GENERACIÓN DE IMÁGENES SINTÉTICAS: EL SOFTWARE Y SUS MODELOS DE SIMULACIÓN

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1 GENERACIÓN DE IMÁGENES SINTÉTICAS: EL SOFTWARE Y SUS MODELOS DE SIMULACIÓN Dr. Carlos Vargas Castillo cvar@costarricense.cr Escuela de Ciencias de la Computación e Informática Universidad de Costa Rica Costa Rica RESUMEN La creación de gráficos por computadora es uno de los campos que más rápidamente crece dentro de la computación. Se reconoce el valor de una imagen como medio de comunicación muy eficaz. Las imágenes sintéticas, tanto estáticas como animadas, se han convertido en un elemento diferenciador de la calidad de aplicaciones, tales como la realidad virtual, animaciones 3D, hipermedios en la web y multimedios. La tendencia actual en la creación de gráficos por computadora consiste en incorporar principios y teorías de la Física en los algoritmos para lograr simular mejor las complejas interacciones entre los objetos en una escena y las fuentes de iluminación. Se evidencia una búsqueda permanente para lograr obtener el mayor realismo posible en imágenes generadas por computadora. En este artículo se plantean varias preguntas en relación con el software y los algoritmos usados para la creación de imágenes sintéticas tridimensionales. Cuáles son los módelos teóricos en que se fundamenta el desarrollo del software?. Se correlaciona la sofisticación del modelo utilizado con la calidad percibida en las imágenes generadas?. Los modelos teóricos, utilizados en el software libre, son sustancialmente diferentes de los utilizados por el software comercial?. Palabras clave: Gráficos por computadora, imágenes sintéticas, modelos de iluminación, software libre. 1. Introducción La búsqueda del realismo visual en imágenes construidas de forma sintética ha aumentado considerablemente en los últimos años, extendiéndose además a multitud de campos, entre estos, el diseño arquitectónico, la visualización científica, el cine y la televisión, o la medicina, entre otros. Se reconoce el valor de una imagen como medio de comunicación muy eficaz. Las imágenes sintéticas, sean estáticas o animadas, se han convertido en un elemento diferenciador de la calidad de aplicaciones, tales como animaciones 3D, hipermedios en la web, realidad virtual o multimedios [24, 25]. La meta principal en la creación de imágenes sintéticas es desarrollar software que permita la visualización de escenas tridimensionales que simulen la realidad. Para lograr esta meta, se requiere diseñar modelos de simulación que incorporen algoritmos basados en principios y teorías de la Física, para así lograr simular de manera verosímil las complejas interacciones entre los objetos en una escena y las fuentes que los iluminan. La correcta iluminación de una escena sintética es un requisito básico para

2 alcanzar esos niveles de realismo. Con este objetivo, se han desarrollado modelos de iluminación, que simulan la propagación de la luz en una escena tridimensional. Los primeros modelos, que comenzaron a desarrollarse desde hace más de tres décadas, únicamente incluían la iluminación directa. Estos modelos son simples, fáciles de implementar y rápidos en su ejecución [30]. Posteriormente, se elaboraron modelos de iluminación global más complejos, que incluyen iluminación indirecta, los cuales logran la generación de imágenes fotorealistas [6, 8, 27]. Los últimos enfoques evolucionan a partir de los esquemas clásicos de radiosidad [10] y rastreo de rayos [28] hacia enfoques más modernos [3, 5, 11, 12, 19, 21]. La tendencia actual es hacia el desarrollo de modelos que aborden áreas muy específicas, como por ejemplo, la producción de plantas digitales basadas en gramáticas [23]. Actualmente la industria ofrece software especializado para el diseño y producción de imágenes fotorealistas tridimensionales, que usualmente se vende a alto precio. Por su parte, también se encuentra disponible la opción del software abierto, también conocido como software libre. En este trabajo se analiza un conjunto de programas que incluye ambos tipos de software. En este artículo se plantean, y contestan varias preguntas en relación con el software y los algoritmos usados para la creación de imágenes sintéticas tridimensionales. Cuáles son los módelos teóricos en que se fundamenta el desarrollo del software?. Se correlaciona la sofisticación del modelo de iluminación utilizado con la calidad percibida en las imágenes generadas?. Los modelos teóricos utilizados por el software libre son sustancialmente diferentes de los utilizados por el software propietario?. 