Los gráficos por computadora se ocupan de generar imágenes y arte con la ayuda de computadoras . Hoy en día, los gráficos por computadora son una tecnología central 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 especializado, 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 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, normalmente, en el contexto de la película, como imágenes generadas por computadora (CGI). Los aspectos no artísticos de los gráficos por computadora son objeto de investigación en informática . [1]
Algunos temas en gráficos por 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 , ciencia. visualización , geometría computacional y visión por computadora , entre otros. La metodología general depende en gran medida de las ciencias subyacentes de la geometría , la óptica , la física y la percepción .
Los gráficos por computadora son responsables de mostrar datos de arte e imágenes de manera efectiva y significativa para el consumidor. También se utiliza para procesar datos de imágenes recibidos del mundo físico, como contenidos de fotografías y vídeos. 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 por computadora se ha utilizado en un sentido amplio para describir "casi todo lo que hay en las computadoras que no es texto o sonido". [2] Normalmente, el término gráficos por computadora se refiere a varias cosas diferentes:
Hoy en día, 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 en una forma más fácil de entender e interpretar. En los medios de comunicación "dichos 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: gráficos bidimensionales (2D), tridimensionales (3D) y animados. A medida que la tecnología ha mejorado, los gráficos por computadora en 3D se han vuelto más comunes, pero los gráficos por computadora en 2D todavía se utilizan ampliamente. Los gráficos por computadora han surgido como un subcampo de la 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 preocupada por "la visualización de fenómenos tridimensionales (arquitectónicos, meteorológicos, médicos, biológicos , etc.), donde el énfasis está en las representaciones realistas de volúmenes. , superficies, fuentes de iluminación, etc., quizás 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 mates por parte de los hermanos Lumière para crear efectos especiales para las primeras películas que datan de 1895, pero dichas pantallas eran limitadas y no interactivas. El primer tubo de rayos catódicos , el tubo de Braun , se inventó en 1897 (a su vez daría origen al osciloscopio y al panel de control militar ), los precursores más directos de este campo, ya que proporcionaron las primeras pantallas electrónicas bidimensionales que respondieron a la programación. o entrada del usuario. Sin embargo, los gráficos por computadora siguieron siendo 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 sobre computadoras más avanzadas y el ejército de los Estados Unidos . Un mayor desarrollo de tecnologías como el radar , la aviación avanzada y los cohetes desarrollados 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 viable de visualización e interacción 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 una pantalla. Uno de los primeros videojuegos interactivos que presenta 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 Brookhaven y simuló un partido de tenis. En 1959, Douglas T. Ross volvió a innovar mientras trabajaba en el MIT en la transformación de enunciados matemáticos en vectores de máquina herramienta 3D generados por computadora, aprovechando la oportunidad para crear una imagen de visualización de un personaje de dibujos animados de Disney . [6]
El pionero de la electrónica, Hewlett-Packard, salió a bolsa en 1957 después de incorporarse la década anterior y estableció fuertes vínculos con la Universidad de Stanford a través de sus fundadores, que eran ex alumnos . Esto inició la transformación que duró décadas del área sur de la Bahía de San Francisco en el principal centro de tecnología informática del mundo, ahora conocido como Silicon Valley . El campo de los gráficos por computadora se desarrolló con la aparición del hardware de gráficos por computadora.
