Introducción
I. TEORÍA
1. Materiales reales
1.1 Características generales de los materiales reales
1.2 Causas inmediatas de los colores
La luz, los objetos y el ojo
Receptores cromáticos superficiales. El ojo
Procesamiento retiniano. Canales cromáticos. El córtex visual
Apariencia cromática. Categorías perceptivas. Nombres de los colores
Discriminación cromática
Diferencias de discriminación en visión escotópica y fotópica
Deficiencias en la discriminación cromática
Fenómenos de constancia cromática
Fenómenos de interacción cromática
1.3 Causas físicas de los colores
Incandescencia
Excitación eléctrica de gases. Color de las lámparas de descarga
Luminiscencia. Color de otras fuentes de luz
Impurezas metálicas en un medio aglutinante. Color de minerales y pigmentos
Compuestos orgánicos. Colorantes naturales y sintéticos
Metales y semiconductores
Casos especiales
1.4 Variaciones del color en la reflexión y refracción. Otras causas del color
Reflexión, absorción, refracción
Variaciones del color con el ángulo de visión. Ecuaciones de Fresnel
Variaciones de reflexión debidas a la anisotropía
Dispersión refractiva
Polarización
Dispersión (scattering)
Interferencia. Iridiscencia. Difracción
1.5 Variaciones locales
Texturas
Patrones causados por diferencias de color o por diferencias de microrelieve
Patrones generales. La percepción de texturas
Variaciones, clasificaciones
1.6 Variaciones debidas a otros factores
Variaciones debidas al deterioro
Variaciones debidas a la distancia y a medios interpuestos
2. Materiales virtuales
2.1 Características generales de los materiales virtuales
2.2 Generación de colores virtuales
Colores primarios y sistemas de mezcla
Codificación de los colores
Rangos absolutos de formatos de grabación y dispositivos de reproducción
Sistemas digitales de control y gestión de los colores
Rango dinámico. Factor gama
Gestión del color en la práctica
2.3 Simulación de la reflexión y refracción
Cantidades radiométricas básicas. Radiancia e irradiancia
Albedo. Reflectividad. Reflectancia
La función BRDF
Las funciones BTDF, BSDF, BSSRDF
2.4 Modelos principales para la función BRDF
Especularidad perfecta
Difusión perfecta (superficie de Lambert)
Phong (1975)
Blinn (1977)
Cook y Torrance (1982)
Poulin y Fournier (1990). Anisotropía
He-Torrance-Sillion-Greenberg (HTSG, 1991)
Ward (1992)
Oren-Nayar (1993)
Lafortune et al (1997)
Ashikhmin y Shirley (2000)
BRDF obtenida por mediciones
La función BTF
2.5 Simulación de texturas. Métodos principales
Tipos de texturas y tipos de aplicaciones
Texture mapping (Catmull, 1974)
Environment mapping (Blinn y Newell, 1976)
Relieve con Bump Mapping (Blinn, 1978)
Relieve con Displacement mapping (Cook, 1984)
Relieve con Normal Mapping (varios, 1992, 1996, 1998)
Relieve con Parallax mapping (Kaneko et al., 2001)
Sistemas de partículas (Reeves, 1983)
Procedural mapping (Perlin, Peachey, 1985)
Procedural modeling de volúmenes difusos (varios, 1985)
Hipertexturas (Perlin y Hoffert, 1989)
Texturas naturales generadas con fractales
Figuras planas simuladas con Sprites y Billboards
Variaciones debidas a la distancia. MipMaps. Multirresolución
2.6 Otros métodos
Variaciones debidas al deterioro
Volume rendering. Participating media. Ray marching
Representación de sistemas de partículas
II. TÉCNICAS
3. Recursos básicos
3.1 Las tuberías de la representación
La Base física. Características y evolución de las tarjetas gráficas y la GPU
Evolución
Componentes principales y especificaciones técnicas
Conexiones externas
La base algorítmica. El concepto de shader
Shader trees
Vertex Shaders
Pixel/Fragment Shaders
Otros tipos de shaders
Las tuberías de la representación (rendering pipeline)
Descripción genérica. Fases principales
Procesamiento de vértices y ensamblaje de primitivas
Transformaciones de proyección
Procesamiento de píxels/fragmentos
Operaciones complementarias y salida final
3.2 Estructuras mediadoras entre hardware y software
