Los gráficos por computadora en 3D , a veces llamados CGI , 3-D-CGI o gráficos por computadora tridimensionales , son gráficos que utilizan una representación tridimensional de datos geométricos (a menudo cartesianos ) que se almacenan en la computadora con el fin de realizar cálculos y renderizar. Imágenes digitales , generalmente imágenes en 2D pero a veces imágenes en 3D . Las imágenes resultantes pueden almacenarse para verlas más tarde (posiblemente como una animación ) o mostrarse en tiempo real .
Los gráficos por ordenador en 3D, al contrario de lo que sugiere el nombre, se muestran con mayor frecuencia en pantallas bidimensionales. A diferencia de las películas en 3D y técnicas similares, el resultado es bidimensional, sin profundidad visual . Más a menudo, los gráficos tridimensionales se muestran en pantallas tridimensionales , como en los sistemas de realidad virtual .
Los gráficos 3D contrastan con los gráficos por computadora 2D , que normalmente utilizan métodos y formatos completamente diferentes para la creación y renderización.
Los gráficos por computadora en 3D se basan en muchos de los mismos algoritmos que los gráficos vectoriales por computadora en 2D en el modelo de estructura alámbrica y los gráficos rasterizados por computadora en 2D en la visualización renderizada final. En el software de gráficos por computadora, las aplicaciones 2-D pueden usar técnicas 3-D para lograr efectos como la iluminación y, de manera similar, las aplicaciones 3-D pueden usar algunas técnicas de renderizado 2-D.
Los objetos en los gráficos por computadora en 3D a menudo se denominan modelos 3D . A diferencia de la imagen renderizada, los datos de un modelo están contenidos en un archivo de datos gráficos. Un modelo tridimensional es una representación matemática de cualquier objeto tridimensional ; un modelo no es técnicamente un gráfico hasta que se muestra. Un modelo se puede mostrar visualmente como una imagen bidimensional mediante un proceso llamado renderizado 3D , o se puede utilizar en simulaciones y cálculos por computadora no gráficos . Con la impresión 3D , los modelos se representan en una representación física tridimensional real de sí mismos, con algunas limitaciones en cuanto a la precisión con la que el modelo físico puede coincidir con el modelo virtual. [1]
A William Fetter se le atribuye haber acuñado el término gráficos por computadora en 1961 [2] [3] para describir su trabajo en Boeing . Un ejemplo temprano de gráficos interactivos por computadora en 3D fue explorado en 1963 por el programa Sketchpad del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts . [4] Una de las primeras muestras de animación por computadora fue Futureworld (1976), que incluía una animación de un rostro humano y una mano que había aparecido originalmente en el corto experimental de 1971 A Computer Animated Hand , creado por los estudiantes de la Universidad de Utah, Edwin Catmull. y Fred Parke . [5]
El software de gráficos por computadora en 3-D comenzó a aparecer para computadoras domésticas a fines de la década de 1970. El ejemplo más antiguo conocido es 3D Art Graphics , un conjunto de efectos gráficos por computadora en 3D, escrito por Kazumasa Mitazawa y lanzado en junio de 1978 para Apple II . [6] [7]
El flujo de trabajo de producción de gráficos por computadora en 3D se divide en tres fases básicas:
El modelo describe el proceso de formación de la forma de un objeto. Las dos fuentes más comunes de modelos 3D son aquellos que un artista o ingeniero genera en la computadora con algún tipo de herramienta de modelado 3D , y los modelos escaneados en una computadora a partir de objetos del mundo real (modelado poligonal, modelado de parches y modelado NURBS). algunas herramientas populares utilizadas en el modelado 3D). Los modelos también se pueden producir mediante procedimientos o mediante simulación física . Básicamente, un modelo 3D se forma a partir de puntos llamados vértices que definen la forma y forman polígonos . Un polígono es un área formada por al menos tres vértices (un triángulo). Un polígono de n puntos es un n-gón. [8] La integridad general del modelo y su idoneidad para su uso en animación dependen de la estructura de los polígonos.
Antes de renderizar una imagen, los objetos deben disponerse en una escena 3D . Esto define las relaciones espaciales entre objetos, incluida la ubicación y el tamaño . La animación se refiere a la descripción temporal de un objeto (es decir, cómo se mueve y se deforma con el tiempo. Los métodos populares incluyen fotogramas clave , cinemática inversa y captura de movimiento ). Estas técnicas se utilizan a menudo en combinación. Al igual que ocurre con la animación, la simulación física también especifica el movimiento.
Los materiales y texturas son propiedades que utiliza el motor de renderizado para renderizar el modelo. Se pueden proporcionar materiales al modelo para indicarle al motor de renderizado cómo tratar la luz cuando llega a la superficie. Las texturas se utilizan para darle color al material usando un mapa de color o albedo, o para darle características a la superficie usando un mapa de relieve o un mapa normal . También se puede utilizar para deformar el modelo mismo utilizando un mapa de desplazamiento .