Otros avances en la informática condujeron a mayores avances en los gráficos interactivos por computadora . En 1959, se desarrolló la computadora TX-2 en el Laboratorio Lincoln del MIT . El TX-2 integró una serie de nuevas interfaces hombre-máquina. Se podría utilizar un lápiz óptico para dibujar bocetos en la computadora utilizando el revolucionario software Sketchpad de Ivan Sutherland . [7] Usando un lápiz óptico, Sketchpad permitía dibujar formas simples en la pantalla de la computadora, guardarlas e incluso recuperarlas más tarde. El lápiz óptico tenía una pequeña célula fotoeléctrica en la punta. Esta célula emitía un pulso electrónico cada vez que se colocaba frente a la pantalla de una computadora y el cañón de electrones de la pantalla disparaba directamente hacia ella. 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 determinado esto, la computadora podría dibujar un cursor en esa ubicación. Sutherland pareció encontrar la solución perfecta para muchos de los problemas gráficos que enfrentaba. Incluso hoy en día, muchos estándares de interfaces gráficas por computadora comenzaron con este primer programa Sketchpad. Un ejemplo de esto es el dibujo de restricciones. Si uno quiere dibujar un cuadrado, por ejemplo, no tiene que preocuparse por dibujar cuatro líneas perfectamente para formar los bordes de la caja. Uno puede simplemente especificar que quiere dibujar un cuadro y luego especificar la ubicación y el tamaño del cuadro. Luego, el software construirá una caja perfecta, con las dimensiones correctas y en la ubicación correcta. Otro ejemplo es que el software de Sutherland modeló objetos, no sólo una imagen de objetos. En otras palabras, con un modelo de coche se podría cambiar el tamaño de los neumáticos sin afectar al resto del coche. Podría estirar la carrocería del coche 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 en Boeing. [7] [8]
En 1961 otro estudiante del MIT, Steve Russell , creó otro título importante en la historia de los videojuegos , Spacewar! Escrito para el DEC PDP-1, Spacewar fue un éxito instantáneo y las copias comenzaron a llegar a otros propietarios de PDP-1 y, finalmente, DEC obtuvo una copia. [ cita necesaria ] Los ingenieros de DEC lo utilizaron como programa de diagnóstico en cada nuevo PDP-1 antes de enviarlo. El equipo de ventas se dio cuenta rápidamente y, cuando instalaban nuevas unidades, ejecutaban el "primer videojuego del mundo" para sus nuevos clientes. ( Tennis For Two de Higginbotham había vencido a Spacewar por casi tres años, pero era casi desconocido fuera del entorno académico o de investigación).
Aproximadamente 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, científico del Bell Telephone Laboratory (BTL), creó una película llamada "Simulación de un sistema de control de actitud por gravedad de dos giros" en 1963. [10] En esta película generada por computadora, Zajac mostró cómo la actitud de un satélite podría verse alterado a medida que 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 del movimiento de Newton en funcionamiento. Casi al mismo tiempo, otros científicos estaban creando gráficos por computadora para ilustrar su investigación. 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 un avión .
También en algún momento a principios de la década de 1960, los automóviles también proporcionarían un impulso a través del trabajo inicial de Pierre Bézier en Renault , quien utilizó las curvas de Paul de Casteljau (ahora llamadas curvas de Bézier después del trabajo de Bézier en el campo) para desarrollar técnicas de modelado 3D para Renault. carrocerías de automóviles. Estas curvas constituirían la base para gran parte del trabajo de modelado de curvas en este campo, ya que las curvas (a diferencia de los polígonos) son entidades matemáticamente complejas de dibujar y modelar bien.
No pasó mucho tiempo antes de que las grandes corporaciones empezaran a interesarse por los gráficos por ordenador. TRW , Lockheed-Georgia , General Electric y Sperry Rand se encuentran entre las muchas empresas que se iniciaban en los gráficos por ordenador a mediados de los años sesenta. IBM respondió rápidamente a este interés lanzando el terminal gráfico IBM 2250 , la primera computadora gráfica disponible comercialmente. Ralph Baer , ingeniero supervisor de Sanders Associates , ideó un videojuego doméstico en 1966 que luego obtuvo la licencia de Magnavox y lo llamó Odyssey . Si bien era muy simplista y requería piezas electrónicas bastante económicas, 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 informática de Bendix Corporation de 1953 a 1962, tras lo cual trabajó durante los siguientes cinco años como profesor visitante en Berkeley. Allí continuó su interés por las computadoras y su interacción con las personas. En 1966, la Universidad de Utah reclutó a Evans para formar un programa de informática y los gráficos por computadora rápidamente se convirtieron en su principal interés. Este nuevo departamento se convertiría en el principal centro de investigación de gráficos por computadora del mundo durante la década de 1970.