Las dos grandes API (Application Programming Interface)
Visión conjunta de la evolución histórica de OpenGL y DirectX
Diferencias principales
Evolución histórica de las diferentes versiones de OpenGL y Direct3D
Procesos básicos en OpenGL y Direct3D
Inicialización, procesos básicos, cierre
Creación y representación de primitivas
La rendering pipeline en Direct3D y OpenGL
La explotación del paralelismo, los nuevos lenguajes y las nuevas tecnologías
Lenguajes de programación de shaders
Las aplicaciones gráficas de propósito general (GPGPU)
FireStream (ATI) / Stream Processor (AMD)
CUDA (NVIDIA)
OpenCL
3.3 Procesamiento de materiales e iluminación
Estructuras generales
Definición y registro de parámetros básicos de materiales
Modificación de parámetros básicos por la iluminación de la escena
Texturas
Estructura y registro de los datos
Filtrado básico de texturas
3.4 Aliasing y antialiasing
Notas sobre procesamiento de imágenes
Imágenes y señales
Teorema del muestreo y límite de Nyquist
Operaciones fundamentales. Transformada de Fourier. Convolución
Aliasing y antialiasing. Tipos generales
Supermuestreo. Submuestreo
Filtros
Generalidades
Filtros principales utilizados en simulación visual
3.5 Organización de la escena
Cámaras
Cámaras básicas
Cámaras físicas. Control de exposición
Iluminación básica
Organización elemental
Configuración básicas de cálculo
3.6 Organización del proyecto
Organización general
Pasos previos
Asignaciones. Nomenclatura
Gestión
Control de las referencias externas
Bibliotecas de materiales
Bibliotecas de mapas
4. Técnicas básicas
Nota sobre técnicas y software
4.1 Shaders básicos
Shaders
Parámetros de shaders básicos
Otros parámetros
4.2 Shaders arquitectónicos
Estructura y parámetros básicos del material Arch&Design (mia material)
Reflejos
Criterios generales
Parámetros básicos
Reflejos sobre una esfera
Reflejos sobre un plano
Reflejos anisotrópicos
Parámetros de reflejos anisotrópicos
Reflejos sobre un cilindro
Valores de reflectancia para diferentes materiales. Conservación de la energía
Transparencias
Parámetros básicos
Transparencias simples
Transparencias con dispersión
Transparencias con reflejos
Transparencias con refracción. Parámetros adicionales
Translucidez
Sombras sobre vidrios
Autoiluminación
4.3 Shaders orgánicos. Otros shaders
Materiales de tipo SSS
El material SSS Fast. Parámetros
El material SSS Fast. Ejemplo de aplicación
El material SSS Fast Skin
El material SSS Physical
Medios participativos (Participating Media). El shader Parti Volume
Parámetros del Parti Volume Shader
Ejemplo 1. Parti Volume aplicado a un objeto envolvente
Ejemplo 2. Parti Volume aplicado a una luz focal
Ejemplo 3. Parti Volume aplicado a una luz directa
Sistemas de partículas
Generalidades
Procedimiento básico. Parámetros principales de PF Source y Particle View
Space Warps (Forces, Deflectors)
Materiales (sin mapas) y sistemas de partículas
Ejemplo 1. Emisor elemental
Ejemplo 2. Distribución de partículas sobre una superficie
Ejemplo 3. Lluvia y nieve
Objetos proxy. Con sistemas de partículas. Con herramientas de pintura de objetos
Otros shaders
Hipertexturas
4.4 Mapas
Coordenadas UVW
Proyecciones explícitas y no explícitas
Tipos de proyecciones
Métodos básicos de ajuste de proyecciones
Proyecciones de un mismo mapa sobre diferentes planos
Proyecciones múltiples
Proyecciones sobre superficies paramétricas con especificaciones internas UVW
Proyecciones sobre superficies de curvatura libre y definidas por NURBS
Proyecciones desplegadas y métodos avanzados de edición de mapas
4.5 Tipos de mapas
Mapas de bits
Resolución y multirresolución
Objetos de substitución. Recursos LOD
Mapas procedurales
Mapas procedurales 2D
Mapas procedurales 3D
Otros tipos de mapas procedurales
5. Aplicaciones y combinaciones de parámetros y mapas
5.1 Recursos generales
Editores de materiales y mapas
Canales y máscaras
Estructuras predeterminadas. ?Tipos de materiales?
