Monedero Isorna, Javier2025-12-192015-012015-12-31978849880564210.5821/ebook-9788498805642https://une-dspace.glaux.es/handle/123456789/54925La 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.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 analíticoLibro digitalp. 51930.01 MBCreative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/INGENIERÍA Y ARQUITECTURA::ARQUITECTURA, INGENIERÍA CIVIL, CONSTRUCCIÓN Y URBANISMO::Expresión Gráfica en la IngenieríaAplicaciones gráficas y multimediaopenAccess