Tesis doctoral ADA

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SÍNTESIS DE GRÁFICOS POR ORDENADOR Tema 1
Introducción a los gráficos por computador
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INTRODUCCIÓN

• El mundo de los gráficos por ordenador es un
  campo muy atractivo.
• Su área de influencia va más allá del terreno
  puramente informático.
• Arte, ciencia, ingeniería, música, danza,
  cinematografía, etc.
• El diseño asistido por computador (CAD) permite
  la creación de prototipos virtuales.
• La realidad virtual permite la creación de
  entornos irreales con todo lujo de detalles.
• Por ejemplo, el diseño por ordenador de pisos
  piloto.

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EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS GRÁFICOS

• Evolución paralela al avance computacional.
• Años 40, la computadora ENIAC (1943-46).
• Grandes y potentes máquinas calculadoras.
• Interfaz hombre-máquina inexistente.
• Personal cualificado.
• Alto coste.

Electronic Numerical Integrator and Computer
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EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS GRÁFICOS

• Evolución paralela al avance computacional.
• Año 1946, arquitectura Von Neuman.
• Idea de programa almacenado.
• Sistemas periféricos.
• Tarjetas perforadas.
• Terminales alfanuméricos, basados en TRC.

John Von Neuman
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EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS GRÁFICOS

• Evolución paralela al avance computacional.
• Años 80, era de los computadores personales.
• Pantallas digitales.
• En el campo de los gráficos.
• Aplicaciones específicas de difícil manejo.
• Hardware específico muy caro.

Computador personal
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EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS GRÁFICOS

• Evolución paralela al avance computacional.
• Concepto de mapa de bits.
• Representación matricial booleana (compuesta de
  1s y 0s) que indica qué puntos o píxeles de la
  pantalla están activos, es decir, iluminados.

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EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS GRÁFICOS

• Evolución paralela al avance computacional.
• Concepto de mapa de bits.
• Las aplicaciones gráficas cobran popularidad,
  como Microsoft Windows, X-Windows, etc.
• Fáciles de utilizar, a costes muy bajos.
• Interfaz hombre-máquina se simplifica, objetivo
  fundamental de los gráficos por ordenador.

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EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS GRÁFICOS

• Evolución paralela al avance computacional.
• El desarrollo de maquinaria con gran capacidad
  computacional facilita
• La generación de gráficos o imágenes sintéticas
  realistas en 3D.
• Dibujos complejos con un alto grado de realismo.
• Modelos de representación geométricos (matemática
  aplicada) y modelos de iluminación.
• Aplicaciones comerciales que, si bien están
  dirigidas a profesionales, son empleadas de forma
  genérica.
• Autocad, 3D-Studio, Pov-Ray, SoftImage, etc.

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EL COMPUTADOR COMO HERRAMIENTA INDUSTRIAL

• Interfaces de usuario.
• Modelo de ventanas. Accesibilidad a las
  aplicaciones (Internet Explorer, Netscape, etc.).
• Presentación de resultados en áreas como la
  medicina, empresa, ciencia, etc.

Histograma
Resonancia magnética
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EL COMPUTADOR COMO HERRAMIENTA INDUSTRIAL

• Diseño asistido por computador (CAD).
• Diseño de componentes, sistemas electrónicos,
  edificios, automóviles, aviones, etc.
• En algunos casos, sólo representación 3D. En
  otros, comprobar propiedades físicas, mecánicas,
  eléctricas, etc. Modelos de simulación que evitan
  el empleo de prototipos reales.

Imágenes de AutoCAD
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EL COMPUTADOR COMO HERRAMIENTA INDUSTRIAL

• Simulación y animación para visualización
  científica.
• Comprobar el comportamiento en tiempo real de los
  sistemas bajo estudio, examinando los posibles
  errores y solucionándolos antes de su
  construcción física.
• Entrenamiento en situaciones de alto riesgo
  (pilotos, cirugía, astronautas, etc.).

Simulador de vuelo
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EL COMPUTADOR COMO HERRAMIENTA INDUSTRIAL

• Cinematografía.
• La industria del cine se ha involucrado en el
  desarrollo tecnológico de los gráficos 3D.
• Contribución financiera muy fuerte.

Efectos especiales en Apolo 13
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PROCESAMIENTO DE IMAGEN VS. SÍNTESIS DE IMAGEN

• Procesos complementarios pero independientes.
• En el procesamiento de imágenes, las escenas son
  reales, captadas mediante un dispositivo físico
  (cámara) y digitalizadas (escáner) para su
  almacenamiento y posterior tratamiento en el
  computador (transformaciones matriciales).
• Aplicaciones típicas
• Visión 3D.
• Reconocimiento de objetos.
• Recuperación de documentos.
• Etc.

