Prof. Dr. D. Carlos González Morcillo
Profesor
Titular de Universidad – Escuela Superior de Informática
Universidad de Castilla-La Mancha. UCLM. Ciudad Real.
España.
“El ‘realismo’ es el concepto que acompaña de manera inevitable el
desarrollo y la asimilación de las imágenes 3D por ordenador. En los medios, en
las publicaciones divulgativas y en los artículos científicos, la historia de
la innovación e investigación se presenta como un progreso hacia el realismo,
entendido como la capacidad de simular cualquier objeto de tal manera que no se
pueda distinguir su imagen por ordenador de una fotografía.”
Manovich, 2001: 246.
“La imagen sintética pone en escena esa paradoja de lo real de una
forma como ningún otro medio lo había hecho antes. Actualmente, es el medio que
más recuerda el realismo (mientras que otras artes van sistemáticamente en
dirección contraria) y, sin embargo, contradictoriamente, es el más abstracto
de todos los sistemas expresivos, pues sus referentes más inmediatos son las
ecuaciones matemáticas que le dan vida”.
Machado,
2000: 103.
BREVE DESCRIPCIÓN DE
LOS CONTENIDOS
Con este capítulo finalizamos el módulo dedicado a la Visualización
Avanzada del Patrimonio. En el mismo se nos presenta el ciclo de generación de gráficos
por computador o producción de animaciones 3D para su utilización en proyectos
de visualización de patrimonio (basados en Realidad Aumentada, Realidad Virtual
o generación de contenido multimedia), con todas sus etapas y fases principales
dentro de cada una, hasta la generación de una imagen 2D a partir de ese modelo
tridimensional, todo ello basado en las técnicas de representación de imágenes
realistas, partiendo de una descripción general del concepto de realismo
gráfico.
Hemos de tener en cuenta que este realismo sintético es hoy
protagonista de gran parte del espectáculo comercial masivo: posee un grado
alto de inserción y aceptabilidad social y en consecuencia contribuye a moldear
las pautas de representación contemporáneas.
Grosso modo en este tema han sido tratados los siguientes
contenidos:
- Técnicas de generación de imagen en medios interactivos y en síntesis de imagen realista.
- Uso del pipeline de visualización gráfico
- Creación y explotación de sistemas de representación realistas en el ámbito del patrimonio virtual.
- Gestión y adaptación de contenidos multimedia específicos para su utilización en sistemas gráficos de visualización de patrimonio.
- Uso de métodos, técnicas, programas de uso específico, normas y estándares en el ámbito de la Computación Gráfica para la visualización de patrimonio.
- Evaluación del rendimiento y la complejidad de los sistemas de representación realistas aplicados a la visualización de patrimonio.
OBJETIVOS ALCANZADOS
Este tema se presenta como uno de los más interesantes ya
que el procesado de escenas complejas para la generación de imágenes realistas
es uno de los objetivos generales en gráficos por computador, y especialmente
importante en la visualización correcta del patrimonio virtual.
Tanto las actividades como la prueba objetiva han sido muy
útiles para profundizar en el estudio de esta temática, pasando por el análisis
de los diferentes motores rendering existentes en el mercado –comerciales y
open source-, realizando prácticas con Blender y el uso de Cycles mediante el
cual fue generado un modelo tridimensional mediante el proceso tratado en el
tema: modelado, asignación de materiales y texturas, situación de las luces
virtuales y finalmente el proceso de representación (render) , todo ello con la
finalidad de generar imágenes 2D con acabados fotorrealistas –productos cada
vez más demandados por todo tipo de usuarios en los productos finales de
virtualización del patrimonio-; y por
último afianzando el complejo contenido expuesto a lo largo del capítulo.
Tras finalizar el estudio del mismo he logrado afianzar por
un lado y comenzar a desarrollar por otro, las siguientes aptitudes:
- Utilizar métodos de computación gráfica interactivos y de síntesis para representar por ordenador modelos e información relativa al patrimonio.
- Iniciación en la aplicación de técnicas de optimización en los datos asociados a modelos, materiales, animaciones y texturas para facilitar la construcción y uso de sistemas gráficos en patrimonio virtual y visualización arquitectónica.
- Imaginar, diseñar, evaluar y explotar sistemas de representación gráfica realista en patrimonio virtual.
DATOS DE INTERÉS
ASIMILADOS
CONCEPTOS
Realistic Image Synthesis.
