Grafismo Electrónico. Escuela Universitaria Politécnica de Cuenca. Curso

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1 Grafismo Electrónico Escuela Universitaria Politécnica de Cuenca Curso

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3 Índice general 1. La edición de imágenes por ordenador Evolución del Grafismo Electrónico Evolución de los equipos Grafismo Electrónico en televisión Elementos de un sistema de grafismo electrónico Dispositivos de entrada Elementos de proceso Dispositivos de salida Conceptos básicos Clasificación de aplicaciones basadas en imágenes Retoque fotográfico El mundo virtual El modelado tridimensional La generación de escenarios Diseño de la evolución en tiempo de la animación La animación de personajes Renderizado Volcado a video Formatos de almacenamiento en fichero Aplicaciones basadas en grafismo electrónico El modelado tridimensional Introducción Metodología de diseño 3D El sistema de referencia virtual Herramientas de visualización Proyecciones Modelado de objetos Opciones de representación Utilización de capas Construcción de objetos Texturas Consideraciones sobre personajes Creación de objetos redondeados con MetaNURBS Otros plug-in

4 4 ÍNDICE GENERAL 3. Escenografía virtual Sistema de referencia y control de visualización La generación de escenarios Carga de objetos Cámara Iluminación Movimiento de objetos, cámara, luces y huesos Efectos de fondo, primer plano y niebla Animaciones 3D Evolución en el tiempo de la animación Envolventes Configuración de movimientos Jerarquía de objetos Esqueleto y huesos (bones) Metamorfosis Visualización de la secuencia Previsualización Renderizado Volcado a video

5 Índice de figuras 1.1. Dispositivos de entrada, salida y elementos de procesamiento en un sistema de grafismo electrónico Modos de visualización wireframe o malla de hilos y texturado Situación de los controles de capa Botones de selección de vértices polígonos y volúmenes en Modeler

6 6 ÍNDICE DE FIGURAS

7 Capítulo 1 La edición de imágenes por ordenador El grafismo electrónico, o la creación y edición de imágenes por ordenador son técnicas que han aparecido muy recientemente. Estas técnicas se fundamenta en tres pillares fundamentales: Por un lado, tenemos que considerar el desarrollo de los ordenadores, que aunque principalmente son herramientas de propósito general, en nuestro caso particular, y con el software adecuado, son aplicables de forma concreta al tratamiento de imágenes. Por otra parte, ha sido imprescindible la evolución de la tecnología digital y de las conversiones analógico-digital y digital-analógico, de manera que sea factible la captación de las imágenes, su procesamiento, y el poder devolverla posteriormente a su formato natural, ya sea la fotografía, la televisión, o el cine. Finalmente, y en paralelo con todo lo anterior, hemos de tener en cuenta el progreso que han sufrido los algoritmos de procesamiento de imágenes, y las aplicaciones software: transformaciones en 2D, procesado del color, geometría 3D, proyecciones, rotaciones y traslaciones, etc 1.1. Evolución del Grafismo Electrónico Evolución de los equipos Considerando el desarrollo de los ordenadores, como herramienta básica del tratamiento de imágenes, el principio de estos está marcado por una escasa capacidad de almacenamiento, una baja velocidad de procesado, y el uso de pantallas en modo texto de 40x25 y 80x25 caracteres, o las pantallas MDA (Monochrome Display Adapter) capaces de representar gráficos de escasa calidad. En esta etapa, no obstante cobra gran importancia el ordenador en las tareas de procesamiento de datos: cálculos, textos, y bases de datos. De forma paralela, fueron aumentando las prestaciones de los procesadores, la capacidad de almacenamiento, y los sistemas de visualización. Del sistema MDA se pasó al CGA, Colour Graphics Array, que conseguía 16 colores, con resolución de 320x240 píxeles y 80x25 caracteres. En esta época comenzaron a aparecer las primeras aplicaciones de CAD, sobretodo para dibujo lineal. Además, el desarrollo de los algoritmos informáticos 7

8 8 CAPÍTULO 1. LA EDICIÓN DE IMÁGENES POR ORDENADOR hizo que aumentase la productividad de los ordenadores, y la competitividad entre las empresas del sector. El siguiente salto en resolución se produjo hacia los VGA Video Graphics Array. Con resolución de 640x480 píxeles y hasta 224 colores (16,4 millones). Hubo otros intentos que no se extendieron tanto como éste, Ejemplos de esto son los sistemas EGA (Enhanced Graphics Array) con una resolución de 480x360 y los Hércules con resolución 720x540. Con esta calidad de imagen comenzaron a desarrollarse aplicaciones de dibujo con capacidad de tratamiento de imágenes y retoque fotográfico, como Adobe Photoshop, Corel Draw, etc. El último salto cualitativo se produjo con la estandarización de los modelos SV- GA/SuperVGA, que permiten distintas resoluciones en píxeles horizontales y verticales, desde 800x600, hasta 1920x1200, y distintas resoluciones en cuanto al número de colores que es capaz de representar. La resolución en colores y el tamaño en píxeles de la pantalla, como se verá a continuación, van a ser función de la capacidad de almacenamiento en la memoria interna de las tarjetas gráficas. Para el mismo tamaño de memoria, mayor resolución en píxeles va a implicar menor resolución en número de colores, y viceversa. Con estas prestaciones y el desarrollo de los algoritmos gráficos se consolidaron las herramientas de diseño 3D Grafismo Electrónico en televisión Los comienzos del grafismo electrónico en televisión partieron de unos aparatos llamados tituladoras, que se encargaban de representar textos superpuestos en las imágenes de televisión. Estos textos podían ser, tanto subtítulos, como títulos de crédito. Otras posibilidades que aparecieron también en los primeros momentos son las secuencias de efectos simples entre programas, o entre anuncios publicitarios. Lo habitual era conseguir secuencias consistentes en un recuadro, o un círculo, blanco sobre fondo negro que aumentaba su tamaño progresivamente. El siguiente paso fueron los sistemas DVE, o Digital Video Effects, mediante los cuales cualquier elemento gráfico puede insertarse en la señal de vídeo, para colocarlo en cualquier punto de la pantalla de TV. Pero el paso decisivo para la explosión del grafismo electrónico en la televisión fue el desarrollo de la norma 4:2:2. Esta norma estableció la forma en la que se debe digitalizar la señal de televisión, produciendo un salto cualitativo en el procesamiento de la señal de televisión. A partir de la elaboración de esta norma, y debido a su gran extensión en todo el mundo, proliferaron los sistemas digitales para el tratamiento imágenes destinados a la televisión; y con ellos la aplicación de gran cantidad de efectos especiales aplicables a la imagen. Con esto, se abrió todo un mundo de edición de imágenes y secuencias de video por ordenador. En la actualidad, la generación de imágenes por ordenador está muy de moda. Nadie imagina un programa de televisión sin una de esas cabeceras espectaculares, sin rótulos con efectos especiales, etc. Las salas de grafismo han pasado a ser un elemento imprescindible en la televisión de nuestros días. La competencia existente entre las diversas cadenas motiva a aumentar la espectacularidad de los programas añadiendo efectos visuales en dos y en tres dimensiones. En una sala de grafismo, van a existir fundamentalmente dos tipos de equipos. Por una parte están los equipos destinados a manejar imágenes planas en dos dimensiones. Estos equipos son las paletas gráficas, diseñadas para que detrás de ellas se siente el artista, y sus creaciones estén inmediatamente disponibles como señal de video. Estas paletas gráficas además suelen tener la posibilidad de realizar pequeñas animaciones de contenido en dos

