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5.38. Computación Gráfica (Obligatorio)

5.38.1. Justificación ↑ Volver arriba

Los Gráficos por Computadora son un área fundamental de la Ciencia de la Computación que se enfoca en las técnicas matemáticas y computacionales para generar y manipular imágenes. Este curso proporciona a los estudiantes los fundamentos del modelado 2D y 3D, las canalizaciones de renderizado y los principios físicos de la luz y el color, permitiéndoles desarrollar aplicaciones visuales, simulaciones y sistemas interactivos de alto rendimiento.

5.38.2. Objetivos Generales ↑ Volver arriba

1. Comprender la canalización de gráficos y las transformaciones de sistemas de coordenadas.
2. Implementar algoritmos de renderizado para visualización realista y en tiempo real.
3. Aplicar modelado matemático para crear y manipular objetos 3D.

5.38.3. Contribución a los resultados (Outcomes) ↑ Volver arriba

AG-C08) Análisis de Problemas: Identifica, formula y analiza problemas complejos de computación. (Usage)

AG-C09) Diseño y Desarrollo de Soluciones: Diseña, implementa y evalúa soluciones para problemas complejos de computación. (Assessment)

AG-C07) Conocimientos de Computación: Aplica conocimientos de matemáticas, ciencias y computación. (Usage)

5.38.4. Contenido ↑ Volver arriba

5.38.4.1. Conceptos Fundamentales de Gráficos y Técnicas Interactivas (16 horas) [Habilidades AG-C07,AG-C08] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Marschner and Shirley, 2021a; Hearn et al., 2014)

Temas

1. Descripción general del pipeline de gráficos por computadora y sistemas interactivos
2. Conceptos básicos de renderizado: rasterización, trazado de rayos (ray tracing), modelos de sombreado
3. Teoría del color y espacios de color
4. Sistemas de coordenadas y transformaciones
5. Técnicas básicas de interacción: dispositivos de entrada, manejo de eventos
6. Conceptos avanzados de renderizado: iluminación global (global illumination), renderizado basado en física
7. Hardware gráfico y técnicas de aceleración
8. Percepción humana y cognición visual

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Explicar las etapas básicas del pipeline de gráficos por computadora [Explicar]
2. Describir técnicas básicas de renderizado como rasterización y trazado de rayos [Describir]
3. Aplicar teoría del color para diseñar gráficos visualmente efectivos [Aplicar]
4. Implementar transformaciones de coordenadas para gráficos 2D y 3D [Implementar]
5. Diseñar aplicaciones interactivas básicas utilizando dispositivos de entrada comunes y manejo de eventos [Diseñar]
6. Comparar técnicas avanzadas de renderizado como iluminación global y renderizado basado en física [Comparar]
7. Analizar el rol del hardware gráfico en acelerar tareas de renderizado [Analizar]
8. Explicar cómo la percepción humana influye en el diseño de gráficos e interacción [Explicar]

5.38.4.2. Renderizado Aplicado y Técnicas (16 horas) [Habilidades AG-C09] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Marschner and Shirley, 2021a; Hearn et al., 2014; Angel and Shreiner, 2014)

Temas

1. Algoritmos de rasterización: conversión por barrido (scan conversion), antialiasing
2. Trazado de rayos (ray tracing): estructuras de aceleración, muestreo (sampling), sombreado
3. Mapeo de texturas (texture mapping) y filtrado
4. Modelos de sombreado: Lambertiano, Phong, BRDF
5. Técnicas avanzadas: mapeo de sombras (shadow mapping), mapeo ambiental (environment mapping), renderizado diferido (deferred rendering)

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Implementar algoritmos de rasterización para renderizado de primitivas [Implementar]
2. Implementar trazado de rayos básico con estructuras de aceleración [Implementar]
3. Aplicar técnicas de mapeo de texturas y filtrado para mejorar el realismo visual [Aplicar]
4. Comparar diferentes modelos de sombreado y sus aplicaciones [Comparar]
5. Implementar técnicas avanzadas de renderizado como mapeo de sombras o renderizado diferido [Implementar]

5.38.4.3. Modelado Geométrico (16 horas) [Habilidades AG-C08,AG-C09] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Marschner and Shirley, 2021a; Angel and Shreiner, 2014)

Temas

1. Representaciones geométricas: polígonos, curvas, superficies, formas implícitas
2. Técnicas de modelado: curvas spline, superficies de subdivisión, geometría sólida constructiva
3. Modelado procedural y generación
4. Algoritmos geométricos: intersección, distancia, descomposición

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Describir diferentes representaciones geométricas y sus compensaciones (trade-offs) [Describir]
2. Implementar técnicas de modelado como curvas spline o superficies de subdivisión [Implementar]
3. Crear modelos procedurales usando algoritmos o reglas [Crear]
4. Aplicar algoritmos geométricos para resolver problemas como pruebas de intersección o procesamiento de mallas (mesh) [Aplicar]

5.38.4.4. Visualización (16 horas) [Habilidades AG-C09] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Marschner and Shirley, 2021a)

Temas

1. Principios de visualización de datos: percepción, cognición y codificación efectiva
2. Tipos de visualizaciones: científicas, de información, geográficas
3. Técnicas de visualización para datos multivariados, temporales y jerárquicos
4. Visualización interactiva y exploración
5. Evaluación de la efectividad de la visualización

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Aplicar principios de percepción y cognición para diseñar visualizaciones efectivas [Aplicar]
2. Seleccionar técnicas de visualización apropiadas para diferentes tipos de datos y tareas [Evaluar]
3. Implementar visualizaciones interactivas para exploración de datos [Implementar]
4. Evaluar la efectividad de una visualización usando métodos empíricos [Evaluar]

5.38.4.5. Sombreado y Renderizado Avanzado (12 horas) [Habilidades AG-C09] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Marschner and Shirley, 2021a; Angel and Shreiner, 2014)

Temas

1. Sombreado avanzado: sombreado basado en física, dispersión subsuperficial (subsurface scattering)
2. Iluminación global (global illumination): radiosidad, mapeo de fotones (photon mapping), trazado de caminos (path tracing)
3. Técnicas de renderizado en tiempo real: nivel de detalle (level of detail), culling, oclusión
4. Programación GPU y sombreadores (shaders)

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1. Implementar modelos de sombreado avanzados para materiales realistas [Implementar]
2. Comparar algoritmos de iluminación global y sus compensaciones [Comparar]
3. Optimizar el renderizado en tiempo real usando técnicas como nivel de detalle y culling [Crear]
4. Desarrollar sombreadores GPU para efectos de renderizado personalizados [Crear]

5.38.5. Referencias Bibliográficas ↑ Volver arriba

Marschner, S. and Shirley, P. (2021a). Fundamentals of Computer Graphics. A K Peters/CRC Press, 5th edition.

Hearn, D., Baker, M. P., and Carithers, W. (2014). Computer Graphics with OpenGL. Pearson, 4th edition.

Angel, E. and Shreiner, D. (2014). Interactive Computer Graphics: A Top-Down Approach with WebGL. Pearson, 7th edition.