El arte digital consiste en generar escenas hiper-realistas y abstractas mediante el uso de unas herramientas y unas técnicas digitales, o en otras palabras, mediante el uso de ordenadores y sus correspondientes programas.

Desde la aparición de los gráficos por ordenador hasta la actualidad, se han producido una gran cantidad de innovaciones, debidas al desarrollo de las técnicas de los programas y, en mayor medida, a la evolución del los ordenadores.

Haciendo un breve repaso, la cronografía puede ser más o menos la siguiente, que además corresponde a los distintos tipos de visualización:

• modo wireframe, o modelos de alambre: como su nombre indica, sólo se representan líneas (tanto rectas como curvas).

• modo filling, o de rellenado continuo: se representan objetos con caras de colores totalmente uniformes.

• modo rendering, ahora, no sólo se representan las caras con colores, si no que, además, además estos contienen degradados, sombras, etc. dentro de las técnicas de rendering, podemos destacar dos grupos:

• volume rendering: cuando los datos se obtienen de hardware de adquisición de datos en forma de puntos 3D. Muy utilizado en medicina para RMN (Resonancia Magnética Nuclear) y TAC (Tomografía Axial Computerizada).

• object rendering: cuando los datos se obtienen de modelos matemáticos 3D. Este es el tipo de rendering más utilizado

El proceso de rendering de una escena es un proceso bastante simple por un lado, pues es hacer siempre lo mismo, y muy complejo por otro, pues hay que saber qué parámetros poner para obtener lo que queremos. En general, el proceso es el siguiente:

• se describe una escena en base a unos modelos matemáticos, donde se especifican los objetos que intervienen y la posición tanto de la cámara (punto de vista del observador) como la de las fuentes de iluminación.
• se calcula la imagen fotorealista a partir de la especificación anterior, y por medio de un programa de rendering. Hay muchos, tanto comerciales (RenderMan, Alias, 3D Studio) como freware/shareware (POV, RayShade, PolyRay, BobTracer).
• se postprocesa (por medio de técnicas para oscurecer, aclarar, rotar la imagen) y se visualiza.

Dependiendo del algoritmo de cálculo en el proceso de rendering, se tienen los siguientes tipos:

• métodos scanline: tienen en cuenta sólo la iluminación de los objetos, y no las propiedades físicas de estos. Son métodos muy rápidos, pero los resultados que se obtienen son los menos realistas (3D Studio).

• métodos radiosity: calculan las ecuaciones de radiosidad para cada objeto, en función de la energía que reciben, emiten y propagan. Son métodos independientes del punto de vista del observador, muy lentos, pero que producen los mejores efectos de sombreado/iluminación. Tienen en cuenta las propiedades físicas relacionadas con la reflexión, pero no la refracción (Radiosity).

• métodos de raytracing: calculan las trayectorias de los rayos de luz que inciden en la cámara, provenientes de las fuentes de iluminación. Se tienen en cuenta tanto las propiedades de reflexión como las de refracción. Son métodos muy lentos (los que más), pero que consiguen, en general, los mejores efectos fotorealistas ya que son capaces de calcular reflexiones, refracciones, transparencias, sombras, etc. El fallo más importante de estos métodos es precisamente en el sombreado, que, si bien, es más realista que con métodos scanline, lo es menos que con radiosity. Dentro del raytracing, se encuentran básicamente dos submétodos:

• photom tracing: se calculan las trayectorias directas, entre las fuentes de ilumi y el observador. Método poco usado.

• el visible tracing: se calculan las trayectorias inversas, entre el observador y las fuentes de iluminación. Es el método más usado, y el que se usará en el presente curso. Es el que implementan programas como: RenderMan, Alias, POV, etc.

El método de raytracing presenta una serie de limitaciones y/o inconvenientes, que se solventan por medio de una serie de técnicas.

• líneas escalonadas: debido a la discretización en pantalla de los rayos de luz (pixel), las líneas rectas inclinadas se ven como hechas a escalones (aliasing). La solución es colorear en todos más suaves los pixel que quedan entre los escalones (antialiasing). Método que ralentiza la generación de imágenes, pero consigue mayor calidad.

• desaparición de objetos diminutos: debido al grosor de los pixel, estos son el promedio de los rayos que llegan. Si se trazan pocos rayos, pueden desaparecen objetos. Una de las técnicas para solventar esto es el supersampling, que consiste en tener internamente muchos más pixels de los que se van a representar, y luego promediar. Se consiguen buenas soluciones, aunque el tiempo de rendering se multiplica por 10-100.

• falta de difracción: la refracción desvía la luz, pero no de igual forma en todas las longitudes de onda. Por este motivo, cuando la luz blanca atraviesa un prisma, se descompone en colores (arco iris). Esto es imposible por medio de raytracing.

• falta de sombras suaves: puesto que las fuentes de iluminación son puntos infinitamente pequeños, no se crean zonas de penumbra, y en cambio entre zona con sombra y zona iluminada es muy drástico.

• falta de reflexión especular: la luz, al incidir en una superficie reflexiva no rebota. La mayoría de los raytracers no solucionan el problema.

• falta de reflexión difusa: no sólo los objetos especulares reflejan la luz, si no también los mates. Se puede intenta remediarlo con la iluminación ambiental, como si todos los objetos reflejaran una cantidad constante y pequeña de luz.

• falta de efectos cáusticos: efectos que se producen debido a la refracción no uniforme de la luz (p.e. en lentes).

• reflejos defectuosos: los reflejos se producen debido tanto a la reflexión especular como a la difusa, generalmente en las superficies curvadas. Debido a la imposibilidad de calcular ambas reflexiones, estos efectos se simulan por medio de métodos matemáticos aproximados. Entre los disponibles, se utilizan reflexiones Phong y especulares.