Gráficos 3D por computadora

Las imágenes 3D generadas por computadora, también conocidas como gráficos por ordenador en inglés (3D computer graphics), son aquellas que emplean una representación tridimensional de datos geométricos, generalmente en coordenadas cartesianas, que se guardan en el ordenador con el fin de llevar a cabo cálculos y representar imágenes bidimensionales. Estas imágenes pueden ser almacenadas para su visualización en un momento posterior o mostrarse en tiempo real. Además, el término puede hacer referencia al proceso de creación de tales gráficos o al ámbito de estudio relacionado con las técnicas y la tecnología utilizada en los gráficos 3D.

 

Introducción

La distinción fundamental entre un gráfico tridimensional (3D) y uno bidimensional (2D) radica principalmente en su método de creación. Los gráficos 3D se generan a través de complejos cálculos matemáticos aplicados a entidades geométricas tridimensionales creadas en un ordenador. El objetivo de este proceso es obtener una representación visual en dos dimensiones que pueda ser visualizada en una pantalla o impresa en papel.

En términos generales, el arte de los gráficos tridimensionales guarda similitudes con la escultura o la fotografía, mientras que el arte de los gráficos bidimensionales es comparativo a la pintura. Sin embargo, en el ámbito de los programas de gráficos por computadora, esta distinción tiende a difuminarse: algunas aplicaciones de gráficos 2D emplean técnicas tridimensionales para lograr efectos particulares como la iluminación, mientras que algunas aplicaciones 3D principales hacen uso de técnicas bidimensionales.

La fotografía y la escultura comparten notables similitudes con los gráficos tridimensionales, en contraste con los gráficos bidimensionales, que se asemejan más a la pintura. Sin embargo, al crear gráficos por computadora, esta distinción a menudo se vuelve borrosa, ya que algunas aplicaciones bidimensionales emplean técnicas tridimensionales para lograr efectos como la iluminación, mientras que las aplicaciones tridimensionales a veces utilizan técnicas bidimensionales. En la creación de gráficos tridimensionales, se deben considerar aspectos como el modelado, texturizado, iluminación, animación y renderizado.

Renderizado y tecnología

OpenGL y Direct3D son dos interfaces de programación de aplicaciones (API) ampliamente populares para la generación de imágenes 3D en tiempo real. Muchas tarjetas gráficas modernas ofrecen algún nivel de aceleración por hardware basada en estas APIs, lo que permite la representación de gráficos tridimensionales complejos en tiempo real. Sin embargo, no es obligatorio utilizar ninguna de estas interfaces para crear imágenes 3D.

El proceso de renderizado, que proviene del término en inglés "render," corresponde a la etapa final en la generación de una imagen 2D o una animación a partir de la escena creada en 3D. En esta fase, se procesan elementos como polígonos, sombras, reflejos, iluminación, y otros, con el fin de obtener imágenes realistas. El resultado final puede ser una sola imagen o un video compuesto por múltiples imágenes (fotogramas).

El software de renderizado puede simular efectos cinematográficos como el lens flare, la profundidad de campo o el motion blur (desenfoque de movimiento), que son el resultado de imperfecciones mecánicas en la fotografía física. La simulación de estos efectos agrega un elemento de realismo a la escena. También se han desarrollado técnicas para simular efectos atmosféricos o naturales, como lluvia, humo, fuego, niebla, a través del muestreo volumétrico o cáusticas (efectos de la luz al pasar por superficies refractivas).

El proceso de renderizado implica la simulación de numerosos procesos físicos complejos, y a lo largo de los años, el aumento en la capacidad de procesamiento ha permitido lograr niveles más elevados de realismo en las imágenes generadas. La mayoría de los estudios cinematográficos utilizan granjas de renderizado (Render Farm) para generar imágenes de manera más rápida y eficiente.

Uno de los motores de renderizado más reconocidos y utilizados es V-Ray, apreciado por su facilidad de configuración y la alta calidad de sus resultados. Además de V-Ray, existen otros motores de renderizado, tanto para GPU como para CPU, como Arnold, Octane, Redshift, Corona, Cycles y Eevee, cada uno con sus propias características y ventajas.

Software de gráficos 3D

Es cierto que existen numerosos paquetes de modelado y animación 3D disponibles en el mercado, pero algunos de los más destacados incluyen:

1. Maya: Ampliamente popular en la industria, Maya es utilizado por muchos estudios de efectos visuales en combinación con RenderMan, el motor de renderizado fotorrealista de Pixar.
2. 3D Studio Max: Líder en el desarrollo 3D para la industria de los videojuegos y ampliamente utilizado a nivel amateur.
3. Blender: Un programa de modelado, animación, iluminación y renderizado de código abierto que ofrece una amplia gama de características, incluyendo simulación de partículas, física de fluidos y motor de juegos.
4. Lightwave 3D: Utilizado en varios estudios de efectos visuales y animación de cine y televisión, como Digital Domain, Rhythm & Hues, Dreamworks, entre otros.

