Computación gráfica, en búsqueda de la perfección

I. Fundamentos y Evolución de la Computación Gráfica:

Para comenzar debemos hablar de qué es la computación gráfica en sí, ya que este artículo pretende abordar la información más relevante a lo largo de la historia sobre esta tecnología. La computación gráfica se refiere a toda tecnología que genere imágenes en un lienzo mediante el uso de poder de cómputo, normalmente este lienzo sería una pantalla de computador, pero conforme ha avanzado esta tecnología está ya no es el único lienzo en el que se pueden plasmar imágenes, esta tecnología se usa con gran frecuencia en ámbitos como la fotografía digital, películas, televisión, videojuegos y equipos electrónicos que tengan como propósito proporcionar imágenes por poder de cómputo.

Teniendo esto en cuenta, ahora podemos hablar de cómo ha evolucionado de forma exponencial, pasando de simples líneas blancas en una pantalla negra a lo que hoy en día conocemos como realidad mixta.

A continuación señalaré cuáles fueron los sucesos más relevantes para la computación gráfica desde mi punto de vista, claro está que solo mencionaré 1 por época, ya que dejará una línea de tiempo realizada por mí donde se podrán evidenciar los sucesos más relevantes por cada época, hecha esta aclaración, procederé a presentar dichos sucesos de forma breve.

Sucesos destacables de la computación gráfica

Los 50 (1951):El MIT invento la primera computadora que permitía mostrar vídeo en tiempo real, la cual era capaz de exhibir texto y gráficos en tiempo real en una pantalla grande de osciloscopio, esta tenía por nombre Whirlwind.

Los 60(1963): El estadounidense Ivan Sutherland, creo el primer programa informático que permitió la manipulación directa de objetos gráficos, llamado “Sketchpad” que se conoció como un sistema gráfico de comunicación humano-computadora.

Los 70(1977): Steve Wozniak crea el computador personal con gráficos a color llamado Apple II.

Los 80(1984): Wavefront Technologies desarrolla “Polhemus” que fue el primer software paras gráficos en 3D

Los 90(1995): NVIDIA introduce su primera tarjeta gráfica, la NV1.

Contemporaneidad

Los 2000(2007): NVIDIA introduce CUDA, una arquitectura de cómputo paralelo para sus GPU.

2010(2019): Microsoft lanza los HoloLens 2, gafas de realidad aumentada con mejoras significativas en campo de visión y capacidades de interacción.

2020(2022): Unreal Engine 5 es presentado, mostrando capacidades avanzadas de gráficos en tiempo real.

Ya teniendo un pequeño contexto sobre grandes hitos sobre la computación gráfica, podemos hablar sobre las principales áreas de aplicación de esta tecnología, siendo una de las más concurrentes el área del entretenimiento, ya que la computación gráfica actualmente se encuentra en casi todos los ámbitos de entretenimiento, desde películas, hasta videojuegos de todo tipo, buscando siempre acercar sé más a una representación fiel de la realidad.

Por otro lado, esta tecnología también es usada ampliamente en la medicina y en el ámbito científico, ya que un apoyo visual siempre será de gran ayuda y más en estas disciplinas que demandan una exactitud milimétrica, desde visualización de resultados hasta calculo de operaciones mediante el uso de la tarjeta gráfica, como se puede observar la computación gráfica es una tecnología que se encuentra en todas las disciplinas y puede ser aprovechada de diversas formas. 

II. Rendering y Gráficos Avanzados:

Para continuar con esta revisión de la computación gráfica es necesario conocer otro término fundamental, el cual es el rendering o renderizado, este proceso es por el cual es posible obtener, desde una maqueta tridimensional, una imagen de alta fidelidad, la cual siempre busca asemejar sé a la realidad en todo lo posible.

Por supuesto, no todas las imágenes que hay son hiperrealistas, ya que la calidad y el estilo de la imagen no solo depende de la capacidad de cómputo de la máquina, sino también del estilo y la habilidad del diseñador, particularmente nos centraremos en una técnica llamada rendereing fotorealista, ya que mi intención es evidenciar hasta donde puede llegar la computación gráfica.

El rendering foto realista es utilizado cuando los parámetros de diseño tratan de imitar lo que podemos encontrar en la naturaleza, para ser más específico, el comportamiento de la luz y su interacción con los objetos afectados por esta, de esta forma se obtiene resultados con perspectivas realistas con texturas de alta definición.

Otra tecnología que en los últimos años ha ido tomando fuerza es el trazado de rayos o ray tracing, esta tecnología pretende recrear el comportamiento de la luz y como esta incide en las superficies, de esta manera los sombreados y la iluminación adquieren un tono de realismo que se encuentra a otro nivel, ciertamente no es una tecnología fácil de implementar, ya que consume muchos recursos y aún se encuentra en desarrollo debido a su reciente aparición, pero definitivamente se encuentra alineada en la búsqueda de obtener un resultado fiel a la realidad.

III. Modelado, Animación y Aplicaciones:

En la computación gráfica existen varias técnicas de modelado 3D que permitirán obtener distintos resultados, estas técnicas serán utilizadas según la complejidad del diseño y la calidad que se quiera lograr, a continuación mencionaré de forma breve como funciona algunas de estas técnicas de modelado 3D.