Además, en 1966, Ivan Sutherland continuó innovando en el MIT cuando inventó la primera pantalla montada en la cabeza (HMD) controlada por computadora. Mostraba dos imágenes de estructura alámbrica separadas, una para cada ojo. Esto permitió al espectador ver la escena de la computadora en 3D estereoscópico . El hardware pesado necesario para soportar la pantalla y el rastreador se llamó Espada de Damocles debido al peligro potencial si cayera sobre el usuario. Después de recibir su Ph.D. Del MIT, Sutherland se convirtió en Director de Procesamiento de Información en ARPA (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada) y más tarde se convirtió en profesor en Harvard. En 1967, Evans reclutó a Sutherland para unirse al programa de ciencias informáticas de la Universidad de Utah , un avance que convertiría ese departamento en uno de los centros de investigación en gráficos más importantes durante casi una década después, y eventualmente produciría algunos de los pioneros más importantes. en el campo. Allí Sutherland perfeccionó su HMD; veinte años después, la NASA redescubriría sus técnicas en sus investigaciones sobre realidad virtual . En Utah, Sutherland y Evans eran consultores muy solicitados por las grandes empresas, pero estaban frustrados por la falta de hardware de gráficos disponible en ese momento, por lo que comenzaron a formular un plan para iniciar su propia empresa.
En 1968, Dave Evans e Ivan Sutherland fundaron la primera empresa de hardware de gráficos por ordenador, Evans & Sutherland . Si bien Sutherland originalmente quería que la empresa estuviera ubicada en Cambridge, Massachusetts, se eligió Salt Lake City debido a su proximidad al grupo de investigación de 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 el trazado de rayos que desde entonces se han vuelto fundamentales para lograr el fotorrealismo en los gráficos al modelar los caminos que siguen los rayos de luz desde una fuente de luz hasta las superficies. en una escena y en la cámara.
En 1969, la ACM inició un 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 SIGGRAPH, que se ha convertido en uno de los focos 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 una serie de avances en este campo, avances particularmente importantes en la transformación de los gráficos de utilitarios a realistas, en la Universidad de Utah , que había contratado a Ivan Sutherland . Fue emparejado con David C. Evans para impartir una clase de gráficos avanzados por computadora, lo que contribuyó con una gran cantidad de investigación fundacional al campo y enseñó a varios estudiantes que crecerían hasta fundar varias de las empresas más importantes de la industria, a saber, Pixar , Silicon Graphics , y Sistemas Adobe . 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 estaba estudiando para obtener su título de física. Al crecer en Disney , Catmull amaba la animación, pero rápidamente descubrió que no tenía talento para dibujar. Ahora Catmull (junto con muchos otros) veía las computadoras como la progresión natural de la animación y quería 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 sobre modelos tridimensionales en 1974, hoy considerada 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 más tarde, 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 .
Como el laboratorio de gráficos por computadora de UU atraía a gente de todas partes, John Warnock fue otro de esos primeros pioneros; Más tarde fundó Adobe Systems y creó una revolución en el mundo editorial con su lenguaje de descripción de páginas PostScript , y Adobe crearía más tarde el software de edición de fotografías estándar de la industria en Adobe Photoshop y un destacado programa de efectos especiales de la industria cinematográfica en 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 los años 1990.
Estos primeros pioneros crearon en UU un avance importante en los gráficos por computadora en 3D: 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 espectador y, por lo tanto, deben estar "ocultas" cuando la computadora crea (o renderiza) la imagen. El 3D Core Graphics System (o Core ) fue el primer estándar gráfico que se desarrolló. Un grupo de 25 expertos del Grupo de Interés Especial ACM SIGGRAPH 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 los fundamentos del sombreado en CGI mediante el desarrollo de los modelos de sombreado Gouraud y Blinn-Phong , permitiendo que los gráficos pasaran de una apariencia "plana" a una apariencia más Retratar con precisión la profundidad. Jim Blinn también innovó aún más en 1978 al introducir el mapeo de relieve , una técnica para simular superficies irregulares y predecesora de muchos tipos más avanzados de mapeo que se utilizan en la actualidad.
