Pipeline Gráfico en Transformaciones 3D

Tema 2: Programación de entornos gráficos y herramientas

• Este tema abarca la programación de entornos gráficos y las herramientas utilizadas en dicho ámbito.
• El Departamento de Ingeniería de Telecomunicación de la EPS Linares imparte el tema.
• El tema 2/ Sesión 4 se centra en conceptos básicos, representación, construcción de geometrías, mecanismos de interacción, aspectos especiales y herramientas de desarrollo.
• Los objetivos incluyen comprender la estructura básica de un entorno de realidad virtual, la incorporación de modelos y la inclusión de la interacción básica, junto con el análisis de las herramientas de creación de entornos virtuales.
• La duración del tema se compone de 7 horas de clases presenciales, más horas de estudio, 3 horas de trabajo autónomo y 3 horas de prácticas.
• La evaluación se realizará mediante preguntas cortas en la plataforma y la entrega de un trabajo propuesto.

Índice

• Se presentan los conceptos básicos de renderizado, vistas, texturas, materiales e iluminación.
• Se describe la representación de una escena basada en nodos jerárquicos.
• Se cubre la construcción de geometrías y sus operaciones básicas.
• Se detalla la descripción de propiedades básicas de color, material, texturas e iluminación.
• Se profundiza en los mecanismos de interacción mediante la interfaz gráfica de usuario (GUI) con entrada del usuario (teclado y ratón).
• Se exploran aspectos como la detección de colisiones, animación, LOD, y la importación de modelos 3D.
• Se destaca la virtualización y la realidad aumentada, incluyendo la incorporación de imágenes reales en entornos virtuales y viceversa.
• Se analizan diferentes herramientas de desarrollo para gráficos, desde OpenGL hasta Unity.

Objetivos

• Familiarizarse con los componentes básicos de un entorno de realidad virtual.
• Aprender a estructurar objetos e incorporar modelos con distintos programas.
• Dominar la integración de interacción básica.
• Analizar las herramientas existentes para la creación de entornos virtuales.

Organización

• El tema consta de 7 horas de clase presencial y horas de estudio, 3 horas de trabajo autónomo y 3 horas de prácticas.
• La evaluación se basa en preguntas breves en la plataforma y la entrega de un trabajo propuesto.

2.1 Conceptos básicos

• El renderizado transforma la descripción 3D de una escena en 2D.
• Las escenas estáticas se definen por geometrías 3D, transformaciones, superficies, cámaras (posición y rotación), plano de imagen, y las fuentes de luz con diferentes métodos de renderizado.
• Las propiedades de las superficies (materiales y texturas) describen el rebote de los rayos de luz.
• Las primitivas geométricas más comunes incluyen vértices (con sus normales) y triángulos.

2.1 Renderizado

• Las primitivas geométricas (vértices y triángulos) para la construcción de gráficos.
• Se explica la ubicación del renderizado (CPU y GPU).

2.1 Arquitectura de un modelo simple

• Se describe la arquitectura de un modelo simple, mostrando las distintas etapas, como la posición de la cabeza, el rastreador de cabeza, lentes, proceso, modelo, motor renderizado, frame buffer, driver de pantalla y otros factores interactivos. El material también representa la virtualidad.

2.1 Arquitectura de gráficos de RV

• Se presentan las capas de aplicación, gráficos y renderizado con sus componentes (APIs).

2.1 ¿Dónde se realiza el renderizado?

• Explicación del proceso de renderizado con referencia a la CPU y la GPU como subsistemas gráficos.

2.1 Conceptos básicos. Rasterización

• El proceso de rasterización convierte una imagen vectorial en píxeles.
• Los píxeles se caracterizan por su color y posición, almacenados en un búfer de trama (frame buffer).
• La frecuencia de refresco determina la tasa de rasterizado.

2.1 Conceptos básicos. Rasterización y escaneado. RayCasting.

• Se explica el uso de Z-Buffer para guardar la distancia de los fragmentos.
• Se describe el proceso RayCasting para la generación de imágenes hiperrealistas.
• Se menciona la evaluación del modelo de iluminación y el alto costo computacional en términos de tiempo por fotograma.

2.1 Pipeline gráfico

• Se describen los pasos funcionales del pipeline gráfico de renderizado, incluyendo las etapas de aplicación, geometría, proyección, recorte y rasterización.
• Se detallan los conceptos como sistemas de referencia (global, local).

2.1 Pipeline gráfico: Etapa de geometría

• Procesamiento de vértices: transformar y procesar los vértices y las normales.
• Transformaciones de coordenadas.
• Transformación de modelado (varias instancias de un mismo objeto).
• Transformación de visualización (orientación de la cámara).

2.1 Pipeline gráfico: Etapa de geometría: sombreado de vértice y transformación de proyección

• Sombreado: representación del material del objeto en función de la luz.
• Transformación de proyección: aspecto, tipo de lentes, cámara, y volumen de visualización.

2.1 Pipeline gráfico: Etapa de geometría: transformación de recorte y transformación de pantalla

• Recorte: Copiar objetos completamente dentro del volumen de visualización.
• Transformación de pantalla: ajuste de coordenadas a las dimensiones de la ventana.

2.1 Pipeline gráfico: Etapa de rasterización

• Descripción de la transformación de vértices y primitivas en fragmentos, asignación de color a los vértices, y etapas (Triangle Set-up y Traversal/Scan).

