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Graficos por Computadora (1)
Este documento proporciona una introducción a la computación gráfica. Explica conceptos clave como percepción visual, representación de colores, tipos de gráficos (de mapa de bits, orientados a objetos y vectoriales), modelado 3D, transformaciones, iluminación y fractales. También describe el proceso de generación y presentación de imágenes por computadora para aplicaciones como animación, diseño asistido por computadora y visualización científica.
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- 1. COMPUTACION GRAFICADr. MsI. Alonso Alvarez Olivo Facultad de Informática y Electrónica ESCUELA DE INGENIERIA EN SISTEMAS Marzo, 2010 ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL CHIMBORAZO
- 2. CONTENIDO Imágenes (visióny percepción) Graficación Computarizada Fundamentos de la Graficación Computarizada Transformaciones Vectores, líneas y Rayos Representación y Modelaje de Objetos 3D Fotorealismo Ambientes Virtuales Animación Computarizada
- 3. Proceso mediante elcual los organismos interpretan y organizan las sensaciones o estímulos de los receptores sensoriales en los ojos, oídos, nariz, lengua, o piel, para producir experiencias y adquirir significado del entorno. Percepción (Psicología)
- 4. Constantes de PercepciónConstante de claridad. Significa que nuestra percepción de la claridad u oscuridad de un objeto permanece constante a pesar de los cambios en la iluminación. Constante de color. Significa que nuestra percepción del color de un objeto es el mismo a pesar de los cambios en la iluminación.
- 5. Percepción de ProfundidadEs la habilidad de ver al mundo en tres dimensiones y de percibir distancia. Para percibir profundidad, dependemos de 2 fuentes principales de información: Disparidad binocular. Información monocular.
- 6. Disparidad Binocular Esla diferencia entre las imágenes percibidas por las retinas izquierda y derecha de nuestros ojos, debido a la separación de 7 cm entre ellos. El cerebro integra estas dos imágenes en una sola imagen tridimensional, permitiéndonos percibir profundidad y distancia. Sin embargo, esto es cierto sólo para distancias menores a 3 m.
- 7. Información Monocular InterposiciónPerspectiva atmosférica Gradiente de textura Perspectiva lineal Tamaño Altitud Movimiento relativo
- 8. La Escuela deAtenas (Rafael, 1510-1511)
- 9. La Virgen yEl Niño con El Canciller Rolin (Jan Van Eyck, 1433)
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- 11. Ilusiones Ópticas Ilusión,es un error en la percepción de una experiencia sensorial. Una ilusión ocurre cuando lo que el cerebro percibe difiere sustancialmente de las cualidades actuales del objeto o estímulo. Las ilusiones pueden ocurrir en cualquiera de los sentidos humanos, sin embargo el término se aplica más a ilusiones visuales, también llamadas ilusiones ópticas .
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- 17. Computación Gráfica Esla rama de la ciencia que se encarga del estudio, diseño y trabajo del despliegue de imágenes en dos y tres dimensiones en la pantalla de un computador a través de herramientas proporcionadas por la matemática, la física etc. El campo de la graficación computarizada comprende todos los aspectos relacionados con el uso del computador para generar imágenes.
- 18. Beneficios El beneficiomás grande que aportan las gráficas por computadoras es en el ambiente educativo, ya que mediante una imagen podemos representar una gran cantidad de datos (Una buena imagen dice más que mil palabras (proverbio Chino)). Como por ejemplo para la generación de laboratorios virtuales, simuladores para pilotos de avión, operadores de equipo pesado, medicina, etc.
- 19. Ejemplo: (Sistemas de atracción gravitacional ) F p y x O
- 20. Tomando el casoparticular en que F sea proporcional al inverso del cuadrado de la distancia del punto p al origen O, tendremos la fuerza actual de nuestro sistema tierra-sol. Resolviendo la ecuación diferencial con la ayuda de un computador utilizando métodos numéricos se obtiene la solución. Ejemplo: ( Sistemas de atracción gravitacional ) Simulación
- 21. Representación de ColoresLas computadoras almacenan y manipulan colores representándolos como una combinación de tres números. Por ejemplo, en el sistema de colores RGB (siglas en inglés de red - green - blue , 'rojo-verde-azul'), el ordenador utiliza sendos números para representar los componentes primarios rojo, verde y azul de cada color. Otros sistemas pueden representar otras propiedades del color, como por ejemplo el matiz (frecuencia de la luz), la saturación (la intensidad cromática) y el brillo.
