Representacion de Objetos en 3D graficos por computadora
- 1. INTRODUCCIÓN: La representación de objetos en 3D es un concepto fundamental en el campo de los gráficos por computadora. Este se refiere al proceso de crear y manipular modelos tridimensionales de objetos para su visualización en una pantalla bidimensional. A través de diversas técnicas, como la representación mediante mallas poligonales, superficies paramétricas y volúmenes, los objetos 3D pueden ser descritos matemáticamente y posteriormente renderizados para crear imágenes realistas o estilizadas. entender cómo representar de manera eficiente y precisa los objetos en tres dimensiones es crucial, ya que forma la base para aplicaciones en áreas como la simulación, los videojuegos, la animación, la realidad virtual, el diseño asistido por computadora (CAD), y más.
- 2. ¿QUE SON? Para lograr un aspecto realista o estilizado, se aplican texturas, iluminación y sombras, y finalmente se renderizan para generar una imagen final. Esta técnica es fundamental en industrias como los videojuegos, la animación, la arquitectura y la simulación científica, donde la visualización en tres dimensiones mejora la interacción y comprensión de los objetos y entornos digitales. La representación de objetos en 3D es el proceso de crear modelos tridimensionales en un entorno digital mediante coordenadas espaciales que definen su altura, ancho y profundidad. Estos modelos se construyen utilizando mallas de polígonos, curvas matemáticas o volúmenes, permitiendo visualizar y manipular los objetos desde cualquier ángulo.
- 3. El espacio 3D es un sistema tridimensional en el que los objetos se representan mediante tres coordenadas: X (ancho), Y (altura) y Z (profundidad). Estas coordenadas permiten ubicar cualquier punto en un entorno tridimensional y definir la posición, escala y orientación de los objetos. En gráficos por computadora, el espacio 3D se basa en: Sistema de coordenadas cartesianas: Define la ubicación de los puntos en el espacio utilizando ejes perpendiculares (X, Y, Z). FUNDAMENTOS DEL ESPACIO 3D
- 4. Proyección 3D: Método para transformar escenas tridimensionales en imágenes 2D. Existen dos tipos principales: Proyección en perspectiva: Simula la percepción humana de la profundidad, donde los objetos lejanos se ven más pequeños. Proyección ortogonal: No tiene distorsión por perspectiva, útil en diseño técnico y modelado CAD. Transformaciones 3D: Operaciones matemáticas que permiten modificar objetos: Traslación: Desplazamiento en el espacio. Rotación: Giro alrededor de un eje. Escalado: Cambio de tamaño del objeto.
- 5. PROYECCIONES No considera la profundidad ni la perspectiva, lo que significa que los objetos mantienen su tamaño sin importar su distancia de la cámara. Se usa en diseño técnico, CAD y juegos con vista isométrica. ORTOGRÁFICA PERSPECTIVA Simula la forma en que el ojo humano percibe la profundidad, haciendo que los objetos más lejanos se vean más pequeños. Es el tipo más común en gráficos 3D, ya que proporciona una sensación realista de escala y distancia.
- 6. MÉTODOS DE REPRESENTACIÓN DE OBJETOS EN 3D La representación de objetos en 3D se basa en diferentes técnicas que permiten modelar formas tridimensionales con distintos niveles de precisión y realismo. Dependiendo del propósito y de los requerimientos del proyecto, se emplean diferentes enfoques para generar modelos 3D, cada uno con sus propias ventajas y aplicaciones. Los principales métodos son: Mallas poligonales. Curvas NURBS. Voxels . Escaneo 3D y fotogrametría.
- 7. Es el método más común en gráficos 3D, donde los objetos se construyen con una red de polígonos, principalmente triángulos y cuadriláteros Este método es ampliamente utilizado en videojuegos, animación y modelado digital debido a su eficiencia en el procesamiento gráfico. Cada malla se compone de: Vértices: Puntos en el espacio 3D con coordenadas (X, Y, Z). Aristas: Líneas que conectan dos vértices. Caras o polígonos: Superficies planas formadas por tres o más aristas. Normales: Vectores perpendiculares a la superficie que determinan cómo interactúa la luz con el objeto. MALLAS POLIGONALES
- 8. PROCESO Transformaciones geométricas: Se aplican escalado, rotación y traslación para posicionar el objeto en el espacio 3D. Proyección: Se convierte la malla 3D en una imagen 2D mediante técnicas como la proyección en perspectiva. Iluminación y sombreado: Se calculan los efectos de luz y sombra sobre la superficie del modelo para mejorar su realismo. Texturización: Se asignan imágenes (texturas) a la superficie de la malla para darle más detalles visuales. . FUNCIONAMIENTO Las mallas poligonales pueden clasificarse en dos tipos principales: mallas estáticas y mallas dinámicas. Las mallas estáticas son aquellas cuyo número de vértices, aristas y caras permanece invariable, por lo que se emplean en la representación de objetos inanimados en modelos 3D. En contraste, las mallas dinámicas pueden deformarse en tiempo real mediante animaciones o simulaciones físicas.