Campo de trabajo dedicado a la representación de imágenes de objetos
tridimensionales, cuya descripción matemática está almacenada en la memoria de
un computador, con el mayor realismo posible de forma que un observador humano
no pueda diferenciar si se trata de una fotografía o de una imagen generada
mediante un motor de render.
Motion Blur.
Es el rastro dejado por los objetos en movimiento en una fotografía o en una
secuencia de imágenes como una película o una animación. Aparece cuando el
objeto siendo grabado cambia su posición durante la captura de un fotograma
debido a su velocidad o al movimiento de la cámara.
Método Scanline.
Pipeline gráfico. El pipeline gráfico de aplicaciones interactivas puede
describirse de forma general como el que, a partir de una lista de objetos
geométricos a representar y, tras aplicar la serie de transformaciones
geométricas sobre los objetos (traslación, rotación, escalado...), la vista y
la perspectiva, obtienen una imagen de mapa de bits dependiente del dispositivo
de visualización (según la resolución y tamaño del mismo). En este enfoque, las
primitivas se ordenan según la posición de la cámara y sólo las visibles serán
dibujadas.
Método RayCasting.
Método de síntesis de imagen realista que calcula los rayos que pasan por cada
píxel de la imagen y recorre la lista de objetos, calculando la intersección
(si hay alguna) con el objeto más cercano. Una vez obtenido el punto de
intersección, se evalúa (empleando un modelo de iluminación) el valor de
sombreado correspondiente a ese píxel.
UVMapping.
Proceso de mapeado que consiste en la asignación de los píxeles de una imagen
2D a la superficie de asignaciones en un polígono 3D. Las letras "U"
y "V" denotan los ejes de la textura 2D, porque "X",
"Y" y "Z" ya se utilizan para referirse a los ejes del
objeto 3D en el espacio modelo; pero el cálculo de representación utiliza las
coordenadas de textura UV para determinar cómo pintar la superficie en tres
dimensiones.
Mapas HDRI.
Son las siglas en inglés para “High Dynamic Range Imaging” es decir, creación
de imágenes utilizando mapas de alto rango dinámico,
en una extendida técnica de simulación para iluminación en modelos virtuales.
Por medio del uso de este método en programas de simulación tridimensional, se
pueden lograr ambientes foto-realistas emulando muchas de las propiedades
reales de la luz como la reflexión, la radiosidad, la refracción y la
contaminación cáustica.
Pirámide Frustum. Pirámide
truncada que selecciona los objetos que serán representados en la escena,
definiendo el volumen de visualización en imágenes generadas en perspectiva.
Teselación. En
el proceso de modelado, la Tessellation
consiste en transformar la superficie continua, eligiendo un conjunto de puntos
situados sobre la misma para posteriormente conectarlos mediante aristas,
formando así una red de caras triangulares.
Texel. Píxel
de una textura.
Lumel. Píxel
de un mapa de iluminación.
REFLEXIONES
Como bien define el Prof.
Dr. D. Carlos González Morcillo a lo largo del presente capítulo, la
renderización es el proceso de cálculo desarrollado por un ordenador, a partir
del uso de un motor de renderizado, con el fin de generar una imagen 2D a
partir de una escena 3D.
Un motor de render puede
ser un plugin o software independiente que nos permite generar una vista
realista de un 3D. Cada motor render trabaja de diferente modo y a la vez
parecido porque la mayoría trabaja en base a GI (iluminación global). El motor
de render hace un cálculo de las sombras que proyecta cada fuente de luz, partir de ese cálculo, interpolando los mapas
de sombras obtenidos por cada fuente de luz (de haber más de una), podemos
saber si un elemento de la escena (vértices, caras, polígonos...) está
iluminado o no, y en qué grado, dependiendo del número de fuentes de luz que
incidan sobre él.
En el mercado existen
multitud de motores de rendering, tanto comerciales como Open Source. A
continuación expondremos algunos de ellos:
Para el desarrollo de este post me voy a basar en el análisis de Cycles, ya que es el motor opcional
que actualmente presenta la última versión de Blender, y en cuyo aprendizaje
estoy inmersa a día de hoy; LuxRender ya que me ha resultado impresionante
el realismo que presentan las imágenes que genera; y por último Maxwell
Render, que pese a ser un motor comercial, es uno de los más
recomendados en el campo de la arquitectura y he pensado que sería interesante
comparar sus características con los seleccionados.
