5.38. CS251. Computación Gráfica (Obligatorio)

• Semestre: 7mo Sem. Créditos: 4
• Horas del curso: Teoría: 2 horas; Laboratorio: 4 horas;

• Prerrequisitos:

  • MA202. Métodos Numéricos (4to Sem)

5.38.1. Justificación

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

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)

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

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

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]

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]

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]

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]

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

[Marschner and Shirley, 2021a]

[Hearn et al., 2014]

[Angel and Shreiner, 2014]