9 1.2. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE GRAFISMO ELECTRÓNICO 9 dimensiones, como dibujos animados de corta duración, o como la secuencia de imágenes del satélite Meteosat típicas en los programas de predicción meteorológica. Por otra parte, estas salas de grafismo electrónico disponen también de estaciones de trabajo 3D, dedicadas a desarrollar animaciones tridimensionales y efectos gráficos más espectaculares que los anteriores. Finalmente, la generación de secuencias virtuales, no queda sólo reducida a la confección de cabeceras, o efectos especiales; películas enteras están realizadas íntegramente por ordenador, como por ejemplo, Toy Story, Shrek, Bichos, Dinosaurio, etc. Además existe todo un universo de juegos multimedia Elementos de un sistema de grafismo electrónico Un sistema dedicado al grafismo electrónico debe contar con una serie de dispositivos de entrada, con los que se capturarán las imágenes a procesar; unos elementos de proceso, que generalmente están incluidos en el ordenador; y unos elementos de salida, para obtener el resultado final del trabajo. Todos ellos pueden verse en la figura 1.1 A continuación, se enumeran algunos de estos elementos para un sistema genérico. En cada caso, y dependiendo del trabajo a realizar, necesitaremos unos elementos u otros Dispositivos de entrada Como elementos enteramente dedicados a la adquisición de imágenes podemos destacar el escáner, las cámaras fotográficas digitales, y todos aquellos sistemas capaces de capturar, tanto secuencias de vídeo, como fotogramas. Entre ellos, el escáner tiene una función doble: por un lado pasar a formato de ordenador las imágenes fotográficas, las noticias de periódicos, etc. para poder editarlas en las paletas gráficas y presentarlas en los informativos, magazines, etc. Y por otra parte, para pasar a mapas de bits cualquier textura para poder aplicarla a cuerpos 3D en escenas tridimensionales. Los principales parámetros a tener en cuenta en la elección de un dispositivo de entrada, ya sea un escáner, una cámara, etc. son la resolución de imagen; que suele darse en dpi- dots per inch (puntos por pulgada), y la resolución del color; que suele venir en bits por píxel. Una fuente inagotable de imágenes y muy útil es el acceso a internet. También es posible encontrar librerías de imágenes ofrecidas por empresas externas, o imágenes archivadas anteriormente en el propio estudio. Otro elemento que está presente en todos los centros de informativos es un enlace con el satélite Meteosat. Éste es un sistema de comunicaciones, que cuenta con una o dos pantallas, que se van actualizando cada quince o veinte minutos y proporciona una imagen procesada desde el satélite hacia la tierra. Estas imágenes puede ser congeladas y transferidas al sistema de almacenamiento de imágenes, o a las paletas gráficas para la composición del informe del tiempo Elementos de proceso Los primeros elementos que sirven, tanto para el dibujo en la paleta gráfica, como para el manejo de los comandos de dicha paleta, y por tanto también se pueden considerar como elementos de proceso, son los dispositivos de entrada de datos al ordenador; como el teclado, el ratón, el tablero digitalizador, o las pantallas táctiles. Estos elementos conformarán el interfaz entre el artista y el entorno electrónico.

10 10 CAPÍTULO 1. LA EDICIÓN DE IMÁGENES POR ORDENADOR Figura 1.1: Dispositivos de entrada, salida y elementos de procesamiento en un sistema de grafismo electrónico