2. Los modelos de simulación El modelado de los colores y efectos de iluminación que se observan en los objetos es un proceso complejo que implica tanto principios físicos como psicológicos, correspondientes a la percepción de las formas. La iluminación se refiere al proceso para obtener la intensidad luminosa, o color, de cada uno de los puntos de una superficie. Dicho color depende, no solamente de las características de las fuentes de luz que iluminan las superficies, sino también de la posición, orientación y características de las mismas. Para calcular la intensidad luminosa se requiere especificar un modelo de iluminación. Los modelos de iluminación se formulan tomando en cuenta las leyes físicas que describen las intensidades de luz de las superficies. Sin embargo, para reducir el gran número de cálculos implicados, algunos modelos aplican una serie de supuestos, que no parten de una base teórica, pero que en la práctica producen resultados aceptables. Este abordaje a los gráficos permite diferenciar los modelos globales de los locales. Los modelos de iluminación local utilizan algoritmos simplificados que se basan en las propiedades ópticas de las superficies, las condiciones de la luz ambiente, y las características de las fuentes de luz. Las propiedades ópticas de las superficies se especifican mediante parámetros que permiten controlar la cantidad de absorción y reflexión de la luz incidente. Las fuentes de luz, se consideran como fuentes de luz puntuales que divergen en forma radial desde la posición de la fuente. Este tipo de modelos no tiene en cuenta las interreflexiones de la luz entre los objetos de la escena. En este tipo de algoritmos la

3 iluminación global se modela mediante un término de iluminación ambiente que se considera constante para todos los puntos de los objetos. Los modelos de iluminación global calculan la iluminación en punto dependiendo de la luz directamente emitida por las fuentes y dependiendo también de la luz que alcanza al punto, después de la reflexión y transmisión a través de otras superficies. Los modelos de iluminación global superan a los modelos de iluminación local, por cuanto consideran la interreflexión de la luz entre las distintas superficies de un ambiente, simulando así la distribución de la energía entre todas las superficies y todas las fuentes de luz [2, 29]. Un modelo de iluminación global se especifica mediante una ecuación de acabado [1]. Esta ecuación expresa el transporte o distribución de la energía lumínica en un entorno y está basada en el comportamiento físico real de la luz. Su expresión formal es la siguiente: La ecuación se fundamenta en la ley de la conservación de la energía: dados un punto, y una dirección arbitrarios pero fijos, entonces la energía que abandona ese punto en esa dirección, Lo, es la suma de la posible energía auto-emitida por ese punto Le, y la energía reflejada. El valor de la energía reflejada en el punto hacia la dirección se corresponde con la aportación de toda la energía proveniente del resto de la escena en todas las direcciones, Li, multiplicada por el ángulo de incidencia y el factor de reflexión del material, fr. Este último término viene dado por la función de reflexión bidireccional de un material (BRDF por sus siglas en inglés), que modela la interacción de la luz con una superficie, expresando la relación entre la energía incidente y la reflejada, Lr, en un determinado punto y dirección. La Figura No.1 describe los principales variables del modelo. radiancia La medida básica para la energía utilizada en radiometría es la radiance, que se corresponde con el flujo de energía que incide o parte de una superficie por unidad de ángulo sólido y por unidad de área. Se expresa en radiancia (en radiometría) Indica el producto escalar entre la dirección incidente, y el vector normal a la superficie incidida, que corresponde al coseno del ángulo que ambos forman. En radiometría, radiancia de salida (radiant exitance).esta última, correspondiente al flujo de energía por unidad de área que abandona una superficie, recibe también el nombre de radiosidad, y se expresa en reflexión Lambertiana Una superficie con reflexión difusa refleja la luz incidente en todas las direcciones. La reflexión difusa ideal o Lambertiana sería el caso particular en el que la energía reflejada es constante en todas las direcciones. Figura No.1: Variables utilizadas por el modelo de iluminación.