- 22. Si se empleaun byte de memoria para almacenar cada componente de color en un sistema de tres colores, pueden representarse más de 16 millones de combinaciones cromáticas. A la hora de crear una imagen grande, sin embargo, permitir tantas combinaciones puede exigir mucha memoria y tiempo de proceso. Un método alternativo denominado aplicación (mapping) de colores utiliza sólo un número por combinación cromática y almacena cada número en una tabla de colores disponibles, equivalente a la paleta de un pintor.
- 23. Diseño de graficosen el monitor Diseñando directamente el objeto en el monitor Llevando un objeto desde el mundo real Desde el monitor extraer el objeto del mundo real
- 24. Contrucción de Gráficosen el Computador Gráficos de mapas de bits Gráficos orientados a objetos Gráficos vectoriales Fractales
- 25. Gráficos de mapade bits Gr áficos por ordenador o computadora almacenados y mantenidos como colecciones de bits que describen las características de los píxeles individuales en la pantalla, así como los datos generales del gráfico . Se tratan las imágenes como un conjunto de puntos, no son escalables. Aunque puede variar su tamaño, la ampliación o reducción supone una pérdida notable de calidad del gráfico
- 26. Gráficos Orientados aObjetos Son gráficos de ordenador basados en el uso de elementos de construcción, como puntos, líneas, curvas, círculos y rectángulos. Los gráficos orientados a objetos, utilizados por ejemplo en diseño asistido por computadora y en programas de dibujo e ilustración, describen un dibujo matemáticamente, como un conjunto de instrucciones que crean los elementos de la imagen. Debido a que los objetos están descritos matemáticamente, los gráficos orientados a objetos se pueden estratificar, girar y ampliar con relativa facilidad.
- 27. Gráficos Vectoriales Método de generación de imágenes que utiliza descripciones matemáticas (Ecuaciones Vectoriales) para determinar la posición, la longitud y la dirección de las líneas que se deben dibujar. En los gráficos vectoriales los objetos se crean como conjuntos de vectores y no como patrones de puntos individuales (píxeles ) . El resultado es un gráfico que se puede escalar sin deformarlo y cuyo archivo, en general, ocupa un reducido espacio en la memoria . Son un tipo de gráficos orientados a objetos . Cada elemento será un objeto, que se podrá tratar de manera independiente, sin afectar al resto. Esto no impide que los distintos elementos que forman un gráfico vectorial se puedan asociar
- 28. Fractales El matemáticofrancés Benoit Mandelbrot acuñó la palabra fractal en la década de los '70, derivándola del adjetivo latín fractus . El correspondiente verbo latino: frangere , significa romper, crear fragmentos irregulares. ETIMOLOGÍA DE LA PALABRA FRACTAL Un fractal en Matemática, se puede considerar como una figura geométrica con una estructura compleja y pormenorizada a cualquier escala de magnificación. La mayoría de fractales son Auto-Semejantes , es decir, tienen la propiedad de que una pequeña sección del fractal pude ser vista como una réplica a menor escala de todo el fractal.
- 29. Fractales La geometríafractal provee una descripción y una forma de modelo matemático para las aparentemente complicadas formas de la naturaleza. Éstas poseen a veces una remarcable invariancia de simplificación bajo los cambios de la magnificación, propiedad que caracteriza a los fractales.