CYCLES.
http://www.blender.org/
Cycles es un nuevo motor de
procesamiento habilitado desde la versión 2.61 de Blender, desarrollado por
Brecht van Lommel que trabaja para la Blender Foundation.
Aún se encuentra en
desarrollo y pretende convertirse en un motor de procesamiento enfocado en la
interactividad y la facilidad de uso, conservando aún muchas características
útiles en producción, reemplazando el motor de renderizado interno de Blender,
permitiendo una realimentación en tiempo real al diseñador gracias a la
utilización de la GPU como hardware de cálculo, en lugar de la tradicional CPU.
Viene incluido como un agregado habilitado de forma predefinida. Para usarlo,
debe ser establecido como el motor de procesamiento activo en el cabezal
superior de la interfaz.
Es un motor Path Tracing,
imparcial de base física, diseñado para animaciones, lo que significa que
produce una imagen mediante el trazado de los caminos de "rayos" a
través de la escena. En concreto, Cycles es un “backwards” Path Tracer, es
decir, que rastrea los rayos de luz mediante el envío de la cámara en lugar de
enviarlos desde la fuente de luz.
Este motor de render
actualmente presenta una cantidad limitada de características, que se irán
ampliando en las siguientes versiones. Actualmente Cycles ofrece:
- GPU y CPU rendering.
- Ventana de vista previa Realtime.
- Soporte de iluminación HDR.
- Licencia permisiva para vincular con software externo.
Más características
específicas en:
A continuación expongo a
modo de ejemplos algunas pruebas para Cycles Render efectuadas por usuarios de
la comunidad de Blender:
LUXRENDER. http://www.luxrender.net/
LuxRender es un programa de
renderización de código abierto que utiliza un sistema de física "correcta" para la
creación de imágenes generadas por computadora, simula el flujo de luz de
acuerdo a las ecuaciones físicas, produciendo de este modo imágenes realistas
de calidad fotográfica.
LuxRender se basa en PBRT,
el RayTracers desarrollado por Matt Pharr y Greg Humphreys para uso académico.
Pharr y Humphreys tuvieron la amabilidad de proporcionar el código fuente de su
programa bajo los términos de la GPL, con lo que pasó a ser un software libre.
En 2007, un pequeño grupo
de programadores dirigido por Terrence Vergauwen asumió el reto de modificar el
programa y hacerlo apto para el uso artístico. A finales de 2007, la versión
inicial de LuxRender fue puesta en libertad. Con el lanzamiento de LuxRender
0.5 en junio de 2008, el programa fue considerado lo suficientemente útil para
su uso general, desde entonces, la velocidad de representación y el número de
características y exportadores disponibles ha ido creciendo de forma constante.
Características. Presenta
multitud de características, por lo que aquí tan solo presentamos algunas de
ellas.
- Representación espectral de base física. LuxRender se basa en ecuaciones basadas en la física que modelan el transporte de la luz. Esto le permite captar con precisión una amplia gama de fenómenos que la mayoría de los otros programas de renderizado son simplemente incapaces de reproducir. Esto también significa que es totalmente compatible con alto rango dinámico (HDR).
- Materiales. Cuenta con una gran variedad de tipos de materiales. Además de los materiales genéricos como mates y brillantes representaciones, están presentes los de metal, vidrio y pintura de coches, físicamente exactos. están disponibles propiedades complejas tales como la absorción, refracción y dispersión y recubrimiento de película fina.
- Fleximage (película virtual). La película virtual permite pausar y continuar la prestación en cualquier momento. El estado actual de la prestación, incluso se puede escribir en un archivo, de modo que el ordenador (o incluso otro ordenador) pueden seguir haciendo en un momento posterior.
- Gratis para todo el mundo. LuxRender es y siempre será software libre, tanto para el uso privado y comercial. Está siendo desarrollado por personas con una pasión por la programación y de los gráficos de computadora que les gusta compartir su trabajo. Le animamos a descargar LuxRender y lo utilizan para expresar sus ideas artísticas.
- Representación sesgada y no sesgada. Los usuarios pueden elegir entre la precisión física (imparcial) y la velocidad (sesgada).
- Representación de espectral completo. En lugar del espectro de color RGB, se utilizan espectros completos para los cálculos internos.
