Las imágenes generadas por computadora ( CGI ) son una tecnología o aplicación específica de gráficos por computadora para crear o mejorar imágenes en arte , medios impresos , simuladores , videos y videojuegos. Estas imágenes son estáticas (es decir, imágenes fijas ) o dinámicas (es decir, imágenes en movimiento). CGI se refiere tanto a gráficos por computadora en 2D como (más frecuentemente) a gráficos por computadora en 3D con el propósito de diseñar personajes, mundos virtuales o escenas y efectos especiales (en películas , programas de televisión, comerciales, etc.). La aplicación de CGI para crear/mejorar animaciones se llama animación por computadora o animación CGI .
El primer largometraje que utilizó CGI así como la composición de una película de acción real con CGI fue Vertigo , [1] que utilizó CGI en los créditos iniciales de la película. El primer largometraje que utilizó CGI con acción en vivo en la trama de la película fue la película Westworld de 1973 . [2] Otras películas tempranas que incorporaron CGI incluyen Star Wars: Episodio IV (1977), [2] Tron (1982), Star Trek II: The Wrath of Khan (1982), [2] Golgo 13: The Professional (1983) , [3] El último caza estelar (1984), [4] El joven Sherlock Holmes (1985) y Toy Story (1995). El primer vídeo musical que utilizó CGI fue el premiado " Money for Nothing " (1985) de Dire Straits , cuyo éxito fue fundamental para dar al proceso una exposición generalizada. [ cita necesaria ]
Antes de que CGI prevaleciera en el cine, la realidad virtual, la informática personal y los juegos, una de las primeras aplicaciones prácticas de CGI fue para el entrenamiento militar y de aviación, es decir, el simulador de vuelo. Los sistemas visuales desarrollados en simuladores de vuelo también fueron un precursor importante de los gráficos tridimensionales por computadora y de los sistemas de imágenes generadas por computadora (CGI) actuales. En concreto, porque el objetivo de la simulación de vuelo era reproducir en tierra el comportamiento de un avión en vuelo. Gran parte de esta reproducción tuvo que ver con una síntesis visual creíble que imitaba la realidad. [5] El Link Digital Image Generator (DIG) de Singer Company (Singer-Link), fue considerado uno de los sistemas CGI de primera generación del mundo. [6] Era un sistema de día/anochecer/noche con capacidad 3D en tiempo real que fue utilizado por los transbordadores de la NASA, para los F-111, Black Hawk y el B-52. El generador de imágenes digitales de Link tenía una arquitectura que proporcionaba un sistema visual que correspondía de manera realista con la vista del piloto. [7] La arquitectura básica de DIG y las mejoras posteriores contenían un administrador de escena seguido de un procesador geométrico, un procesador de video y la pantalla con el objetivo final de un sistema visual que procesara texturas realistas, sombreados, capacidades de translucidez y sin aliasing. [8]
Combinadas con la necesidad de combinar la síntesis virtual con los requisitos de entrenamiento a nivel militar, las tecnologías CGI aplicadas en la simulación de vuelo a menudo iban años por delante de lo que habría estado disponible en la informática comercial o incluso en películas de alto presupuesto. Los primeros sistemas CGI sólo podían representar objetos formados por polígonos planos. Los avances en algoritmos y electrónica en los sistemas visuales de simuladores de vuelo y CGI en las décadas de 1970 y 1980 influyeron en muchas tecnologías que todavía se utilizan en CGI moderno, agregando la capacidad de superponer texturas sobre las superficies, así como la transición de imágenes de un nivel de detalle al siguiente en un manera suave. [9]
La evolución del CGI condujo al surgimiento de la cinematografía virtual en la década de 1990, donde la visión de la cámara simulada no está limitada por las leyes de la física. La disponibilidad de software CGI y el aumento de la velocidad de las computadoras han permitido a artistas individuales y pequeñas empresas producir películas, juegos y obras de arte de nivel profesional desde las computadoras de sus hogares.