El videojuego arcade moderno, tal como se lo conoce hoy en día, nació 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 juegos de arcade de éxito. Speed Race en 1974 presentaba sprites que se movían a lo largo de una carretera de desplazamiento vertical . Gun Fight en 1975 presentó personajes animados de apariencia humana, mientras que Space Invaders en 1978 presentó una gran cantidad de figuras animadas en la pantalla; Ambos utilizaron un circuito de cambio de barril especializado hecho de chips discretos para ayudar a su microprocesador Intel 8080 a animar sus gráficos framebuffer .
La década de 1980 comenzó a ver la modernización y comercialización de los gráficos por computadora. A medida que proliferaron las computadoras domésticas , una audiencia mucho mayor adoptó un tema que antes había sido una disciplina exclusivamente académica 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) 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 comenzó 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 NMOS VLSI totalmente integrado . Admitía una resolución de hasta 1024x1024 y sentó las bases para el mercado emergente de gráficos para PC. Se utilizó en varias tarjetas gráficas y se obtuvo licencia para clones como el Intel 82720, la primera de las unidades de procesamiento de gráficos de Intel . [11] La memoria MOS también se volvió más barata a principios de la década de 1980, lo que permitió el desarrollo de memoria framebuffer asequible , [12] en particular la RAM de vídeo (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 (CMOS) complementaria . Era capaz de mostrar alta resolución en modo color y hasta 4K de resolución en modo monocromático, y se utilizó en varias tarjetas gráficas y terminales a finales de los años 1980. [14] En 1986, TI presentó el TMS34010 , el primer procesador de gráficos MOS totalmente programable . [13]
Los terminales de gráficos por computadora durante esta década se convirtieron en estaciones de trabajo cada vez más inteligentes, semiautónomas e independientes. El procesamiento de gráficos y aplicaciones se migraba cada vez más a la inteligencia de la estación de trabajo, en lugar de seguir dependiendo de mainframes y minicomputadoras centrales . Las estaciones de trabajo Orca 1000, 2000 y 3000, desarrolladas por Orcatech de Ottawa, una empresa derivada de Bell-Northern Research , y dirigidas por David Pearson, uno de los primeros pioneros en estaciones de trabajo. El Orca 3000 se basó en el microprocesador Motorola 68000 de 16 bits y procesadores AMD bit-slice , y tenía Unix como sistema operativo. Estaba dirigido directamente al extremo sofisticado del sector de la ingeniería de diseño. Los artistas y diseñadores gráficos comenzaron a ver la computadora personal, particularmente Amiga y Macintosh , como una herramienta de diseño seria, que podía ahorrar tiempo y dibujar con mayor precisión que otros métodos. Macintosh sigue siendo una herramienta muy popular para gráficos por computadora entre los estudios y empresas de diseño gráfico. Las computadoras modernas, 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 Información de Japón: "El núcleo de la representación de imágenes 3D es calcular la luminancia de cada píxel que forma una superficie renderizada 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 renderizado de imágenes en la que cada píxel podría procesarse en paralelo de forma independiente mediante trazado de rayos . Al desarrollar una nueva metodología de software específicamente para el renderizado de imágenes de alta velocidad, LINKS-1 pudo renderizar rápidamente imágenes altamente realistas". [15] El LINKS-1 era la computadora más poderosa del mundo , en 1984. [16]
También en el campo de la renderización realista, en 1986 se desarrolló la ecuación de renderización 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 ordenador.
La continua popularidad de Star Wars y otras franquicias de ciencia ficción fueron relevantes en el cine CGI en ese momento, ya que Lucasfilm e Industrial Light & Magic se hicieron conocidos como la casa "referida" por muchos otros estudios para gráficos por computadora de primer nivel en el cine. Se realizaron avances importantes en la codificación cromática ("pantalla azul", etc.) para las películas posteriores de la trilogía original. Otras dos piezas de video también sobrevivirían a la época como históricamente relevantes: el icónico video de Dire Straits , casi completamente CGI, para su canción " Money for Nothing " en 1985, que popularizó el CGI entre los fanáticos de la música de esa época, y una escena de El joven Sherlock Holmes el mismo año presentó el primer personaje completamente CGI en una película (un caballero animado de vidrieras ). En 1988, los primeros sombreadores (pequeños programas diseñados específicamente para realizar sombreados como un algoritmo separado) fueron desarrollados por Pixar , que ya se había escindido de Industrial Light & Magic como una entidad separada, aunque el público no vería los resultados de tal tecnología. avances hasta la próxima década. A finales de la década de 1980, las computadoras Silicon Graphics (SGI) se utilizaron para crear algunos de los primeros cortometrajes totalmente generados por computadora en Pixar , y las máquinas Silicon Graphics se consideraron un hito en el campo durante la década.