4 El comportamiento de la luz en un medio, representado por la BRDF, puede descomponerse en varios términos más sencillos, como se muestra en la siguiente ecuación, de forma que cada uno de ellos expresa un determinado aspecto de la interacción de la luz con el material que lo compone, como pueden ser, por ejemplo, la reflexión difusa, la reflexión especular, la refracción o la transmisión de la energía a través del medio, entre otros. En la práctica, los diferentes modelos de iluminación global suelen centrarse en uno o varios de estos términos más sencillos, simplificando el efecto que produce el comportamiento físico real de la luz. Los modelos de iluminación global tratan de resolver, por lo general de forma aproximada, mediante la introducción de una serie de simplificaciones, la ecuación de acabado. Dos son los principales paradigmas dentro de este tipo de métodos: los modelos basados en elementos finitos, conocidos como métodos de radiosidad, y los modelos basados en el lanzamiento o trazado de rayos, llamado método de rastreo de rayos [7]. El algoritmo de rastreo de rayos intercala la determinación de superficies visibles con el cálculo de sombras, reflexiones y refracciones. La radiosidad separa el cálculo de la iluminación de la determinación de superficies visibles. Este último algoritmo modela todas las interacciones del entorno con las fuentes de luz, con independencia del punto de vista, para posteriormente calcular las imágenes proyectadas desde aquellos puntos de vista deseados, utilizando métodos convencionales de obtención de superficies visibles y de sombreado. Los métodos basados en rastreo de rayos generan una serie de rayos o caminos entre la cámara y las distintas fuentes de luz de la escena, mediante los cuales se va a estimar el color de los píxeles en pantalla. Estos métodos son especialmente útiles para modelar algunos de los efectos producidos por la interacción de la luz, como la reflexión especular, los brillos o la refracción, especialmente con la introducción del método estocástico Monte Carlo [15]. Sin embargo, este tipo de métodos no son los adecuados cuando se trata de simular la componente difusa en el reflejo de la luz, la cual influyente de modo significativo en el aspecto final de la iluminación de un entorno. Otro inconveniente de estos métodos es que proporcionan un cálculo de la iluminación global de la escena dependiente del punto de vista del observador. Los métodos de radiosidad, por su parte, simulan especialmente bien el comportamiento difuso de la luz en un entorno, permitiendo obtener resultados extraordinariamente realistas en la iluminación lograda [26]. Además, los resultados proporcionados son totalmente independientes del punto de vista de la cámara. Se puede considerar, por tanto, que ambas aproximaciones, radiosidad y rastreo de rayos, son complementarias, por lo que recientemente se han desarrollado métodos híbridos [18, 20], los cuales, una vez obtenida la iluminación difusa de la escena con el método de radiosidad, aplican técnicas de lanzamiento de rayos para añadir efectos especulares, brillos, e interacción con medios participativos al resultado final. La principal debilidad del método de radiosidad consiste en la dependencia que establece entre la iluminación de una escena y su geometría, lo que limita, en principio,

5 la complejidad de las escenas a utilizar. Aunque esta limitación puede atenuarse mediante el uso de jerarquías de objetos. La técnica conocida como Mapeo de Fotones [4, 13] ha surgido en los últimos años para tratar de sustituir la aproximación híbrida y basar la iluminación de una escena únicamente en el lanzamiento de rayos, logrando la independencia de la complejidad de la escena. El Mapeo de Fotones consiste, básicamente, en la segmentación del proceso de lanzamiento de rayos en dos fases: primero se emiten y propagan a lo largo de la escena los rayos, que ahora se pasan a denominar fotones, a partir de las fuentes de luz de la escena, almacenando la información obtenida sobre la iluminación en una estructura independiente de la geometría de la escena, el mapa de fotones. El segundo paso consiste en utilizar toda la información disponible para calcular la iluminación final de la escena, sustituyendo a la información que proporcionaría el método de radiosidad en las soluciones combinadas con el rastreo de rayos. El principal inconveniente de esta aproximación radica en la gran cantidad de memoria que requiere el lanzamiento de un número de fotones lo suficientemente grande como para obtener resultados realistas en la iluminación indirecta en un entorno cerrado [9]. Otro potencial problema de implementacion es lograr una resolución eficiente de las relaciones de vecindad entre puntos arbitrarios del espacio, necesaria para el aprovechamiento de la estructura del mapa de fotones [16]. Otras propuestas son los métodos híbridos, que tratan de aprovechar las ventajas de diferentes técnicas, o que se basan en la utilización de texturas. Neyret [17] diseñó un método basado en texturas volumétricas para la visualización de escenas complejas conteniendo, por ejemplo, árboles, hierba, pelo o piel, y que puede ser utilizado para la visualización eficiente utilizando técnicas de trazado de rayos. Más reciente, Frank Suykens y Yves D. Willems [22] presentaron un método multipaso ponderado para el cálculo de la iluminación global, que combina técnicas de radiosidad y de trazado de caminos bidireccionales. 