Las imágenes animadas no sólo forman parte de imágenes generadas por computadora; Los paisajes de aspecto natural (como los paisajes fractales ) también se generan mediante algoritmos informáticos . Una forma sencilla de generar superficies fractales es utilizar una extensión del método de malla triangular , basándose en la construcción de algún caso especial de una curva de De Rham , por ejemplo, desplazamiento del punto medio . [10] Por ejemplo, el algoritmo puede comenzar con un triángulo grande, luego ampliarlo recursivamente dividiéndolo en cuatro triángulos de Sierpinski más pequeños y luego interpolar la altura de cada punto desde sus vecinos más cercanos. [10] La creación de una superficie browniana se puede lograr no solo agregando ruido a medida que se crean nuevos nodos, sino agregando ruido adicional en múltiples niveles de la malla. [10] Por lo tanto , se puede crear un mapa topográfico con diferentes niveles de altura utilizando algoritmos fractales relativamente sencillos. Algunos fractales típicos y fáciles de programar utilizados en CGI son el fractal de plasma y el fractal de falla más dramático . [11]
Se han investigado y desarrollado muchas técnicas específicas para producir efectos generados por computadora altamente enfocados; por ejemplo, el uso de modelos específicos para representar la erosión química de las piedras para modelar la erosión y producir una "apariencia envejecida" para una superficie determinada a base de piedra. [12]
Los arquitectos modernos utilizan los servicios de empresas de informática para crear modelos tridimensionales tanto para clientes como para constructores. Estos modelos generados por computadora pueden ser más precisos que los dibujos tradicionales. La animación arquitectónica (que proporciona películas animadas de edificios, en lugar de imágenes interactivas) también se puede utilizar para ver la posible relación que tendrá un edificio con el entorno y los edificios circundantes. El procesamiento de espacios arquitectónicos sin el uso de herramientas de papel y lápiz es ahora una práctica ampliamente aceptada en varios sistemas de diseño arquitectónico asistidos por computadora. [13]
Las herramientas de modelado arquitectónico permiten al arquitecto visualizar un espacio y realizar "recorridos" de manera interactiva, proporcionando así "entornos interactivos" tanto a nivel urbano como de edificio. [14] Las aplicaciones específicas en arquitectura no solo incluyen la especificación de estructuras de edificios (como paredes y ventanas) y recorridos, sino también los efectos de la luz y cómo la luz solar afectará un diseño específico en diferentes momentos del día. [15] [16]
Las herramientas de modelado arquitectónico se basan cada vez más en Internet. Sin embargo, la calidad de los sistemas basados en Internet todavía está por detrás de los sofisticados sistemas de modelado internos. [17]
En algunas aplicaciones, se utilizan imágenes generadas por computadora para realizar "ingeniería inversa" de edificios históricos. Por ejemplo, una reconstrucción generada por computadora del monasterio de Georgenthal en Alemania se derivó de las ruinas del monasterio, pero proporciona al espectador una "apariencia" de cómo habría sido el edificio en su época. [18]
Los modelos generados por computadora utilizados en la animación esquelética no siempre son anatómicamente correctos. Sin embargo, organizaciones como el Scientific Computing and Imaging Institute han desarrollado modelos informáticos anatómicamente correctos. Los modelos anatómicos generados por computadora se pueden utilizar tanto con fines educativos como operativos. Hasta la fecha, los estudiantes de medicina siguen utilizando una gran cantidad de imágenes médicas producidas por artistas, como imágenes de Frank H. Netter , por ejemplo, Imágenes cardíacas. Sin embargo, cada vez están disponibles varios modelos anatómicos en línea.
La radiografía de un solo paciente no es una imagen generada por computadora, incluso si está digitalizada. Sin embargo, en aplicaciones que involucran tomografías computarizadas , se produce automáticamente un modelo tridimensional a partir de muchos rayos X de un solo corte, lo que produce una "imagen generada por computadora". Las aplicaciones que implican imágenes por resonancia magnética también reúnen una serie de "instantáneas" (en este caso mediante pulsos magnéticos) para producir una imagen interna compuesta.