5.2 Mapas especiales de aplicación genérica
Mapas ligados a la orientación de las caras. El mapa Falloff
Mapas de mezcla
Material Mezcla con Vertex Paint
Mapas modificadores de color
Mapas de composición
5.3 Mapas de aplicación a relieves
Mapas de tipo Bump
Mapas de tipo Desplazamiento
Mapas de tipo Normal Mapping
Mapas de tipo Parallax y Parallax Occlusion Mapping
5.4 Mapas de aplicación a recortes
Procedimientos básicos de aplicación
Control de la orientación del plano de la figura (restricción Look At)
Canales alfa y fusión de imágenes. Valores alfa premultiplicados
Preparación de imágenes. Técnicas básicas de ajuste y suavizado de bordes
Representación directa sobre un fondo alfa
5.5 Mapas de modificación de reflexiones
Modificación de reflejos por mapas monocromáticos
Modificacion de reflejos en mapas de entorno
Fuga o sangrado de color (color bleeding)
Modificación de reflejos anisotrópicos por mapas
5.6 Mapas de modificación de transparencias
Procedimientos básicos
Modificación de transparencias por mapas monocromáticos. Ejemplos
Simulación de cortinas semitransparentes con mapas falloff
Simulación de agua con adición de mapas
5.7 Mapas de aplicación a la autoiluminación
Procedimientos básicos
Ejemplo 1. Cubo
Ejemplo 2. Prisma
Ejemplo 3. Plancha metálica
Ejemplo 4. Vela
5.8 Mapas con sistemas de partículas
Introducción
Operadores de mapas
Ejemplo 1. Procedimiento básico
Ejemplo 2. Uso del operador de mapeado
Ejemplo 3. Simulación de árboles con mapas de bits
Ejemplo 4. Simulación de humo con mapas procedurales
5.9 Fondos y mapas de entorno
Fondos y mapas de entorno. Generalidades. Problemas en la práctica
Composición de escenas con fondos. Concordancia de cámaras y luces
Integración de sombras y reflejos con imágenes de fondo. Material matte
Integración de reflejos con imágenes de fondo. Bola cromada
Integración de sombras con fondos uniformes
5.10 Simulación no realista. Contornos con mapas
Introducción. Toon Shading
Shaders disponibles
Contornos simples
Contornos y colores planos
Representación alámbrica de la geometría interna
5.11 Texturas
Criterios
a) Calidad inicial
b) Resolución
c) Repetición. Texturas seamless
d) Organización
e) Calidad final. Ajustes y corrección de defectos
Ejemplo de recomposición de textura
Texturas artificiales
Noise. Análisis
Cellular Noise. Análisis
Ejemplos de aplicación de noise y cellular noise
Otros recursos procedurales. Ejemplo de simulación de cuero
Texturas combinadas
a) Texturas recortadas (decals) sobre texturas continuas
b) Decals superpuestos
c) Texturas adicionales superpuestas
5.12 Texturas desplegadas. Render to Texture
Texturas desplegadas (unwrap). Casos
Integración de texturas. Ejemplo 1. Casos simples (misma orientación)
Integración de texturas. Ejemplo 2. Casos generales (diferente orientación)
Control de posición en texturas sobre superficies curvas irregulares. Ejemplo 3
Render to Texture. Aplicaciones. Proceso general. Parámetros principales
Ejemplo 1. Objeto simple sobre un plano
6. Apéndice. Materiales de construcción
Introducción
1 Piedras
Características físicas
Piedras más utilizadas en la construcción
Características visuales. Métodos de simulación
2 Maderas
Características físicas
Maderas más utilizadas en la construcción
Características visuales. Métodos de simulación
3 Cerámicas
Características físicas
Productos cerámicos más utilizados en la construcción
Características visuales. Métodos de simulación
4 Vidrios
Características físicas
Vidrios más utilizados en la construcción
Características visuales. Métodos de simulación
5 Metales
Características físicas
Metales más utilizados en la construcción
Características visuales. Métodos de simulación
6 Hormigón
Características físicas
Hormigones más utilizados en la construcción
Características visuales. Métodos de simulación
7 Plásticos
Características físicas
Plásticos más utilizados en la construcción
Características visuales. Métodos de simulación
8 Varios
Tierra combinada con otros materiales
Bambú. Mimbre. Hierba. Paja
Cartón. Telas. Plásticos. Otros materiales
Simulación visual
Referencias
Índice analítico
La simulación de materiales tiene una gran importancia, teórica y práctica, desde múltiples puntos de vista y aplicaciones profesionales. Es un requisito fundamental para la creación de escenarios virtuales y está imbricada en el
propio proceso de diseño. Pues los colores, texturas, reflejos o transparencias, modifican las formas y espacios que percibimos. Las posibilidades que se han abierto a partir del desarrollo de nuevos recursos de interacción virtual, abren vías que solo desde hace pocos años estamos comenzando a asimilar. Este libro, que se publica en paralelo con otro sobre Simulación visual de la iluminación, abarca todo lo implicado en esta temática, tanto desde un punto de vista teórico y conceptual, a lo largo de su primera parte, como por medio de una explicación pormenorizada, a lo largo de su segunda parte, de las principales técnicas con que contamos en la actualidad, proporcionando ejemplos relevantes
para diferentes aplicaciones, principalmente en arquitectura y diseño.
