CAPÍTULO 1 Evolución de la computación gráfica

Transcripción

1 CAPÍTULO 1 Evolución de la computación gráfica En este capítulo se realiza una inspección histórica de los principales antecedentes e hitos que marcan el desarrollo de la representación computacional. Para ello se ha utilizado especialmente una síntesis presentada por el profesor Víctor Simón Theoktisto Costa de la Universidad de Simón Bolívar de Venezuela. La sabiduría popular dice que la historia no se repite y que el pasado no aplica exactamente al presente. Las recetas del pasado, si se aplican ahora resultan en general en algo diferente. Cómo entonces inferir del pasado? Cómo lograr un modelo de la evolución que pueda ayudar a saber y entender lo que está pasando ahora en el presente y poder tomar las acciones adecuadas y necesarias? En tecnología está siempre la tendencia de mirar el futuro, pero muchos de sus elementos, así como la mayoría de las cosas, tienen sus fundamentos y su significado en el pasado que siguen actuando en el presente. Lección 1 Anticipando la tecnología Esta síntesis se plantea desde la perspectiva histórica presentada por Baecker y Buxton en "Human-Computer Interaction" de Jenny Preece y Laurie Keller (ver en enlaces relacionados de la unidad), para quizás entender o apreciar a donde hemos llegado, para inspirarnos o motivarnos a dar nuevos pasos que puedan continuar un camino ya comenzado por otros o quizás por qué no, poder aportar nuevas luces. Aunque nuestras computadoras digitales están sustentadas en conceptos desarrollados en siglos pasados, no es sino hasta los años 1930 s y los 1940 s que son realmente disponibles para los investigadores. La motivación principal era acelerar los cálculos requeridos para los cómputos de la energía balística y atómica. Quizás la primera persona que concibió la computadora más allá de este uso fue VANNEVAR BUSH en Vio a la computadora como una herramienta para transformar el pensamiento y la actividad creativa del hombre. En su trabajo "As we may think", describe las dificultades que el hombre tiene para conseguir, revisar, manejar y transmitir los resultados de su investigación. Para resolver este problema el inventa MEMEX, un dispositivo con aspecto de escritorio con teclado y conjunto de botones y manillas, donde el individuo podía guardar todos sus libros, sus registros y comunicaciones para consultarlos de manera rápida y flexible. La tecnología propuesta para este fin fue la técnica de los microfilms. Memex fue la primera versión del computador

2 personal, donde Bush no sólo fue un visionario de la aplicación de la computadora para almacenamiento y recuperación de información, y el valor del indexamiento asociativo en esa actividad, sino también anticipó la naturaleza multimedia del uso del computador en el futuro. El predijo el desarrollo de una máquina que escribiera cuando se le dictara, y especuló sobre las posibilidades de establecer algún día un camino más directo entre la palabra escrita y el cerebro. Con la emergencia de los CD/ROM (Lambert and Ropiequet 1986) y la computación multimedia personal de hoy se hace posible construir el MEMEX, el cual no se llegó a realizar en su momento. Otras personas también vieron el potencial del computador como un facilitador de aspectos humanos como la creatividad y la resolución de problemas. Entre éstos tenemos a J.C.R. LICKLIDER (1960), quien concibió un acoplamiento sinergético entre las capacidades del hombre y la máquina, a lo que llamó "man-computer symbiosis". La simbiosis se define como una forma de vida cooperativa en una asociación íntima o unión cerrada entre dos organismos disimilares. Las computadoras están pensadas para resolver problemas ya formulados y para procesar datos de acuerdo a procesos predeterminados. En la realidad aparecen giros inesperados en el razonamiento para llegar a una solución y no siempre es fácil la formulación del problema; la simbiosis del hombre y la máquina pretendería entonces incorporar a la computadora de manera íntima en todo el proceso de formulación y solución de problemas técnicos, logrando así integrarse efectivamente en los procesos del pensamiento. En un trabajo posterior con Clark en 1962, ellos listan aplicaciones en el área militar, programación, juegos de guerra, planificación, educación, investigación científica. Con una extraordinaria visión listan algunos problemas cuyas soluciones son prerrequisitos para una verdadera simbiosis entre el hombre y la computadora. A corto plazo: Las aplicaciones de tiempo compartido entre varios usuarios. La interfaz electrónica de entrada-salida para el despliegue y la comunicación de la información simbólica y gráfica. Los sistemas interactivos y de tiempo real para el procesamiento y la programación de la información. La posibilidad de concurrencia. A largo plazo:

3 La lectura óptica de caracteres. El reconocimiento y la producción de la voz humana. La comprensión del lenguaje natural. La programación heurística. Lección 2 Los primeros aportes Ya en los años 50 s era obvio que el computador podía manipular imágenes son gráficos y dibujos tan bien como el texto o los números (oscillon, wirlwind, el juego spacewar y sage ya se habían construido). Se comienza entonces a explorar el potencial de la comunicación gráfica entre el hombre y la máquina. Fue IVAN SUTHERLAND en su trabajo pionero en el MIT Lincoln Laboratory llamado el sistema 'Sketchpad'. Este programa permitía dibujar formas simples en la pantalla de un computador mediante un lápiz óptico, salvarlas y volver a cargarlas más tarde. Figura 1 Ivan Sutherland y el Sketchpad Sketchpad supuso una revolución en los programas gráficos. Muchas de las técnicas inventadas para este programa se siguen usando hoy en día, sin embargo lo realmente revolucionario de sketchpad era la estructura de datos empleada. Se trataba de un modelo del objeto a representar y no sólo un dibujo del mismo. Algunas de las nuevas y poderosas ideas y conceptos fueron: Estructura jerárquica interna de los gráficos. La definición de objetos modelos y sus instancias que son versiones transformadas de las primeras. Estos conceptos sirvieron de base para la programación orientada a objetos. La noción de restricciones para la especificación de los detalles de la geometría de un dibujo. La utilización de iconos para la representación simbólica de los objetos y restricciones.

4 El uso de los lápices de luz ("light pen") para la construcción interactiva de los dibujos. La separación de los sistemas de coordenadas para describir el mundo y el espacio de representación en el computador. La aplicación de operaciones recursivas como mover y borrar a toda la jerarquía que defina un objeto o escena gráfica. Sketchpad propició el nacimiento de la ciencia de gráficas controladas por computadora. Dos años más tarde, Sutherland colaboraría con el doctor David Evans para iniciar la exploración de mezclas entre arte y ciencia (computacional). Fue la universidad de Utah la primera que tuvo un laboratorio académico específico para desarrollar gráficas por ordenador. De la investigación realizada en la universidad de Utah, hoy toman sus bases los paquetes gráficos, de los de diseño hasta los de realidad virtual. No pasó mucho tiempo sin que las compañías se empezaran a interesar por las gráficas en computadora, IBM, por ejemplo lanzó al mercado la IBM 2250, la primera computadora comercial con un sistema gráfico. La compañía Magnavox, a su vez obtuvo la licencia para distribuir un sistema de videojuegos creado por Ralph Baer, el producto fue denominado Odyssey. El Odyssey fue el primer producto orientado al consumidor con gráficas generadas por computador. Dave Evans fue contratado por la universidad de Utah para crear el laboratorio de ciencias de la computación. Evans tomó como interés principal el desarrollar gráficas por computadora. Evans contrató a Sutherland, y es en Utah donde Sutherland perfecciona una interfaz de HMD (head mounted display), que había desarrollado algunos años antes. En ese periodo, Evans y Sutherland eran frecuentemente asesores de compañías, no obstante, constantemente se encontraban frustrados por la falta de tecnología, razón que más adelante los llevó a fundar su propia empresa. Un estudiante de la clase de Sutherland en la universidad de Utah, EDWIN CATMULL vislumbró a la animación por computadora como una evolución natural de la animación tradicional; creó una animación, se trataba de su mano abriéndose y cerrándose. De la universidad de Utah surgió un gran avance tecnológico en el campo, JOHN WARNOCK fue uno de los pioneros digitales y fundó una de las empresas más importantes que cambió el curso de la historia en cuanto a diseño digital se refiere, fundó Adobe. Otro egresado de la universidad de Utah no es menos notorio, Jim Clark, fundador de Silicon Graphics Inc. (SGI).