La década de 1980 también es llamada la época dorada de los videojuegos ; Los sistemas con ventas millonarias de Atari , Nintendo y Sega , entre otras compañías, expusieron los gráficos por 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 . todo lo cual también permitió a los usuarios programar sus propios juegos si tenían la habilidad suficiente. Para las salas de juegos , se hicieron avances en gráficos comerciales en 3D en tiempo real . En 1988, se introdujeron las primeras tarjetas gráficas 3D dedicadas en tiempo real para salas de juegos, con Namco System 21 [17] y Taito Air System. [18] En el aspecto profesional, Evans & Sutherland y SGI desarrollaron hardware de gráficos rasterizados 3D que influyó directamente en la posterior unidad de procesamiento de gráficos (GPU) de un solo chip , una tecnología en la que se utiliza un chip independiente y muy potente en procesamiento paralelo con una CPU. para optimizar gráficos.
En la década también se aplicaron los gráficos por computadora a muchos mercados profesionales adicionales, incluido 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 nota abrumadora de la década de 1990 fue la aparición del modelado 3D a gran escala y un aumento impresionante en la calidad del CGI en general. Las computadoras domésticas pudieron asumir tareas de renderizado que antes se habían limitado a estaciones de trabajo que costaban miles de dólares; A medida que los modeladores 3D estuvieron 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 renderizado doméstico aumentaron en importancia. A finales de la década, la GPU comenzaría su ascenso hasta alcanzar la prominencia que todavía disfruta en la actualidad.
El campo comenzó a ver los primeros gráficos renderizados que realmente podían pasar como fotorrealistas para el ojo inexperto (aunque todavía no podían hacerlo con un artista CGI capacitado) y los gráficos 3D se hicieron mucho más populares en juegos , multimedia y animación . A finales de los años 1980 y principios de los años 1990 se crearon en Francia las primeras series de televisión infográficas: 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 HDTV de Maurice Benayoun y François Schuiten (producción del estudio ZA, 1990-1993).
En el cine, Pixar comenzó su serio ascenso comercial en esta era bajo la dirección de Edwin Catmull , con su primer estreno cinematográfico importante, en 1995, Toy Story , un éxito comercial y de crítica de magnitud de nueve cifras. El estudio que inventó el sombreador programable tendría muchos éxitos animados, y su trabajo en animación de video prerenderizado todavía se considera un líder de la industria y un pionero en la investigación.
En videojuegos, en 1992, Virtua Racing , que se ejecuta 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 en 3D en tiempo real entre una audiencia más amplia en la industria de los videojuegos . [19] Posteriormente, el Sega Model 2 en 1993 y el Sega Model 3 en 1996 traspasaron los límites de los gráficos comerciales en 3D en tiempo real. De vuelta a la PC, id Software lanzó Wolfenstein 3D , Doom y Quake , tres de los primeros juegos de disparos en primera persona en 3D muy populares, con gran éxito de crítica y público durante esta década utilizando un motor de renderizado innovado [ vago ] principalmente por John Carmack. . Sony PlayStation , Sega Saturn y Nintendo 64 , entre otras consolas, se vendieron por millones y popularizaron los gráficos 3D para los jugadores domésticos. Ciertos 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 para el renderizado continuaron mejorando enormemente. En 1996, Krishnamurty y Levoy inventaron el mapeo normal , una mejora del mapeo de relieve de Jim Blinn . En 1999, Nvidia lanzó la seminal GeForce 256 , la primera tarjeta de video doméstica anunciada como una unidad de procesamiento de gráficos o GPU, que en sus propias palabras contenía "motores integrados de transformación , iluminación , configuración / recorte de triángulos y renderizado ". A finales de la década, las computadoras adoptaron marcos comunes para el procesamiento de gráficos como DirectX y OpenGL . Desde entonces, los gráficos por computadora se han vuelto cada vez más detallados y realistas, gracias a un hardware de gráficos y un software de modelado 3D más potentes . AMD también se convirtió en un desarrollador líder de placas gráficas en esta década, creando un "duopolio" en el campo que existe en la actualidad.