11 1.3. CONCEPTOS BÁSICOS 11 De los elementos de procesamiento también podemos destacar la CPU, la memoria, y los sistemas de almacenamiento, como disquetes, CD-ROM, DVD, disco duro, discos magnetoópticos, y cintas. En un entorno donde se están generando con frecuencia imágenes digitales destinadas a composiciones con otras imágenes, se hace necesario el uso de un sistema de almacenamiento de imágenes de gran versatilidad. Las librerías de almacenamiento de imágenes son imprescindibles en una instalación donde existan equipos de tratamiento de la señal en dos dimensiones, puesto que son el medio para almacenar las imágenes y acceder a ellas desde el control de realización; lugar en el que se van a utilizar para componer la señal final de programa Dispositivos de salida El elemento de presentación de resultados depende de la aplicación que se quiera conseguir con las imágenes. En entornos fotográficos, probablemente el dispositivo de salida sea una impresora de papel, o una imprenta para grandes tiradas de pósters o fotografías. También es posible imprimir en negativos para el caso de diapositivas, cine, o revelado fotográfico. En los entornos televisivos, se requiere disponer de las imágenes elaboradas como señal de televisión para utilizarla en programas, o para almacenarla, y tenerla disponible en cualquier momento para su emisión Conceptos básicos Tanto en Informática, como en Grafismo Electrónico, aparecen una serie de términos que, aunque son sobradamente conocidos, no está de más recordarlos: Bit: Unidad mínima de información. Tiene dos valores posibles 0 y 1, Verdadero- Falso, Si-No. Byte: Conjunto de 8 bits. Los códigos ASCII (American Standard Code for Information Interchange) son 256 códigos estandarizados que se representan mediante bytes. En algunos casos, sólo 7 llevan información, y el octavo es un bit de paridad que se pone a 1 cuando el número de unos del resto de bits es par. Word: Conjunto ordenado de 16 bits. kbyte: 2 10 = Bytes. MByte: 2 20 = Bytes. Pixel: Unidad gráfica más pequeña que se puede representar en la pantalla. Es un punto de color, o de blanco y negro. Resolución: Número de píxeles por unidad de medida en la pantalla, o en la impresora. Se mide en puntos por pulgada (PPP) o en Dots per Inch (dpi). Número de píxeles que pueden contarse en una pulgada de imagen Paleta de colores: Conjunto de colores disponibles para la imagen. El conjunto más pequeño de colores esta formado por dos colores. En este caso, se suele tratar de los colores blanco y el negro, aunque se pueden definir paletas con cualesquiera otros dos colores; por ejemplo, verde y azul. Dos colores pueden ser identificados por un solo bit, correspondiendo su valor 0 con uno de los colores, y el 1 con el contrario.

12 12 CAPÍTULO 1. LA EDICIÓN DE IMÁGENES POR ORDENADOR Actualmente, la paleta de colores más grande que se utiliza contiene colores. Para la formación de los colores de esta paleta se utiliza una mezcla aditiva de tres colores primarios: el rojo, el verde y el azul; Este modo de representar los colores se denomina RGB, y utiliza un byte (8 bits) para identificar la intensidad de cada uno de los colores primarios. Esto implica la necesidad de tener tres bytes para definir el color de un píxel. Los 24 bits de estos 3 bytes ofrecen posibles colores, es decir 16,4 millones de colores. Entre estos dos extremos existe toda una gama de modalidades que incluyen 16 colores representados por 4 bits, o 256 colores o niveles de gris que se representan por 8 bits. Tamaño en memoria de una imagen: Viene impuesto por el tamaño en píxeles de la imagen, y la cantidad de colores de la paleta de colores. Considerando el tamaño en bits como b, el número de píxeles como p y la paleta de colores como P Fotograma: Imagen bidimensional estática. b = p P Secuencia: Conjunto de fotogramas que presentados sucesivamente a la velocidad correcta nos producen sensación de movimiento en lo que estamos viendo. Para poder captar esta sensación de movimiento, los fotogramas consecutivos de la secuencia deben tener pequeñas diferencias. Algunos ejemplos: 1. Calcular el tamaño que ocupará en el ordenador una imagen de colores con una tamaño de imagen de 800x600 píxeles. p = = píxeles bpp = log 2 (65536) = 16 bits por píxel b = = bits B = b bpp = Bytes 2. Tenemos disponibles 2 MB de memoria. Si debemos manejar un gráfico de 1024x768, cual es la cantidad máxima de colores con los que podemos trabajar. b = = bits p = = píxeles P = b p = = 21,3 bits por píxel El estándar mas cercano e inferior a 21,3 es el de 16 bits lo que equvale a colores 3. En un disquete de 1,44 MB ( Bytes) de capacidad hay que almacenar una imagen a color verdadero (24 bits). La imagen original tiene un tamaño de 1024 x 768. Si queremos conservar el color, que tamaño debemos darle a la imagen para mantener la relación de aspecto alto / ancho?. La imagen completa ocupará: Y el espacio disponible en disco es B i = = Bytes

13 1.3. CONCEPTOS BÁSICOS 13 Así pues, la relacion de tamaños queda B d = Bytes R = = 1,62 Debemos obtener la raíz cuadrada para aplicar este factor a las dos dimensiones Quedando el tamaño final 800 x 600 w = ,62 = 800 como ancho final h = 768 1,62 = 600 como alto final 4. Calcular el tamaño de un fichero que va a ser impreso por un sistema con capacidad máxima de impresión de 300 dpi en tamaño A3 (420 x 297 mm) con 24 bits de profundidad de color 300 dpi significa 300 pixeles por pulgada; y un papel en formato A3 tiene 420x297 mm. lo que equivales a 16 x 11 pulgadas p = x = 4800x3300 = 15,8400,000 píxeles B = = 45,32MB (1 MB = * Bytes) 5. Se quiere ampliar un negativo de 9x9 cm para un poster, y que acupe finalmente 60x60 cm. Si lo vamos a imprimir a 300 dpi calcular: a)- Resolución a la que hay que escanear la imagen relacion de tamaños R = 60 9 = 6, 66 Así pues el original debe ser escaneado a 300 x 6,66 = dpi b)- Cuanto ocupa el fichero escaneado a 256 colores? La altura del negativo es: c)- y a 256 tonos de gris? Igual h = 9 2,54 = 3, 54 h = 2,000x3, 54 = 7,080 píxeles B = = = 47, 8MB 6. Tenemos una secuencia de video que podemos enviar a razón de 25 imágenes por segundo, cada imagen con 600x450 píxeles de tamaño y 256 colores. Si mantenemos la velocidad de transmisión constante y no queremos alterar las proporciones, cuanto hay que reducir el tamaño para enviarlas a 24 bits de color? La imagen al pasar de 8 a 24 bits ocupa 3 veces más por tanto hemos de reducir su tamaño en la raíz de tres w = = 346 h = = Ejemplo de cálculo de la velocidad de transmisión. Supongamos una secuencia de vídeo formada por un conjunto de imágenes de tamaño 600 x 450 píxeles a 16 bits de color. Si se deben enviar 15 imágenes por segundo, cual es la velocidad de transmisión en Mbits por segundo. b 1 = = 4, 12Mbits b 15 = 15x4, 12 = 61,8Mbits/s