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PROCESAMIENTO DE IMAGEN VS. SÍNTESIS DE IMAGEN

• Procesos complementarios pero independientes.
• En la síntesis de imágenes, a partir de modelos
  geométricos e iluminación se crean imágenes
  sintéticas, inexistentes en la realidad.
• De los algoritmos empleados depende la calidad
  final de la imagen diseñada, es decir, el
  realismo de la escena.
• El procesamiento computacional que conlleva la
  presentación de una imagen sintética obliga, en
  muchas ocasiones, a utilizar hardware específico.
• Entre las aplicaciones que hacen uso de las
  técnicas de síntesis están las aplicaciones CAD,
  aplicaciones de simulación, realidad virtual,
  multimedia, etc.

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IMÁGENES SINTÉTICAS

• Cómo se genera una imagen sintética a partir de
  un modelo geométrico?.
• Elementos geométricos de la escena.
• Objetos. Elementos que componen una escena. Son
  simbólicos, compuestos de un conjunto de
  primitivas (líneas, puntos y polígonos o bien una
  lista de vértices).
• Sistema de referencia global, para establecer
  relaciones espaciales entre objetos.
• Sistema de referencia local, propio de cada
  objeto. Éstos tienen entidad propia, es decir,
  existen en la escena con independencia del
  proceso de formación de la imagen o de la
  posición del observador.

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IMÁGENES SINTÉTICAS

• Elementos geométricos de la escena.
• Observador. Dispositivo que contempla la escena.
  Su posición espacial determina en cada momento
  qué imagen debe formarse.
• De un mismo escenario se pueden generar múltiples
  imágenes, dependiendo de la posición del
  observador.
• Una vez situados los elementos que entran en
  escena, el paso final (render) consiste en
  generar a partir de la composición 3D una imagen
  digital 2D visible en una pantalla digital de
  computador.

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IMÁGENES SINTÉTICAS

• Elementos geométricos de la escena.

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LUCES E IMÁGENES

• La iluminación no forma parte del proceso de
  elaboración geométrico.
• Determinan la apariencia del objeto en la escena
  (más o menos oscurecido). Además, la textura del
  objeto depende de las características de su
  superficie en relación con las luces definidas en
  la escena.
• En síntesis de gráficos, se trabaja con fuentes
  de luz monocromáticas, es decir, a una sola
  frecuencia pura. Por lo tanto, para reproducir
  toda la gama de colores se pueden sumar las
  contribuciones de diferentes fuentes o focos de
  luz.

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LUCES E IMÁGENES
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MODELO DE CÁMARA SINTÉTICA

• La creación de una imagen por ordenador se lleva
  a cabo de la misma forma que lo hace una cámara.
• Principios básicos.
• La especificación de los objetos de la escena es
  independiente de la especificación del
  observador.
• La imagen final se genera mediante cálculos
  trigonométricos.

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MODELO DE CÁMARA SINTÉTICA

• Sistema de formación de la imagen

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ANIMACIÓN

• Animar es dar vida. Aunque no sólo se reduce al
  movimiento de objetos, también puede abarcar
  cambios de luz, color, transparencias, etc.
• Ampliamente usada en la industria del
  entretenimiento, publicidad, educación, etc. La
  animación, igualmente, se incorpora en los
  modelos de simulación para reproducir fenómenos
  físicos. Grandes bases de datos reconstruyen
  escenas 3D.
• Necesidad de almacenamiento y alta capacidad de
  procesamiento.
• En la película Titanic se emplearon 400 PCs
  conectados en red para realizar los cálculos
  necesarios en la generación de las escenas
  sintéticas.

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PROBLEMÁTICA

• La complejidad del mundo real (pequeñas
  sutilezas) dificulta la obtención de imágenes con
  un alto realismo.
• Imágenes de alta calidad
• Precisan de hardware específico para obtener los
  rendimientos necesarios, con el consiguiente
  incremento del coste.
• Precisan de una gran capacidad de almacenamiento.
  El problema no es almacenarlo en discos duros o
  soportes ópticos, sino su distribución en red
  (videoconferencia) o su transferencia a memoria
  principal.

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PROBLEMÁTICA

• Imágenes de alta calidad
• Los modelos geométricos y de iluminación no son
  fiel reflejo de la realidad, es decir, la
  correspondencia matemáticas-realidad no siempre
  es cierta, más bien se trabaja con aproximaciones
  matemáticas de los fenómenos.
• El hardware específico es caro, pero además
  obliga a que las aplicaciones sean altamente
  dependientes del mismo, dificultándose la
  normalización.