2.2 Representación basada en jerarquía de nodos

• Se describe la estructura de grafo para almacenar elementos de escena y sus relaciones.
• Se detallan los nodos básicos: geometría (información poligonal, material, textura), grupo (para agrupar nodos), y transformación (para aplicar matrices).
• Se explora cómo se define la información para objetos móviles y estructuras articuladas.

2.3 Construcción de geometrías

• Se indican las maneras de obtener objetos 3D (librerías de activos, algoritmos matemáticos, software interactivo o CAD).
• Explicación de objetos como colecciones de polígonos (vértices, lados, caras, vectores normales).

2.3 Geometrías - Curvas y superficies

• Curvas y superficies: Representación analítica, paramétrica, tipos de curvas (explícitas, implícitas) y superficies.
• Tipos de curvas paramétricas: Bézier, B-splines, NURBS.

2.3 Mapeado de texturas

• Mapeado de texturas sobre polígonos para mayor realismo.

2.3 Otras técnicas

• Técnicas de representación de modelos: Voxels, Nubes de puntos, modelado con escaneados médicos.
• Métodos de captura como escaneo láser (Kinect, etc.), medición por el tiempo de vuelo de la luz.

2.3 Operaciones básicas

• Coordenadas cartesianas y polares con sus fórmulas.
• Transformaciones básicas: traslación, escalado y rotación. Explicación de las operaciones matriciales para dichas transformaciones.

2.3 Transformación del modelo

• Escalado: matriz de escalado, multiplicación de матрица para escalar.
• Rotación: matriz de rotación en 2 y 3 dimensiones, formulas y su aplicación a los vectores (x,y,z).
• Traslación: matriz correspondiente de traslación.

2.3 Rotaciones alternativas

• ÁNGULOS DE EULER.
• EJE-ÁNGULO.
• CUATERNIOS.

2.3 Transformación de la vista

• Se describe el proceso de transformación de la vista (traducción y rotación).
• Se proporciona la matriz de transformación para llevar al objeto a la posición del ojo.

2.3 Transformación de proyección

• Se describen cómo se realiza la transformación desde el espacio del modelo al espacio de recorte final.
• Tipos de proyección: perspectiva y ortográfica, sus fórmulas correspondiente para dichas transformaciones.

2.4 Propiedades básicas. Color, material, texturas e iluminación

• Componentes importantes en representación gráfica (luz, materiales, reflexión, colores, propiedades de superficie, RGB, CMYK).
• Se describe la dependencia de las fuentes de luz y los modelos de iluminación.

2.4 Iluminación-Sombreado

• Modelos de sombreado (ambiental, difuso, especular).
• Se describe la reflexión de la luz y la intensidad determinada por el ángulo.
• Se explica la independencia del punto de vista del observador en el sombreado difuso.
• Aspectos del sombreado especular y las características de brillo.
• Se describe la interpolación en los métodos Goraud y Phong.

2.4 Texturas

• Uso de texturas para los materiales.
• Métodos de mapeado: proyecciones ortogonales (plana, esférica, cilíndrica, cúbica).
• Técnicas de mapeado avanzadas, como bump mapping y mapeo del entorno.

2.5 Interacción básica

• Técnicas de selección (manual, RayCasting, Oclusión), manipulación y rotación de objetos virtuales, etc.
• Técnicas de navegación (contínuo, discreto).

2.5 Simuladores físicos

• Se mencionan los simuladores (Bullet, ODE, PhysX, Havok).
• Se describen las técnicas de detección de colisiones entre los objetos de la escena.

2.6 Aspectos especiales

• Animación: (imagen a imagen, en tiempo real -keyframes, interpolación, basada en modelos).
• Animación facial.
• Animación corporal (modelos geométricos y enfoques como MOCAP).

2.6 Level of Detail (LOD)

• Se usan diferentes versiones con menor número de polígonos de los modelos dependiendo de la distancia a la cámara.
• Se explica el concepto de nodos y texturas de acuerdo al LOD.

2.7 Virtualización

• Se analiza la inclusión de video en una textura u asociado a una cámara.
• Se describe la virtualización en diferentes motores gráficos (Ogre, HTML5, WebGL, Three.js, Unity, WebCamTexture).
• Se discuten las panorámicas 3D y la gestión con esferas.
• Se introduce el concepto de Realidad Aumentada con sus diferentes tipos, tecnologías y aspectos.

2.7 Realidad Aumentada

• Se discuten los tipos de dispositivos de Realidad Aumentada (como HMD).
• Se describe la interacción compleja con los diferentes tipos de sensores (Magnéticos, Inerciales, Ultrasónicos, Ópticos, Mecánicos).

2.8 Herramientas de desarrollo

• Se describen las herramientas de desarrollo para Realidad Virtual (OpenGL, Direct3D, librerías web, etc.).
• Se exploran aspectos como las plataformas de VR (OpenVR, PSVR, Oculus) y AR (ARCore, ARToolkit, Vuforia).

Este cuestionario evalúa tu comprensión del pipeline gráfico y las etapas de transformación en gráficos 3D. Abarca temas como rotaciones, proyecciones y matrices de transformación. Responde a preguntas que te ayudarán a profundizar en los conceptos clave de visualización gráfica.