- 10. El modelado por curvas y superficies (NURBS) es una técnica avanzada que utiliza ecuaciones matemáticas para definir formas tridimensionales suaves y precisas, en lugar de depender de polígonos. NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) permite crear superficies sin bordes irregulares, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieren alta precisión, como el diseño automotriz, la arquitectura y la animación digital. MODELADO POR CURVAS Y SUPERFICIES (NURBS)
- 11. FUNCIONAMIENTO Su estructura se basa en puntos de control, que determinan la forma de la curva, y en pesos y nudos, que ajustan su influencia y distribución. Una de sus principales ventajas es que permite modificar la geometría con gran flexibilidad sin perder suavidad, facilitando la creación de formas orgánicas y aerodinámicas. Sin embargo, su procesamiento es más costoso en comparación con las mallas poligonales, por lo que se usa principalmente en diseño técnico y producción CGI, en lugar de gráficos en tiempo real como los videojuegos.
- 12. El método de vóxeles es una técnica utilizada en gráficos por computadora para representar objetos tridimensionales mediante unidades cúbicas llamadas vóxeles (volumetric pixels), que son el equivalente tridimensional de los píxeles en 2D. En lugar de utilizar polígonos para definir superficies, este método divide el espacio en una grilla tridimensional, donde cada voxel almacena información sobre su posición, color, densidad y otros atributos. VOXELS
- 13. FUNCIONAMIENTO El proceso comienza con la subdivisión del espacio en una malla de vóxeles, donde cada uno representa una pequeña porción del objeto o entorno. Luego, algoritmos especializados como el ray marching o el splatting se encargan de renderizar la escena, determinando qué vóxeles son visibles y cómo interactúan con la luz. Debido a su naturaleza discreta, el método de vóxeles es ideal para aplicaciones como videojuegos (Minecraft, Teardown), imágenes médicas (tomografías y resonancias magnéticas) y simulaciones científicas (modelado de fluidos y geología).
- 14. El escaneo 3D y la fotogrametría son técnicas complementarias utilizadas para la representación digital de objetos en 3D. Mientras que el escaneo 3D emplea sensores láser para capturar la geometría de un objeto, la fotogrametría analiza múltiples fotografías desde distintos ángulos para generar un modelo tridimensional con texturas realistas. La combinación de ambas tecnologías permite obtener modelos digitales detallados, con una geometría precisa y texturas de alta calidad, lo que resulta ideal para aplicaciones en arquitectura, videojuegos, arqueología y manufactura digital. ESCANEO 3D Y FOTOGRAMETRÍA.
- 15. TEXTURAS Y MATERIALES La texturización es un proceso clave en la representación de objetos 3D, ya que permite agregar detalles visuales a los modelos sin aumentar la cantidad de polígonos. A través del uso de texturas y materiales, se define la apariencia de la superficie de un objeto, simulando efectos como rugosidad, reflejos o transparencias.
- 16. TIPOS DE TEXTURAS Las texturas pueden simular diferentes propiedades del material de un objeto. Algunas de las más utilizadas son: 1. Textura Difusa (Diffuse / Albedo) Representa el color base de la superficie sin reflejos ni efectos de iluminación. Es la imagen que se ve en la piel de un personaje o en las paredes de un escenario. 2. Textura Normal (Normal Map) Se basa en colores RGB que indican la dirección de la luz en cada píxel. Se usa para agregar rugosidad o detalles en superficies sin afectar el rendimiento. 3. Textura de Especularidad / Reflectividad Controla qué partes de un objeto reflejan más o menos luz.En un modelo de un coche, por ejemplo, las partes metálicas serán más reflectantes que los neumáticos.