En las aplicaciones médicas modernas, se construyen modelos específicos de cada paciente en la "cirugía asistida por ordenador". Por ejemplo, en el reemplazo total de rodilla , se puede utilizar la construcción de un modelo detallado específico del paciente para planificar cuidadosamente la cirugía. [19] Estos modelos tridimensionales generalmente se extraen de múltiples tomografías computarizadas de las partes apropiadas de la anatomía del propio paciente. Estos modelos también se pueden utilizar para planificar implantes de válvula aórtica , uno de los procedimientos habituales para tratar enfermedades cardíacas . Dado que la forma, el diámetro y la posición de las aberturas coronarias pueden variar mucho de un paciente a otro, la extracción (de las tomografías computarizadas ) de un modelo que se asemeje mucho a la anatomía valvular de un paciente puede ser muy beneficiosa a la hora de planificar el procedimiento. [20]
Los modelos de tela generalmente se dividen en tres grupos:
Hasta la fecha, hacer que la ropa de un personaje digital se doble automáticamente y de forma natural sigue siendo un desafío para muchos animadores. [22]
Además de su uso en películas, publicidad y otros modos de exhibición pública, las principales firmas de diseño de moda utilizan actualmente imágenes de ropa generadas por computadora de manera rutinaria. [23]
El desafío de representar imágenes de piel humana implica tres niveles de realismo:
Las características visibles más finas, como las arrugas finas y los poros de la piel , tienen un tamaño de aproximadamente 100 µm o 0,1 milímetros . La piel se puede modelar como una función de textura bidireccional (BTF) de 7 dimensiones o una colección de funciones de distribución de dispersión bidireccional (BSDF) sobre las superficies del objetivo.
La visualización interactiva es la representación de datos que pueden variar dinámicamente y que permiten al usuario ver los datos desde múltiples perspectivas. Las áreas de aplicación pueden variar significativamente, desde la visualización de patrones de flujo en dinámica de fluidos hasta aplicaciones específicas de diseño asistido por computadora . [25] Los datos representados pueden corresponder a escenas visuales específicas que cambian a medida que el usuario interactúa con el sistema; por ejemplo, los simuladores, como los simuladores de vuelo , hacen un uso extensivo de técnicas CGI para representar el mundo. [26]
En el nivel abstracto, un proceso de visualización interactiva implica una "canalización de datos" en la que los datos sin procesar se gestionan y filtran en una forma que los haga adecuados para su representación. Esto a menudo se denomina "datos de visualización" . Luego, los datos de visualización se asignan a una "representación de visualización" que se puede enviar a un sistema de renderizado. Esto suele denominarse "representación renderizable" . Luego, esta representación se representa como una imagen visualizable. [26] A medida que el usuario interactúa con el sistema (por ejemplo, utilizando controles de joystick para cambiar su posición dentro del mundo virtual), los datos sin procesar se alimentan a través de la tubería para crear una nueva imagen renderizada, lo que a menudo hace que la eficiencia computacional en tiempo real sea una consideración clave. en tales aplicaciones. [26] [27]
Si bien las imágenes de paisajes generadas por computadora pueden ser estáticas, la animación por computadora solo se aplica a imágenes dinámicas que se parecen a una película. Sin embargo, en general, el término animación por computadora se refiere a imágenes dinámicas que no permiten la interacción del usuario, y el término mundo virtual se utiliza para los entornos animados interactivos.
La animación por computadora es esencialmente un sucesor digital del arte de la animación stop motion de modelos 3D y la animación cuadro por cuadro de ilustraciones 2D. Las animaciones generadas por computadora son más controlables que otros procesos más físicos, como la construcción de miniaturas para tomas de efectos o la contratación de extras para escenas de multitudes, y porque permite la creación de imágenes que no serían factibles con ninguna otra tecnología. También puede permitir que un solo artista gráfico produzca dicho contenido sin el uso de actores, escenografías costosas o accesorios.
Para crear la ilusión de movimiento, se muestra una imagen en la pantalla de la computadora y se reemplaza repetidamente por una nueva imagen que es similar a la imagen anterior, pero avanza ligeramente en el dominio del tiempo (generalmente a una velocidad de 24 o 30 fotogramas/segundo). . Esta técnica es idéntica a cómo se logra la ilusión de movimiento con la televisión y las películas .
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Un modelo de texto a imagen es un modelo de aprendizaje automático que toma una descripción de entrada en lenguaje natural y produce una imagen que coincide con esa descripción.
Estos modelos comenzaron a desarrollarse a mediados de la década de 2010, durante los inicios de la primavera de la IA , como resultado de los avances en las redes neuronales profundas . En 2022, la producción de modelos de conversión de texto a imagen de última generación, como DALL-E 2 de OpenAI, Imagen de Google Brain , Stable Diffusion de StabilityAI y Midjourney , comenzaron a acercarse a la calidad de las fotografías reales y el arte dibujado por humanos. [ cita necesaria ]
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 eficaces generalmente se han entrenado con cantidades masivas de datos de imágenes y texto extraídos de la web. [28]
Un mundo virtual es un entorno simulado y basado en agentes que permite a los usuarios interactuar con personajes animados artificialmente (por ejemplo, agentes de software ) o con otros usuarios físicos, mediante el uso de avatares . Los mundos virtuales están destinados a que sus usuarios los habiten e interactúen, y el término hoy en día se ha convertido en gran medida en sinónimo de entornos virtuales 3D interactivos, donde los usuarios toman la forma de avatares visibles para los demás gráficamente. [29] Estos avatares suelen representarse como representaciones gráficas textuales, bidimensionales o tridimensionales , aunque son posibles otras formas [30] (sensaciones auditivas [31] y táctiles, por ejemplo). Algunos mundos virtuales, pero no todos, permiten múltiples usuarios.