CGI se volvió omnipresente durante esta época. Los videojuegos y el cine CGI habían extendido el alcance de los gráficos por computadora a la corriente principal a fines de la década de 1990 y continuaron haciéndolo a un ritmo acelerado en la década de 2000. CGI también se adoptó en masa para anuncios de televisión a finales de los años 1990 y 2000, por lo que se volvió familiar para una audiencia masiva.
El continuo ascenso y la creciente sofisticación de la unidad de procesamiento de gráficos 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 consideraban 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 procesamiento especializado en la GPU serían compatibles a finales de la década con la mayoría del hardware de consumo, acelerando considerablemente los gráficos y permitiendo texturas y sombreados muy mejorados en los gráficos de computadora a través de la adopción generalizada de la tecnología normal. mapeo , mapeo de relieve y una variedad de otras técnicas que permiten la simulación de una gran cantidad de detalles.
Los gráficos por computadora utilizados en películas y videojuegos gradualmente comenzaron a ser realistas hasta el punto de adentrarse en el valle inquietante . Proliferaron las películas CGI , con películas tradicionales de dibujos animados como Ice Age y Madagascar , así como numerosas ofertas de Pixar como Buscando a Nemo, dominando la taquilla en este campo. The Final Fantasy: The Spirits Within , estrenada en 2001, fue el primer largometraje generado íntegramente por computadora que utilizó personajes CGI fotorrealistas y se realizó íntegramente 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 este momento. Star Wars también resurgió con su trilogía precuela y los efectos continuaron estableciendo un estándar para el CGI en el cine.
En videojuegos , Sony PlayStation 2 y 3 , la línea de consolas Microsoft Xbox y ofertas de Nintendo como GameCube mantuvieron un gran número de seguidores, al igual que la PC con Windows . Los títulos con gran contenido CGI como las series Grand Theft Auto , Assassin's Creed , Final Fantasy , BioShock , Kingdom Hearts , Mirror's Edge y docenas más 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 siguió siendo un éxito comercial. OpenGL también siguió madurando y tanto él como DirectX mejoraron enormemente; 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; acelerar el análisis de muchos tipos de experimentos de bioinformática y biología molecular . La técnica también se ha utilizado para la minería de Bitcoin y tiene aplicaciones en visión por computadora .
En la década de 2010, el CGI ha sido casi omnipresente en el vídeo, los gráficos prerenderizados son casi científicamente fotorrealistas y los gráficos en tiempo real en un sistema adecuadamente de alta gama 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; 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 luces especulares , y volúmenes de sombras en un motor de renderizado usando sombreadores , que están madurando considerablemente. Los sombreadores son ahora casi una necesidad para el trabajo avanzado en el campo, ya que proporcionan una complejidad considerable en la manipulación de píxeles , vértices y texturas por elemento, e innumerables efectos posibles. Sus lenguajes de sombreado HLSL y GLSL son campos activos de investigación y desarrollo. La representación 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. Están comenzando los experimentos sobre la potencia de procesamiento necesaria para proporcionar gráficos en tiempo real en modos de resolución ultra alta como 4K Ultra HD , aunque están fuera del alcance de todos, excepto del hardware de gama más alta.
En el cine, la mayoría de las películas animadas ahora son CGI; Se hacen una gran cantidad de películas animadas CGI por año , pero pocas, si es que hay alguna, intentan el fotorrealismo debido a los continuos temores del valle inquietante . La mayoría son dibujos animados en 3D .
En videojuegos, Microsoft Xbox One , Sony PlayStation 4 y Nintendo Switch dominaron el espacio doméstico y todos eran capaces de ofrecer gráficos 3D avanzados; La PC con Windows también seguía siendo una de las plataformas de juegos más activas.