- 17. ILUMINACION Y SOMBREADO La iluminación es un aspecto clave en la representación 3D, ya que define cómo los objetos interactúan con la luz, generando sombras, reflejos y diferentes efectos visuales. Una iluminación adecuada mejora la percepción de profundidad, materiales y realismo en entornos virtuales.
- 18. TIPOS DE ILUMINACION En los motores de renderizado y modelado 3D, existen varios tipos de luces, cada una con un propósito específico para representar de mejor forma los objetos: 1. Luz Direccional (Directional Light): Simula la luz del sol, emite rayos paralelos desde una dirección infinita. Toda la escena recibe iluminación uniforme. Se usa en entornos abiertos y exteriores, como en videojuegos de mundo abierto. 2. Luz Puntual (Point Light) Esta emite luz en todas direcciones desde un punto específico, similar a una bombilla. Su intensidad disminuye con la distancia al objeto. Se usa para lámparas, faroles o cualquier fuente de luz pequeña y localizada. 3. Luz Ambiental (Ambient Light) Representa la luz general que rebota en el ambiente.Se usa para simular iluminación indirecta en interiores o escenas sin fuentes de luz directa.
- 19. 1. Sombreado plano Cada cara del modelo tiene un solo color sin transiciones suaves. Se utiliza en gráficos retro. 2.- Sombreado de Gouraud Calcula la iluminación en los vértices y la interpola en la superficie. Es más suave que el sombreado plano pero puede perder detalles en reflejos. 3.- Sombreado de Phong Calcula la iluminación en cada píxel, logrando reflejos más realistas. Es más costoso computacionalmente, pero mejora la calidad visual. TIPOS DE SOMBREADO 4.- Sombreado basado en físicas (PBR - Physically Based Rendering) Simula la interacción realista de la luz con materiales como metal, plástico o vidrio. Se usa en videojuegos y cine para gráficos hiperrealistas.
- 20. HISTORIA La representación de objetos en 3D tiene su origen en el arte y la geometría. En la antigüedad, los griegos y romanos usaban esculturas tridimensionales, pero la perspectiva matemática surgió en el Renacimiento con Brunelleschi y Da Vinci. En el siglo XVIII, Gaspard Monge desarrolló la geometría descriptiva, clave para el diseño técnico. Con la llegada de la computación en el siglo XX, Ivan Sutherland creó Sketchpad ( 1963), el primer software de gráficos interactivos. Luego, empresas como Pixar y Silicon Graphics impulsaron el modelado y renderizado. Hoy, motores como Unity y Unreal Engine permite la creación de mundos 3D en videojuegospermiten la creación de mundos 3D en videojuegos, cine y muchas otras áreas.
- 21. APLICACIONES 1.- Videojuegos Fortnite (Unreal Engine) 2.- Cine y animación Avengers(Efectos especiales de CGI)
- 22. 3.- Arquitectura y diseño Burj Khalifa (representacion en AutoCAD) 4.- Medicina y ciencia Tomografías y resonancias magnéticas (Imágenes 3D)
- 23. VENTAJAS Y DESVENTAJAS ✅Ventajas Mayor realismo Interactividad Versatilidad Facilidad de modificación Eficiencia en simulaciones ❌Desventajas Alto costo de desarrollo Mayor consumo de recursos Curva de aprendizaje elevada Tiempo de renderizado Errores visuales o bugs
- 24. 1.- Blender – Modelado y animación gratis. 2.- Maya – Modelado profesional. 3.- ZBrush – Escultura digital avanzada. 4.- Substance Painter – Texturización realista. 5.- Unreal Engine / Unity – Motores gráficos HERRAMIENTAS Y SOFTWARE
- 25. CONCLUSIÓN La representación de objetos en 3D es un pilar fundamental en los gráficos por computadora, permitiendo la creación y manipulación de modelos tridimensionales con aplicaciones en múltiples industrias. Gracias a diversas técnicas matemáticas y de renderizado, es posible generar imágenes realistas o estilizadas que enriquecen campos como la animación, los videojuegos, la simulación y el diseño asistido por computadora. Su desarrollo continuo impulsa avances en tecnología y creatividad, haciendo que la comprensión y optimización de estos procesos sean esenciales para el futuro de la visualización digital.