Las imágenes generadas por computadora se han utilizado en los tribunales, principalmente desde principios de la década de 2000. Sin embargo, algunos expertos han argumentado que es perjudicial. Se utilizan para ayudar a los jueces o al jurado a visualizar mejor la secuencia de eventos, pruebas o hipótesis. [32] Sin embargo, un estudio de 1997 demostró que las personas son físicos poco intuitivos y fácilmente influenciables por imágenes generadas por computadora. [33] Por lo tanto, es importante que los jurados y otros tomadores de decisiones legales sean conscientes de que tales pruebas son simplemente una representación de una posible secuencia de eventos.
Las visualizaciones meteorológicas fueron la primera aplicación de CGI en televisión. Ahora se ha vuelto común en la transmisión del tiempo mostrar videos en movimiento completo de imágenes capturadas en tiempo real desde múltiples cámaras y otros dispositivos de imágenes. Junto con símbolos gráficos 3D y mapeados en un modelo geoespacial virtual común, estas visualizaciones animadas constituyen la primera aplicación verdadera de CGI a la televisión.
CGI se ha vuelto común en la transmisión de deportes. Los lugares deportivos y de entretenimiento cuentan con contenido transparente y superpuesto a través de cámaras con seguimiento para una mejor visualización por parte de la audiencia. Los ejemplos incluyen la línea amarilla de " primer intento " que se ve en las transmisiones televisivas de partidos de fútbol americano y que muestra la línea que el equipo ofensivo debe cruzar para recibir un primer intento. CGI también se utiliza en asociación con el fútbol y otros eventos deportivos para mostrar anuncios comerciales superpuestos a la vista del área de juego. Secciones de campos de rugby y de cricket también muestran imágenes patrocinadas. Las transmisiones de natación a menudo agregan una línea a lo largo de los carriles para indicar la posición del poseedor del récord actual a medida que avanza la carrera para permitir a los espectadores comparar la carrera actual con el mejor desempeño. Otros ejemplos incluyen el seguimiento del disco de hockey y las anotaciones del rendimiento de los coches de carreras [34] y las trayectorias de las bolas de billar. [35] [36] A veces, el CGI en la televisión con alineación correcta con el mundo real se ha denominado realidad aumentada .
Las imágenes generadas por computadora se utilizan a menudo junto con la captura de movimiento para cubrir mejor los fallos que conllevan el CGI y la animación.Las imágenes generadas por computadora tienen una aplicación práctica limitada por su realismo. Las imágenes generadas por computadora poco realistas o mal administradas pueden provocar el efecto Uncanny Valley . [37] Este efecto se refiere a la capacidad humana de reconocer cosas que se parecen inquietantemente a los humanos, pero que están ligeramente fuera de lugar. Esta capacidad es un defecto de las imágenes normales generadas por computadora que, debido a la compleja anatomía del cuerpo humano, a menudo no logran replicarlas perfectamente. Aquí es donde entra en juego la captura de movimiento. Los artistas pueden usar una plataforma de captura de movimiento para obtener imágenes de un ser humano realizando una acción y luego replicarla perfectamente con imágenes generadas por computadora para que parezca normal.
La falta de modelos digitales anatómicamente correctos contribuye a la necesidad de la captura de movimiento tal como se utiliza con imágenes generadas por computadora. Debido a que las imágenes generadas por computadora reflejan sólo el exterior, o la piel, del objeto que se está representando, no logran capturar las interacciones infinitamente pequeñas entre los grupos de músculos entrelazados utilizados en el control motor fino, como el habla. El movimiento constante de la cara al emitir sonidos con los labios moldeados y el movimiento de la lengua, junto con las expresiones faciales que acompañan al habla, son difíciles de replicar con la mano. [38] La captura de movimiento puede captar el movimiento subyacente de los músculos faciales y replicar mejor la imagen que acompaña al audio, como Thanos de Josh Brolin.
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