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Capítulo 1. Antecedentes Capítulo 1. Antecedentes 1.1 Introducción La Graficación por Computadora es una de las áreas más interesantes de las Ciencias de la Computación y su principal objetivo es est...

Capítulo 1. Antecedentes Capítulo 1. Antecedentes 1.1 Introducción La Graficación por Computadora es una de las áreas más interesantes de las Ciencias de la Computación y su principal objetivo es establecer los principios, técnicas y algoritmos para la generación y manipulación de imágenes mediante una computadora. Dichas imágenes pueden ser de distinta complejidad, desde imágenes en dos dimensiones hasta modelos tridimensionales donde se requiere producir imágenes de aspecto real. De esta manera, la graficación por computadora permite establecer una interacción especial entre el hombre y la computadora. El viejo adagio de que “una imagen vale más que mil palabras” es tan cierto en nuestros días como lo era hace 100 años, por ello no debe sorprendernos que desde que las computadoras aparecieran se haya intentado producir imágenes que pudieran verse a través de sus pantallas. A lo largo de más de cuarenta años de evolución de los componentes electrónicos digitales y demás dispositivos computacionales, la habilidad de generar imágenes por computadora también se ha incrementado. Se ha llegado a un punto tal, que hoy no podemos concebir una computadora, por muy sencilla y modesta que sea, sin alguna capacidad gráfica. En la actualidad las computadoras son una herramienta eficaz en cuanto a graficación y creación de imágenes ya que pueden hacerlo de manera sencilla, rápida y económica. Es casi imposible encontrar un ambiente en donde no se requiera implementar o ya se haya implementado alguna técnica o algoritmo de graficación. Por ello nos topamos con el hecho de que las gráficas por computadora se han convertido en un elemento cotidiano en diversas áreas tales como la industria, arte, televisión, gobierno, educación, publicidad, ciencia, ingeniería,... cuya finalidad va desde entretenernos hasta capacitarnos. Pero para entender cómo es que la Graficación ha llegado a ser una rama tan fascinante es necesario hacer un breve recorrido a través del tiempo presentando su origen, y -7-  Capítulo 1. Antecedentes desarrollo histórico hasta llegar al auge que se vive hoy en día. El objetivo de este primer capítulo es que al final el lector tenga una noción clara de esta disciplina vanguardista, que perciba la situación actual y la importancia del ramo de la síntesis de imágenes, así como la motivación de este proyecto de tesis. 1.2 Un Poco de Historia A partir de la segunda generación de computadoras, cuando se dejaban atrás los bulbos y los transistores entraban por la puerta grande, el nacimiento de una nueva herramienta para “dibujar” estaba ya muy próximo. Aunque no fue sino hasta la década de los cincuentas, en la que, en cuanto a sistemas gráficos se refiere, se mejorarían los dispositivos de representación de información elaborada por los ordenadores. Así, el Whiriwind del Massachussetts Institute of Technology (MIT), se convertía en el primer ordenador que contaba con un sistema de representación visual auto-controlado. El Whiriwind podía generar dibujos sencillos, tarea para la que utilizaba un Tubo de Rayos Catódicos o CRT (Cathode Ray Tube) –ver Figura 1.1-. Además, el tiempo que empleaba en realizar los cálculos necesarios y representarlos impedía cualquier tipo de operación recíproca con el sistema, en pocas palabras, la pantalla actuaba solo como dispositivo de salida y no como interfaz entre el usuario y la computadora. Figura 1.1 Diagrama de un Tubo de Rayos Catódicos Si se quiere hacer un análisis histórico de cómo llegaron a generarse imágenes gráficas a través de un CRT, entonces eso nos lleva a distinguir entre dos tecnologías completamente distintas. La primera que se desarrolló fue el Direct View Storage Tube o -8-  Capítulo 1. Antecedentes DVST (Tubo Adaptador de Visión Directa), también conocido como tubo de almacenamiento o tubo de memoria. En él, la información gráfica se envía de una sola vez y se muestra permanentemente en pantalla, siendo la imagen enviada de tipo vectorial (Stroke Writing), es decir, dibujando vectores continuos en línea recta entre dos puntos de la pantalla o VDU (Visual Display Unit). Este tipo