Los gráficos por computadora en 2D son la generación por computadora de imágenes digitales , principalmente a partir de modelos, como imágenes digitales, y mediante técnicas específicas para ellos.
Los gráficos por computadora 2D se utilizan principalmente en aplicaciones que se desarrollaron originalmente con tecnologías tradicionales de impresión y dibujo , como la tipografía. En esas aplicaciones, la imagen bidimensional no es sólo 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 permiten un control más directo de la imagen que los gráficos por ordenador en 3D , cuyo enfoque se asemeja más a la fotografía que a la tipografía .
El pixel art, una gran forma de arte digital, se crea mediante el uso de software de gráficos rasterizados , donde las imágenes se editan a nivel de píxeles . Los gráficos en la mayoría de los juegos de computadora y videojuegos antiguos (o relativamente limitados), los juegos de calculadoras gráficas y muchos juegos de 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 incluía solo objetos gráficos manejados por separado del mapa de bits de memoria de una pantalla de video, pero ahora incluye varias formas de superposiciones gráficas.
Originalmente, los sprites eran un método para integrar mapas de bits no relacionados para que parecieran ser parte del mapa de bits normal en una pantalla , como la creación de un personaje animado que se puede mover en una pantalla sin alterar los datos que definen la pantalla general. Estos sprites pueden crearse 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 en el sentido de que superpone dos fuentes de video discretas. El software puede simular esto mediante 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 normalmente se utilizan para la representación de imágenes fotográficas. [23] Los gráficos vectoriales consisten en codificar información sobre formas y 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 ráster es la mejor práctica. Hay ocasiones en las que ambos formatos se juntan. Es más probable que una comprensión de las ventajas y limitaciones de cada tecnología y la relación entre ellas resulte en 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 las 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 eficaces generalmente se han entrenado con 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 , serán capaces de crear imágenes en una variedad de estilos, que van desde imitaciones de artistas vivos hasta casi fotorrealistas, en cuestión de segundos, siempre que sean lo suficientemente potentes. hardware. [24]
Los gráficos 3D, en comparación con los gráficos 2D, son gráficos que utilizan una representación tridimensional de datos geométricos. A efectos de rendimiento, esto se almacena en el ordenador. Esto incluye imágenes que pueden ser para visualización posterior o para visualización en tiempo real.
A pesar de estas diferencias, los gráficos por computadora en 3D se basan en algoritmos similares a los de los gráficos por computadora en 2D en el marco y los gráficos rasterizados (como en 2D) en la visualización final renderizada. En el software de gráficos por computadora, 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 computadora en 3D son los mismos que los modelos 3D. El modelo está contenido dentro del archivo de datos gráficos, además del renderizado. Sin embargo, existen diferencias que incluyen que el modelo 3D es la representación de cualquier objeto 3D. Hasta que no se muestra visualmente un modelo no es gráfico. Gracias a la impresión, los modelos 3D no se limitan únicamente al espacio virtual. La representación 3D es la forma en que se puede mostrar un modelo. También se puede utilizar en simulaciones y cálculos por computadora no gráficos .
La animación por computadora es el arte de crear imágenes en movimiento mediante el uso de computadoras . Es un subcampo de la infografía y la animación . Se crea cada vez más mediante gráficos por computadora en 3D , aunque los gráficos por computadora en 2D todavía se usan ampliamente para necesidades estilísticas, de bajo ancho de banda y de renderizado más rápido en tiempo real . A veces el objetivo de la animación es la propia computadora, pero otras veces el objetivo es otro medio , como una película . También se le 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 una variedad de 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 determinado, por atributo a animar. El software de gráficos 2D/3D cambiará con cada fotograma clave, creando una curva editable de un valor asignado a lo largo del tiempo, lo que da como resultado una animación. Otros métodos de animación incluyen técnicas procesales 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 ; este último permite que un resultado evaluado devuelva una expresión lógica definida por el usuario, junto con matemáticas, para automatizar la animación de una manera predecible (conveniente para controlar el comportamiento óseo 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 normalmente se crean mediante dispositivos como cámaras , espejos , lentes , telescopios , microscopios , etc.