El renderizado convierte un modelo en una imagen, ya sea simulando el transporte de luz para obtener imágenes fotorrealistas o aplicando un estilo artístico como en el renderizado no fotorrealista . Las dos operaciones básicas en el renderizado realista son el transporte (cuánta luz llega de un lugar a otro) y la dispersión (cómo interactúan las superficies con la luz). Este paso generalmente se realiza utilizando un software de gráficos por computadora en 3D o una API de gráficos en 3D . Alterar la escena en una forma adecuada para renderizar también implica la proyección 3D , que muestra una imagen tridimensional en dos dimensiones. Aunque el software de modelado 3D y CAD también puede realizar renderizado 3D (por ejemplo, Autodesk 3ds Max o Blender ), también existe un software exclusivo de renderizado 3D (por ejemplo, Octane Rendering Engine de OTOY , Redshift de Maxon).
El software de gráficos por computadora en 3D produce imágenes generadas por computadora (CGI) mediante modelado y renderizado en 3D o produce modelos en 3D con fines analíticos, científicos e industriales.
Hay muchas variedades de archivos que admiten gráficos 3D, por ejemplo, archivos .obj de Wavefront y archivos .x DirectX. Cada tipo de archivo generalmente tiende a tener su propia estructura de datos única.
Se puede acceder a cada formato de archivo a través de sus respectivas aplicaciones, como archivos DirectX y Quake . Alternativamente, se puede acceder a los archivos a través de programas independientes de terceros o mediante descompilación manual.
El software de modelado 3D es una clase de software de gráficos por computadora 3D que se utiliza para producir modelos 3D. Los programas individuales de esta clase se denominan aplicaciones de modelado o modeladores.
El modelado 3D comienza describiendo 3 modelos de visualización: puntos de dibujo, líneas de dibujo y triángulos de dibujo y otros parches poligonales. [9]
Los modeladores 3D permiten a los usuarios crear y modificar modelos a través de su malla 3D . Los usuarios pueden agregar, restar, estirar y cambiar la malla a su gusto. Los modelos se pueden ver desde diversos ángulos, normalmente simultáneamente. Los modelos se pueden rotar y la vista se puede acercar y alejar.
Los modeladores 3D pueden exportar sus modelos a archivos , que luego pueden importarse a otras aplicaciones siempre que los metadatos sean compatibles. Muchos modeladores permiten conectar importadores y exportadores , para que puedan leer y escribir datos en los formatos nativos de otras aplicaciones .
La mayoría de los modeladores 3D contienen una serie de funciones relacionadas, como trazadores de rayos y otras alternativas de renderizado y funciones de mapeo de texturas . Algunos también contienen funciones que admiten o permiten la animación de modelos. Algunos pueden generar videos en movimiento completo de una serie de escenas renderizadas (es decir, animación ).
El software de diseño asistido por computadora puede emplear las mismas técnicas fundamentales de modelado 3D que utiliza el software de modelado 3D, pero su objetivo es diferente. Se utilizan en ingeniería asistida por computadora , fabricación asistida por computadora , análisis de elementos finitos , gestión del ciclo de vida del producto , impresión 3D y diseño arquitectónico asistido por computadora .
Después de producir el video, los estudios editan o componen el video usando programas como Adobe Premiere Pro o Final Cut Pro en el nivel medio, o Autodesk Combustion , Digital Fusion , Shake en el nivel alto. El software Match Moving se usa comúnmente para combinar video en vivo con video generado por computadora, manteniendo los dos sincronizados mientras la cámara se mueve.
El uso de motores de gráficos por computadora en tiempo real para crear una producción cinematográfica se llama machinima . [10]
No todos los gráficos por computadora que aparecen en 3D se basan en un modelo de estructura alámbrica . Los gráficos por computadora 2D con efectos fotorrealistas 3D a menudo se logran sin modelado de estructura alámbrica y, a veces, son indistinguibles en la forma final. Algunos programas de artes gráficas incluyen filtros que se pueden aplicar a gráficos vectoriales 2D o gráficos rasterizados 2D en capas transparentes. Los artistas visuales también pueden copiar o visualizar efectos 3D y generar manualmente efectos fotorrealistas sin el uso de filtros.
Algunos videojuegos utilizan gráficos 2,5D , que implican proyecciones restringidas de entornos tridimensionales, como gráficos isométricos o cámaras virtuales con ángulos fijos , ya sea como una forma de mejorar el rendimiento del motor del juego o por cuestiones de estilo y jugabilidad. Por el contrario, los juegos que utilizan gráficos por ordenador en 3D sin tales restricciones se dicen [ ¿ por quién? ] para utilizar 3D verdadero.
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