3. Software comercial y software libre Actualmente la industria ofrece software especializado para el diseño y producción de imágenes fotorealistas tridimensionales, que por lo general es vendido a muy alto costo. Por su parte, también se encuentra disponible la opción del software abierto, también conocido como software libre. En esta investigación se analizó una muestra representativa de programas pertenecientes a los dos tipos de software mencionados (veáse Figura No.2). El análisis, de tipo cualitativo, consistió en comparar cada paquete en relación con los constructos teóricos preestablecidos, buscando responder las tres preguntas de investigación, cuyos resultados se presentan en la siguiente sección. Pov-Ray POV-Ray is free and is available for Windows, Mac OS/Mac OS X and i86 Linux. The source code is available. From the POV-Ray documentation: "The Persistence of Vision Ray-Tracer creates three-dimensional, photo-realistic images using a rendering technique called ray-tracing. It reads in a text file containing information describing the objects and lighting in a scene and generates an image of that scene from the view point of a camera also described in the text file. Ray-tracing is not a fast process by any means, but it produces very high quality images with realistic reflections, shading, perspective and other effects."

6 Blender Open source software for 3D modeling, animation, rendering, post-production, interactive creation and playback.available for Windows, Linux, Irix, Sun Solaris, FreeBSD or Mac OS X. RADIANCE RADIANCE is a highly accurate ray-tracing software system for UNIX computers that is licensed at no cost to users for non-commercial use; commercial use licenses including distribution rights are available for a fee. Radiance was developed with primary support from the U.S. Department Of Energy and additional support from the Swiss Federal Government. It is copyrighted by the Regents of the University of California. Maya Maya is arguably the world's most famous and professional 3D object modeller, animator, physics, and rendering package (The other close contender being 3D Max). 3D Max 3ds max is the world's best selling 3D modeling, animation and rendering platform, from the Discreet, and allows game players to create, customize, and exchange their own game content online. TrueSpace True Space is a well established 3D modeling software package. It features an powerful polygon and vertex editing; UV mapper; 2D/3D text, and subdivision surfaces. Also it supports many 3D file formats and is available for Windows and Mac. Poser Poser is a deformation tool for use with 3D modelling, rendering and animation software. Its primary focus is the generation of humanoid. It uses a proprietary Musculature Definition Language designed specifically to assist in the creation of dynamic musculature systems. Figura No.2: Muestra de software comercial y sofware libre Figura No.3: Interfaz de RENDER. La selección de los parámetros adecuados para la iluminacion y de la posición de las cámaras, es un proceso bastante difícil, usualmente resuelto mediante prueba y error, lo cual demanda mucho tiempo por parte del usuario. La Figuras No.3 y No.4, ejemplarizan el proceso de generar una imagen muy sencilla con RENDER, uno de los

7 paquetes de software libre analizados en este trabajo. No se persigue detallar el proceso completo, sino solamente para ilustrar la gran cantidad de parámetros requeridos por el modelador. Este programa utiliza un modelo de radiosidad que logra generar imagenes de alta calidad. Blender, a diferencia de muchas implementaciones, realiza los cálculos de radiosidad como una etapa al final del proceso, luego de la creación de la escena. Los resultados de los cálculos se guardan como VertexPaint en un material creado automáticamente, y la escena entera es reemplazada con esta solución. Entonces se pueden separar los diferentes objetos, añadirles texturas, iluminación, y generar acabados desde cualquier punto de vista. Debido a que los cálculos de radiosidad están vinculados a un material, no es necesario recalcularlos para cada punto de vista, lo cual acelera el proceso de renderizado. Sin embargo, esta capacidad no es aplicable para animaciones, porque cuando un objeto sufre movimiento, entonces los cálculos de radiosidad se deben volver a realizar completamente. Este comportamiento vale para todo software que se base en el modelo de radiosidad. Figura No. 4: Parámetros para iluminación y materiales.