- 30. Dimensión y LongitudFractal El concepto natural de dimensión es que un punto tiene dimensión 0, una recta dimensión 1, una superficie dimensión dos, etc. Sin embargo, era necesario encontrar una forma más sofisticada de definir dimensión, conservando el concepto euclidiano, pero adaptándose a estos nuevos entes matemáticos. En la Geometría Fractal la dimensión es Fraccionaria, Ej. El Fractal de Hooch tiene dimensión Ln(4)=1,386… En la Geometría Clásica (G. Euclidea) la longitud es absoluta, en cambio en la Geometría Fractal la Longitud es relativa. Ej. La línea costera, el perímetro de un árbol etc.
- 31. Ejemplos de FractalesSierpinsky Hooch
- 32. Ejemplos de FractalesMandelbrot Julia
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- 35. El Sistema GráficoIncluye: Dispositivos de entrada, procesadores, dispositivos de almacenamiento y de visualización (hardware). Algoritmos para generar y presentar objetos gráficos (métodos y procesos). Programas para el desarrollo del sistema gráfico y de sus aplicaciones (software). Aplicaciones de imágenes generadas por computador.
- 36. El Procesador Procesamientopara formación o generación de la imagen. Algoritmos y programas para crear los elementos y formar la imagen (Ecuaciones Vectoriales). Memoria de proceso. Procesamiento para presentación de la imagen. Algoritmos, programas y procesador de presentación. Memoria de alta velocidad para presentación de imágenes.
- 37. Generación y Presentaciónde Imágenes Programas desarrollados por el usuario: lenguajes de programación (C/C++, ObjetPascal, FORTRAN,...) y bibliotecas de funciones (GKS, OpenGL, DirectX, ...). Programas comerciales: 3D Studio, Lightwave 3D, productos Adove, productos MACROMEDIA, ... Programas Abiertos: Google Earth, Second Life.
- 38. Aplicaciones Animación porcomputador. Diseño y manufactura asistidos por computador (CAD/CAM). Video - juegos. Visualización científica: medicina, industria, educación (Laboratorios virtuales). Artes gráficas. Turismo Digital En el Cine
- 39. Fundamentos de laGraficación Computarizada En el proceso de formación de una imagen intervienen dos entidades distintas: El mundo, que consiste de objetos típicamente 3D; y, El observador que desea formar una imagen de estos objetos, en un plano de proyección usualmente 2D. Al proceso de formar una imagen se lo puede conceptuar como la acción de combinar objetos con un observador.
- 40. Representación Gráfica deEscenas 3D Para la presentación computarizada de objetos 3D en una vista 2D ( rendering ), se emplea usualmente una técnica de ensamblaje en línea o pipeline : Hardware: microprocesadores especializados en gráficos 3D (caros, proceso muy rápido: 60 imágenes/seg). Software: programas de computador (proceso muy lento: horas - días, calidad foto-realista).
- 41. Operaciones y ProcesosOperaciones Geométricas: Modelación. Transformación. Procesos algorítmicos o de presentación: Iluminación y sombreado. Texturizado. Eliminación de Superficies Escondidas. Rasterización. Presentación.
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- 51. Transformación 3D 2D La transformación 3D 2D que se realiza físicamente en el sistema visual humano o en una cámara, se tiene que realizar matemáticamente en un sistema de graficación computarizado.
- 52. Transformaciones 3D Lastransformaciones son herramientas importantes en la generación de escenas 3D: Sirven para mover objetos en un entorno. Permiten construir una vista 2D del entorno, sobre la superficie de la pantalla.
- 53. Sistemas de CoordenadasLocales o del modelo: Describen los objetos. Globales (WCS): Describen la escena en la cual se sitúan los objetos. De visualización: Establecen el punto de vista, su dirección y el volumen visual. De pantalla: Definen las proyecciones geométricas planas, en la pantalla de presentación. Z X Y
- 54. Sistema de CoordenadasLocales Permite especificar objetos a través de un conjunto de vértices dados en un sistema de coordenadas embebido en el propio objeto. Cada objeto puede tener el sistema de coordenadas locales que mejor le convenga.
- 55. Sistema de CoordenadasGlobales Reunir varios objetos en una misma escena, requiere aplicar a cada uno de ellos transformaciones para poder situarlos. La escena adquiere la referencia del sistema global de coordenadas.