5 Lección 3 Teorías y planteamientos 1970 también marcó una revolución en el mercado televisivo. Cadenas como la CBS empezaron a usar productos desarrollados para animar en la computadora. La empresa Computer Image Corporation (CIC) desarrolló combinaciones de Hardware y Software para acelerar procesos de animación tradicional, por medios digitales. CIC ofrecía ANIMAC, SCANIMATE y CAESAR, con estos programas se podían escanear los dibujos, crear trayectorias, aplicar principios de animación tradicional tales como estiramiento y encogimiento. En el campo de la animación 3D, se creó un nuevo tipo de representación digital, el algoritmo de HENRI GOURAUD. Este permite que los contornos de los polígonos no se vean tan lineales, ya que esto destruía la sensación de una superficie suave. El algoritmo crea la interpolación de color entre polígonos y de esta forma logra una mejor representación de superficies curvas. La ventaja sobre el método tradicional (la representación plana) es que la superficie en efecto parece perder dureza en la representación, con sólo una pequeña penalización en el tiempo que toma hacer la representación. En 1971 surge el microprocesador, utilizando tecnología de circuitos integrados, los componentes electrónicos fueron miniaturizados. La compañía Atari fue creada y en 1972 crea el primer videojuego de "máquina" (arcade), Pong. Evans y Sutherland (E&S) se encontraban ya fabricando hardware propio para evitar algunas de las limitantes tecnológicas que algunos años antes habían experimentado. Uno de los sistemas más impresionantes creó precisamente por E&S era "Picture System", incluía una tableta gráfica y un buffer en color. Triple I, en 1974 desarrolló un equipo para poder filmar las imágenes realizadas en computadora. Otro de sus inventos fue la creación de aceleradores gráficos. Los desarrollos de Triple I fueron un gran avance que permitía que las gráficas sintéticas pudieran ser utilizadas en cine.

6 Ed Catmull realizó su tesis de doctorado sobre una nueva manera de representar las superficies. Esta nueva técnica llamada z-buffer ayuda en el proceso de esconder las partes de las superficies que no serán vistas por el usuario en la representación final. Además del z-buffer, Catmull incluyó un nuevo concepto, el de mapeo de texturas. La historia cuenta que en una discusión con otro de sus compañeros, a Catmull se le ocurrió que si a un objeto en la vida real se le podían aplicar imágenes para representar a otra cosa, en un mundo virtual no había razón para no hacerlo. Figura 2 Aplicación de texturas a objetos El matemático francés Dr. BENOIT MANDELBROT publicó un ensayo que permitió añadir realismo a las escenas generadas por computadora. El documento "A Theory of Fractal Sets", explica que una línea es un objeto unidimesional, el plano es un espacio bidimensional; no obstante, si la línea describe una curva de manera que cubra la superficie del plano deja de ser unidimensional, aunque tampoco es bidimensional. El Dr. Mandelbrot se refirió a este espacio como una dimensión fraccionaria. Las aplicaciones principales que se le dieron a las teorías de Mandelbrot fueron la de creación de terrenos aleatorios, así como la creación de texturas en las cuales existen subdivisiones dentro de un mismo patrón. Figura 3 Modelo de terreno usando geometría fractal Después de su graduación, Catmull fue contratado por la empresa Applicon, donde no duró mucho tiempo, ya que recibió una oferta de trabajo para fundar el laboratorio de animación por computadora del Instituto Tecnológico de Nueva York (NYIT).

7 Algunos de los trabajadores de la Universidad de Utah también fueron invitados y aceptaron el trabajo en el NYIT. Los primeros programas de animación desarrollados dentro del NYIT fueron para apoyar la animación tradicional. La primera aplicación que Catmull desarrollo fue "tween", que permitía realizar la interpolación entre cuadros. También se desarrolló un sistema de escaneo y pintura que posteriormente se convirtió en el sistema de producción de Disney, el CAPS (Computer Animation Production System). El NYIT creó un departamento dedicado a la investigación de gráficas 3D, y por dos años su principal proyecto fue el de crear una película, "the works", nunca fue concluida, de hecho, pruebas preliminares fueron bastante desalentadoras. Ante el fracaso del corto "Tubby the tuba", varios empleados salieron del NYIT. Al parecer el director del instituto nunca aceptó que se contrataran directores de cine para crear la película, razón por la cual el resultado no era el mejor que se podía haber obtenido. En 1978 JAMES BLINN, desarrolló un algoritmo similar al de texturado, pero en vez de representar color representaba profundidad. Los colores mapeados provocan que la superficie tenga un relieve o una depresión. Las partes blancas de la imagen son representadas como protuberancias, mientras las partes oscuras representan las depresiones. Figura 4 Aplicación de texturas y relieves con bump map Dotando de texturas y relieves se pueden crear modelos bastante realistas. El algoritmo fue nombrado "bump map". Otro algoritmo presentado por Blinn es el de reflectividad, con el cual se simula un reflejo del ambiente en el que se encuentra el objeto. De la universidad de Cornell, ROB COOK planteó un nuevo algoritmo que erradicaba algunas de las limitantes de las representaciones anteriores. Cook aprecio que las representaciones de la época eran de apariencia plástica. Usando la variable de energía luminosa que emite la luz virtual logró crear un material que se parece al de un metal pulido. Los métodos anteriores consideraban el brillo de la luz sintética.