8 4. Resultados La meta del estudio consistía en obtener resultados cualitativos, al dar respuesta a tres preguntas planteadas. En primer lugar: cuáles son los módelos teóricos en que se fundamenta el desarrollo del software?. Cualquier paquete de software para producir imágenes 3D realistas necesariamente requiere de un modelo de simulación cuya esencia es la ecuación para el acabado. La progresión del realismo en imágenes generadas por computador ha sido abordado fundamentalmente desde dos paradigmas generales: inicialmente el modelo de iluminación local, y luego el modelo de iluminación global. Además, en los últimos tiempos se han estado desarrollando modelos que abordan áreas particulares (plantas, nubes, fuego, etc.), los cuales en su mayoría se fundamentan en las teorías sobre iluminación global. Muchas de las técnicas encontradas en la literatura especializada, introducen innovaciones tendientes a reducir los tiempos de ejecución, o el espacio de almacenamiento, debido a los elevados costos computacionales que los modelos de iluminación global imponen en ambos recursos. En segundo lugar: se correlaciona la sofisticación del modelo utilizado con la calidad percibida en las imágenes generadas?. La respuesta es afirmativa. Se tiene que entre más sofisticado es el modelo de iluminación, más se logra aproximar el realismo, conceptualizado este desde la teoría de la percepción. Por último: los modelos teóricos, utilizados en el software libre, son sustancialmente diferentes de los utilizados por el software propietario?. La respuesta es negativa. Modelos similares están siendo utilizados por desarrolladores de software con independencia de los fines de lucro. 5. Conclusiones y trabajo futuro En primer lugar, es notorio que las fortalezas y las debilidades de los dos paradigmas clásicos, el rastreo de rayos y la radiosidad, son diferentes. De modo que ambas aproximaciones, radiosidad y rastreo de rayos, son complementarias entre sí. Por tanto, se concluye que el abordaje al problema del fotorealismo con métodos combinados produce los mejores resultados. Dado que no se evidencian diferencias cualitativas significativas entre el software comercial y el software libre, se concluye que este último ofrece una alternativa real, de tan buena calidad y cantidad, como la encontrada en paquetes comerciales. Finalmente, cabe señalar el gran aporte que la síntesis de imágenes digitales, un área propia de los gráficos por computador, ha dado a una multitud de campos, tales como la industria del cine, en la que los efectos especiales se han hecho imprescindibles, pasando por los videojuegos, el desarrollo de multimedios, la realidad virtual, o las aplicaciones de diseño asistido por computador que permiten obtener prototipos visuales de los proyectos en disciplinas como la arquitectura, el diseño de iluminación o el diseño industrial. Sin embargo, al analizar los paquetes de software disponibles, se revela una limitación importante. La creación de imágenes realistas apoyada en software demanda el manejo apropiado de una considerable cantidad de parámetros que gobiernan la simulación, tal que imponen un conocimiento profundo del modelo, una experticia que los usuarios de las distintas disciplinas por lo general no poseen. En este sentido el

