Renderización: definición, tipos y técnicas de visualización
La renderización es muy utilizada por diseñadores y empresas: veremos qué es, cuáles son los tipos y las técnicas de visualización
Desde hace años, la renderización es considerada la mejor amiga de los técnicos y las empresas ya que se ha vuelto una herramienta fundamental de comunicación. Ayuda a los clientes a comprender las elecciones de diseño, pero también es un instrumento de análisis y control del trabajo producido.
¿Qué es renderizado 3D?
Con el término renderizado 3D se define al proceso que permite obtener imágenes digitales tomadas del modelo tridimensional, a través de software dedicados. Estas imágenes tienen como finalidad simular de manera fotorrealísta ambientes, materiales, luces, objetos de un proyecto y de un modelo 3D.
Renderizado 3D hecho con renderizado 3D en línea
El renderizado 3D es una imagen elaborada por computadora que sigue el modelado tridimensional basado en datos del proyecto; el modelo geométrico realizado es revestido con imágenes (texturas) y colores totalmente iguales a los materiales reales y luego es iluminado con fuentes luminosas que reproducen las luces naturales o artificiales.
En caso de que los parámetros sean modificados imitando aquellos naturales (luz solar efectiva), texturas en HD, encuadres reales, etc., entonces la renderización puede definirse fotorrealista.
Tipos de renderización
Existen 2 principales tipos de renderización. La diferencia está en la velocidad con la cual las imágenes son calculadas y finalizadas.
Renderizado 3D Real Time
La renderización en tiempo real se utiliza preferentemente en los juegos y en la gráfica interactiva, por la necesidad de calcular las imágenes de los datos 3D a un ritmo muy veloz. Existirá por lo tanto un hardware gráfico dedicado, para garantizar una rápida elaboración de las imágenes.
Renderización offline
La renderización offline se utiliza en situaciones en las que no se necesita una velocidad de elaboración tan alta. Los efectos funcionan donde la complejidad visual y el fotorrealismo están a un nivel muy alto. No hay imprevisibilidad, a diferencia del tiempo real.
Render realizado con Edificius
Renderizado 3D: las técnicas de visualización
Z-Buffer
Es uno de los algoritmos más simples para la determinación de las superficies visibles. Utiliza dos estructuras de datos, el z-buffer (un área de memoria que mantiene para cada pixel la coordenada z más cercana al observador) y el frame-buffer (que contiene los datos del colore relativo a los pixeles contenidos en el z-buffer). Para cada pixel se memoriza el valor de z mayor (asumiendo que el eje z va desde la pantalla hacia los ojos del observador) y a cada paso el valor contenido en el z-buffer se actualiza solo si el punto examinado tiene la coordenada z mayor a aquella actual del z-buffer. La técnica se aplica a un polígono a la vez. Al escanear un polígono, la información sobre los otros polígonos no está disponible.
Scan line
Es uno de los métodos más antiguos. Funde el algoritmo de determinación de las superficies visibles con aquel de determinación de las sombras reportadas. Los algoritmos que trabajan sobre la línea de escaneo son image-precision y se llaman así debido a que por cada scan-line determinan los span (intervalos) de pixeles visibles. Éste se diferencia del z-bufer ya que trabaja con una línea de escaneo a la vez.
Colores y luminosidad de la ambientación de un render realizado con Edificius
Ray casting
Es un mecanismo image-precision que permite la detección de superficies visibles. Todo el proceso hace referencia a un centro de proyección y a una pantalla en posición arbitraria pensada como una grilla regular. Los elementos corresponden a la dimensión de los pixeles de la resolución deseada. Se trazan rayos de luz imaginarios, desde el centro de observaciones hacia los objetos presentes en la escena, uno por cada celda de la misma ventana.
La idea de fondo del ray casting consiste en hacer partir los rayos del ojo, uno por pixel, y encontrar el objeto más cercano que bloquea el recorrido (es necesario pensar en una imagen cuadriculada, en la que cada cuadrado corresponde a un píxel). Una ventaja importante que ofrece el ray casting respecto al algoritmo más antiguo de scanline, es su capacidad de gestionar simplemente superficies sólidas o no planas, como por ejemplo conos y esferas. Por ende, si un rayo alcanza una superficie, el ray casting la puede diseñar. También es posible crear objetos complicados, utilizando técnicas de modelación sólida.
Render arquitectónico realizado con Edificius
Ray tracing
Desciende directamente del ray casting pero se le aplica un modelo particular de iluminación que tiene en cuenta los fenómenos físicos de la luz, como reflexiones y refracciones, que permite alcanzar resultados fotorrealistas sorprendentes. Está basado en la observación que, de todos los rayos de luz que dejan un manantial, solo contribuyen a la imagen aquellos que luego de haber tocado el objeto alcanzan al observador. Los rayos de luz pueden alcanzar al observador ya sea directamente o por efecto de la interacción con otras superficies. Naturalmente, no es posible seguir la trayectoria de cualquier rayo; sin embargo, si invertimos la trayectoria de los rayos, y consideramos solo aquellos que parten de la posición del observador, podemos determinar los rayos que contribuyen a la imagen. Esta es la idea base del método ray-tracing, que simula el viaje completo de la radiación luminosa para llegar al observador.
La popularidad conquistada por el ray tracing es la base en la simulación realista de la luz respecto a otros modelos de renderización (por ejemplo, scanline rendering o ray casting). Efectos como reflexiones y sombras, difíciles de simular con otros métodos, son el resultado natural del algoritmo. Una implementación relativamente simple conduce a resultados impresionantes, el ray tracing a menudo representa el punto de acceso al estudio de la programación gráfica.
Render de interiores realizado con Edificius
Radiosity
Es otro método image-precision que aporta mayores ventajas a la cualidad foto realística de la imagen ya que tiene en cuenta también el fenómeno físico de la inter reflexión entre objetos. De hecho, cuando una superficie tiene un componente de luz reflectora, no solo aparece en nuestra imagen, sino que ilumina también las superficies cercanas.
La luz irradiada transporta los datos sobre el objeto que la ha generado, en particular el color. Así las sombras resulutan “menos negras” y se puede percibir el color del objeto cercano bien iluminado, un fenómeno citado a menudo como “derrame del color”. El algoritmo radiosity, como primera fase, individua y descompone las superficies en componentes más pequeños y luego distribuye la energía luminosa directa; como segunda fase calcula la energía difundida, transmitida y reflejada sobre la hipótesis que las superficies reflejan luz del mismo modo. Además de esto, calcula las superficies que reflejan más energía y la redistribuye.