14 14 CAPÍTULO 1. LA EDICIÓN DE IMÁGENES POR ORDENADOR 1.4. Clasificación de aplicaciones basadas en imágenes Una posible clasificación de todas las aplicaciones que existen en el mercado, según su funcionamiento y utilidad, podría ser la siguiente: Aplicaciones basadas en dibujo lineal. Con ellas, y mediante trazos rectilíneos y curvos se pueden dibujar planos en dos dimensiones, y modelar en tres dimensiones. Su utilidad principal es el diseño asistido por ordenador. Presentaciones de datos. Se utilizan en general para confeccionar gráficos de datos como diagramas de barras, gráficos lineales, gráficos de porcentajes (sectores), etc. con el fin de exponer los resultados de un trabajo. También permiten incluir dibujos o imágenes que se desee. En televisión estos programas se utilizan a menudo, para ofrecer los resultados de votaciones o para mostrar datos económicos de cualquier tipo. Estos programas, en general, permiten encadenar las imágenes con distintos efectos, para conseguir una exposición más vistosa. Los programas de retoque fotográfico procesan imágenes creadas o adquiridas por el ordenador. Esta adquisición puede realizarse, por ejemplo, a través del escáner, o una cámara. A las imágenes se les pueden realizar transformaciones de todo tipo, consiguiéndose cualquier composición a partir de las imágenes originales. Quizá los programas más espectaculares en cuanto a la edición de imágenes sean los programas de animación y escenografía virtual 3D. Estos programas poseen internamente un sistema de representación tridimensional para modelar la escena, e implementan todas las transformaciones geométricas necesarias para resolver la proyección de esta escena sobre una cámara virtual. Los resultados de estos programas son muy realistas. Finalmente, otros programas más específicos de televisión son los de edición no lineal de video, que se utilizan para realizar mezclas de secuencias mediante diversos efectos de transición Retoque fotográfico El retoque fotográfico se refiere a todo tipo de tratamiento de imágenes estáticas en dos dimensiones. La forma de trabajar que tiene un ordenador con un diseño en dos dimensiones es la siguiente: El objeto se representa como una matriz MxN de píxeles, donde M es el número de píxeles horizontales y N verticales. Cada píxel se representa en la memoria del ordenador con n bits, según la paleta de colores que se utilice. Si queremos desplazar o rotar una imagen, sencillamente se aplicarán las ecuaciones de desplazamiento o de rotación en el espacio cartesiano en dos dimensiones. Estas rotaciones y traslaciones pueden realizarse con objetos enteros, o píxel a píxel de manera independiente, consiguiendo distintos efectos visuales. También se pueden realizar filtrados de las imágenes en el dominio de la frecuencia con el fin de difuminar o realzar los contrastes. En definitiva, combinando imágenes sometidas a distintos procesos, pueden conseguirse composiciones muy interesantes, que a su vez pueden procesarse, y así indefinidamente. En televisión, el retoque fotográfico se realiza mediante las paletas gráficas, que están compuestos por un tablero de dibujo sobre el que se dibuja, un ordenador que controla el conjunto, y un dispositivo de salida que convierte la composición en señal de video.

15 1.6. EL MUNDO VIRTUAL El mundo virtual Los programas de animación tienen como base un sistema de referencia tridimensional interno, definido por los tres ejes X, Y, y Z de un sistema cartesiano. En este sistema interno, en el que el operador colocará la escena a desarrollar, cada objeto ocupará un volumen en tres dimensiones, y contará con una posición en el espacio definido por el origen de coordenadas (0,0,0), que podemos designar como (x,y,z). Estos objetos van a tener además tres grados de libertad, a, b, y g correspondientes al ángulo que forma el objeto con los tres ejes del espacio, de forma que vamos a poder modificar además de su posición (x, y, z), los ángulos a, b, y g. Estas operaciones son muy habituales en el procesado en tres dimensiones, y las realiza el ordenador automáticamente. Para interpretar este sistema, el operador cuenta, por parte de la aplicación, con diversos modos de representación basados en proyecciones de la escena sobre planos. La representación más habitual es la formada por las conocidas vistas de planta, alzado y perfil; aunque también se ofrece cualquier otra vista a través de la perspectiva de una cámara virtual. Al igual que en dos dimensiones, los cálculos de traslaciones y rotaciones de objetos se realizan utilizando las ecuaciones apropiadas de un espacio cartesiano, considerándolo tridimensional. La metodología de diseño que se suele seguir para elaborar una secuencia 3D sigue varios pasos fundamentales, que se plantean a continuación. Éstos son, el modelado de la imagen inicial, el diseño de la evolución en tiempo de animación, el renderizado de la secuencia, y el volcado a video El modelado tridimensional Esta fase es bastante similar en todos los programas. Para confeccionar el modelo de cualquier objeto de la escena, el programa nos ofrece, como hemos visto, un espacio tridimensional, con tres ejes en los que se pueden trasladar, rotar y deformar los objetos. La forma más sencilla de tratar computacionalmente un objeto tridimensional es mediante la representación matemática de sus vértices, aristas y caras, de forma que dos vértices definen una arista, y varias aristas definen una cara o superficie. Las superficies más habituales que forman las caras de los objetos, son el triángulo y el cuadrilátero, ya que son las más sencillas. Los vértices y las aristas representan la estructura del objeto, y son una representación muy usual del mismo, cuando las características gráficas del sistema de representación en el que se trabaja no son muy elevadas, y no permiten la representación de las texturas en un tiempo razonable. Este modo de visualización mediante las aristas se denomina en malla de alambres o wireframe. El modelado se va a realizar a partir una serie de objetos geométricamente sencillos, y previamente construidos, llamados primitivas, a los que el diseñador sólo tiene que proporcionar sus medidas, además de algún otro parámetro. Estos objetos o primitivas pueden ser prismas, esferas, cilindros, conos, etc. A partir de estos elementos, y mediante transformaciones y modificaciones de vértices, es posible modelar prácticamente todo, y conseguir escenas muy realistas. Una vez representada la escena como objetos en modo malla de alambre, la sensación de realidad se consigue mediante colores y texturas aplicadas a las superficies. Una textura es una imagen bidimensional que va a representar el aspecto exterior del objeto al que se aplica. Cualquier objeto del universo, definido por un color, una reflectividad y una transparencia se puede representar por una textura. La forma de trabajar con las texturas es aplicándolas directamente sobre una superficie u objeto. Generalmente se va a trabajar

16 16 CAPÍTULO 1. LA EDICIÓN DE IMÁGENES POR ORDENADOR con una colección o biblioteca de texturas. Además algunos programas permiten aplicar las texturas en capas, es decir, aplicar dos o más texturas para que mezcladas proporcionen el aspecto adecuado La generación de escenarios La generación de escenarios puede considerarse como parte del modelado, pero se ha separado en un apartado diferente, para destacar la iluminación y el sombreado, que debemos configurar para obtener escenas realistas. El escenario va a estar compuesto por todos aquellos objetos y personajes que se han modelado en el apartado anterior. En este caso, debe hacerse notar que las paredes, el suelo, y si se quiere el techo, o incluso el cielo, también se deben considerar como objetos del escenario. Estos, generalmente, serán objetos caracterizados por su forma plana, y a los que deberán aplicarse una textura adecuada para hacerlos más aparentes. La iluminación es el elemento más importante en el resultado artístico de una escena 3D. Con el posicionamiento de diferentes luces se pueden lograr escenas con realismo, o efectos que impacten. En los programas existentes en la actualidad se pueden colocar las luces en cualquier punto del espacio, con cualquier orientación y color. Existen diferentes tipos de luces. La luz ambiental ilumina la escena de una manera uniforme hacia todas las direcciones del espacio. Las luces puntuales proporcionan una iluminación muy concentrada sobre un punto del espacio, y es muy utilizada para la creación de reflejos. Las luces dirigidas son más abiertas que las anteriores, aunque también está situada en un punto del espacio y orientada en una dirección concreta. Estas luces dirigidas a veces son usadas producir reflejos, pero sobretodo se utilizan para iluminar zonas concretas de la escena, resaltándolas de lo demás. En una escena iluminada, es fundamental el cálculo del sombreado de los cuerpos. El sombreado es la iluminación que tendrá un cuerpo sometido a una luz; que poseerá un máximo en la dirección de ésta, e irá decayendo conforme nos vayamos alejando. Existen varios tipos de sombreados según la calidad con que queramos acabar la escena. Estos tipos de sombreado se aplican en el renderizado, y se verán más adelante en la asignatura Diseño de la evolución en tiempo de la animación Conforme la animación de la escena vaya cambiando, se han de modelar también los cambios que sufren cada uno de los objetos a lo largo del tiempo. Para diseñar la evolución en tiempo de la animación hay que definir el recorrido que van a efectuar las partículas desde el cuadro cero hasta la finalización de la animación. Para hacer esto se crean diversos fotogramas cerrados, o cuadros llave con los valores instantáneos de cada parámetro y el software interpola los valores del parámetro en los intervalos entre fotogramas cerrados. Por supuesto los programas serán capaces de interpolar cualquier parámetro básico como la rotación, la traslación, el tamaño, etc. así como el color de las luces, los reflejos, o las distorsiones de movimiento La animación de personajes El modelado en tres dimensiones no tendría el efecto tan espectacular que posee si no tuviese animación, y las posibilidades infinitas que supone la utilización del ordenador para animar. Con actores u objetos reales, algunos tipos de animaciones son muy difíciles de realizar, y en algunos casos completamente imposibles; por ejemplo, el morphing, que es el cambio de forma de un objeto para convertirse en otro. Para definir transformaciones

17 1.7. FORMATOS DE ALMACENAMIENTO EN FICHERO 17 de este tipo, también se utilizan los fotogramas cerrados. El ordenador calcula también las posiciones intermedias de todos los objetos, y es capaz de renderizar la escena de forma que parezca que el movimiento es continuo Renderizado Cuando se han diseñado y comprobado mediante previsualizaciones los diferentes elementos de una escena, se procede al renderizado final. Esto es el cálculo de todos los fotogramas 2D, que van a componer la secuencia de imágenes resultado de la animación. Para representar la escena 3D en un fotograma 2D, se efectúa una proyección de la escena sobre el plano fotosensible de la cámara virtual, utilizando las ecuaciones de la geometría proyectiva. Esta proyección se realiza en dos pasos llamados geometrización y rasterización. La geometrízación consiste en realizar los cálculos geométricos de posición de los triángulos o cuadriláteros que forman la superficie exterior de los objetos; y la rasterización es la aplicación del color que le corresponde a cada pixel de la pantalla. Una vez calculado el cuadro inicial, deben hacerse las transformaciones necesarias en los parámetros que vayan a cambiar en el siguiente cuadro, atendiendo a la nueva posición de los objetos, y a la perspectiva de la cámara. Así el ordenador irá calculando la animación cuadro tras cuadro, en un proceso de cálculo matemático muy intenso y largo. Las interpolaciones de propiedades entre fotogramas cerrados son una parte pequeña del renderizado, las partes más costosas en tiempo son los cálculos geométricos y la rasterización. La velocidad de representación de los cuadros depende del sistema de visión al que vaya destinada la animación. En cine, la frecuencia de cuadro es de 24 fotogramas por segundo. En televisión, hay que hacer distinción de los sistemas europeos, que utilizan una frecuencia de 25 fotogramas por segundo, y el sistema americano, que utiliza 30 fotogramas por segundo. Esta velocidad debe tenerse en cuenta a la hora de desarrollar los movimientos de la animación, para que los movimientos que se realicen sobre los objetos de la escena parezcan reales. Se suele renderizar una cámara, pero también es posible renderizar dos, o más cámaras. Las cámaras son editables en todas sus propiedades, de la misma manera que las reales: campo de visión, zoom, etc Volcado a video El objetivo de todo trabajo de grafismo es la visualización del mismo; y en televisión, esto implica el volcado de la animación al soporte estándar del centro de producción para su disponibilidad de edición, archivo, etc. El formato de grabación puede ser cualquiera de los formatos de vídeo como Betacam, DV-CAM, DVC-PRO, e incluso VHS, para baja calidad. Para conseguirlo, partimos de la animación una vez renderizada y grabada en un formato AVI, TGA, etc, y posteriormente debemos transformarla a una señal digital de video en componentes. Otra posibilidad, también es utilizar un disco duro convirtiendo este tipo de fotogramas o cuadros en señal digital de video. Desde ese momento, se podrá utilizar la señal de la misma manera que si proviniese de un magnetoscopio Formatos de almacenamiento en fichero Debido a la falta de acuerdo entre los desarrolladores de aplicaciones, y a la falta también de una estandarización por parte de instituciones a nivel internacional, cada fabricante ha tenido que resolver sus necesidades implementando distintos formatos de ficheros, que,

18 18 CAPÍTULO 1. LA EDICIÓN DE IMÁGENES POR ORDENADOR en consecuencia, han resultado incompatibles entre sí. Esto es lo que ha provocado la aparición de gran cantidad de tipos de ficheros distintos, con sus correspondientes siglas identificativas. No obstante, y aunque los formatos de fichero son diferentes, todos tienen algunos rasgos en común que nos permiten clasificarlos. Por una parte tenemos los gráficos matriciales o bitmap, que se utilizan a menudo en aplicaciones fotográficas. En estos ficheros, el gráfico está compuesto por una matriz de píxeles, cada uno con una serie de bits para identificar su color. Como características de estos ficheros, el almacenamiento de los píxeles se realiza secuencialmente; el tamaño de fichero es independiente del contenido; y si necesitamos variar el tamaño de la imagen manteniendo la resolución en píxeles por pulgada, perderemos calidad, ya que la imagen aparecerá pixelada. Algunos ejemplos de este tipo son: BMP.- Formato matricial estándar de Windows. DIB(Device Independent Bitmap).- Independiente de dispositivo. CDR(CorelDraw) PSD(PhotoShop) JPEG(Joint Picture Expert Group).- Formato comprimido muy extendido en internet. EPS(Encapsulated Postcript).- Creado por Adobe Systems. Utilizado por filmadores e imprentas. Un fichero EPS puede mandarse a una impresora Postcript sin necesidad de un programa de gestión de gráficos. GIF(Graphics Interchange Format).- Definido por Compuserve. Formato gráfico pionero en la transmisión de gráficos en internet. Funciona en la mayoría de las plataformas (PC Macintosh, Estaciones de trabajo). HPGL(Hewlett Packard Graphics Language) Creado por HP como salida a plotters. PCL(Printer Control Language) Lenguaje de descripción de páginas del estilo de Postcript. Su salida debe imprimirse en una impresora PCL. PCX.- Creado por Zsoft como formato del Paintbrush. Debido a la gran difusión con Windows es el formato matricial más utilizado. TGA.- Formato gráfico especial para figuras de alta resolución y gran número de colores. Definido por TrueVision para sus tarjetas Targa que permiten alcanzar elevadas resoluciones con color verdadero. TIFF(Tagged Image File Format) Seguramente el más extendido. Admite diferentes modos de compresión. WPG(WordPerfect Graphics). Poco extendido. Por otra parte, en los entornos de dibujo asistido por ordenador se utilizan los llamados gráficos vectoriales. Estos guardan la información geométrica de las figuras, (centro y radio de círculos, vértices de polígonos, etc) de manera que se pueden regenerar. Como características, el tamaño del fichero depende de la cantidad de figuras que se incluyan, y los cambios de tamaño de las imágenes no producen pérdidas de calidad, ya que el cambio de tamaño afectará a los parámetros constructivos de cada objeto. Ejemplos de estos son:

19 1.8. APLICACIONES BASADAS EN GRAFISMO ELECTRÓNICO 19 DWG.- Dibujo de AutoCAD. DXF.- (Drawing Interchange Format) Formato estándar de los programas de CAD creado por Autodesk para AutoCAD, y muy difundido. Finalmente, y como mezcla de los anteriores, está el formato metafichero o metafile. Utiliza una base vectorial pero se permite la inclusión de imágenes matriciales. Algunos de los ejemplos más importantes son: CGM(Computer Graphics Metafile).- Definido por el ANSI (American National Standard Institute) y el único considerado estándar aunque no muy extendido. WMF(Windows Metafile).- Formato metafichero estandar en el entorno Windows, aunque poco utilizado Para el almacenamiento de secuencias, el formato más extendido es el AVI que admite distintos tipos de compresiones como por ejemplo MPEG Aplicaciones basadas en grafismo electrónico Las aplicaciones de la edición de imágenes por ordenador son muchas y muy variadas. Quizá la más habitual es la televisión con la confección de caratulas para los programas; y concretamente dentro de los informativos, la confección del mapa del tiempo, los subtítulos y otros efectos visuales que dan cierta espectacularidad. En televisión también se utilizan las animaciones tridimensionales, la mayoría de las veces en la publicidad, o en los informativos, para simular accidentes y tragedias. El grafismo electrónico se está utilizando también para la presentación de datos por medio de gráficos y diapositivas. No hay más que recordar el despliegue virtual que desarrollan las televisiones en las noches electorales. En otro tipo de entornos, el grafismo se utiliza también de forma artística en la mayoría de las disciplinas tradicionales como la fotografía, el cine, el dibujo, y la pintura, o en los más modernos sistemas multimedia. Los sistemas multimedia integran la comunicación, con las imágenes, el sonido y los datos para dar lugar a diferentes aplicaciones: desde la confección de páginas Web, la edición de enciclopedias multimedia en CD-ROM, la edición de vídeo, o la creación de juegos de realidad virtual. Otra aplicación, que está empezando a ser habitual en ingeniería, es la simulación virtual de los resultados de una obra arquitectónica o un proyecto de ingeniería como un aeropuerto, un avión, un barco, etc. Los sistemas de diseño asistido por ordenador incluyen además del diseño industrial de estructuras, mecanismos y formas, su integración con paquetes de simulación, y con maquinaria automática de producción, que permiten acortar el proceso de diseño y su fabricación posterior. También es posible encontrar aplicaciones de levantamiento de perfiles orográficos a partir de los mapas cartográficos. Mediante el ordenador se hace posible visualizar la orografía de un terreno partiendo de un mapa cartográfico. Finalmente, la realidad virtual también se está utilizando últimamente en disciplinas alejadas de la informática como la medicina con fines docentes, y para la ayuda al diagnóstico de enfermedades.

20 20 CAPÍTULO 1. LA EDICIÓN DE IMÁGENES POR ORDENADOR

21 Capítulo 2 El modelado tridimensional 2.1. Introducción Dentro de los sistemas audiovisuales modernos, la creación de efectos tridimensionales por ordenador, se ha convertido actualmente en un elemento imprescindible en el entorno del cine, la televisión e incluso en la producción ligera de vídeo (bodas, bautizos,... ). debido a la gran competencia que existe en el sector. Probablemente nadie se imagina un programa de televisión sin esas cabeceras espectaculares (secuencias cortas en duración pero muy creativas), o sin rótulos dinámicos de crédito, que giran, que estallan, etc. Pero la generación de escenas virtuales no queda sólo reducida a la confección de cabeceras, transición entre programas, efectos especiales, etc. sino que va mas allá. No hay más que recordar películas de animación como Toy Story, Bichos, Dinosaurio,... que están realizadas íntegramente por ordenador, u otras en las que la animación tridimensional ha sido un soporte importante como los dibujos animados, que siendo una parcela antaño restringida al dibujo 2D están incluyendo a gran velocidad múltiples efectos tridimensionales. Un efecto especial muy espectacular y restringido únicamente al mundo virtual, ya que no es posible realizarlo mediante actores, es el morphing o metamorfosis. El morphing es un efecto mediante el cual un actor, o un objeto, se transforma progresivamente cambiando de forma para convertirse en otro. Otras aplicaciones, aunque fuera de lo que es la televisión o el cine, son el desarrollo de juegos de ordenador, y las funciones en diseño arquitectural, industrial, moda, etc. En todas ellas, las herramientas fundamentales son el ordenador, y uno de estos programas de diseño 3D. Se ha dividido el desarrollo de los contenidos de esta parte de la asignatura en dos temas separados. Éste que se está presentando, trata del modelado de objetos, en el que se aborda el modo en que los programas nos permiten componer y representar los objetos que forman parte de nuestra escena. Al principio de este capítulo, se presentan también las herramientas matemáticas que soportan todo este mundo del modelado tridimensional. En el capítulo siguiente, entraremos en la generación de escenarios, entendiendo como tal, no solo la colocación de los objetos, sino también la configuración de la cámara, las luces y las sombras, junto con su animación en la escena, las deformaciones de personajes, los efectos especiales, etc. Algunos ejemplos de programas orientados a la tarea del diseño 3D son, el conocido 3D Studio MAX, que comenzó a conocerse como una herramienta de los arquitectos para el diseño y representación de sus construcciones; el programa Strata 3D es interesante porque el núcleo fundamental es de libre distribución en internet, y por lo tanto, no es 21

22 22 CAPÍTULO 2. EL MODELADO TRIDIMENSIONAL necesaria licencia a día de hoy, lo único que exigen los programadores es que los usuarios que lo utilicen se registren. También los mismos programadores ofrecen otra versión de pago, por supuesto más completa, con más librerías, etc. Otro ejemplo, que será el que utilicemos en las sesiones prácticas es LightWave. Este software, quizá no es tan conocido, pero ofrece resultados de gran calidad en las animaciones, utilizando un tiempo de renderizado no muy elevado. Un punto tan importante como cambiente en el diseño 3D es el aspecto de los requerimientos hardware. El desarrollo de los programas (lo que llamamos software), y de los ordenadores (que llamamos hardware) discurre de forma paralela. Los nuevos modelos de ordenadores consiguen unas prestaciones superiores, prestaciones que son incluidas en las nuevas versiones de los programas. Visto desde el punto de vista del sufrido usuario, cuando se quiere utilizar un programa más moderno, a menudo, se debe cambiar de ordenador. El diseño asistido por ordenador, y en definitiva cualquier programa que tenga un aparato matemático importante, va a necesitar grandes prestaciones en los PCs donde funcione. Unas mejores prestaciones implicarán una mejora ostensible en el tiempo de cálculo necesario en cada caso, e incluso una falta de prestaciones puede hacer que la aplicación, simplemente no funcione. En la actualidad, unas buenas prestaciones pueden ser estas: Un Pentium IV, 2 GBytes de RAM, y 200 GByte libre de disco duro. Esto es para funcionar un poco. Hay que tener en cuenta que las animaciones reales, dependiendo de la duración y de la definición con que se hagan, pueden ocupar gran cantidad de espacio en disco. De ahí este dato sobre el disco duro. Se aconseja un adaptador de pantalla que admita color verdadero y con un tamaño interno de memoria de 128 MBytes. La mayoría de estos programas vienen ya en CD-ROM así que se hace necesario tener un lector. También, si se quiere llevar el trabajo realizado de un lugar a otro, se aconseja un grabador de CDs por el tamaño de los ficheros. Para trabajar con los programas de diseño, se utiliza mucho el ratón, o los llamados tableros digitalizadores. No obstante, muchas aplicaciones aconsejan ejecutar los comandos a través de las llamadas teclas rápidas. La utilización de estas teclas rápidas ofrece una mayor rapidez que la búsqueda a través de solapas y de menús. Por ejemplo, en LightWave, la tecla F1 ofrece una ayuda sobre la situación de las teclas rápidas Metodología de diseño 3D La metodología de diseño de una secuencia en 3D sigue varios pasos fundamentales. El primer objetivo es la confección del escenario y de todos los objetos y los personajes que van a aparecer en él. Los programas de diseño suelen llevar asociado toda una librería de objetos que se pueden utilizar pero, en la mayoría de los casos, los personajes fundamentales hay que crearlos desde el principio, bien por que los que hay no se ajustan a las necesidades de la animación, o bien cuando se quieren conservar los derechos de autor, tema importante en el negocio televisivo. Tanto a los personajes, como a los objetos de la escena se les tiene que dotar de un color o de una textura, que podríamos decir que es la corteza exterior visible. Además de diseñar los objetos, hemos de generar el escenario donde va a transcurrir la animación: suelo, paredes, etc. Si en un caso real, todo escenario necesita de una iluminación. Esto también es necesario en la escenografía virtual para generar distintos ambientes, resaltar elementos... Una vez contemplados todos los puntos anteriores, se posicionan los elementos en el punto de salida, configurando lo que será el primer fotograma. En segundo lugar, a partir de ese primer fotograma, la configuración de la escena irá cambiando, dotando de movimiento a los objetos a lo largo de la animación. Todos estos

23 2.2. EL SISTEMA DE REFERENCIA VIRTUAL. 23 cambios también hemos de modelarlos; pero para ello el programa nos ofrece herramientas que nos van a facilitar el trabajo enormemente. Una vez realizado todo el diseño de la escena y de los movimientos, el siguiente paso es el renderizado. Esto es el cálculo final de las imágenes percibidas por la cámara desde su perspectiva, para cada uno de los fotogramas. Éste es el proceso que lleva detrás un mayor aparato matemático (geométrico) y que, por lo tanto, el ordenador va a necesitar su tiempo para realizar. Finalmente, el resultado del renderizado se deberá volcar a un sistema de vídeo para poder reproducirlo directamente, o si la animación es parte de un programa completo, insertarlo en el momento indicado del guión El sistema de referencia virtual. En los programas de diseño 3D se establece un sistema de referencia tridimensional con coordenadas (x, y, z), donde se situarán los objetos a utilizar en el escenario. En este sistema de referencia se pueden representar las tres perspectivas ortogonales, planta ( top o map ) vista desde el eje +y, alzado ( front o face ) visto desde el eje -z y perfil ( side ) visto desde el eje +x. Además se suele ofrecer otra vista preliminar del objeto configurable en cualquier posición. Para elegir la vista adecuada en la que trabajar con el modelador, se utiliza el control Display/options/orientation, permitiéndose además tener simultáneamente las cuatro vistas citadas. En el layout, para elegir la vista a utilizar se utiliza el botón Perspective View. En este sistema de referencia resultará sencillo posicionar los objetos con los que se quiera trabajar con la suficiente precisión. Dentro de este sistema de referencia, un objeto de naturaleza continua en tres dimensiones contará con una posición en el espacio, referenciada al origen de coordenadas (0, 0, 0) y que podemos designar como (x, y, z). Este objeto, además va a tener otros tres grados de libertad, a, b, y g correspondientes a los ángulos que forma dicho objeto con los tres ejes coordenados del espacio, de forma que podremos modificar tanto su posición (x, y, z) como los ángulos (a, b, g); operaciones muy habituales en el procesado en tres dimensiones. En este sistema de referencia podremos trasladar, rotar y deformar los objetos a nuestro antojo. Todas las transformaciones que se realicen con un objeto afectarán directamente a las posiciones de sus vértices, sus aristas y sus superficies Herramientas de visualización En la solapa Display de LightWave, aparecen otras herramientas conocidas. Los botones Zoom, Zoom In y Zoom Out sirven, para acercar o alejar. En el caso de Zoom se escoge un área en la que centrar la visión. En el caso de Zoom In y Zoom Out se realiza la operación a cada pulsación del botón. Para acercar o alejar todo se utiliza el botón Magnify. El comando Pan sirve para desplazar el objeto que estamos editando dentro de la ventana, y así movernos por él. Las herramientas Fit y Fit Sel adaptan la vista de las ventanas al tamaño exacto del objeto que se está editando, o de la selección realizada. Otras herramientas no son propiamente de visualización sino de medida sobre la pantalla como Measure y Angle. Measure realiza medidas de longitud arrastrando con el ratón, y Angle mide de ángulo respecto del eje Z que forma el trazo que se crea al arrastrar. En el caso del plano XY el ángulo se da respecto del eje X. El botón Backdrop,configura el fondo de cada vista de visualización con el fin de utilizarlo como referencia a la hora del diseño de objetos. También es posible cambiar el color de fondo de la ventana de previsualización.