9 presente trabajo hace su aporte a la basta comunidad de usuarios de software gráfico. Al mismo tiempo, concluimos que la misma limitación apuntada constituye un reto que abre oportunidades hacia futuras investigaciones que permitan mejorar la interfaz del usuario. 6. Bibliografía [1]. Amor, M., Sanjurjo, J., Padrón, E., Doallo, R: Progressive radiosity method on clusters using a new clipping algorithm. Int. J. High Performance Computing and Networking (.HPCN), 1(1/2/3):55 63, ISSN [2]. Appel, A.: Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids, SJCC,1968, [3]. Bekaert, P., Neumann, L, Neumann, A., Sbert., M., Willems, Y.: Hierarchical Monte Carlo Radiosity, Springer-Wien, NewYork (Proc. of Eurographics Rendering Workshop 98 - Vienna, Austria), pp [4]. Cammarano, M., Jensen, H.: Time dependent photon mapping. In Proc.13th Eurographics Workshop on Rendering, [5]. Cohen, M., Wallace, J.: Radiosity and Realistic Image Synthesis, Academic Press Professional, CA, USA, 1993 [6]. Foley J., van Dam A., Feiner S., Hughes J.: Computer Graphics. Principles and Practice. Addison- Wesley, [7]. Glassner,A., editor: An introduction to ray tracing. Academic Press Ltd., [8]. Glassner, A.: Principles of Digital Image Synthesis, Morgan Kaufmann, San Francisco, CA, [9]. Good, O., Taylor,Z.: Optimized photon tracing using spherical harmonic light maps. ACM SIGGRAPH 05 Sketch, [10]. Goral, C., Torrance, K., Greenberg,D., Battaille,B.: Modelling the Interaction of Light Between Diffuse Surfaces. Computer Graphics 18(3), [11]. Hanrahan,P., Salzman,D., and Aupperle,L.: A Rapid Hierarchical Radiosity Algorithm. Computer Graphics, volumen 25-4, [12]. Jensen, H., Christensen, N.: Photon Maps in Bidirectional Monte Carlo Ray Tracing of Complex Objects, Computers and Graphics 19(2), pp, , [13]. Jensen,H.: Realistic image synthesis using photon mapping. AK Peters, [14]. Kajiya,J.: The rendering equation. In Computer Graphics (SIGGRAPH 86Proc.), volume 20, pages , [15]. Lafortune,P. Mathematical models and monte carlo algorithms for physically based rendering. PhD thesis, Katholieke Universiteit Leuven, [16]. Ma,V., McCool,M.: Low latency photon mapping using block hashing. In SIGGRAPH/EUROGRAPHICS Workshop on Graphics Hardware, pages 89 99, [17]. Neyret, F.: Modeling, Animating, and Rendering Complex Scenes Using Volumetric Textures. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics v. 4, pp , [18]. Reinhard, E., Jansen,F.: Hybrid scheduling for e_cient ray tracing of complex images. In High Performance Computing for Computer Graphics and Visualisation, pages Springer-Verlag, [19]. Sbert, M. et al.: Global multipath Monte Carlo algorithms for radiosity, The Visual Computer, 12:47-61, [20]. Shirley,P.: Hybrid radiosity/monte carlo methods. In SIGGRAPH 94 Advanced Radiosity Course, [21]. Sillion F., Puech C.: Radiosity and Global Illumination. Morgan Kaufmann, SF, US, [22]. Suykens,F., Yves D.: Weighted Multipass Methods for Global Illumination. Computer Graphics forum, v. 18, [23]. Vargas, C.: Gramáticas-L: un poderoso paradigma para modelar plantas digitales. I Congreso Internacional de Computación (CIC-2005). Universidad Nacional de Costa Rica. Del 17 al 20 de setiembre del [24]. Vargas, C., Suárez, V.: Mecanismos de interacción en mundos virtuales basados en V.R.M.L.. Revista de Ingeniería. Universidad de Costa Rica. Vol. 7, No.2, pp [25]. Vargas, C.: Guía multimedia para el desarrollo de software educativo. IX CONGRESO ARGENTINO DE CIENCIAS DE LA COMPUTACIÓN 2003, La Plata, 6 al 11 de octubre del [26]. Wallace,J., Cohen,M., Greenberg,D.: A Two-Pass Solution to the Rendering Ecuation: A Synthesis of Ray Tracing and Radiosity Methods. SIGGRAPH 87. pp

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