Modelado poligonal: Esta técnica permite crear modelos 3D mediante la manipulación de polígonos. Los modelos se construyen conectando vértices para formar caras poligonales, y luego se ajustan y modifican según sea necesario.

Modelado de superficies NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines): Utiliza curvas matemáticas para representar superficies 3D. Las superficies NURBS son especialmente útiles para modelar formas suaves y orgánicas, ya que permiten un control preciso sobre la curvatura.

Escultura 3D: En este enfoque, los artistas modelan directamente en 3D, como si estuvieran esculpiendo una figura de arcilla. Se utiliza en aplicaciones específicas para la creación de personajes y criaturas detalladas.

Modelado por subdivisión: Permite crear modelos 3D utilizando subdivisiones de superficies. Comienza con una geometría básica y se subdivide repetidamente para agregar detalle, proporcionando un control preciso sobre la suavidad de las superficies.

Modelado procedimental: Se basa en algoritmos y reglas definidas para crear modelos automáticamente. Es especialmente útil para generar entornos, paisajes y elementos repetitivos de manera eficiente.

Modelado paramétrico: Se basa en la definición de parámetros y reglas para crear modelos. Cambiar un parámetro afecta directamente la forma del modelo, lo que facilita la exploración de variaciones y ajustes.

Modelado de voxel: Utiliza “vóxeles” tridimensionales, que son elementos de volumen en lugar de puntos o polígonos. Es eficaz para representar objetos con detalles volumétricos y es comúnmente utilizado en la creación de videojuegos y animación.

IV. Intersección con otras disciplinas y colaboraciones usando computación gráfica:

Como he mencionado anteriormente, la computación gráfica tiene un campo de acción bastante amplio, actualmente los avances en tecnologías de realidad virtual y mixta han facilitado un sin fin de procesos en distintos campos profesionales, entre los más destacados se encuentran los diseños arquitectónicos, al ser la realidad virtual y mixta un medio que facilita la visualización y manipulación de objetos, es de gran ayuda para un arquitecto tener la oportunidad de previsualizar a una escala real los planos y diseños que ha realizado, con la capacidad de escalar los(Aumentar y disminuir su tamaño), rotarlos en todos los ejes y editar los según la necesidad, por otro lado, también podría modificarlos en tiempo real, esto significa una mejora increíble en los procesos de puesta en marcha, ya que el arquitecto tendrá una idea más realista de como su diseño podría verse en la realidad.

Aplicaciones en la medicina

En cuanto a la educación, la realidad mixta permite que el aprendizaje sea mucho más interactivo al poder interactuar con entorno controlado y previsualizar casos de estudio que en otros entornos serían más ambiguos, un ejemplo claro sería el de como estudiantes de medicina mediante el uso de dispositivos de realidad mixta pueden ver e interactuar con simulaciones del cuerpo humano en tiempo real, permitiendo les así obtener una idea más clara de las dimensiones que posee el cuerpo humano, por otro lado, estas simulaciones no se limitan a reproducir el cuerpo humano, sino que también permiten al estudiante interactuar con el modelo 3D de tal manera que se pueda simular procedimientos quirúrgicos, esto es de gran importancia porque les permite tener una práctica interactiva de como deben hacerse estos procedimientos sin necesidad de asistir a un quirófano e interferir en un procedimiento real.

En el siguiente video se encuentra un ejemplo claro dado por la empresa apoQlar, la cual ha proporcionado estos dispositivos de realidad aumentada a estudiantes de medicina.

V. Contribuciones Destacadas en Oxford Academic sobre computación gráfica

En cuanto a contribuciones se refiere existe una gran variedad de aplicaciones de todo tipo que se han desarrollado desde un enfoque de la computación gráfica haciendo uso de la realidad mixta, para esta sección estaré hablando de tres artículos científicos obtenidos de Oxford academic, en los cuales se verá cómo desde distintos puntos de vista, la realidad mixta puede ayudar en gran medida al sector de la salud

Conceptos interdisciplinarios para el diseño e implementación de sistemas interactivos de neurorrehabilitación de realidad mixta para accidentes cerebrovasculares:

El objetivo de este artículo científico es facilitar la información pertinente para poder desarrollar un sistema interactivo de neurorrehabilitación, donde será necesario hacer uso de herramientas como la informática interactiva, aprendizaje de motor de desarrollo y artes multimedia utilizadas en un grupo interdisciplinario para la construcción del sistema adaptativo de realidad mixta para la neurorrehabilitación.

Este artículo no solo proporcionó información, sino que también demostró su eficacia al ser utilizado en un estudio clínico de neurorrehabilitación interactiva a pequeña escala. En este estudio, se observó una mejora en la calidad y funcionalidad del movimiento a través de una terapia supervisada de manera continua. Por otro lado, se realizó un estudio piloto el cual logró una mejora de las puntuaciones clínicas con una supervisión mínima. Es con base en estos dos casos anteriores que se propone una estructura específica para crear un modelo interactivo de neurorrehabilitación, con el fin de optimizar y obtener buenos resultados en la implementación.

Innovación en envejecimiento y rehabilitación de daño cerebral adquirido: El potencial de las tecnologías de realidad mixta:

Este artículo científico se centra en cómo desde la realidad mixta se pueden abordar las lesiones cerebrales adquiridas(LCA) siendo esta uno de los más concurrentes en lo que a eventos traumáticos cerebrales se refiere, para poder determinar la efectividad de esta aplicación se tuvo que revisar varios conjuntos de datos con el fin de determinar qué tan posible y factible es desarrollar un sistema de este tipo.

Se hizo uso de los sistemas ya existentes relacionados con el LCA apoyado por el hospital de rehabilitación Glenrose, con esta información se desarrolló un sistema de realidad mixta el cual está orientado a la rehabilitación motora de extremidades superiores el cual obtuvo  resultados prometedores, evidenciando así la importancia de la computación gráfica en la medicina.

P4357, Implementación de una visualización interactiva de realidad mixta de ecocardiografía tridimensional durante intervenciones estructurales percutáneas:

En cuanto a este artículo científico, se buscó como integrar datos ecocardiográficos tridimensionales(3D) adquiridos mediante la ventana transesofágica(ETE siglas en inglés) en procedimientos cardíacos estructurales percutáneos(PSCI siglas en inglés) mediante la utilización de una pantalla de realidad mixta montada en la cabeza, a partir de esta implementación se obtuvo un conjunto de datos sobre 8 pacientes a los cuales se les dio la posibilidad de hacer uso de estas tecnologías, para la evaluación de estos pacientes se utilizaron 30 archivos DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) el cual es un estándar internacional para la elaboración de imágenes médicas, con el objetivo de determinar la viabilidad de la realidad mixta con un dispositivo comercial montado en la cabeza.

La calidad de visualización resultó ser buena, permitiendo discernir estructuras anatómicas de forma clara. Por otro lado, también se determinó que la realidad mixta supera a las soluciones de realidad virtual o aumentada, ya que resulta cómoda y sin contacto durante las intervenciones cardíacas estructurales percutáneas. Esto posibilita varios beneficios, como el control de imágenes sin contacto y la visualización sin obstáculos del mundo real.

Creditos

Autor: Johan S. Duran García

Editor: Carlos Pinzón , Santiago Corzo

Código: UCCG-9

Universidad: Universidad central, Facultad de Ingeniería y Ciencias básicas

Fuentes

apoQlar. (2021). Medical students experience medical mixed reality [Video]. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=f6KK4IsorUI

Baran, M., Lehrer, N., Duff, M., Venkataraman, V., Turaga, P., Ingalls, T., Zev, W. y Wolf, S. (2015). Interdisciplinary Concepts for Design and Implementation of Mixed Reality Interactive Neurorehabilitation Systems for Stroke. Physical Therapy, 95(3), 449-458. https://doi-org.ezproxy.ucentral.edu.co/10.2522/ptj.20130581

CyberHanna. (2024). Imagen de AI generado, Niña y Godo[Ilustración]. Recuperado de https://pixabay.com/es/illustrations/ai-generado-ni%C3%B1a-godo-arte-dibujo-8514181/

Figeys, M., Koubasi, F., Hwang, D., Hunder, A., Chan, A.,Miguel-Cruz, A. y Ríos, A.
. ( 2023). INNOVATION IN AGING & ACQUIRED BRAIN INJURY REHABILITATION: THE POTENTIAL OF MIXED REALITY TECHNOLOGIES. Innovate Aging, 7(Supplement 1), Página inicial-Página final. https://doi-org.ezproxy.ucentral.edu.co/10.1093/geroni/igad104.3435

geralt.(2017).Imagen de Desarrollo, Evolución y Diseño[Ilustración]. Recuperado de  https://pixabay.com/es/illustrations/desarrollo-evoluci%C3%B3n-dise%C3%B1o-hombre-2001855/

hatifulihsanyosa.(2022). Imagen de Fresas, Frutas y Arte digital[Ilustración]. Recuperado de https://pixabay.com/es/illustrations/fresas-frutas-arte-digital-7249448/

Kasprzak, J.D., Kierepka, M., Peruga, J., Dudek, D., Machura, B., Stanuch, M., Zlahoda-Huzior, A., Kasprzak, J.I., Sorysz, D., Wdowiak-Okrojek, K. y Lipiec, P. (2019). P4357 Implementation of interactive mixed reality display of three-dimensional echocardiography during percutaneous structural interventions. European Heart Journal, 40(Supplement 1). https://doi-org.ezproxy.ucentral.edu.co/10.1093/eurheartj/ehz745.0764

Pey. (2021). Captura de pantalla de Days Gone [Imagen]. PCMRace. Recuperado de https://www.pcmrace.com/2021/05/13/days-gone-nuevos-video-gameplay-de-la-version-de-pc-en-1080p-2k-y-4k/

PIRO4D.(2016).Imagen de Bugatti, Veyron y Coche[Ilustración]. Recuperado de  https://pixabay.com/es/illustrations/bugatti-veyron-coche-auto-veh%C3%ADculo-1651718/