- Sistema basado en texturas procesales y de imagen. Las texturas procesales y de imagen se pueden mezclar en diversas formas, lo que hace posible la creación de materiales complejos.
- Salida HDR. Los resultados se pueden guardar en varios formatos de archivo, incluyendo png, tga y exr.
- Instancias. Instancing significativamente ahorra recursos del sistema, en particular, el consumo de memoria mediante la reutilización de datos de malla en los objetos duplicados.
- Construido en post-proceso.
- Desenfoque de movimiento, profundidad de campo y efectos de lente.
- Eliminación de ruido de imagen.
- Etc.
Usos:
Virtualización del Patrimonio.
LuxRender, junto al Blender
Internal, son ejemplos de los motores más utilizados en la virtualización del
Patrimonio. Los resultados obtenidos son realmente buenos, tanto en la
aplicación de texturas como iluminación, generando atmósferas impresionantes.
Fig. Imágenes del Proyecto de Juan Diego Carmona, estudiante del
curso Especialización en Virtualización del Patrimonio, de la Universidad de Alicante.
Visualización en Arquitectura e Interiorismo.
En la galería de LuxRender
tenemos multitud de ejemplos de proyectos correspondientes a este ámbito, en
los cuales podemos observar resultados espectaculares.
Fig. Ejemplos de aplicaciones en el campo de la arquitectura e
interiorismo. http://www.luxrender.net/
Visualización en Diseño.
Otros de los ejemplos
hallados en la galería de LuxRender son los dedicados al campo del Diseño. Los
resultados son impecables, a la altura de los resultados de otros motores de
renderizado comerciales como Maxwell.
Fig. Ejemplos de aplicaciones en el campo del diseño. http://www.luxrender.net/
MAXWELL
RENDER. http://www.maxwellrender.com/
Maxwell Render fue una de
las primeras implementaciones ampliamente disponibles de prestación imparcial y
su algoritmo de GI estaba vinculado directamente a un paradigma de la cámara física
para proporcionar una experiencia de representación simplificada en la que el
usuario no estaba obligado a ajustar la configuración de los parámetros de
iluminación arbitrarias, como era típico de la línea de exploración y RayTracers de la época.
Maxwell Render ha sido
desarrollado por Next Limit Technologies con sede en Madrid, que fue
fundada en 1998 por los ingenieros Víctor González e Ignacio Vargas.
Presenta una serie de
herramientas asociadas, cuyas características pasamos a describir a
continuación:
- Editor de Materiales. El sistema de Maxwell material es intuitivo y fácil de usar, consta de componentes que se pueden apilar como las capas en un programa de edición de imágenes. Los usuarios tienen acceso gratuito a más de 3.500 listas para usar los materiales en línea.
- Maxwell Studio.
- Maxwell Fire. Previsualización de la escena en tiempo real, dando una respuesta inmediata en el procesado de ajustes en la iluminación, los materiales y ajustes de la cámara. Es compatible con todos los materiales y las características de Maxwell.
- Multiligth TM. Permite el ajuste de la intensidad de la luz y el color en tiempo real sin la necesidad de volver a rehacer la escena.
- Maxwell Render. Presenta una increíble precisión en la iluminación, por lo que los materiales, detalles de texturas y modelos presentan resultados totalmente realistas.
- Maxwell Monitor Manager y Nodo. Componentes de red.
- Plugins.
- Geometría de procedimientos para la piel, el cabello y las partículas. La herramienta cabello de Maxwell convierte automáticamente las primitivas de la mayoría de los sistemas de cabello. Las partículas de Maya, 3ds Max, Softimage Houdini, etc, pueden ser renderizadas directamente con estas herramientas, a las que se puede aplicar a posteriori cualquier material de Maxwell.
- Compatibilidad universal. Ofrece una perfecta integración con las principales plataformas en 3D, y es compatible con ALAMBIQUE, en el fondo la composición y formatos OpenEXR 2.0, así como Pixar OpenSubdiv e integración con RealFlow. Maxwell tiene un Python y C + + SDK con documentación en línea.
- Massive. Gestiona la memoria de una manera limpia y lineal - lo que es lo suficientemente robusta como para manejar, literalmente, cientos de millones de primitivas sin ninguna pérdida de rendimiento.
Usos:
Visualización en Arquitectura.
Se nos ofrece a Maxwell
como la elección profesional para la visualización arquitectónica.