Además de estos destacados, existen otras aplicaciones menos comunes:

5. Caligari trueSpace: Proporciona un enfoque integral para la creación de gráficos 3D con características como la simulación de fenómenos físicos.
6. Cinema4d: Con un motor de renderizado rápido y capacidades de cálculo de radiosidad.
7. formZ: Ofrece manipulación topológica de geometrías.
8. Rhinoceros 3D: Un potente modelador que se basa en el modelado bajo NURBS.
9. Softimage XSI: Un programa que tuvo popularidad en el pasado, pero que ahora no se encuentra activamente desarrollado.
10. RealSoft3D: Un modelador 3D que incluye capacidades de renderizado y está disponible para Linux y Windows.
11. Universe (Electric Image): Un paquete de modelado y animación con uno de los motores de renderizado más rápidos disponibles.
12. POV-Ray: Un software gratuito de Raytracing que usa su propio lenguaje de descripción de escena y es conocido por su capacidad avanzada de renderizado.
13. Moray: Un modelador diseñado para trabajar con POV-Ray.
14. Kerkythea: Un programa gratuito que se enfoca en renderizados realistas basados en propiedades físicas de la luz.

Cada una de estas aplicaciones tiene sus propias características y ventajas, y la elección de la herramienta de modelado y animación 3D depende de las necesidades específicas de cada proyecto y del nivel de experiencia del usuario.

Modelado

La etapa de modelado en el proceso de creación de gráficos 3D implica dar forma a objetos individuales que serán utilizados en la escena. Esta fase se basa en diversas técnicas de modelado, que incluyen:

1. Constructive Solid Geometry (CSG): Esta técnica se centra en combinar objetos sólidos básicos (como cubos, esferas, cilindros, etc.) utilizando operaciones booleanas (unión, intersección, diferencia) para crear objetos más complejos.
2. Modelado con NURBS (Superficies Bézier no uniformes): Las NURBS son curvas y superficies matemáticas que permiten crear formas suaves y precisas. Son ideales para modelar objetos orgánicos y superficies suaves.
3. Modelado poligonal: En este enfoque, los objetos se construyen a partir de polígonos (como triángulos o cuadriláteros) que se conectan para formar la geometría 3D. Es común en videojuegos y efectos visuales.

El proceso de modelado también puede incluir la edición de la superficie del objeto y la asignación de propiedades de material, como color, brillo, texturas, mapas de relieve (bump-maps) y otros detalles visuales. Además, se pueden preparar objetos para su posterior animación asignándoles un esqueleto, una estructura central que afectará la forma y los movimientos del objeto. Esto facilita la animación, ya que los movimientos del esqueleto influirán automáticamente en las partes correspondientes del modelo.

El modelado puede llevarse a cabo mediante programas de modelado dedicados, como Lightwave, Rhinoceros 3D o Moray. También puede ser realizado como un componente de una aplicación más amplia, como Shaper o Lofter en 3D Studio Max. En algunos casos, no existe una distinción clara entre estas etapas, y el modelado se integra completamente en el proceso de creación de escenas. Por ejemplo, Caligari trueSpace permite una aproximación más integrada al modelado y la creación de escenas.

Composición de la escena

La etapa de composición de la escena en gráficos 3D implica la disposición de objetos, luces, cámaras y otras entidades en un entorno que se utilizará para generar una imagen estática o una animación. Cuando se emplea para la animación, esta fase a menudo se vale de una técnica llamada "Keyframing", que facilita la creación de movimientos complejos en la escena.

Mediante la técnica de keyframing, en lugar de ajustar manualmente la posición, rotación o escala de un objeto en cada cuadro de la animación, se marcan solo algunos cuadros clave (keyframes). Los cuadros intermedios se generan automáticamente mediante un proceso conocido como "interpolación". Esto permite simplificar significativamente el proceso de animación.

La iluminación desempeña un papel crucial en la composición de la escena. Al igual que en el mundo real, la iluminación es un factor fundamental que influye en el resultado estético y la calidad visual del trabajo final. Dominar la iluminación puede ser un desafío artístico, ya que los efectos luminosos pueden tener un impacto significativo en el estado de ánimo y la respuesta emocional que genera la escena. Este aspecto es bien comprendido por fotógrafos y técnicos de iluminación teatral, ya que la iluminación puede aportar dramatismo y profundidad a la escena, además de realismo.