de representaciones se caracterizó por la excelente calidad gráfica de sus líneas. Aunque fue abandonado rápidamente debido a las numerosas insuficiencias que presentaban, entre ellas: su alto costo computacional, la incapacidad de editar elementos y detalles del dibujo, el no permitir la visualización de animaciones ni de imágenes en color, así como su ineficacia en el relleno de un área de dibujo. Para lograr realizar las tareas no permitidas al trabajar con los DVST, se desarrolló la segunda técnica que empleaba los llamados tubos de refresco (Refresh Tube). En dichos tubos se regenera la imagen cada determinado periodo de tiempo (por lo general en fracciones de segundo) bajo el control del CPU, permitiendo así editar partes seleccionadas de un dibujo o la realización de secuencias animadas. Los primeros tubos de refresco generaban las imágenes utilizando todavía representaciones vectoriales, que seguían imponiendo dificultades a la hora de crear áreas de dibujo rellenas, teniendo por otro lado tendencia a parpadear, es decir, a producir sensación visual de discontinuidad en la representación de la imagen. Es por ello que en la actualidad se ha impuesto como estándar el tubo de refresco que utiliza una trama o raster como soporte para generar imágenes. Empleando este tipo de tubo la pantalla se divide en miles o millones de píxeles que son o no iluminados en cada barrido de la imagen siguiendo la información enviada por el CPU. En las VDU de tipo raster, la calidad de la línea depende evidentemente del número de píxeles por unidad de superficie, produciéndose en mayor o menor medida un efecto de escalonado de las líneas oblicuas representadas. -9-  Capítulo 1. Antecedentes Figura 1.2 Ejemplo de los píxeles que forman toda imagen generada por computadora. Hacia el final de la segunda generación aparecieron los primeros programas gráficos interactivos. Un alumno del MIT que terminaba en 1962 su tesis doctoral dio origen a un evento revolucionario y decisivo para el nacimiento del CAD (Computer Aided Design). En la tesis de doctorado de Ivan E. Sutherland, de título "A Machines Graphic Communications System", se establecieron las bases de los gráficos interactivos por computadora tal y como los conocemos hoy. Sutherland propuso la idea de utilizar un teclado y un lápiz óptico para seleccionar, situar y dibujar, conjuntamente con una imagen representada en la pantalla. Lo más significativo era la estructura de datos utilizada por Sutherland en el ordenador TX-2, diferente de todo lo que se había hecho hasta entonces ya que estaba basada en la topología del objeto que iba a representar, es decir, describía las relaciones entre las diferentes partes que lo componían, introduciendo así lo que hoy conocemos como Programación Orientada a Objetos. Antes de esto, las representaciones visuales realizadas de un objeto se habían basado en un dibujo y no en el objeto en si mismo. Con el sistema de Sutherland, llamado Sketchpad, se trazó por primera vez una clara distinción entre el modelo representado en la estructura de datos y el dibujo que uno veía en la pantalla. El sistema Sketchpad, introducido en 1963, causó gran expectación en las universidades y sus limitaciones estaban más en el hardware empleado que en el concepto como tal. - 10 -  Capítulo 1. Antecedentes Pero además Sutherland es conocido y venerado mundialmente como padre del Diseño Asistido por Computadora (CAD) que actualmente se utiliza de forma rutinaria en el diseño de construcciones, automóviles, aeronaves, embarcaciones, naves espaciales, computadoras, telas y muchos productos. También a este personaje se le debe la técnica de las líneas ocultas, tan empleada hoy en día, la cual, como su nombre lo indica, se encarga de no mostrar en pantalla (temporalmente) líneas que deben estar ocultas tras otros objetos de la misma escena. Pero el año decisivo para los sistemas gráficos fue 1980. A partir de esa fecha los sistemas gráficos, que hasta entonces habían sido del dominio exclusivo de científicos, matemáticos e ingenieros, comenzaron a ser usados en televisión y estudios de animación, produciéndose un espectacular avance en las ventas de estos equipos. A finales de 1979, IBM lanzó su terminal en color 3279. Nueve meses más tarde había recibido más de 10.000 pedidos, dos tercios de los cuales iban destinados a personas o entidades que utilizaban por primera vez una computadora para la realización de tareas gráficas. De la misma manera, este éxito de los sistemas gráficos, se pone de manifiesto a través de la creación de asociaciones y la celebración de congresos. La ACM (Association for Computing Machinery) creó lo que se denominaría Grupo de Interés Especial en Aplicaciones Gráficas. En 1976, este grupo, conocido por sus siglas en inglés, como Siggraph (Special Interest Group on Graphics) celebraría por primera vez su congreso anual. A partir de entonces los congresos anuales del Siggraph han sido el foro académico más importante en este tema, impartiéndose en ellos más de 14 cursos simultáneos contando con una asistencia bastante considerable. Desde 1980 hasta nuestros días ha tenido lugar un rápido desarrollo en el entorno de los microprocesadores consiguiendo un considerable aumento de velocidad y memoria tanto en estaciones de trabajo como en computadoras personales, los precios se han vuelto accesibles, incluso para la economía doméstica. Paralelamente a esta circunstancia se nos ha venido encima una avalancha en la comercialización de programas de CAD y de Graficación en general cada vez más abiertos y sofisticados. - 11 -  Capítulo 1. Antecedentes 1.3 Síntesis de Imágenes Entre todas las maravillas de esta gran rama, el apartado que conforma la base de este proyecto es aquel referente a la creación de imágenes. Sus orígenes se encuentran en la Universidad de Utah, la cual se convertiría en el primer centro de investigación en esta materia cuando el director del Departamento de Informática, David Evans, influenciado por Sutherland, decidió concentrar todos los recursos con que contaba su departamento en una sola área: la generación o síntesis de imágenes por computadora. Esto incluía el estudio de las leyes de la perspectiva, de la naturaleza de la luz y de la ciencia del color, así como de la Geometría, que 350 años después de haber sido reducida, por Rene Descartes, a simple Álgebra, podía reintegrarse ahora a las líneas de investigación académica. En esta época dorada que vivió la Universidad de Utah, cabe citar entre otros a: ® E. Catmull (que posteriormente llegaría a ser director del equipo de investigación gráfica de Lucasfilm), cuyas investigaciones se centraron en la generación de imágenes de superficies curvas generales (sin ecuación matemática). ® A James Blinn, que abordó las técnicas del modelado de superficies (Surface Modeling), a través del método de ir añadiendo bloques de color compacto a un dibujo tridimensional que imitaba una estructura de alambre (Wireframe) y que posteriormente recubría con ciertas texturas para darles apariencia de realidad. ® Y por supuesto, a B. T. Phong, cuya tesis doctoral incluía el algoritmo que lleva su nombre y que representa una de las posibles soluciones para el tratamiento de la iluminación realista de las imágenes de objetos generadas por computadora. Esta técnica será empleada ampliamente en el desarrollo de esta tesis. En la actualidad, las investigaciones siguen dos líneas fundamentales: ® Por un lado, en el contexto de los gráficos interactivos y del CAD, en cuyo caso las investigaciones se centran en conseguir entornos amigables. - 12 -  Capítulo 1. Antecedentes ® La otra la constituye lo que se conoce como Realidad Virtual, es decir, la creación de mundos a través de los cuales el operador puede moverse, teniendo una experiencia visual, auditiva y táctil reales. La realidad virtual busca resaltar la percepción de los sentidos hasta conseguir que el usuario deje de ser espectador y se convierta en actor del nuevo espacio creado, esto se consigue actuando sobre la vista, el oído y el tacto. Todo sistema de realidad virtual requiere un diseño del entorno (gráfico, dinámico, interactivo, en tiempo real) y diversos periféricos encargados de conseguir la inmersión y la interacción con el mismo (visualización, comunicación, seguimiento y desplazamiento). Relacionadas a la segunda línea de investigación se encuentran las imágenes consideradas como foto-realistas ya que presentan un aspecto similar al de una fotografía. Éstas son aquellas basadas en el uso de las técnicas de Radiosidad (Radiosity) y Trazado de Rayos (Ray Tracing), técnica central de esta tesis. Así pues, se tienen dos opciones paralelas hacia dónde encaminar las investigaciones: A. La necesidad de obtención de imágenes realistas sin importar el tiempo de creación. B. La necesidad de obtención de imágenes interactivas en tiempo real sin importar la calidad de dicha imagen. Es importante aclarar que a pesar de que los métodos empleados en las gráficas por computadora y en el procesamiento de imágenes se traslapan, las dos áreas realizan, en forma fundamental, operaciones distintas. En las gráficas por computadora, se utiliza una computadora para crear una imagen, (el presente proyecto queda incluido en esta área); mientras que en el procesamiento de imágenes se aplican técnicas para modificar o interpretar imágenes existentes. Respecto de las Técnicas de Visualización existen varios métodos de representación de escenas tridimensionales, pero no todos ellos producen el mismo resultado. La diferencia radica en la forma de manejar los efectos de la luz en los ambientes, y por tanto en la - 13 -  Capítulo 1. Antecedentes generación o no de sombras tanto arrojadas como propias, los brillos de los diferentes materiales que intervienen en la escena, y como consecuencia el tiempo de cálculo necesario para completar una escena. Básicamente existen dos Modelos de Iluminación: Modelo de Iluminación Local (MIL) y Modelo de Iluminación Global (MIG). El primero, al que pertenece el popular "Phong", tiene en cuenta solamente la posición de las fuentes de luz y la dirección de visualización de la superficie. Al segundo pertenece: el Ray Tracing que permite obtener imágenes muy realistas por tener en cuenta los fenómenos físicos de la luz. También a este modelo pertenece el método de Radiosidad que es capaz de modelar la inter-reflexión de la luz entre superficies difusas y generar espectaculares efectos tales como luz reflejada por una superficie coloreada y sombras en penumbra. 1.3.1 Síntesis Foto-realista Su principal objetivo es el de generar imágenes, mediante computadoras, que no se puedan distinguirse de aquellas que hayan sido capturadas por una cámara fotográfica. Pero para poder cumplir dicho objetivo es necesario conjuntar técnicas de diversas áreas tales como la Graficación, Física, Matemática, Ingeniería del Software, etc. En este contexto podemos encontrar un sinfín de aplicaciones para dichas técnicas, como por ejemplo: ® Diseño de edificios y mobiliario. ® Estudios de impacto en diseño de interiores y diseño ambiental. ® Diseño de luminarias, así como su posicionamiento y propiedades. ® Realismo para sistemas de Realidad Virtual. ® Entre otros. - 14 -  Capítulo 1. Antecedentes 1.4 Motivación En la actualidad se ha dado un notable crecimiento dentro del entorno Gráfico Computacional, por doquier podemos percatarnos del empleo de aplicaciones de cómputo como Maya, 3D Studio MAX o DirectX, por nombrar algunas, tanto para crear un agente amigable como toda una obra cinematográfica. Los métodos de gráficos por computadora se utilizan en forma generalizada, por lo que en la actualidad encontramos una amplia gama de aplicaciones en las que los usuarios utilizan infinidad de métodos computacionales (software). Se aprovecha así, el gran avance tecnológico que ha experimentado el hardware para poder cumplir con propósitos especiales como producir películas, programas de televisión, sistemas especiales para personas discapacitadas, modelos de sistemas fisiológicos, financieros, poblacionales, etc. Inclusive, aparecen nuevas versiones antes de aprender a manipular correctamente las disponibles. Tal fenómeno se debe en gran medida a los avances tecnológicos en materia de hardware. Lo que ha dado como resultado el desarrollo de procesadores cada vez más veloces, tarjetas de video y monitores de alta resolución así como de discos duros con gran capacidad para el almacenamiento de datos, todo con un valor adquisitivo relativamente bajo. Por todo lo anterior, hoy en día es muy común que se retomen algunas técnicas alusivas a la creación de gráficos por computadora que en décadas anteriores eran desechadas por considerar su implementación poco factible y en otros casos hasta imposible, debido a las limitantes que presentaban los equipos de cómputo. Es en esta categoría de "algoritmos olvidados" que se encuentra el método conocido como Ray Tracing (RT), que originalmente fue creado décadas atrás, pero es ahora cuando se le emplea más regularmente para la implementación de diversas aplicaciones. El método RT se ha convertido en una de las técnicas más populares de este entorno, por el hecho de ser una eficiente y poderosa herramienta en cuanto a síntesis de imágenes. El algoritmo RT se utiliza con frecuencia en escenas 3D, por la cualidad de obtener imágenes de gran calidad, aunque para lograrlo precisa de un elevado tiempo de procesamiento. Esto - 15 -  Capítulo 1. Antecedentes nos recuerda la necesidad de obtener imágenes realistas sin importar el tiempo de creación, mencionada anteriormente, para la cual se trabaja en mejorar las técnicas de representación, ya que algunos métodos como Ray Tracing aún no son totalmente satisfactorios. Para solucionar y aminorar las carencias de éstas y otras técnicas se han desarrollado Técnicas Híbridas, Técnicas de Aceleración, etc. De lo anterior surge la necesidad de realizar este proyecto de tesis que presenta el desarrollo de una aplicación robusta y eficiente con la cual será posible generar imágenes "foto-realistas", es decir, sintetizar gráficos por computadora con una muy alta resolución. Esto mediante la implementación del método para la síntesis de imágenes conocido como Ray Tracing, el cual se basa en el trazo de rayos a partir de una fuente de luz, para después analizar el comportamiento de los mismos a lo largo de su trayectoria, (definición que será ampliada en el siguiente capítulo). Lo anterior implica un diestro manejo de dicha técnica. En la versión original de este algoritmo se propone analizar, para cada uno de los rayos, sus intersecciones con todos los objetos de la escena. Esta primera versión implica, por tanto, un elevado costo computacional y requiere nuevas propuestas que consigan su aceleración. Por lo tanto, es importante implementar (en medida de lo posible) algunas técnicas de aceleración del proceso, con la finalidad de optimizar el tiempo en que se generen las imágenes. 1.5 Organización La estructura de este documento está organizada en cinco capítulos, dos apéndices y un apartado de referencias bibliográficas. Además de este primer capítulo, que expone a manera de introducción los antecedentes de la Graficación por Computadora, especialmente del área de Síntesis de Imágenes, así como la motivación del proyecto, la descripción del resto de los capítulos y apéndices es la siguiente: Capítulo 2. Ray Tracing.- Este capítulo presenta el marco teórico entorno a la técnica que es pilar del proyecto: Ray Tracing. Además de enunciar definiciones de diversos autores - 16 -  Capítulo 1. Antecedentes se detalla el funcionamiento de la técnica. También se introducen someramente algunos otros algoritmos de síntesis de imágenes para dar al lector oportunidad de formular comparaciones propias. Capítulo 3. Modelo Conceptual de JCRayTracer.- Este apartado está dedicado a introducir y explicar los aspectos teórico-prácticos que deben considerarse para la realización de una aplicación de tipo Ray Tracer. Es necesario mencionar que los conceptos que aquí se presentan son aquellos que se emplearon para este proyecto de tesis, pero existen muchos otros igual de atractivos y funcionales. Capítulo 4. Gestión de JCRayTracer.- Se muestra el análisis del proyecto, incluyendo el propósito u objetivo primordial del producto, sus requerimientos y restricciones y los principales riesgos. También se incluye la etapa del diseño conceptual del sistema desarrollado. En donde se presenta la arquitectura empleada los posibles casos de uso y el modelado correspondiente. En cuanto a la implementación se presentan algunas de soluciones prácticas que dieron a lo largo del proceso de programación, así como los recursos disponibles para su realización y ejemplos de sistema desarrollado. Capítulo 5. Resultados y Conclusiones.- Este capítulo presenta los resultados obtenidos al implementar el algoritmo RT. También enuncia algunas opciones de trabajo a futuro y finalmente se dan las conclusiones del proyecto. Apéndice A. Manual de Usuario.- Esta sección se encarga de ayudar al usuario para facilitarle el manejo de la herramienta desarrollada. Entre otros aspectos se describen las características de la interfaz, la estructura necesaria de los archivos de entrada y las funciones que se pueden realizar con el sistema. Apéndice B. Colección de Escenas.- Exhibe una pequeña colección de imágenes generadas con la herramienta JCRayTracer. - 17 -