8 Lección 4 La revolución Sin duda la década de cambios más vertiginosos fue la de El surgimiento de las máquinas PC, aunque con capacidades gráficas limitadas, permitió la popularización de sistemas y aplicaciones que crearon un mercado exigente y competitivo (por ejemplo con el Autocad). También comenzaron a diseñarse herramientas gráficas de interfaz hombre máquina, como por ejemplo el sistema operativo de la Macintosh II, los lenguajes de programación visual y el hipertexto. El rol que no alcanzaron a cumplir los Comités de estandarización (por ejemplo, el GSK fue aprobado recién en 1985, cuando hacía varios años que ya era obsoleto) fue cubierto por las compañías comerciales que al crear una aplicación novedosa se transformaban en estándares de facto en el mercado (por ejemplo el Poscript, el OpenGL y X Windows). También esta década marcó el segundo cambio de paradigma, porque la evolución de los modelos gráficos, junto con la capacidad de representación de los monitores y la integración de los sistemas gráficos a otro tipo de aplicaciones (simulaciones en ingeniería, sensores remotos, datos de satélites, etc.) permitió desarrollar herramientas para la representación gráfica de conjuntos enormemente complejos de datos. Estas ideas, que con el tiempo fueron el fundamento de la Visualización Científica, apelan a la enorme capacidad de comprensión visual humana. De esa manera es posible representar, por ejemplo, millones de datos meteorológicos en un único gráfico que permite comprender a golpe de vista las características esenciales de una determinada situación climática. Figura 5 Computación gráfica en diferentes ámbitos La popularización de la computación gráfica significó, además, el surgimiento y desarrollo de aplicaciones en las áreas más diversas. Durante los 80 comenzaron a utilizarse herramientas gráficas para el diseño en Ingeniería en todas sus actividades, desde aviones y barcos hasta circuitos integrados. En Arquitectura e Ingeniería Civil se utilizan sistemas para la simulación, el diseño y la elaboración y análisis de modelos. En Medicina podemos mencionar desde el diagnóstico por imágenes hasta la simulación y planeamiento de operaciones quirúrgicas o el desarrollo de implantes.

9 En animación y videojuegos se dio un desarrollo espectacular en la calidad e imaginación con los que surgieron universos de fantasía. Figura 6 Largometrajes completamente desarrollados por computador Durante los 90 s, Hollywood proporciona una gran publicidad gracias a la producción de largometrajes totalmente computarizados, ya habían sido premiados algunos cortos de Pixar con anterioridad. El pionero en largometrajes animados por computador es Toy History y a partir de allí se han generado gran cantidad de películas. El reto continúa, por hacer creíbles para los humanos, los gráficos creados por computador. Lección 5 Cronología en el desarrollo de la computación gráfica A continuación se presenta una cronología de los principales hitos en el desarrollo de la computación gráfica tomada y traducida libremente de En los años 50: Salida usando teletipos, impresoras, y tubos de rayos catódicos (CRT). Usando caracteres blanco y negro, se podía reproducir un cuadro o Ben Laposky creó las primeras imágenes gráficas, un osciloscopio, generado por una máquina electrónica (análoga). La imagen fue producida manipulando vigas electrónicas y registrándolas sobre una película alta de la velocidad.

10 1951 o UNIVAC-I: la primera computadora comercial de propósito general, usaba dispositivos en copia dura e impresoras de línea. o MIT WirldWind: la primera computadora que permitía mostrar vídeo en tiempo real, era capaz de exhibir texto y eráfico en tiempo real en una pantalla grande de osciloscopio. En los años 60: El comienzo de los gráficos interactivos modernos, salida son gráficos vectoriales y gráficos interactivos. Uno de los grandes problemas era el costo y la inaccesibilidad de las máquinas o Guillermo Fetter acuña el término computación gráfica para describir nuevos métodos de diseño 1961 o Steve Russel, primer juego de video Spacewars 1963 o Douglas Englebart - primer ratón o Ivan Sutherland - Sketchpad. Sistema interactivo de CG, un sistema gráfico de comunicación humano-computadora. Menús pop-up Modelamiento jerárquico Utilizó un lápiz de luz para la interacción. o Sutherland formuló las ideas de usar primitivas para el dibujo de líneas, polígonos, arcos, etc.; desarrolló los algoritmos de dragging, rubberbanding y transformación; introdujo las estructuras de datos para almacenar. Es considerado el fundador de los gráficos por computadora o Guillermo Fetter - Primer modelo por computador de una figura humana 1965 o Jack Bresenham - Algoritmo para el dibujo de líneas 1968 o Tektronix - Un computador basado en tubos de rayos catódicos, que permitía el almacenamiento, el teclado y el ratón, un computador con una interfaz simple de US$15.000, que permitía el uso de gráficos. o Ivan Sutherland Primer display head-mounted

11 1969 o Jhon Warnock - Algoritmo de la subdivisión de área, algoritmos de superficies ocultas. o Laboratorios Bell Primer frambuffer que contiene 3 bits por pixel. Al inicio de los años 70: Comienzo de la salida usando dispositivos ráster, la capacidad de los gráficos es cada vez mayor o Nolan Kay Bushnell - Pong, juego de video 1973 o Juan Whitney Jr. y Gary Demos - "Westworld", primera película con gráficos de computador 1974 o Edwin Catmuff - mapeo de texturas y algoritmo z-buffer para superficies ocultas. o James Blinn - superficies curvas y refinamiento del algoritmo de mapeo de texturas. o Phone Bui-Toung - iluminación especular 1975 o Martin Newell - la famosa tetera que identifica la computación gráfica, construida con curvas de Bezier. o Benoit Mandelbrot - dimensión fractal/fraccional 1976 o James Blinn - método para simular reflexiones especulares sobre objetos 1977 o Steve Wozniak - Apple II, computador personal con gráficos a color 1979 o Roy Trubshaw y Richard Bartle - Dominios multi-usuario (MUD - Phone Bui-Toung - specular highlighting) En los años 80 los dispositivos de salida incorporan los gráficos de ráster imágenes de mapas de bit (bitmap) y el pixel. Los costos de los computadores personales decrecen dramáticamente, el ratón y el trackball se convierten en los dispositivos interactivos estándares.

12 1982 o Steven Lisberger - "Tron", la primera película de Disney que hace uso intensivo de los gráficos tridimensionales o Tom Brighman - "Morphing" primera secuencia de película juega con un carácter femenino que deforma y se transforma a sí misma en la forma de un lince o Jhon Walkner y Dan Drake AutoCAD 1983 o Jaron Lanier - "DataGlove", una película de realidad virtual que usa un guante instalado con interruptores y sensores para detectar el movimiento de la mano o Tech de Wavefron - Polhemus, primer software paras gráficos en 3D 1985 o Pixar Animation Studios. Cortometrajes Luxo Jr y Tin toy o NES Sistema de juegos casero Nintendo 1987 o IBM - VGA (Video Graphics Array) Se introdujo el arreglo de gráficos de video o Video Electronics Standards Association (VESA) SVGA, Super VGA En los años 90, desde la introducción del VGA y el SVGA, el computador personal puede mostrar fácilmente imágenes fotorealistas y películas. La optimización de las imágenes en 3D comienza su principal avance estimuladas por las aplicaciones para gráficos usadas en el cine o Hanrahan and Lawson - Renderman 1991 o Disney y Pixar - Beauty and the Beast, CGI fue ampliamente utilizada, el sistema Renderman proporciona rapidez, precisión y alta calidad a los efectos por computador o Silicon Graphics - Especificación OpenGL 1993 o Universidad de Illinois - Mosaic. Primer navegador web gráfico. o Steven Spielberg - Jurassic Park una exitosa película de ciencia ficción a partir de efectos de computación gráfica.

13 1995 o Buena Vista Pictures - Toy Stroy el primer largometraje completamente generado en computador o NVIDIA Corporation - GeForce 256 (GeForce3 (2001) 2003 o ID Software - Motor de gráficos Doom.