Maxwell Render es
impecablemente preciso, debido a que su motor está basado en la física de la
luz verdadera. Esto significa la obtención de resultados realistas precisos y
predecibles con muchos menos ajustes. Maxwell es tan preciso que muchos
arquitectos lo utilizan no sólo para renders final, sino como una parte
integral del proceso de diseño.
Maxwell tiene un solo
modelo de material para todas las aplicaciones 3D y CAD, lo que permite cambiar
entre plataformas en el mismo proyecto, como de ArchiCAD a SketchUp o Rhino,
sin necesidad de convertir los materiales o la iluminación.
Fig. Ejemplos de aplicaciones en el campo de la arquitectura. http://www.maxwellrender.com/
Visualización del Diseño.
Este potente motor de render se
asoció con grandes características de ahorro de tiempo, como la escena vista
previa en tiempo real, y la famosa característica de Maxwell Multilight ™ para
ajustar la intensidad de luz y colores de postproducción (que significa que se
pueden salvar a tantas imágenes como se quiera del mismo render). Maxwell
Render tiene un solo modelo de material universal para todas las aplicaciones
de CAD en 3D y con plugins totalmente integrados.
Fig. Ejemplos de aplicaciones en el campo del diseño. http://www.maxwellrender.com/
Cine, Animación y VFX.
Maxwell Render trae un enfoque
más realista y natural de representación que habla el mismo idioma que los
directores de fotografía. No sólo se utiliza ampliamente para el renderizado
final, sino también como un elemento clave en el desarrollo de look.
Esta herramienta permite hacer
renders que pueden ser retenidos y reanudados en cualquier momento. Este
enfoque único significa que en realidad se puede solapar la post-producción con
la representación de forma que tengan lugar simultáneamente.
Fig. Ejemplos de aplicaciones en el campo de la animación. http://www.maxwellrender.com/
Productos:
En su página web podemos observar
que ofrecen diversos software. Por un lado nos encontramos con Maxwell Render
Suite V3 con diversos packs, que son la versión comercial, cuyos precios
oscilan entre los 600 y 2200 €; las versiones educativas las cuales
sorprendentemente también son de pago, cuyo precios oscilan entre los 75 y 1350
€; y por último se nos presentan dos versiones de Maxwell para su uso con Sketchup,
una versión con licencia por 75 € y una versión libre.
Esta última es un plugin autónomo
que ha sido diseñado expresamente para la representación en SketchUp, de fácil
instalación. Tiene el motor de procesamiento incorporado, por lo que no se requiere
de otras aplicaciones o programas.
Incorpora toda su tecnología por
lo que no es necesario ser un experto en CG para obtener imágenes
fotorrealistas en los modelos 3D, además permite renderizado en tiempo real.
Es compatible con los materiales
de Sketchup y permite el uso de los materiales MXM de Maxwell, ofreciendo
acceso gratuito a cientos de los mismos vía on line, en la Comunidad maxwell.
Fig. Tabla comparativa de productos Maxwell.
Esta semana he decidido añadir un nuevo apartado al blog
dedicados a la compilación de una serie de proyectos interesantes que he ido
conociendo a lo largo de estos meses de curso, gracias a esos longevos momentos
de indagación por la red buscando información para el desarrollo de las
diversas temáticas trabajadas a lo largo del presente curso.
Hoy me he decantado por el Digital Hadrian´s Villa Project
dirigido por Bernard Frischer, Director del Virtual World Heritage Laboratory,
de la Universidad de Virginia. En el desarrollo del mismo se hace uso de tecnologías
de mundos virtuales aplicadas de manera muy útil en el ámbito de la investigación
del Patrimonio Cultural.
A continuación dejo varios enlaces, correspondientes a la web
del proyecto y un artículo de Bernard Frischer y John Fillwalk sobre el
desarrollo del mismo.
http://vwhl.clas.virginia.edu/villa/index.php
http://vwhl.clas.virginia.edu/villa/index.php
Espero que disfruten con él tanto como yo.
PROYECTO. DOMUS DEL
MITREO.
A lo largo de estos días mi trabajo se ha centrado en el
estudio de paramentos y compilación de datos en campo, por lo que por el
momento los avances en el proyecto son escasos. Espero que en el próximo capítulo
me sea posible presentar algunas de las hipótesis preliminares a plantear.
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