Las imágenes digitales incluyen tanto imágenes vectoriales como imágenes rasterizadas , pero las imágenes rasterizadas se utilizan con mayor frecuencia.
En imágenes digitales, un píxel (o elemento de imagen [25] ) es un punto único en una imagen rasterizada . Los píxeles se colocan en una cuadrícula bidimensional normal 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 presentaciones visuales en una superficie, como la pantalla de una computadora. Algunos ejemplos son fotografías, dibujos, diseños gráficos, mapas , dibujos 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 tipografía únicamente, como en un folleto, volante, cartel, sitio web o libro sin ningún otro elemento. El objetivo puede ser la claridad o la comunicación efectiva, puede buscarse 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 serían sprites y mapas de personajes en videojuegos 2D, primitivas geométricas en CAD o polígonos o triángulos en renderizado 3D. Las primitivas pueden ser compatibles con hardware para una representación eficiente o con los componentes básicos proporcionados por una aplicación de gráficos .
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; contendría información de geometría, punto de vista, textura , iluminación y sombreado como descripción de la escena virtual. [26] Los datos contenidos en el archivo de escena luego se pasan a un programa de renderizado para ser procesados y exportados a una imagen digital o un archivo de imagen de gráficos rasterizados . El programa de renderizado generalmente está integrado en el software de gráficos por computadora, aunque hay otros disponibles como complementos o programas completamente separados. El término "representación" puede ser por analogía con la "representación artística" de una escena. Aunque los detalles técnicos de los métodos de renderizado varían, los desafíos generales que se deben superar al producir una imagen 2D a partir de una representación 3D almacenada en un archivo de escena se describen como el proceso de gráficos a lo largo de un dispositivo de renderizado, como una GPU . Una GPU es un dispositivo capaz de ayudar a la CPU en los cálculos. Para que una escena parezca relativamente realista y predecible bajo iluminación virtual, el software de renderizado debería resolver la ecuación de renderizado . La ecuación de renderizado no tiene en cuenta todos los fenómenos de iluminación, pero es un modelo de iluminación general para imágenes generadas por computadora. 'Renderizado' también se utiliza para describir el proceso de calcular efectos en un archivo de edición de video para producir la salida de video final.
La representación de volumen es una técnica utilizada 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 CT o MRI .
Por lo general, estos se adquieren en un patrón regular (por ejemplo, un corte cada milímetro) y normalmente tienen un número regular de píxeles de imagen en un patrón regular. Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular, con cada elemento de volumen o vóxel representado por un valor único que se obtiene muestreando el área inmediata que rodea al vóxel.
El modelado 3D es el proceso de desarrollar una representación matemática en estructura alámbrica de cualquier objeto tridimensional, denominada "modelo 3D", a través de un software especializado. Los modelos pueden crearse automática o manualmente; El proceso de modelado manual de preparación de datos geométricos para gráficos por computadora en 3D es similar al de las artes plásticas como la escultura . Los modelos 3D se pueden crear utilizando múltiples enfoques: uso de NURB para generar parches de superficie suaves y precisos, modelado de malla poligonal (manipulación de geometría facetada) o subdivisión de malla poligonal (teselado avanzado de polígonos, que da como resultado superficies lisas similares a los modelos NURB). Un modelo 3D puede visualizarse como una imagen bidimensional mediante un proceso llamado renderizado 3D , usarse en una simulación por computadora de fenómenos físicos o animarse directamente para otros fines. El modelo también se puede crear físicamente utilizando dispositivos de impresión 3D .
El estudio de los gráficos por computadora es un subcampo de la informática que estudia métodos para sintetizar y manipular digitalmente contenido visual. Aunque el término a menudo se refiere a gráficos por computadora tridimensionales, también abarca gráficos bidimensionales y procesamiento de imágenes .
Como disciplina académica , los gráficos por computadora estudian la manipulación de información visual y geométrica utilizando 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 a menudo se diferencian del campo de la visualización , aunque los dos campos tienen muchas similitudes.
Los gráficos por computadora se pueden utilizar en las siguientes áreas:
