pueden ser los bloques de construcción proporcionados por una aplicación gráfica .
La renderización es la generación de una imagen 2D a partir de un modelo 3D por medio de programas informáticos. Un archivo de escena contiene objetos en un lenguaje o estructura de datos estrictamente definidos; contendría información de geometría, punto de vista, texturas, iluminación y sombreado como una descripción de la escena virtual. [26] Los datos contenidos en el archivo de escena se pasan luego a un programa de renderización para ser procesados y exportados a un archivo de imagen digital o de gráficos rasterizados . El programa de renderización suele estar integrado en el software de gráficos de computadora, aunque hay otros disponibles como complementos o programas completamente separados. El término "renderización" puede ser por analogía con una "representación artística" de una escena. Aunque los detalles técnicos de los métodos de renderización varían, los desafíos generales a superar en la producción de una imagen 2D a partir de una representación 3D almacenada en un archivo de escena se describen como la tubería de gráficos a lo largo de un dispositivo de renderización, como una GPU . Una GPU es un dispositivo capaz de ayudar a la CPU en los cálculos. Si una escena debe verse relativamente realista y predecible bajo iluminación virtual, el software de renderización debe resolver la ecuación de renderización . La ecuación de renderizado no tiene en cuenta todos los fenómenos de iluminación, sino que es un modelo de iluminación general para imágenes generadas por computadora. El término "renderizado" también se utiliza para describir el proceso de cálculo de efectos en un archivo de edición de video para producir el resultado final.
La representación volumétrica es una técnica que se utiliza para mostrar una proyección 2D de un conjunto de datos muestreados discretamente en 3D . Un conjunto de datos 3D típico es un grupo de imágenes de cortes 2D adquiridas mediante un escáner de TC o MRI .
Por lo general, se adquieren siguiendo un patrón regular (por ejemplo, un corte cada milímetro) y suelen tener una cantidad regular de píxeles de imagen siguiendo un patrón regular. Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular, en la que cada elemento de volumen o vóxel está representado por un único valor que se obtiene mediante el muestreo del área inmediata que rodea al vóxel.
El modelado 3D es el proceso de desarrollar una representación matemática en forma de alambre de cualquier objeto tridimensional, llamado "modelo 3D", a través de un software especializado. Los modelos pueden crearse de forma automática o manual; el proceso de modelado manual de preparación de datos geométricos para gráficos informáticos 3D es similar a las artes plásticas, como la escultura . Los modelos 3D pueden crearse utilizando múltiples enfoques: uso de NURB para generar parches de superficie precisos y suaves, modelado de malla poligonal (manipulación de geometría facetada) o subdivisión de malla poligonal (teselación avanzada de polígonos, que da como resultado superficies suaves similares a los modelos NURB). Un modelo 3D puede mostrarse como una imagen bidimensional a través de un proceso llamado renderizado 3D , usarse 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 .
El estudio de los gráficos por computadora es un subcampo de la informática que estudia los métodos para sintetizar y manipular digitalmente el contenido visual. Aunque el término suele referirse a los gráficos por computadora tridimensionales, también abarca los gráficos bidimensionales y el procesamiento de imágenes .
Como disciplina académica , los gráficos por computadora estudian la manipulación de información visual y geométrica mediante técnicas computacionales. Se centra 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 gráficos de computadora se pueden utilizar en las siguientes áreas:
