miércoles, 30 de junio de 2010

Alpha compositing: Reglas de Porter-Duff

Al formar o editar imágenes de síntesis utilizamos una serie de operaciones matemáticas que "mezclan" o "funden" los colores de las imágenes superpuestas. Las reglas que gobiernan esta composición se engloban bajo lo que se conoce como reglas de Porter-Duff en honor al primer artículo documentado que las estructuraba.
Se conoce como "compositing" al proceso y las operaciones que permiten añadir (componer) a una imagen dada nuevas imágenes superpuestas.
Thomas Porter y Tom Duff, miembros del "Computer Graphics Project" en la empresa Lucasfilm Ltd. publicaron un artículo titulado "Compositing Digital Images" que se recoge en "Computer Graphics Volume 18, Number 3 July 1984"  publicado por ACM, que se ha convertido en una referencia obligada a la hora de analizar el proceso de "superposición" de imágenes.
Aunque se han descrito 12 operaciones o reglas para la superposición de dos imágenes, las principales pueden limitarse a ocho; deberemos a su vez diferenciar entre los casos en que las imágenes son completamente opacas o disponen de un "canal" de transparencia.
Esquemáticamente, las operaciones básicas son las siguientes:



El significado se presenta en la siguiente tabla, en la que el fondo se denomina "destino" y la nueva imagen "fuente"

NombreDescripcion
SrcOverSitúa el dibujo fuente sobre el destino
DstOverDestino sobre fuente
ClearBorra destino bajo la fuente
SrcSuperpone fuente sobre destino sin canal Alfa
SrcInÍdem anterior pero con canal Alfa
DstInMuestra la parte del destino que coincide con la fuente
SrcOutParte de la fuente fuera del destino
DstOutParte del destino fuera de la fuente



  • Compositing Digital Images" "Computer Graphics Volume 18, Number 3 July 1984"  publicado por ACM: © 1984 ACM 0-89791-138-5/84/007/0253

martes, 29 de junio de 2010

Control del Morphing: Duración de las imágenes [ con Squirlz Morph ]

Una de los aspectos que es necesario ajustar en un morphing es la duración o número de cuadros necesarios para dos estadios diferentes.
  • Transición entre dos imágenes
  • Exposición de las imágenes inicial y final.
Si sólo se usan dos imágenes podemos añadir tiempo extra con una funcionalidad del menú Morph:
Morph -> Hold Start/End Images
Este tiempo adicional se añade en el primer y último fotogramas, pudiéndose configurar con distintos valores para cada uno.


Sin embargo, si queremos realizar un morphing con varias imágenes, no es posible añadir tiempo extra para las intermedias de forma numérica, aunque sí es posible conseguir el efecto duplicando imágenes.

Supongamos que queremos realizar la transición entre tres imágenes, parando en la primera y la última, y volviendo mediante un nuevo morphing a la primera


La primera idea sería introducir una nueva imagen para conseguir el efecto circular, pero en este caso la tercera imagen (el cohete) apenas ser vería ya que empezaría inmediatamente el morphing para pasar a la cuarta imagen.


La solución consistiría en duplicar la imagen del cohete, con lo que durante el tiempo necesario para hacer el morphing entre las dos imágenes en realidad seguiríamos viendo la misma, por lo que conseguiríamos el efecto buscado


Una vez sacada la secuencia podemos montarla de forma repetida en nuestro editos de vídeo, obteniendo un resultado como el que se ilustra en los 30 segundos de vídeo siguientes.



Morphing

lunes, 28 de junio de 2010

Animación 3D, Key Framing [ Blogs experimentales ] [ Blender ]

Normalmente entendemos como "animar", al proceso que permite dotar de movimiento a un objeto de una escena, El concepto de animación es más complejo, una aproximación válida que generaliza un poco más pudiera ser:
Animar es cambiar algún aspecto de la escena a lo largo del tiempo.
Con esta definición podemos considerar por ejemplo que el cambio de intensidad de una luz forma parte del proceso de "animación de la iluminación", o cambiar el color de forma progresiva ( o brusca ), es "animar el material" del objeto.

Key Framing

Una sencilla forma de "animar un objeto" para que se mueva en la escena consiste en definir su posición inicial, y la posición final transcurrido un cierto intervalo de tiempo.  Animar el color puede utilizar el mismo modelo de animación, definiremos el color en un instante de tiempo y al que tiene que llegar transcurrido un intervalo dado.
La suavidad con la que se realiza el proceso se puede controlar mediante una serie de curvas, en las que podemos acelerar o frenar la transición entre los dos estados (a lo largo del tiempo de duración de estos). 
Estas curvas se encontraran en una ventana denominada "lpo Curve Editor" que se analizará en detalle en nuevos artículos



La técnica de animación se conoce como "Key Framing" y consiste por tanto en fijar unas posiciones, inicial y final, para calcular automáticamente los pasos intermedios que permitan mover el objeto de una forma suave desde la posición que hemos denominado inicial hasta la final.

Timing

La medida del tiempo suele realizarse en "frames" transcurridos.

Cada segundo suele contener 25 cuadros de imagen (frames). Son 25 frames en formato PAL de televisión, mientras que en formato SECAM se utilizan 30. Estas diferencias se deben a la frecuencia de la corriente eléctrica de los paises; en Europa, con una frecuencia de 50Hz se adopta el sistema PAL, mientras en América se usa el SECAM al ser a 60Hz dicho suministro eléctrico.

Actualmente en formatos digitales se admiten diferentes formatos; presumiblemente con la incorporación de los sistemas de visualización estereoscópicos ( 3D ) que usan tasas de refresco de los monitores de 120Hz se deban empezar a generalizar 60 frames por segundo para cada ojo, por tanto 120 imágenes.

  • Timeline
Mediante la "línea de tiempo" (Timeline) se gestiona gran parte de la animación basada en key frames.

Para trabajar con la línea de tiempo debemos activarla en cualquier ventana de Blender; se realiza pulsando el icono para seleccionar el "tipo de ventana" (inferior izquierdo) y seleccionando la opción "Timeline" en el menú que se despliega.

Un reloj es el icono asociado a esta función, recordando su papel en la gestión de los tiempos de la animación.


La ventana "Timeline" ( TL ) muestra un conjunto de controles en la parte superior, un área gráfica central con un línea verde y unos números en la parte inferior.


Podemos tener etiquetada el TL con dos unidades diferentes: número de frames o segundos. Para pasar de un formato a otro situaremos el cursosr del ratón en la ventana y pulsaremos la tecla "T"


Vemos que al pasar de un modo a otro la escala se multiplica o divide por 25, de acuerdo con el factor antes mencionado. Por defecto el sistema de unidades se basa en los frames, y el tiempo inicial de animación es el correspondiente a 250 imágenes (10 segundos)



Más adelante veremos como manipular estos valores que se ofrecen por defecto.

Animation Keys

Cuando marcamos una posición concreta del objeto en la escena, en un fotograma "clave" o fotograma de control, introducimos una "marca de animación" conocida como "Animation Key".

Podemos traducir "Animation Key" como "Cuadro llave"; en estos cuadros la posición del objeto (o el cuadro que estemos animando) se encuentran completamente definidos, siendo en los cuadros intermedios en los que se realiza el cálculo o "interpolación" de los valores intermedios. 

La forma de interpolar estos valores es un nuevo parámetro que deberemos estudiar.

Cuando fijemos nuevos valores para los parámetros que animemos veremos que dependerán del tipo de elemento. Así, un material podrá ser animado en los valores de sus componentes de color o reflectividad por ejemplo, mientras que un objeto dispondrá de parámetros para fijar su posición y orientación.

Para introducir un nuevo "fotograma clave" elegiremos el fotograma deseado y mediante el icono de la llave o pulsando la tecla "I" desplegaremos un nuevo menú en el que elegiremos el parámetro a fijar.

Como filosofía general por tanto realizaremos siempre tres pasos básicos:
  1. Situarnos en el fotograma clave
  2. Modificar el parámetro necesario
  3. Fijar el valor introduciendo la "marca" de animación (key).

Podemos ver en el menú desplegable que los diferentes tipos de "marcas de animación" vienen agrupados diferenciándose entre los que afectan a la posición y los que afectan a la visualización. Este menú dependerá del contexto, es decir, del objeto que queramos animar y de las posibilidades o parámetros que se puedan controlar.

Obtención de la animación

Una vez definidos los "key frames" o fotogramas "clave", podremos obtener la animación de la escena en un renderizado. 
Para ello deberemos acceder a la ventana "Scene" mediante el correspondiente icono o mediante la tecla de función "F10"

En esta ventana se definirán varios aspectos de la animación, los principales son:
  • Nombre del fichero de salida
  • Formato del fichero de vídeo (o cuadros sueltos)
  • Duración de la animación a calcular
  • Resolución

Cuando estén definidos todos los parámetros necesarios, simplemente pulsaremos el botón "ANIM", y veremos en una ventana de renderizado el progreso de generación. Una vez generada la animación podremos ver el resultado pulsando en la tecla "PLAY"

Veremos más adelante, mediante algunos ejemplos, todo este proceso en detalle en sus diferentes vertientes. De momento simplemente nos quedaremos con la filosofía general para ir desarrollándola progresivamente.

domingo, 27 de junio de 2010

Control del Morphing: Análisis de las Distorsiones topológicas [ con Squirlz Morph ]

Hemos visto que se puede distorsionar topológicamente el plano al realizar un morphing. Este efecto de distorsión se materializa visualmente en forma de círculos y ondas que distorsionan la imagen.

Veamos con un ejemplo esquematizado este fenómeno que debemos controlar para asegurar una calidad en nuestras transiciones.

Supongamos que queremos realizar un morphing entre dos imágenes sencillas, por ejemplo dos flores:


Si no añadimos puntos de control, cada pixel de la primera imagen se convertirá en el pixel situado en la misma posición de la segunda imagen. Esto en realidad es simplemente una transición de tipo "fundido" como ya hemos visto anteriormente.

El efecto conseguido es el siguiente:


Al añadir un simple punto de control empezamos a distorsionar el plano, de forma que los pixels de la imagen inicial se "mueven" en el plano de la imagen para ocupar la posición final que les corresponde. Hemos introducido, al fundido de la imagen, un movimiento que es el que caracteriza al morphing.

Esquemáticamente, en la siguiente figura, vemos como se distorsionan las imágenes. A la izquierda se encuentra la imagen original y a la derecha la final. El punto de control nos divide el plano en cuatro regiones si lo unimos con las esquinas de la imagen. En la figura inferior se aprecia por tanto la distorsión de estas regiones del plano.


El resultado de esta transformación se aprecia en el siguiente morphing


Hemos introducido por tanto un cierto movimiento de los pixels. Si queremos controlar más finamente la transformación introduciremos nuevos puntos de control, por ejemplo los cuatro que se representan en el siguiente diagrama (a la izquierda la primera foto y a la derecha la transformada)

El resultado lo vemos de nuevo en la siguiente imagen animada, en la que podemos apreciar un transición más suave que en el caso anterior.


Sin embargo, al introducir nuevos puntos podemos "distorsionar" el plano. Este efecto se produce cuando las rectas que unen los puntos de control empiezan a cortarse. Estos puntos de corte se corresponden con varios puntos de la imagen inicial, por lo que hay una ambigüedad en la imagen, como se esquematiza a continuación:

El resultado produce ese fenómeno de "ondas" y "círculos" tan llamativo


Este efecto puede ser utilizado artísticamente cuando dominemos la técnica de morphing, aunque inicialmente debe ser considerado un error de definición de la transformación.


Morphing

Control del Morphing: Distorsiones topológicas [ con Squirlz Morph ]

Los puntos de control determinan en un morphing cómo se realiza el movimiento de la imagen para "mutar" entre los fotogramas.
Un simple punto de control cambia radicalmente el resultado de la transición entre las imágenes, al condicionar la forma en que se transforman los planos de imagen.
En el siguiente vídeo se "juega" con una figura sencilla que permite establecer una pauta de análisis para profundizar en estas técnicas. Se puede observar el efecto de "plegamiento" que se produce en las imágenes si se rompe la estructura o topologia del plano. Este fenómeno se produce si no ordenamos adecuadamente los puntos.

El vídeo nos da una idea intuitiva que podremos desarrollar posteriormente. Se ha adornado con música de un grupo de amigos, P'ALANTE, me encantan sus canciones.


Morphing

sábado, 26 de junio de 2010

Fases del Morphing : Ejemplo aplicado en rostros [ con Squirlz Morph ]

El proceso de "Morphing" entre dos imágenes es una mezcla entre un fundido de imagen y una transformación geométrica de sus superficies.

Mediante puntos de control indicamos los desplazamientos que van a sufrir las imágenes. El correcto manejo de estos puntos de control redunda en una mayor calidad en la "transición" entre las imágenes.

Veamos un ejemplo realizado en tiempo real, en el que en apenas cuatro minutos definimos una transformación aceptable para nuestro propósito ilustrativo. Para mejorar el resultado se debería usar algo más de tiempo, aunque sigue siendo un proceso de tratamiento de imagen muy eficiente.

Los puntos más representativos de la imagen deben ser elegidos para situar los puntos de control. En el ejemplo se realiza entre dos caras, por lo que los ojos, nariz y boca son elementos fundamentales; orejas, pómulos, el contorno de la cabeza, son elementos que se deben fijar también, por lo que al menos necesitaremos una docena de puntos de control.




Morphing

jueves, 24 de junio de 2010

Animación 3D, Shading: Parámetros de las Texturas [Blogs experimentales] [Blender]

Alrededor de las texturas podemos trabajar un muchos conceptos de gran aplicación en la creación de imágenes de síntesis. Los introduciremos de forma práctica viendo algunos ejemplos ilustrativos, pero podemos ir realizando clasificaciones que nos ayuden a estructurar esta rica variedad de posibilidades que nos ofrecen.
Después de añadir una textura, debemos ajustar los diferentes parámetros que la gobiernan para adaptarla al objeto al que se la hemos asignado. Este es el denominado "proceso de edición" de las texturas.
Los parámetros que afectan a la texturas pueden referirse a varios aspectos de la misma:

  • Familia de texturas: Los algoritmos que generan los patrones paramétricos de las texturas se pueden agrupar en familias, y dentro de éstas se realizan nuevas subclasificaciones. Por ejemplo para generar una apariencia veteada de madera se utiliza un modelo diferente del necesario para simular mármol. Dentro de la família de las maderas no es lo mismo costar el tronco a lo largo o de forma perpendicular y por supuesto no es igual la veta de un árbol de crecimiento lento de uno de crecimiento rápido.
  • Color de la textura: La textura puede disponer de dos o más colores. Una madera verde tiene menos componente de color rojo que la que aplicaríamos para una madera seca. El color de la textura se superpondrá o mezclará con el del material que tenga el objeto para obtener el color final. Éste es uno de los parámetros más complejos de gobernar, debido a la gran variedad de técnicas de fusión de los colores.
  • Modo de aplicación: La idea más sencilla para asimilar el concepto de textura es imaginar una piel o "pegatina" que pegamos al objeto. La textura sin embargo es algo más complejo, pudiéndose interpretar como un "máscara" que puede servir para "añadir" color pero también para restarlo. Realmente lo que cambia son las propiedades de la luz sobre la superficie del objeto, pudiendo incluso modificar la forma de la misma, "elevándola" y "bajándola" de acuerdo con la textura, en lo que se conoce como "bump mapping".
  • Efectos adicionales: Existen otros efectos como el "tipo de sombra" arrojada por un objeto, los brillos que se producen en el agua ("Subsurface scatering") cuando la luz atraviesa diferentes capas y se proyecta sobre el fondo...que pueden ser aproximados mediante texturas.
  • Posición espacial: Al imaginar la textura como una piel es fácil entender que debe ser posicionada con alguna orientación, estirada o escalada y rotada sobre la superficie. La textura puede repetirse, como en una pared de ladrillos, o adaptarse al objeto (como un plano de la tierra sobre una esfera). El "mapeado" de la textura consiste en establecer la forma en que ésta se "pega" sobre el objeto
Cada uno de estos aspectos merece un detenido análisis. Nuestro objetivo inicial es ver de forma global la utilidad de las texturas, dejando para el lector la experimentación con los diferentes tipos


Familias de texturas

En el discurso que venimos desarrollando hemos tomado la textura de madera como referencia para analizar los diferentes parámetros de control. En esta familia se puede optar por un modelo de bandas paralelas o en forma circular (anillos concéntricos)

Entraremos en el "modo de edición" de texturas para elegir el tipo o familia deseado dentro de las posibilidades que se nos ofrecen.

Al desplegar el menú de selección del tipo de texturas (Texture type) seleccionaremos Wood y automáticamente disponddremos de un nuevo panel de opciones para esta textura.

Soporta dos grandes grupos: Brands y Rings, que representan las dos direcciones principales para las vetas, alargadas o en forma de anillo.

Para dotar de mayor realismo se suelen introducir variaciones a estos patrones de forma aleatoria, evitando líneas rectas que restan credibilidad.

Decimos que introducimos "ruido" en el patrón de creación de la textura. A mayor ruido, mayor complejidad en la forma que adquiere la textura.

Veamos unos ejemplos de la distorsión que introduce el ruido en unos patronescomo las barras y anillos de la textura de madera.
  • Brands y BrandNoise


  • Rings y RingNoise


Color
La textura puede tener dos o más colores, existiendo un menú que permite definir los mismos mediante rampas de color.

La textura inicialmente es una gama monocromática, mediante el botón add añadimos nuevas rampas de color que se sustituirán por los degradados monocromáticos 
La ventana de previsualización nos mostrará una aproximación de lo que podremos obtener al renderizar la textura sobre el objeto



Modo de aplicación

Hemos visto cómo se aplica la textura como si se tratase de una piel. Este modo de aplicación se denomina "Modo Color", ya que el color de la textura se funde con el color del material del objeto.

Para ajustar el modo de aplicación seleccionaremos en el menú el icono del material. Hemos definido la textura en el "mood de edición de textura" y pasamos a indicar cómo se la aplicamos al "material" 

Para ello nos fijaremos en el conjunto de ventanas que se encuentra agrupado con la ventana "canales" de texturas (Texture). El canal seleccionado en este caso es único, pero se puede disponer de más canales en la "pila de texturas".
La forma de aplicar se encuentra en la pestaña "Map to". Un conjunto de botones permite añadir o restar un efecto. Al pulsar una vez sobre el botón lo activaremos en modo "añadir", al pulsar de nuevo cambiará el texto de color para indicar que el modo es "sustraer". Una nueva pulsación en el ratón desactivará el efecto.

  • Modo Color (Col)

Es interesante pensar en la textura como si fuera una "máscara para aplicar sobre el objeto" con un determinado efecto de superposición de luz.

Cuando usamos la textura para "cubrir" el objeto como con una piel, usamos el modo "color" (Col).

Cada textura puede tener activo uno o más efectos, y cada material puede contener varias texturas simultáneamente.


  • Modo Normal (Nor)

Otro modo disponible es el modo "Normal" (Nor), en el que usamos la textura para simular una rugosidad del objeto, alterando la dirección de las normales de la superficie.
El efecto de sombreado que se produce sobre el plano del ejemplo aparenta el de una superficie con un conjunto de ondas. Visualmente modifica la rugosidad donde se aplica.

  • Modo Alfa (Alpha)

El canal Alpha es el que define la transparencia de una imagen. Las texturas pueden modificar este canal en el objeto, aumentando o disminuyendo el efecto de transparencia del mismo.


El estudio en profundidad de las translucidez o transparencia (contrario a la opacidad) y sus efectos en la imagen sintética se escapa del objetivo inicial de este artículo; dedicaremos más adelante un monográfico específico para detallar posibilidades y técnicas, pero no podemos pasar por las texturas sin destacar el importante papel que pueden desempeñar en este sentido.

Necesitaremos indicar que el objeto es transparente, para ello, en la ventana en la que se define el color del material pondremos a cero el canal Alfa.



A continuación indicaremos que se debe calcular este efecto, bien mediante una técnica de z-buffer en la ventana de "Material" o mediante raytracing en la ventana "Mirror-Transparency" (se especificará más adelante lo que significan estos modos de cálculo).

El modo "Ray Transp" permitirá obtener mejores resultados desde el punto de vista gráfico, pero los tiempos de cálculo pueden elevarse sustancialmente, por lo que se recomienda utilizar "ZTransp" para las primeras pruebas de forma que las esperas sean relativamente cortas y se observen rápidamente las consecuencias de la variación de cada parámetro.


La ventana de previsualización reflejará nuestros cambios inmediatamente, siendo especialmente útil en el caso de las transparencias.



Nuestra máscara por tanto presentará este nuevo aspecto:



Si añadimos un nuevo plano y adecuamos la iluminación, observaremos un nuevo fenómeno. Las sombras arrojadas deben contemplar la utilización de transparencias. En la imagen siguiente el nuevo objeto no recibe sombras. En la imagen se aprecia que sin embargo si tiene propiedades de reflexión del objeto.


Al añadir las sombras se apreciará la distancia relativa entre los objetos, siendo de gran ayuda para la correcta interpretación de las posiciones relativas en el espacio. La sombra arrojada puede corresponderse con el objeto que tiene la textura o con la propia textura y sus transparencias:




Al mezclarse con nuevos objetos semitransparentes se deben fusionar correctamente. Veremos que el modo "raytracing" soluciona correctamente este tipo de casos, mientras que en el "Z-buffer" se producen ambigüedades curiosas que pueden ser utilizadas como un efecto más si se dominan.




La aplicación de un fondo puede influir adicionalmente sobre la iluminación global ya que añade luz que puede ser reflejada por las superficies especulares


La utilización de transparencias permite crear efectos interesantes, como por ejemplo la atmósfera de un planeta. Es un interesante ejercicio de aplicación de texturas y transparencias. 

Para concluir esta introducción os dejo unos sencillos ejemplos que motiven la creación de éstas y otras escenas que usen dichas posibilidades.





Referencias externas




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