Monitores

Introducción

El monitor es uno de los principales dispositivos de salida de una computadora por lo cual podemos decir que nos permite visualizar tanto la información introducida por el usuario como la devuelta por un proceso computacional.
La tecnología de estos periféricos ha evolucionado mucho desde la aparición de las PC, desde los viejos monitores de fósforo verde hasta los nuevos de plasma. Pero de manera mucho más lenta que otros componentes, como microprocesadores, motherboards, etc.
Sus configuraciones y prestaciones han ido evolucionando según las necesidades de los usuarios a partir de la utilización de aplicaciones mas sofisticadas como el diseño asistido por computadora (CAD/CAM) o el aumento del tiempo de estancia delante de la pantalla que se ha solventado aumentando el tamaño de la pantalla y la calidad de la visión.
No nos tenemos que olvidar de que parte fundamental de la gráfica integral de la computadora está dada por la combinación del monitor más una placa gráfica que se adapte a las características del monitor seleccionado.
El éxito de los notebooks ha hecho que las pantallas de LCD se hayan convertido en opciones válidas. Pero todavía no son accesibles para el usuario argentino debido a que los precios de las pantallas planas de buena calidad son onerosos respecto a las de tubos convencionales de similares prestaciones.
Las firmas que nos proveen de estos periféricos nos afirman que están en constante investigación ensayando nuevas tecnologías integrando materiales más nobles y de mayor versatilidad puesta a favor de la confortabilidad del usuario.
Algunos ejemplos de estos nuevos desarrollos los nombraremos en el presente trabajo.
La evolución creciente de los periféricos de salida apunta a que las computadoras de tecnología de tubos de rayos catódicos decaigan frente a las tecnologías nuevas, en principio frente a las de LCD, y plasma.
Evidentemente esto último no solo por cuestión de tamaño, (un monitor de LCD puede caber en un tercio del espacio del ocupado por uno de Tubo de rayos catódicos, y pesa bastante menos, a esto le tenemos que sumar que estos últimos consumen mucha más energía que los primeros y que estos carecen de los problemas de convergencia, enfoque y geometría de los CRT.
Por lo expuesto está claro que el monitor es uno de los periféricos más importante de la computadora, ya que nos proporciona los datos de salida. Como nombramos anteriormente la velocidad de la evolución de estos no esta tan rápido como la de otros componentes y su compatibilidad es muy alta entre otros. Por tal motivo pensando en el uso que se le va a dar elegir un monitor de acuerdo al uso es una elección a largo plazo.
Para ello el presente trabajo presenta las distintas tecnologías que puede encontrar el usuario en el mercado y tiene como objetivo servir y/o acompañar una buena elección, describir de manera global los distintos tipos de tecnologías y las presentaciones gráficas de los computadora actuales haciendo hincapié en la funcionalidad, no abordando la complejidad electrónica de los mismos. Adicionalmente se podrá observar evolución y distintas prestaciones de las tecnologías LCD, CRT y Plasma, por mencionar algunos.
Historia

La historia de las placas de video da comienzo a finales de los años 1960, cuando se pasa de usar impresoras como elemento de visualización a utilizar monitores. Las encargadas de crear aquellas primeras imágenes fueron las placas de vídeo.
La primera placa de video, que se lanzó con los primeros IBM PC, fue desarrollada por IBM en 1981. La MDA (Monochrome Display Adapter) trabajaba en modo texto y era capaz de representar 25 líneas de 80 caracteres en pantalla. Contaba con una memoria de vídeo de 4KB, por lo que sólo podía trabajar con una página de memoria. Se usaba con monitores monocromo, de tonalidad normalmente verde.
A partir de ahí se sucedieron diversos controladores para gráficos.
VGA tuvo una aceptación masiva, lo que llevó a compañías como ATI, Cirrus Logic y S3 Graphics, a trabajar sobre dicha placa para mejorar la resolución y el número de colores. Así nació el estándar SVGA (Super VGA). Con dicho estándar se alcanzaron los 2 MB de memoria de vídeo, así como resoluciones de 1024 x 768 puntos a 256 colores.
La evolución de las placas de video dio un giro importante en 1995 con la aparición de las primeras tarjetas 2D/3D, fabricadas por Matrox, Creative, S3 y ATI, entre otros. Dichas placas cumplían el estándar SVGA, pero incorporaban funciones 3D. En 1997, 3dfx lanzó el chip gráfico Voodoo, con una gran potencia de cálculo, así como nuevos efectos 3D (Mip Mapping, Z-Buffering, Antialiasing, etc.). A partir de ese punto, se suceden una serie de lanzamientos de placas de video como Voodoo2 de 3dfx, TNT y TNT2 de NVIDIA. La potencia alcanzada por dichas placas fue tal que el puerto PCI donde se conectaban se quedó corto. Intel desarrolló el puerto AGP (Accelerated Graphics Port) que solucionaría los cuellos de botella que empezaban a aparecer entre el procesador y la placa. Desde 1999 hasta 2002, NVIDIA dominó el mercado de las placas de video (absorbiendo incluso a 3dfx) con su gama GeForce. En ese período, las mejoras se orientaron hacia el campo de los algoritmos 3D y la velocidad de los procesadores gráficos. Sin embargo, las memorias también necesitaban mejorar su velocidad, por lo que se incorporaron las memorias DDR a las tarjetas gráficas. Las capacidades de memoria de vídeo en la época pasan de los 32 MB de GeForce, hasta los 64 y 128 MB de GeForce 4.
En 2006, NVIDIA y ATI se repartían el liderazgo del mercado con sus series de chips gráficos GeForce y Radeon, respectivamente.

Tecnologías

CRT (Catode Ray Tube)

El monitor esta basado en un elemento CRT (Catode Ray Tube, Tubo de Rayos Catódicos), los actuales monitores, controlados por un microprocesador para almacenar muy diferentes formatos, así como corregir las eventuales distorsiones, y con capacidad de presentar 1280x1024 o hasta 1600x1200 puntos en pantalla, son elementos complejos.
Los monitores CRT emplean tubos cortos, pero con la particularidad de disponer de una pantalla completamente plana.
El tubo de rayos catódicos, o CRT, fue desarrollado por Ferdinand Braun, un científico Alemán, en 1897 pero no se utilizó hasta la creación de los primeros televisores a finales de la década del ‘40. A pesar de que los CRT que se utilizan en los monitores modernos tuvieron muchas modificaciones que les permitieron mejorar la calidad de la imagen, siguen utilizando los mismos principios básicos.
La primera versión del tubo catódico fue un diodo de cátodo frío, en realidad una modificación del tubo de Crookes con una capa de fósforo sobre el frontal. A este tubo se le llama a veces tubo Braun. La primera versión que utilizaba un cátodo caliente fue desarrollada por J. B. Johnson y H. W. Weinhart de la sociedad Western Electric. Este producto se comercializó en 1922.

Funcionamiento

En la parte trasera del tubo encontramos la rejilla catódica, que envía electrones a la superficie interna del tubo. Estos electrones al estrellarse sobre el fósforo hacen que éste se ilumine. Un CRT es básicamente un tubo de vacío con un cátodo (el emisor del haz electrónico) y un ánodo (la pantalla recubierta de fósforo) que permite a los electrones viajar desde el terminal negativo (cátodo) al positivo (ánodo). El yugo del monitor, una bobina magnética, desvía la emisión de electrones repartiéndolo por la pantalla, para "pintar" las diversas líneas que forman un cuadro o imagen completa. La electrónica interna debe estar preparada para compensar las diferencias de "trazado" en los bordes respecto al centro, producidas por la mayor desviación del haz.
Los monitores monocromos utilizan un solo haz electrónico y un único tipo de fósforo, pero los monitores en de color emplean tres haces, y fósforo de tres colores distribuido por tríadas. Cada haz controla uno de los colores básicos: rojo, azul y verde sobre los puntos correspondientes de la pantalla. Los tres haces son modulados, activados y desactivados, para producir los diferentes colores. Los haces y los puntos de color están alineados axialmente sobre una línea vertical, lo que produce un control más preciso.

A medida que mejora la tecnología de los monitores, la separación entre puntos disminuye y aumenta la resolución en pantalla (la separación entre puntos oscila entre 0,25mm y 0,31mm.). Los avances en los materiales de la máscara y las mejoras en el diseño del haz de electrones, producirán monitores de mayor nitidez y contraste, es decir, mejor y más detallada presentación.
El fósforo utilizado en un monitor se caracteriza por su persistencia, esto es, el periodo que transcurre desde que es excitado (brillante) hasta que se vuelve inactivo (oscuro.)
Categorías de persistencia del fósforo son:
§ Corta
§ Media-corta
§ Media
§ Media-larga
§ Larga
Los antiguos monitores de tipo monocromo utilizaban fósforo de persistencia media-alta, que mantenía el brillo de cada punto durante bastante tiempo tras cesar de emitir el haz electrónico. El cambio en la imagen de pantalla, por ejemplo un desplazamiento hacia arriba, dejaba una imagen de la sombra de la imagen previa sobre el tubo. Era como una estela que dejaban los puntos al moverse por la pantalla. Los monitores de color actuales utilizan fósforo con persistencia media-baja, con lo que permiten que la imagen cambie rápidamente si dejar sombras.

Características importantes de monitores CRT

El refresco de pantalla

El refresco es el número de veces que se dibuja la pantalla por segundo. Evidentemente, cuanto mayor sea la cantidad de veces que se refresque, menos se nos cansará la vista y trabajaremos más cómodos y con menos problemas visuales.
La velocidad de refresco se mide en hertzios (Hz. 1/segundo), así que 70 Hz significa que la pantalla se dibuja cada 1/70 de segundo, o 70 veces por segundo. Para trabajar cómodamente necesitaremos esos 70 Hz. Para trabajar ergonómicamente, o sea, con el mínimo de fatiga visual, 80 Hz o más. El mínimo son 60 Hz; por debajo de esta cifra los ojos sufren demasiado, y unos minutos bastan para empezar a sentir escozor o incluso un pequeño dolor de cabeza. Antiguamente se usaba una técnica denominada entrelazado, que consiste en que la pantalla se dibuja en dos pasadas, primero las líneas impares y luego las pares, por lo que 70 Hz. entrelazados equivale a poco más de 35 sin entrelazar, lo que cansa la vista increíblemente.
La frecuencia máxima de refresco del monitor se ve limitada por la resolución del monitor. Esta última decide el número de líneas o filas de la máscara de la pantalla y el resultado que se obtiene del número de filas de un monitor y de su frecuencia de exploración vertical (o barrido, o refresco) es la frecuencia de exploración horizontal; esto es el número de veces por segundo que el haz de electrones debe desplazarse de izquierda a derecha de la pantalla. Por consiguiente, un monitor con una resolución de 480 líneas y una frecuencia de exploración vertical de 70Hz presenta una frecuencia de exploración horizontal de 480 x 70, o 33,6 Khz. En este caso, el haz de electrones debe explorar 33600 líneas por segundo.
Quien proporciona estos refrescos es la tarjeta gráfica, pero quien debe presentarlos es el monitor. Si ponemos un refresco de pantalla que el monitor no soporta podríamos dañarlo, por lo que debemos conocer sus capacidades a fondo. También hay que tener claro que la tarjeta de video debe ser capaz de proporcionar una cierta cantidad de refrescos por segundo, ya que de no ser así, de nada nos servirá que el monitor los soporte.

Resolución

Se denomina resolución de pantalla a la cantidad de píxeles que se pueden ubicar en un determinado modo de pantalla. Estos píxeles están a su vez distribuidos entre el total de horizontales y el de verticales. Todos los monitores pueden trabajar con múltiples modos, pero dependiendo del tamaño del monitor, unos nos serán más útiles que otros. Un monitor cuya resolución máxima sea de 1024x768 píxeles puede representar hasta 768 líneas horizontales de 1024 píxeles cada una, probablemente además de otras resoluciones inferiores, como 640x480 u 800x600. Cuanto mayor sea la resolución de un monitor, mejor será la calidad de la imagen en pantalla, y mayor será la calidad (y por consiguiente el precio) del monitor. La resolución debe ser apropiada además al tamaño del monitor; es normal que un monitor de 14" ó 15" nos ofrezca 1280x1024 píxeles, mientras que es el mínimo exigible a uno de 17" o superior. Hay que decir que aunque se disponga de un monitor que trabaje a una resolución de 1024x768 píxeles, si la tarjeta gráfica instalada es VGA (640x480) la resolución de nuestro sistema será esta última.

Tamaño

El tamaño de los monitores CRT se mide en pulgadas, al igual que los televisores. Hay que tener en cuenta que lo que se mide es la longitud de la diagonal, y que además estamos hablando de tamaño de tubo, ya que el tamaño aprovechable siempre es menor.

Radiación

El monitor es un dispositivo que pone en riesgo la visión del usuario. Los monitores producen radiación electromagnética no ionizante (EMR). Hay un ancho de banda de frecuencia que oscila entre la baja frecuencia extrema (ELF) y la muy baja frecuencia, que ha producido un debate a escala mundial de los altos tiempos de exposición a dichas emisiones por parte de los usuarios. Los monitores que ostentan las siglas MPRII cumplen con las normas de radiación toleradas fuera de los ámbitos de discusión.

Foco y Convergencia

De ellos depende la fatiga visual y la calidad del texto y de las imágenes. El foco se refiere especialmente a la definición que hay entre lo claro y lo oscuro. La convergencia es lo mismo que el foco, pero se refiere a la definición de los colores del tubo. La convergencia deberá ser ajustada cuando los haces de electrones disparados por los cañones no estén alineados correctamente.

Importante

La ventaja clave en la tecnología CRT, es su bajo costo de compra. El CRT es la opción adecuada en aplicaciones de ultra alta resolución, tales como imágenes médicas. El ángulo de observación del CRT es mayor al de un monitor plano, el CRT es preferible para aplicaciones donde múltiples usuarios estarán observando el monitor desde distintos ángulos. Un CRT es además ideal para mostrar video en movimiento completo (full-motion video).
La pantalla CRT soporta la tecnología accutouch, intellitouch e iTouch.

ESCOGIENDO MONITOR CRT (¿Qué valorar en un monitor CRT?)

Tamaño

Lo primero a tener en cuenta es la resolución con la que vamos a trabajar normalmente, que más se ajuste a nuestro uso normal, determinado por el tipo de aplicaciones: ofimática, juegos, diseño gráfico, CAD, infografía, edición de vídeo, etc. Actualmente lo más aconsejable es descartar cualquier CRT que esté por debajo de las 17". Hay que contar que en principio cada tamaño tiene unas resoluciones adecuadas, en las que se consigue un funcionamiento óptimo, que también dependerá de la calidad del monitor:

Tamaño y resoluciones comunes

15" --------------------------- 800 x 600
17" --------------------------- entre 1024 x 768 y 1182 x 864
19" --------------------------- entre 1182 x 864 y 1280 x 1024
22" --------------------------- entre 1280 x 1024 y 1600 x 1200

Para ofimática, juegos, navegación Web, multimedia, diseño de páginas Web, etc., es suficiente un 17".
Para aplicaciones profesionales relacionadas con la edición fotográfica, video, CAD, infografía, no recomendaría nada que esté por debajo de 19".
Existen modelos de monitor que ofrecen resoluciones muy superiores a la óptima para su tamaño. Por ejemplo: Un fabricante ofrece dos modelos de 17", uno que alcanza hasta una resolución máxima de 1280x1024 y el otro de 1600x1200. Ambos con características prácticamente idénticas, pero el modelo que alcanza la resolución mayor, sensiblemente más caro. Una resolución de 1600x1200 no es práctica para un monitor de 17", pues a dicha resolución los textos serán poco legibles, los iconos del escritorio ser verán diminutos y la calidad de imagen estará lejos de la máxima que podemos obtener con el mismo monitor a su resolución óptima. Es importante recalcar que debemos buscar el equilibrio en este aspecto y no buscar prestaciones extras que a la hora de la verdad no vamos a poder aprovechar y que en cambio, se traducen en un precio más elevado.

Refresco de pantalla

Es el parámetro que debemos atender de manera más esencial, pues aunque no está relacionado directamente con la calidad de imagen, sí es el que influye de forma directa en la comodidad y salud visual. A mayor resolución la frecuencia de refresco tenderá a ser más baja. Si por ejemplo un monitor alcanza como máximo los 100 Hz a una resolución de 1024x768, lo más probable es que no supere los 85 Hz a una resolución superior de 1280x1024. Esto tiene su lógica, pues la frecuencia de refresco consiste en el número de veces que se redibuja la pantalla, y por tanto a mayor resolución el área a redibujar será mayor (un número de píxeles más alto), y menor número de veces por segundo se podrá redibujar. El refresco de pantalla que sea capaz de dar un monitor, dependerá de la placa de video. Hoy día, cualquier placa de video, por básica que sea, puede dar el refresco que requiera el monitor y mucho más.
La frecuencia óptima de refresco es de 85 Hz en adelante. Con 85 Hz podemos estar delante de un monitor durante horas sin gran perjuicio para la vista. Con 100 Hz se alcanza la estabilidad máxima.

Distancia entre píxeles (dot pitch)

No hay que confundir este parámetro con el tamaño de píxel, pues el píxel, en la tecnología CRT, no tiene un tamaño fijo, sino que varía según la resolución a la que ajustemos el monitor. En el mismo monitor, a una resolución de 1024x768 tendremos un número de píxeles bastante mayor que por ejemplo a una resolución de 800x600. Esto significa que cada píxel será más pequeño en el primer caso que en el segundo, pues en el mismo tamaño de pantalla se representa un número mayor de píxeles.
Este parámetro lo que indica, es la distancia que separa a cada píxel de los píxeles adyacentes. Cuanto menor sea esta distancia, mayor nitidez tendrá la imagen. También hay que tener en cuenta, que esta distancia tiende a ser más pequeña en el centro de la pantalla, pero a medida que nos acercamos a las esquinas tiende a incrementarse ligeramente, de ahí que algunos fabricantes, dan dos medidas, una máxima y otra mínima. En lo que debemos fijarnos es que el monitor no supere un dot pitch de 0,28 mm. Tampoco debemos obsesionarnos por esta cuestión, así que bastará con optar por un monitor que no supere los 0,28 mm, considerando un valor excelente 0,26mm o cualquier cifra inferior.

Pantalla plana vs. cóncava. Geometría

Notaremos que tanto los monitores como los televisores tradicionales, tienen la pantalla curvada hacia fuera (cóncava). Para incrementar la calidad de imagen y reducir la incidencia de reflejos, se empezaron a diseñar sistemas que permitían eliminar esa concavidad, consiguiendo una pantalla de aspecto plano. Lo mejor es optar por una pantalla de aspecto plano, pues suelen tener mejor geometría, contraste y nitidez, a parte de las ventajas de una menor incidencia de los molestos reflejos.

LCD (Liquid Crystal Display)

La tecnología LCD es, hoy en día, una de las más pujantes y que más rápidamente evoluciona mejorándose continuamente.
Un poco de historia, aunque la tecnología que los cristales líquidos es relativamente reciente, parte de las curiosas propiedades de los cristales líquidos ya fueron observadas en 1888 por el botánico austriaco Friedrich Reinitzer mientras experimentaba con una sustancia similar al colesterol (benzotato de colesterol).
Esta sustancia permanecía turbia a temperatura ambiente y se aclaraba según se calentaba; al enfriarse más y más azulado se tornaba de color hasta solidificarse y volverse opaca.
Este efecto pasó desapercibido hasta que la compañía RCA aprovechó sus propiedades para crear el primer prototipo de visualizador LCD. A partir de ese momento el desarrollo y aplicación de estos dispositivos ha sido y es espectacular.

Funcionamiento

El fenómeno de LCD esta basado en la existencia de algunas sustancias que se encuentran en estado sólido y liquido simultáneamente, con lo que las moléculas que las forman tienen una capacidad de movimiento elevado, como en los líquidos, presentando además una tendencia a ordenarse en el espacio de una forma similar a los cuerpos sólidos cristalinos.
El Display o visualizador LCD esta formado por una capa muy delgada de cristal liquido, del orden de 20 micras (1 micra = 0.001 milímetros) encerrada entre dos superficies planas de vidrio sobre las que están aplicados una vidrios polarizados ópticos que solo permiten la transmisión de la luz según el plano horizontal y vertical.
El nombre cristal líquido es en sí mismo extraño y contradictorio. Normalmente entendemos a los cristales como algo sólido, y todo lo contrario para un líquido, aunque ambos puedan ser transparentes a la luz. Pues bien y por extraño que parezca, existen sustancias que tienen ambas características.
Cristal líquido, sustancia que se comporta al mismo tiempo como un líquido y como un sólido. Las moléculas de un cristal líquido pueden desplazarse unas respecto a otras con bastante facilidad, de forma semejante a las de un líquido. Sin embargo, todas las moléculas de un cristal líquido tienden a estar orientadas del mismo modo, algo similar a la estructura molecular de un cristal sólido. Los cristales líquidos sólo mantienen su doble naturaleza sólida y líquida en un determinado rango de temperaturas y presiones.
A temperaturas lo bastante altas o presiones lo bastante bajas, el orden de la orientación da paso a las rotaciones moleculares aleatorias, con lo que el cristal líquido se convierte en un líquido normal. Cuando la temperatura es lo bastante baja o la presión es lo bastante alta, las moléculas de un cristal líquido ya no pueden desplazarse entre sí con facilidad, y el cristal líquido pasa a ser un sólido normal.
Entre las muchas clases de cristal líquido están las fases nemática y colestérica y las distintas fases esmécticas, caracterizadas por una determinada colocación de las moléculas. Muchas veces es posible manipular las propiedades ópticas de un cristal líquido sometiéndolo a un campo magnético o eléctrico que cambia la orientación de sus moléculas.
Por ejemplo, cuando se les aplica un campo eléctrico pequeño, algunos cristales líquidos pasan de ser claros a ser opacos, o adquieren la capacidad de girar la luz polarizada. Este tipo de cristales líquidos se emplean en las pantallas de relojes digitales, calculadoras, televisiones en miniatura, ordenadores o computadoras portátiles y otros dispositivos.
Las pantallas de cristal líquido son más nítidas, y frecuentemente consumen menos energía que otros sistemas como los diodos de emisión de luz. Otra característica especial de los cristales líquidos es su interacción con la luz, la electricidad y la temperatura. En un sólido las moléculas están colocadas en una determinada posición y no se mueven respecto de las adyacentes; lo contrario a lo anterior sucede con los líquidos. Las moléculas de un cristal líquido tienen una forma alargada y cilíndrica y la posición entre ellas puede depender de diferentes factores, tales como la temperatura o los campos eléctricos a los que estén sometidos. La aplicación de un campo eléctrico a estas sustancias provoca que la posición de sus moléculas cambie de una posición indeterminada a otra perfectamente uniforme. Esta característica será fundamental en su interacción con la luz.
Si intentásemos hacer pasar un haz de luz polarizada a través del cristal líquido, éste será opaco o transparente en función de cómo estén organizadas las moléculas del cristal, lo que a su vez dependerá de si está o no sometido a un campo eléctrico. Algunos cristales líquidos reflejan las distintas longitudes de onda de la luz según la orientación de sus moléculas. Ésta, a su vez, depende de la temperatura. Estos cristales líquidos se emplean en algunos termómetros que muestran diferentes colores según la temperatura de la sustancia que está en contacto con el cristal líquido.
El fenómeno electro-óptico del cristal líquido es un descubrimiento muy reciente que se remonta al año 1970 en el que Schat-Helfrich descubrió que algunos líquidos formaban cristales polarizados de la luz cuando se les sometía a una diferencia de potencial.

Cambio en la polarización

El cristal liquido ofrece una acción de cambio de polarización de luz incidente en un ángulo de 90º, por lo tanto si la luz entra con polarización horizontal, es girada 90º por el cristal y si encuentra un polarizador vertical situado en el vidrio posterior, podrá pasar a través del mismo. Si se aplica una determinada tensión eléctrica entre las superficies que encierran al cristal, las moléculas del mismo dejaran pasar la luz sin introducir ningún cambio sobre la misma, entonces al llegar, al polarizado posterior será detenida, comportándose el conjunto como un cuerpo opaco.
Los electrodos situados sobre las superficies planas del cristal se disponen en forma de segmentos rectos para poder ser excitados por separado y permitir la representación de los caracteres numéricos e incluso alfabéticos, pudiendo realizarse cualquier según el diseño particular de cada cliente (custom design).
En realidad el material del cristal líquido está organizado en capas sucesivas; la posición de las moléculas de cada capa está ligeramente desfasada unas de otras, de tal manera que entre la primera y la última capa hay un desfase total de 90º cuando no hay influencia de ningún campo eléctrico. La luz polarizada se obtiene de hacer pasar la luz incidente en el display por unos filtros ópticos o polarizadores situados en ambas caras del dispositivo: uno colocado verticalmente y otro horizontal, esto es desfasados 90 º uno del otro.
El filtro polarizador hace que la fase de las ondas de luz tenga una posición determinada (la del primer filtro) que prácticamente coincide con la fase de la primera posición de las moléculas de la primera capa del cristal por lo que la luz es conducida por ésta y entregada a la siguiente capa y así sucesivamente. Cuando la luz pasa a través de la última capa su fase a cambiado 90º respecto de la fase con la que incidió y está perfectamente en fase con el filtro posterior que en estas circunstancias es transparente. La luz lo atraviesa y se refleja en un espejo.
Aplicando un campo eléctrico por medio de un electrodo a una determinada zona del cristal (la necesaria para crear un segmento de un número, por ejemplo) las moléculas de cristal de esta zona (y en todas las capas) toman una posición igual y en fase con el primer filtro pero no con el segundo, no dejando pasar éste la luz y por lo tanto nada que reflejar por el espejo, sin embargo las zonas del cristal sin influencia del campo eléctrico siguen siendo transparentes, el contraste se obtiene así de la relación luz/oscuridad entre zonas transparentes y opacas.

Estructura básica de un display
A: Espejo
B: Capa de vidrio con filtro polarizador vertical
C: Electrodo transparente (común)
D: Cristal líquido
E: Capa de vidrio con electrodo transparente (en forma de rectángulo)
F: Filtro polarizador horizontal

Tipos de Despliegues Visuales

Lentes LCD Resplandecientes

Los lentes resplandecientes de despliegue de cristal líquido (Liquid Crystal Display- LCD) tienen la apariencia de un par de anteojos. Un fotosensor es montado en estos anteojos de LCD con el único propósito de leer una señal de la computadora. Esta señal le dice a los anteojos de LCD si le permite al lente pasar luz del lado izquierdo o derecho del lente. Cuando a la luz se le permitió pasar a través del lente izquierdo, la pantalla de la computadora mostrará el lado izquierdo de la escena, lo cual corresponde a lo que el usuario verá a través de su ojo izquierdo. Cuando la luz pasa a través del lente derecho, la escena en la pantalla de la computadora es una versión ligeramente deslizada hacia la derecha. Los anteojos se conmutan de uno al otro lente a 60 Hertz, lo cual causa que el usuario perciba una vista tridimensional continua vía el mecanismo de paralaje.
Los lentes de LCD resplandecientes son ligeros y sin cables. Estas dos características los hacen fácil de usar. Desafortunadamente, el usuario tiene que mirar fijamente y sólo a la pantalla de la computadora para ver la escena tridimensional. Ya que el campo de vista es limitado al tamaño de la pantalla de la computadora, el medio ambiente real puede también ser visto. Esto no proporciona un efecto de inmersión.

Despliegues montados en la cabeza

Los despliegues montados en la cabeza colocan una pantalla en frente de cada ojo del individuo todo el tiempo. La vista, el segmento del ambiente virtual generado y presentado es controlado por la orientación de los sensores montados en el "casco". El movimiento de la cabeza es reconocido por la computadora, y una nueva perspectiva de la escena es generada. En la mayoría de los casos, un conjunto de lentes ópticos y espejos son usados par agrandar la vista y llenar el campo visual y dirigir la escena a los ojos. Cuatro tipos de despliegues montados en la cabeza (Head Mounted Displays- HMD) serán discutidos a continuación.

Despliegue HMD con LCD

Este tipo de HMD usa tecnología LCD para presentar la escena. Cuando un píxel de cristal líquido es activado, bloquea el paso de luz a través de él. Miles de estos pixeles son arreglados en una matriz de dos dimensiones para cada despliegue. Ya que los cristales de líquido bloquean el paso de la luz, para presentar la escena una luz debe de brillar desde atrás de la matriz LCD hacía el ojo para proporcionar brillantez para la escena.
El despliegue HMD con LCD es más claro que la mayoría de los HMDs. Como la mayoría de los HMDs, este proporciona un efecto de inmersión, pero la resolución y el contraste es bajo. El problema asociado con la baja resolución es la inhabilidad de identificar objetos y de localizar la posición exacta de los mismos. Ya que los cristales son polarizados para controlar el color de un píxel, la polarización real del cristal crea un pequeño retardo mientras se forma la imagen en la pantalla. Tal retardo puede causar que el individuo juzgue incorrectamente la posición de los objetos.
Las siguientes figuras muestran con más detalle el principio de funcionamiento del LCD.

Fig.1 Fig.2

Fig.1 - Principio de funcionamiento de un LCD: con electrodos energizados
Fig.2 - Principio de funcionamiento de un LCD: con electrodos no energizados

El campo eléctrico con el que se excitan los electrodos del display se genera con una tensión alterna (la tensión continua provocaría una electrólisis en su interior que destruiría los electrodos) generada por un oscilador y controlada por circuitos electrónicos. Este control puede ser estático (pocos elementos de imagen a visualizar) o multiplexado (mayor número de elementos de imagen).


Control estático de tres elementos de imagen y timming de impulsos de control

En un control multiplexado existe una matriz de dos grupos de líneas de control que se activan secuencialmente. La intersección entre dos líneas de diferentes grupos forma un elemento de imagen (electrodo) que se activa al energizar dichas líneas.



Control multiplexado de un display numérico de siete segmentos

Como se ha comentado uno de los factores que afectan a las propiedades del cristal líquido es la temperatura. Con demasiado frío el cristal líquido es opaco y al contrario si está demasiado caliente, la temperatura ambiente y sus cambios pueden, por lo tanto, afectar de forma apreciable al contraste al igual que lo hace el valor de tensión de excitación.



Control sencillo de contraste con compensación de temperatura

En el primer ejemplo de display LCD se observa la presencia de un espejo en la cara interna del display que hace rebotar la luz incidente, esto es lo que permite ver la información, zonas del display dejan pasar la luz al espejo mientras que otras no y así se forma la imagen a visualizar.
Lo anterior es cierto mientras exista luz incidente, ya sea natural o artificial, pero no lo es en ambientes sin luz. Por otro lado este tipo de display deja pasar la luz o la interrumpen pero no la generan (como sucede con otros tipos de displays) de tal modo que necesitamos una fuente de luz propia para estos casos. La función de iluminar de forma autónoma el display se encomienda a generadores de luz incorporadas al mismo display como lámparas de incandescencia, lámparas de cátodo frío (muy habituales), diodos led y tras. La luz se aplica, en este caso, en la cara interna del display no existiendo ningún espejo.

Clasificación

Existen 3 tipos de displays LCD, transmitivos, reflectivos y transflectivos.
Los 1º responden a la estructura descripta anteriormente, en la que existen 2 caras y la luz las atraviesa de un lado a otro.

Reflectivos

Los LCD Reflectivos poseen una superficie reflectante situada sobre la cara posterior, reflejando asía adelante la luz que hacia ella llega. Este modelo es el mas conocido dada su amplia utilización en relojes, calculadoras etc.

Transflectivos

El tipo Transflectivo es una combinación de los dos anteriores en el que la superficie posterior no es absolutamente reflectante y permite que le atraviese una cierta cantidad de luz incidente. Una de las grandes ventajas de estos displays es su bajísimo consumo de energía, ya que además de la baja tensión de excitación, no consumen apenas corriente (algunos microamperios) por ser dispositivos electrostáticos, por lo que pueden dejarse funcionar permanentemente como pequeñas fuentes de energía como es el caso de los relojes.
La excitación suele realizarse con tensión alterna de una frecuencia de 32 Hz, ya que las tensiones continuas provocan que los electrodos se ensucien por el efecto de atracción de moléculas cargadas de impurezas que se acumularían haciendo que se perdieran progresivamente las propiedades de transmisión de la luz.

Las características que es necesario considerar en la elección de estos cristales son las siguientes.
§ Tensión de funcionamiento (entre 3 y 9 v eficaces)
§ Frecuencia de excitación (generalmente 32 Hz)
§ Corriente por cm (de 2 a 5 microamperios)
§ Angulo de visión (generalmente desde –45º desde la vertical)

Aplicaciones

Los LCD evolucionaron con el tiempo para cubrir aplicaciones más ambiciosas como pantallas de TV, monitores de PC y en general visualizadores de mayor resolución. Esto complicó su diseño haciéndolos cada vez más sofisticados. Con el paso del tiempo se han sucedido varias tecnologías de fabricación de LCDs, las principales son:

De plano común:
A esta tecnología pueden corresponden los display descritos anteriormente. Esta tecnología es apropiada para displays sencillos como los que incorporan calculadoras y relojes. Se emplea un único electrodo (común) posterior para generar el campo eléctrico.

De matriz pasiva:
Dispositivos pensados para crear imágenes con buena resolución. En estos displays hay dos matrices de electrodos en forma de líneas paralelas (una frontal y otra vertical). Las líneas de la parte frontal están desfasadas 90º respecto de las líneas del electrodo vertical, los puntos de intersección entre ambos grupos de líneas forman los puntos, elementos de imagen o pixeles con los que se compone la imagen visualizada, un display con una matriz de 256x256 líneas dispondrá de 65.536 pixeles. El modo de funcionamiento es multiplexado y controlado normalmente por circuitos integrados especializados en esta aplicación. Este tipo de display son baratos y relativamente fáciles de construir, pero tienen el inconveniente de tener una respuesta lenta de refresco de imagen, esto puede apreciarse en un PC portátil observando la estela que deja el puntero cundo movemos rápidamente el ratón. Lo anterior es producido porque zonas adyacentes al píxel a activar y que no deban de ser excitadas son también en parte activadas.

De matriz activa (TFT):
En estos displays existe en la cara interna posterior una matriz de transistores de película delgada (Thin Film Transistor) y condensadores, cada píxel está compuesto por un transistor y un condensador, cada grupo transistor/condensador está activado de forma secuencial (multiplexado) por líneas de control, la tensión en placas de cada condensador determina el nivel de contraste de ese píxel con lo que se puede crear, controlando de forma adecuada esta tensión, una escala de grises. Si esta escala de grises tiene suficiente número de niveles (por ejemplo 256 niveles se puede formar una imagen similar a la de un televisor monocromo) el número de transistores para obtener una resolución de 640x480 es de 307.200 y para 1024x780….798.720.
Una pantalla LCD esta formada por dos filtros polarizantes con filas de cristales líquidos alineados perpendicularmente entre si, de modo que al aplicar o al dejar de aplicar una corriente eléctrica a los filtros, se consigue que la luz pase o no a través de ellos, según el segundo filtro bloquee o no el paso de la luz que ha atravesado el primero.
El color se consigue añadiendo 3 filtros adicionales de color (uno rojo, uno verde, uno azul).Sin embargo.
Para la reproducción de varias tonalidades de color, se deben aplicar diferentes niveles de brillo (intermedio entre luz y no-luz), lo cual se consigue con variaciones en el voltaje que se aplica a los filtros. En esto ultimo, hay un parecido con los monitores CRT.
Las variaciones de voltajes de las pantallas LCD actuales, que es lo que genera los tonos de color, solamente permite 64 niveles por cada color (6 bits) frente a los 256 niveles (8 bits) de los monitores CRT, por lo que con tres colores se consigue un máximo de 262.144 colores diferentes (18 bits) frente a los 16.777.216 colores (24 bits) de los monitores CRT. Aunque 262.144 colores son suficiente para la mayoría de las aplicaciones, esta gama de colores no alcanza para trabajos fotográficos o para reproducción y trabajo con video. Debido al sistema de iluminación con fluorescentes, las pantallas LCD muestran inevitablemente una menor pureza del color, ya que muestran zonas mas brillantes que otras, lo que da lugar a que una imagen muy clara o muy oscura afecte a las áreas contiguas de las pantallas, creando un efecto un poco molesto y desagradable.
Hasta el momento solo se han descrito displays que mostraban información monocroma, ¿es posible obtenerlos en color?… claro que sí, aunque complicándolo todo aún más.
Para que un determinado píxel pueda ser en color necesitamos dividirlo en tres sub-pixels (uno para cada color fundamental).


Detalle de la generación de diferentes colores

Tenemos por lo tanto tres sub-pixels, cada uno con un filtro óptico diferente (para el color rojo, verde y azul).
Cada sub-píxel tiene su propio transistor/condensador de activación que puede general 256 niveles de contraste por lo que la combinación de tres diferentes niveles genera un total de 256x256x256 = 16,7 millones de colores diferentes, por otro lado el número de transistores necesarios para obtener una resolución de 1024x780 es “solo” de 2.396.160.
Las siguientes figuras ilustran el funcionamiento de un display TFT color.


Un display TFT color mostrando dos diferentes figuras

Como ya se ha comentado, hoy en día infinidad de aparatos que nos rodean emplean displays LCD dada su versatilidad, fiabilidad, escasos peso/consumo eléctrico y precio.
El ámbito hospitalario no podía mantenerse al margen de estas tecnologías y hoy se emplean de forma masiva en todo tipo de equipos médicos.


Monitor S/5 de Datex-Ohmeda empleando una pantalla LCD TFT color de 1024x780 pixeles

Las ventajas de los LCD, frente a los CRT son:

§ Tamaño
§ Menor consumo
§ El hecho de que la pantalla no emite parpadeos.

Las Desventajas vienen dadas por:

§ Costo
§ Angulo de visión
§ Menor gama de los colores
§ Pureza del color

Un problema adicional que afecta la calidad de imagen en las pantallas LCD, es el funcionamiento actual de las placas de video.
La placa de video recibe una señal digital del procesador y la transforma a analógica para enviarla a la salida de señal, por su parte la pantalla LCD recibe esa señal analógica, y la debe transformar a señal digital, con la lógica perdida que se produce entre ambas transformaciones. Las pantallas LCD actuales se conectan a puertos analógicos VGA, pero se espera que en un futuro, todas las tarjetas graficas incorporen también una salida digital para enviarle al monitor LCD las conversiones.

Plasma

Por más de 70 años, el cinescopio o CRT (tubo de rayos catódicos por sus siglas en inglés) ha sido el componente central de los televisores, monitores de cómputo y monitores profesionales en todo el mundo. Estas pesadas burbujas de vidrio al vacío, han evolucionado mucho desde sus inicios en los televisores blanco y negro con pantallas esféricas, pasando por los televisores a color, con millones y millones de CRTs de las TVs Trinitron que hay en todo el mundo, y llegando a la total madurez de esta tecnología con los actuales televisores Wega, cinescopios totalmente planos con excelente resolución.
Ahora nos encontramos con el surgimiento de una tecnología que promete evolucionar a nuevos horizontes.
Esta es la tecnología de las pantallas de plasma.
Se basan en el principio de que haciendo pasar un alto voltaje por un gas a baja presión se genera luz. Estas pantallas usan fósforo como los monitores CRT pero son emisivas como las LCD, y, frente a las pantallas LCD, consiguen una gran mejora del color y un estupendo ángulo de visión. Estas pantallas son como fluorescentes, y cada píxel es como una pequeña bombilla de color. El problema de esta tecnología son la duración y el tamaño de los píxeles, por lo que su implantación más común es en grandes pantallas de TV de hasta 70''.
Su ventaja está en su bajo costo de fabricación, similar al de los monitores CRT.
A diferencia de los cinescopios, en los que un electrón viaja por su interior a una altísima velocidad y genera luz visible al impactarse con el fósforo de la pantalla en un monitor de plasma, la luz visible se genera a partir de la emisión de luz ultravioleta (invisible para el ojo humano) por un gas ionizado (gas en estado de Plasma), que excita al fósforo de la pantalla.
La pantalla de un monitor de plasma, está conformada por miles y miles de píxeles (pequeñísimas celdas) que conforman la imagen, y cada píxel está constituido por 3 sub-pixeles uno con fósforo rojo, otro con fósforo verde y el último con fósforo azul. Cada uno de estos sub-pixeles tienen un receptáculo lleno de gas (una combinación de Xenón, Neón y otros gases).
Un par de electrodos en cada sub-píxel ionizan al gas, volviéndolo Plasma, generando luz ultravioleta que excita al fósforo que a su vez emite luz que en su conjunto forma una imagen. Es por ésta razón que se necesitaron 70 años para conseguir una nueva tecnología que pudiese conseguir mejores resultados que los de los CRTs o cinescopios.

Ventajas de los monitores de plasma

Se pueden producir pantallas más grandes. Los cinescopios de mayor tamaño que se han producido para televisores comerciales, llegaron a estar entre 45" y 50".
Las dimensiones de las pantallas se expresan en pulgadas, y son el resultado de la medida en diagonal de la pantalla.
Los televisores son susceptibles a los campos magnéticos y los monitores de Plasma no lo son. Si acercamos un imán a un cinescopio (por ejemplo el de una bocina), el campo magnético afectará la imagen del cinescopio.
En el caso de los monitores de Plasma, esto no ocurre, ya se comercializan con medidas de 42", 50", y en el futuro las veremos de 60", 70" y aún mayores.
Son muy delgados y ligeros, un televisor de 40" pesa mas de 100 kilos y es muy profundo (de 80 -100cm) mientras que uno de Plasma pesa menos de la mitad y es sumamente delgado (de 10 a 16cm).
En un televisor de cinescopio, solamente se pueden tener imágenes de video, en un monitor de Plasma, se pueden ver video e imágenes de cómputo.
La mayoría de los monitores de Plasma están construidos con pantallas de forma rectangular. Los cinescopios tradicionales son relativamente "cuadrados" con una relación de pantalla de 4:3 (4 unidades de ancho por 3 de alto) en tanto que los de Plasma tienen una relación de 16:9 (16 unidades de ancho por 9 de alto).
En ambos casos, no importa el tamaño de la pantalla, la relación ancho:alto siempre se conserva. Tanto la televisión de Alta Definición (HDTV por sus siglas en inglés) como muchas de las películas en video, tienen este formato rectangular, por lo que los monitores de Plasma están preparados para el futuro.
Adicionalmente pueden presentar sin ningún problema las imágenes "cuadradas" de la televisión tradicional.



Características

§ Recepción multinorma
§ Teletexto de 500 páginas
§ Cuatro entradas de AV y sonido estéreo/dual (Nicam y A2), aunque la cantidad de entradas puede variar en función del fabricante.

El diseño de este tipo de productos permite que podamos colgarlos de la pared como si de un cuadro se tratase. Las pantallas de plasma cuentan con un panel de celdas con las que consigue mayores niveles de brillo y blancos más puros, una combinación que mejora los sistemas anteriores. Además, las imágenes son aún más nítidas, naturales y brillantes.
Los niveles de contraste que alcanzan estos productos son del orden de 3000:1 Cd/m2.
La mayoría de pantallas de plasma tienden a iluminar los niveles de negro reduciendo el contraste de la imagen.
Algunos productos como el los de Panasonic, incorporan en sus pantallas el sistema Real Black Drive que mejora significativamente este efecto, obteniendo un alto contraste y una reproducción del nivel de negro mucho más rica y profunda.
Adicionalmente, las pantallas de plasma utilizan un sistema que se encarga de suavizar la transición entre un campo de la imagen y sus predecesores reduciendo el efecto borroso, que suele aparecer en escenas con mucha acción.
El gran inconveniente de estos productos es el precio, que puede llegar a los 15.000 euros, demasiado para la mayoría de nosotros.
La tercera alternativa son los proyectores LCD.
Estos novedosos productos cuentan con una resolución nativa que oscila entre 800 x 600 ppp y 1.024 x 768 ppp, aunque mediante interpolación se pueden alcanzar cotas más altas con la consiguiente pérdida de calidad. Una característica que incorporan estos productos desde hace unos meses es la posibilidad de retroproyección. Esta opción muestra la imagen en espejo, lo que permite que coloquemos el proyector detrás de la pantalla, mientras los espectadores se sitúan delante, ideal espacios reducidos.
Aunque podemos visualizar las imágenes sobre cualquier superficie, resulta conveniente que adquiramos una pantalla de protección para tal efecto. En el mercado podemos encontrar tres alternativas, de trípode, de mural y eléctricas. Las primeras son las clásicas que todos conocemos y que habremos utilizado para ver diapositivas, las segundas tienen algo más de calidad y se encuentran fijas en la pared. Las terceras son las utilizadas en las salas de proyecciones profesionales. Cuentan con opciones para ajustar la imagen a la pantalla y sin duda son las que mejor calidad ofrecen. Los precios de estos productos se sitúan en torno a los 100, 150 y 500 euros respectivamente.
Para cualquier tipo de pantalla, de plasma o para proyector LCD, el formato estándar es el panorámico 16:9, similar al de una pantalla de cine comercial, y su tamaño debe ser proporcional al de la sala donde se instale para lograr una visión óptima de las imágenes en movimiento. La principal ventaja de la pantalla de plasma es su reducido espesor y su diseño extraplano.
La pantalla de plasma Wysius presenta su tercera generación. Cuenta con un nuevo diseño plateado y traslúcido y las últimas innovaciones tecnológicas, como un ventilador silencioso que evita los ruidos de fondo para poder disfrutar mejor de las sensaciones del Home Cinema, además, consigue un 30% más de claridad, lo que mejora la luminosidad de la imagen y el contraste, para una mejor definición del color.
Wysius (91-384 14 23) también está equipada con zoom digital, que permite al usuario aumentar 16 veces la sección de imagen que desee.
La pantalla que tan sólo mide 8,9 cm de espesor y pesa 33 kilos permite ser colgada en la pared. Está formada por dos placas de vidrio, con un espacio entre ellas de diez micras, en el que se encuentra una capa de gas. Su espesor total es de seis milímetros con pantalla extraplana.
Los fósforos se depositan en la cara interior de la pantalla, en unas pequeñas células de 300 micras de grosor que se encuentran entre dos placas de vidrio. Cada píxel permanece siempre en su lugar, por lo que la imagen es estable y sin deformaciones.
El plasma construye la imagen en un solo proceso sin entrelazar dos imágenes. No existen el
parpadeo ni las distorsiones, a diferencia de las pantallas de rayos catódicos.

Nuevas tecnologías

Visualización 3D

La visualización en 3D, largamente asociada a lentes especiales y artilugios aparatosos, empieza a desprenderse de las ataduras y a disponer de hardware de presentación 3D visible a ojo desnudo.
No es de asombrar que la ciencia ficción termine convirtiéndose en ciencia real.
Otro ejemplo fiel esta afirmación son las computadoras 3D, que hasta hace algún tiempo solo podrían ser apreciados en las películas o en los laboratorios de la NASA, tecnología totalmente inaccesible al público.
La primera generación de estas computadoras requería que los usuarios utilizaran lentes especiales, al igual que los utilizados en el cine, pero esto traía como consecuencia una rápida fatiga de la visión. El desarrollo de la tecnología 3D ha dado como resultado computadora que están ya disponibles comercialmente, y que no necesitan el uso de lentes especiales.

Displays autoestereoscópicos o de paralaje

Son pantallas de computadora similares a las tradicionales, en las que no es necesario el uso de gafas polarizantes o filtros de colores. Algunos sistemas disponen de obturadores selectivos que muestran sólo las columnas de píxeles que corresponden a la imagen de uno de los ojos, obturando las que corresponden al otro, para la posición de la cabeza del usuario.
Por ello suelen estar asociados a sistemas de seguimiento de la cabeza por infrarrojos.
Otros sistemas como los de 4d-Vision emiten la luz en diferentes ángulos dependiendo de su color. La luz roja, verde y azul se desfleca desde la pantalla en diferentes direcciones para crear vistas para el ojo derecho y el izquierdo en ocho planos de visión diferentes. Ello permite la visión 3D independiente de la posición del usuario, por lo que no requiere seguimiento de la cabeza y varios usuarios pueden ver independientemente en 3D.

Displays volumétricos

Son sistemas que presentan la información en un determinado volumen. Al igual que una pantalla de TV es capaz de iluminar selectivamente todos y cada uno de los píxeles de su superficie, un display volumétrico es capaz de iluminar todos los voxeles (píxeles en 3D) que componen su volumen. Hay tres tipos principales:

Espejo varifocal: Una membrana espejeada oscila convirtiéndose en un espejo de distancia focal variable que refleja la imagen de una pantalla. Sincronizando la imagen que se muestra en la pantalla con la potencia óptica del espejo se puede barrer cualquier punto de un volumen determinado. Un sistema bastante experimental todavía.

Volumen emisivo: Un determinado volumen ocupado por un medio capaz de emitir luz en cualquier parte de su interior como resultado de una excitación externa, por ejemplo mediante láser de diferentes longitudes de onda. Muy experimental, la gran dificultad es encontrar el material apropiado.

Pantalla rotativa: Una pantalla plana gira a una velocidad de alrededor de 600 rpm. Para cada uno de un conjunto predeterminado de posiciones angulares de la misma un sistema espejos proyecta sobre ella la imagen del objeto tal como corresponde a la perspectiva asociada a dicho ángulo.
El resultado final es la imagen 3D de un objeto que podemos ver desde 360 grados. Es posiblemente el más avanzado de este tipo de sistemas, proporciona una resolución de más 100 Millones de Vóxeles. Consta de una cúpula esférica transparente que le confiere un aspecto característico de “bola de cristal” dentro de la cual gira una pantalla plana a 730 rpm. Un proyector ilumina la pantalla sucesivamente con hasta 198 imágenes de 768x768 píxeles cada una, mostrando una u otra en función del ángulo de giro de la pantalla.
Cada una de las imágenes corresponde a una “rebanada” del objeto como si lo seccionáramos por un eje vertical y se refresca 24 veces por segundo. La persistencia de la visión en la retina convierte la pila de imágenes 2D en una clara percepción tridimensional del objeto. La ventaja de este sistema radica en que el objeto aparece flotando dentro de su campana transparente y se puede ver desde cualquier ángulo y posición.

Multi-layer Display

Esta tecnología es las más avanzadas y prometedoras de todas, usa dos capas físicamente separadas de píxeles para crear la impresión de profundidad. En un formato Típico de 15 pulgadas, la tecnología de los computadora consiste en dos planos de píxeles, el primero de ellos con una resolución de 1.024 x 768 píxeles y el otro de 1.280 x 1.024. De esta manera, se hace más sencillo para el usuario absorber información y disminuye el cansancio ocular.
Ahora, la compañía coreana GTT promete que en la primera mitad de 2003, empezará a vender las primeras computadoras. Ellos esperan que los servicios financieros, médicos y los mercados de videojuegos sean los primeros candidatos en disfrutar de algunas de las ventajas de este entorno 3D, que incluye opciones de visualización complejas como control de procesos, análisis de datos y aplicaciones de presentaciones.
Muy pronto el efecto de profundidad remplazará inevitablemente a la tecnología de pantalla plana así como el color reemplazó el blanco y negro y el estéreo sustituyó al mono. Muchos cabos andan todavía sueltos.
Cuando las imágenes 3D “se salgan” del computadora sin necesidad de gafas o artilugios especiales queremos interactuar con ellos, tocarlos y modificarlos abriéndose un nuevo campo en la interfaz entre ser humano y máquina.

Otros tipos de monitores

HDP (Hybrid Passive Display) TOSHIBA y SHARP, con su sistema intentan introducir tecnologías puente entre DSTN y TFT, utilizando cristales líquidos de menor viscosidad, de modo que el tiempo de respuesta es menor (150ms) y su contraste mayor (50:1) con un pequeño incremento de coste sobre las pantallas DSTN.

HPA (High Performance Addressing) HITACHI, con su tecnología consigue aproximar la tecnología DSTN a la TFT en cuanto a calidad de reproducción de vídeo y en ángulo de visión.
Cristales ferro-eléctricos, CANON ha probado su uso de reduciendo el tiempo de respuesta y permitiendo que los cristales no necesiten recibir electricidad constantemente, sino solamente para cambiar su voltaje, reduciendo así el consumo (de especial importancia en los ordenadores portátiles), pero su coste de fabricación está demasiado cerca de las pantallas TFT con lo que su futuro es algo incierto.
FED: Las pantallas de emisión de campo (FED) combinan el fósforo con la estructura de celdas de las pantallas LCD. Se utilizan mini-tubos (en vez del voluminoso tubo de los monitores CRT) para cada píxel y permite conseguir un grosor similar al de las pantallas LCD.
La luz se genera delante del píxel, como en los monitores CRT, con lo que se consigue un excelente ángulo de visión.
Estos monitores tienen una velocidad de respuesta mejor que las pantallas TFT y una reproducción de color similar a los monitores CRT, pero el coste y la dificultad de fabricación (480.000 tubos de vacío pequeños por pantalla) y la necesidad de un blindaje de la pantalla hace su viabilidad dudosa. Si se consiguen abaratar costes y mejorar la fiabilidad, esta tecnología puede amenazar a la tecnología LCD en el futuro.
Thin CRT: Los tubos catódicos finos se basan en la tecnología FED y utilizan un tubo de 3'5mm de grosor en vez del voluminoso tubo CRT. En 1999 llegaron las primeras pantallas con esta tecnología con un coste similar al de las pantallas TFT.
LEP: Se basa en la aplicación de un voltaje a una superficie plástica. La técnica de fabricar pantallas LEP de color utiliza la tecnología de impresión de inyección de tinta para formar una fina matriz de puntos poliméricos rojos, verdes y azules en una rejilla de electrodos. En principio, esto era la base de grandes monitores y pantallas TV que fuesen como flexibles hojas de papel. Los LEP ofrecen también la ventaja de tener una iluminación autónoma, ya que no necesitan una retroiluminación separada, y podrían ser visibles desde cualquier ángulo. Serían un sustituto más que deseable para los monitores de sobremesa.
Las ventajas sobre las pantallas LCD es que solamente se requiere una capa de plástico, frente a dos de cristal para las LCD, no necesitan retro-alimentación, pues es la superficie la que emite luz, tienen un bajo consumo y un ángulo de visión bueno. Además, esta tecnología permite pantallas curvas e incluso flexibles.
DLP: Es una tecnología propietaria de TEXAS INSTRUMENTS y se utiliza ampliamente en proyectores. Es un diseño de memoria estática en la que los bits se almacenan en celdas de silicona en forma de carga eléctrica y la imagen se consigue por medio de unas ópticas muy complejas.
Los problemas de esta tecnología surgen por el calor producido y la necesidad de enfriamiento, que genera bastante ruido. Además, la tecnología de color supone una complicación importante, al utilizar lentes triples giratorias, y su lentitud la hace poco adecuada para la reproducción de vídeo.

Tabletas

El PenStar es una evolución de los Monitores LCD y de las placas de video. Se trata de un monitor de pantalla plana TFT en cuya superficie usted podrá interactuar directamente gracias a su lápiz sensible a la presión. De esta manera podrá tener en su mano una única herramienta para múltiples tareas: todas las funciones de su ratón, escribir directamente en el monitor, capturar su firma, diseñar, pintar y dibujar a mano alzada. Todo ello, junto con los 512 niveles de presión que detecta su lápiz, hacen que usted controle todas las aplicaciones de la computadora Algunas de sus características son las siguientes:

§ Tamaño Diagonal: 15,0" - (381 mm)
§ Tipo de Monitor: Flat Panel Display / TFT active matrix-desktop
§ Resolución: 1024 x 768
§ Pitch: 0,297 mm
§ Color: 16,7 Millones de colores (color 8 bits)
§ Brillo: 200 cd /m2 (típico)
§ Contraste: 350 : 1
§ Video Input: Analógico D-Sub
§ Características Especiales: Pantalla con control por lápiz
§ Pantalla del Monitor: Cristal Protector Anti-rayado
§ Sistemas Compatibles: PC, Sistema I-Mac Compatible
§ Sistemas operativos: Windows 9x / ME / 2000 / XP

Monitores del mañana

La tecnología está cambiando hacia el futuro, ya que se han descubierto nuevos materiales y nuevas formas de fabricar gabinetes y monitores que quizás terminen afectando no solo los procesos internos sino que a todo el hardware y a todo el modo en que los usuarios se acercarán a la PC del siglo XXI.

Los nuevos estándares

Hay pantallas cada vez más sofisticadas, al punto que ofrecen una calidad e imagen al nivel de la televisión. Las planas y las de cristal líquido dejaron de ser novedad para instaurarse como los nuevos estándares de la imagen computacional, hoy por hoy liderada por Samsung y ViewSonic.
El futuro indica que se están creando tecnologías que esperan puedan colocar en computadoras, y pantallas de gran formato de espesor mínimo capaz incluso de ser enrolladas. Todo da la impresión, finalmente de que podemos contar con las piezas como para armar una pantalla de PC flexible y ultra chata declaró Kimberly Allen, analista de iSupply/Stanford Resources (una firma de investigaciones sobre pantallas) Allen advirtió de todos modos que las pantallas de computadoras flexibles y chatas siguen siendo un sueño a largo plazo, que está a varios años por lo menos, de hacerse realidad.
La tecnología más promisoria, está basada en el diodo orgánico de emisión de luz, u OLED, por sus siglas en ingles (Organic Light Emitting Diode). La tecnología OLED se base en lo que son básicamente moléculas de color que emiten luz cuando son colocadas entre dos electrodos. El display de cristal líquido, o LCD, una tecnología que es la base de la mayoría de las pantallas chatas de la actualidad se basa en una luz trasera para proyectar imágenes a la pantalla. Estas luces son más densas y necesitan más voltaje que las resplandecientes moléculas que conforman la base de la OLED.
Estas moléculas se podrían acomodar sobre una pieza de plástico. Con circuitos de computadora sobre la parte trasera del plástico, la creación de una computadora capaz de ser enrollada no es algo tan remoto.
Si pueden logran esto, existe una nueva idea sobre que es una pantalla. Hasta las posibilidades de las pantallas de PC rígidas son fascinantes. Las consecuencias tanto para los medios periodísticos online como para el comercio electrónico serían importantes, teniendo en cuenta que los expertos aseguran desde hace años que la gente preferiría acomodarse en el sofá de su casa con un catálogo antes que tener que sentarse delante de una computadora para mirar imágenes de productos una atrás de otra.
Si las compañías de pantallas son capaces de crear una del tamaño de una revista, capaz de ofrecer la misma maniobrabilidad y velocidad que un catálogo, pero con más información que este las compras online aumentarían.
De todos modos, la fabricación en masa de pantallas OLED está todavía en sus primeras etapas. Empresas como Pioneer y Philips producen en masa OLED en miniatura para exhibir información para los estéreos de autos y las afeitadoras eléctricas, pero pocas empresas hicieron algo mas que experimentar con la tecnología OLED de pantallas más grandes.

Tipos por resolución

MDA (Monocromo Drive Adapter)
Acrónimo de Monochrome Display Adaptor (adaptador monocromo de pantalla). En informática, un adaptador de vídeo presentado en 1981, capaz de utilizar un solo modo de carácter: 25 líneas de 80 caracteres cada una, con subrayado, parpadeo y caracteres de mayor intensidad. Aunque IBM no ha usado nunca el acrónimo MDA, se utiliza a menudo para referirse al adaptador monocromo de pantalla e impresora de esta compañía.

CGA (Color Graphics Adapter)
Siglas de Color Graphics Adapter, adaptador para gráficos a color. Fue el primer modo de vídeo estándar que se creó para el ordenador IBM PC. Se introdujo en 1981 en ordenadores destinados a juegos, ya que podía presentar en la pantalla hasta cuatro colores a la vez.
Precisaba de un monitor de color digital, de tipo RGB (Red-Green-Blue, rojo-verde-azul). Las primeras tarjetas CGA tenían una conexión especial con la que se podían conectar a un televisor.
Era un sistema de baja resolución, que no permitía sofisticadas tareas de edición de caracteres o el trabajo con aplicaciones de gráficos avanzados. Se presentaba en dos modos gráficos, uno de resolución 320 píxeles horizontales por 200 verticales, con cuatro colores, y otro de 640 píxeles horizontales por 200 verticales, con dos colores. Este modo de vídeo fue superado más tarde por los adaptadores EGA y VGA.

EGA (Enhanced Graphics Adapter)
Acrónimo inglés de Enhanced Graphics Adaptor (adaptador de gráficos mejorado), un adaptador de monitor de vídeo lanzado por IBM en 1984. El EGA es capaz de emular el CGA, acrónimo inglés de Color Graphics Adapter (Adaptador para Gráficos Color) y el MDA, así como de proporcionar varios modos de vídeo adicionales, entre ellos un modo de 43 caracteres de línea y un modo gráfico con 640 píxeles horizontales por 350 píxeles verticales y 16 colores seleccionados en una paleta de 64.

HGC (Hercules Graphics Card)
La Hercules Graphics Card (HGC) (Tarjeta de Gráficos Hercules) era un controlador de gráficos de computadora que, por su popularidad, se convirtió en un estándar de pantalla de computadora extensamente soportado. Era común en los compatibles del IBM PC conectados con un monitor monocromático (verde, ámbar, o blanco y negro). Soportaba un modo de texto de alta resolución y un solo modo de gráficos.

IBM 8514 (Extensión de IBM a VGA)
IBM 8514 es una tecnología grafica de IBM que soporta una resolución de 1024x768 píxeles con 256 colores a 43.5 Hz (entrelazado) o 640x480 a 60 Hz (no entrelazado). Básicamente fue una extensión que se le agrego a la tecnología VGA para lograr mejores resoluciones.

MCGA (Multi Color Graphics Adapter)
Acrónimo de Multi-Colour Graphics Array (matriz gráfica multicolor), un adaptador de vídeo incluido en los equipos IBM PS/2, modelos 25 y 30. La MCGA puede emular a un CGA (adaptador gráfico a color) y permite dos modos gráficos adicionales. El primer modo tiene 640 píxeles horizontales por 480 píxeles verticales con dos colores elegidos de una paleta de 262.144 colores. El segundo tiene 320 píxeles horizontales por 200 píxeles verticales con 256 elegidos de una paleta de 262.114 colores.

VGA (Video Graphics Adapter)
Acrónimo de Video Graphics Array, un adaptador de vídeo presentado por IBM en 1987. El adaptador VGA reproduce todos los modos de vídeo de la tarjeta EGA (acrónimo de Enhanced Graphics Adapter) e incorpora varios modos adicionales. Los nuevos modos más conocidos son el de 640 píxeles horizontales por 480 verticales, con 16 colores simultáneos a elegir de una paleta de 262.144 colores, y el modo de 320 píxeles horizontales por 200 verticales, con 256 colores a elegir de una paleta de 262.144 colores.

SVGA (Super Video Graphics Array)
Es una versión mejorada del adaptador de vídeo VGA (Video Graphics Array), introducido por IBM en 1987.
Soporta una resolución de 800×600 píxeles y tiene una paleta que puede alcanzar hasta 16 millones de colores, aunque el número de ellos que puede mostrar un monitor de forma simultánea depende de la memoria de vídeo que tenga instalada el sistema.

QVGA (Quarter Video Graphics Array)
Quarter Video Graphics Array (también conocido como Quarter VGA o QVGA) es un término usado para referirse a una pantalla de ordenador con una resolución de 320x240 píxeles. Las pantallas QVGA son las más frecuentes en teléfonos móviles y PDA's. Normalmente estas pantallas se disponen en vertical, por lo que se dice que su resolución es de 240x320, ya que son más altas que anchas.
Este término fue acuñado así debido a que las pantallas QVGA ofrecen una cuarta parte de la resolución máxima del sistema VGA de IBM, es decir la cuarta parte de 640x480 píxeles. El sistema VGA se convirtió en uno de los estándares de la industria informática a finales de los 80. Las diversas implementaciones del QVGA no son compatibles ni derivadas de interfaces o chipsets VGA estándar; el término solo hace referencia a la resolución.
También es frecuente encontrar el término QVGA en equipos de grabación de vídeo digital como un modo de grabación (de entre los demás que pueda ofrecer el aparato) que consume poco espacio de almacenamiento, debido a su baja resolución. Es común encontrarlo sobre todo en aparatos multifunción, como cámaras digitales o teléfonos móviles. Cada fotograma de un vídeo QVGA es una imagen de 320x240 píxeles, y suele reproducirse a 15 o 30 fotogramas por segundo. De nuevo, al usar la calificación 'QVGA', se hace referencia únicamente a la resolución; QVGA no es un formato de vídeo.

HVGA (Half Video Graphics Array)
Las pantallas tienen 480×320 pixeles (3:2) y se usa por una variedad de dispositivos de PDA, el iPhone es un reciente ejemplo de un dispositivo de HVGA.

HQVGA (Half Quarter Video Graphics Array)
Las pantallas tienen 240x160 o 160x240 pixeles, son las usadas en los GameBoy Advance. Esta resolución es la mitad de la QVGA.

QQVGA (Quarter Quarter Video Graphics Array)
Este tiene una resolución de 160x120 o 120x160 pixeles, usada normalmente las pantallas de dispositivos portátiles. El termino Quarter-QVGA significa un cuarto de QVGA.

XGA (Extended Graphics Array)
Acrónimo de eXtended Graphics Array (matriz de gráficos extendida), estándar de modo de vídeo. Fue introducido por primera vez en 1990, por IBM en su línea de ordenadores personales PS/2, y permitía una resolución de pantalla de hasta 1.024×768 puntos de pantalla o píxeles, lo que superaba los estándares originales de VGA (Video Graphics Array) y SVGA (Super Video Graphics Array), que alcanzaban 640×480 y 800×600 puntos de pantalla, respectivamente. Además, posibilitaba un mayor número de colores que el anterior sistema IBM 8514/A y daba soporte para vídeo no entrelazado. Posteriormente se presentaron alternativas más avanzadas, como SXGA y UXGA, con resoluciones de 1.280×1.024 y 1600×1.200 píxeles, aunque estas denominaciones no tuvieron una amplia repercusión, dada la aceptación general del término SVGA por parte de los fabricantes de hardware, que suelen referirse a cada resolución como un modo de vídeo SVGA diferente.

XGA+ (Extended Graphics Array Plus)
Este se usa a menudo en monitores de 17 pulgadas. XGA+ normalmente tiene una resolución de 1152x864 (4:3). Como aumenta la popularidad de los LCDs, esta resolución esta disminuyendo en el uso, pero es la resolución nativa de algunos LCDs de 17 pulgadas.

SXGA (Super Extended Graphics Array)
SXGA se refiere a una resolución de monitor estándar de 1280×1024 pixeles. Esta resolución de 1.310.720 pixeles es una mejora del estándar XGA la resolución que IBM desarrollo en 1990.
Esta resolución no es el estándar 4:3 la relación de aspecto, pero 5:4 (1.25:1 en vez de 1.333:1). Un estándar 4:3 el monitor que usa esta resolución tendrá rectangular más bien que pixeles cuadrados, deformando la imagen y haciendo círculos parecer elípticos.

SXGA es la resolución más común sobre 17", 18" y 19" en los LCDs. La mayoría de estos monitores tiene un físico 5:4, evitando cualquier distorsión.

SXGA+ (Super Extended Graphics Array Plus)
SXGA+ comúnmente es usado sobre 14" o el ordenador portátil de 15 pulgadas LCD pantallas con una resolución de 1400×1050 pixeles. SXGA+ es también es el estándar de resolución máximo en muchos proyectores de alta calidad de vídeo. SXGA+ es usada sobre unas pantallas de ordenador portátil de 12" como el ThinkPad X60 y X61 y Toshiba Portégé M200 y M400, pero estos son mucho menos comunes. Sony también usó SXGA + en su serie Z1, pero producirlos para la pantalla grande se ha hecho más predominante.

UXGA (Ultra Extended Graphics Array)
UXGA se refiere a una resolución de monitor estándar de 1600×1200 pixeles, que son exactamente cuádruples la resolución de SVGA (800×600). Dell Computer se refiere a la misma resolución de 1.920.000 pixeles que UGA. Generalmente como se considera, está el siguiente paso encima de SXGA (1280×960 o 1280×1024), pero algunas resoluciones (como SXGA+ 1400×1050) apto en medio los dos.

QXGA (Quad Extended Graphics Array)
QXGA tiene una resolución de 2048×1536 pixeles con un 4:3 de relación de aspecto. El nombre viene del hecho que esto tiene cuatro veces tantos pixeles más que el XGA. Desde 2007, esta es la resolución non-experimental y non-widescreen más alta, y el número de los monitores que pueden mostrar imágenes en esta resolución algo son limitados, sobre todo entre LCDs. El número de monitores de CRT que ofrecen esta resolución en realidad se ha quedado “dormido”.

QSXGA (Quad Super Extended Graphics Array)
QSXGA tiene una resolución de aproximadamente 2560x2048 pixeles con un 5:4 de relación de aspecto. Monitores de escala de gris con 2560x2048 pixeles, principalmente son para el empleo médico, está disponible de Sistemas Planos (Dome E5), Eizo (Radiforce G51), Barco (Nio 5MP), AMPLIA (IF2105MP), IDTech (IAQS80F) y posiblemente otros.

QUXGA (Quad Ultra Extended Graphics Array)
QUXGA describe un estándar que puede tener una resolución de hasta 3200x2400 pixeles, asumiendo un 4:3 la relación de aspecto.

HXGA (Hex Extended Graphics Array)
HXGA y sus derivados son unos relativamente nuevos (desde 2005). Estos términos actualmente son relegados al hardware de cámara científico y profesional digital de calidad superior. Un ejemplo puede ser encontrado en HIPERWALL de un caso donde múltiples displays de WQXGA deben ser apiladas para exceder HXGA o la resolución WHXGA.

HSXGA (Hex Super Extended Graphics Array)
HSXGA es un estándar que puede llegar a una resolución de aproximadamente 5120×4096 pixeles con un 5:4 la relación de aspecto. El nombre viene del hecho que esto tiene dieciséis veces tantos pixeles como un SXGA.

HUXGA (Hex Ultra Extended Graphics Array)
HUXGA es un estándar que puede llegar a una resolución de aproximadamente 6400×4800 pixeles con un 4:3 la relación de aspecto. El nombre viene del hecho que esto tiene dieciséis veces tantos pixeles como un UXGA.

WVGA (Wide Video Graphics Array)
Wide VGA o WVGA son cualquier resolución más amplia que VGA, por ejemplo 800x480, 848x480, o 854x480. Esto es una resolución común entre el televisor portátil y dispositivos hechos a mano permitidos por Internet como es capaz de interpretación de la mayor parte de sitios web en la anchura de página llena (800px).

WSVGA (Wide Super Video Graphics Array)
WSVGA posee una resolución de 1024x600 pixeles.

WQVGA (Wide Quarter Video Graphics Array)
WQVGA posee una resolución de 480x272 pixeles.

WXGA (Wide Extended Graphics Array)
WXGA posee una resolución de 1280x768 pixeles con 5:3 la relación de aspecto.

WXGA+ (Wide Extended Graphics Array Plus)
WXGA+ posee una resolución de 1440x900 pixeles con 8:5 la relación de aspecto.

WHXGA (Wide Hex Extended Graphics Array)
WHXGA posee una resolución de 5120×3200 pixeles con 16:10 la relación de aspecto.

WQUXGA (Wide Quad Ultra Extended Graphics Array)
WQUXGA posee una resolución de 3840x2400 pixeles con 16:10 la relación de aspecto.

WHSXGA (Wide Hex Super Extended Graphics Array)
WHSXGA posee una resolución de 6400x4096 pixeles con 1.56:1 la relación de aspecto.

WHUXGA (Wide Hex Ultra Extended Graphics Array)
WHUXGA posee una resolución de 7680×4800 pixeles con 16:10 la relación de aspecto.

WQSXGA (Wide Quad Super Extended Graphics Array)
WQSXGA posee una resolución de 3200x2048 pixeles con 1.56:1 (25:16) la relación de aspecto.

WQXGA (Wide Quad Extended Graphics Array)
WQXGA posee una resolución de 2560×1600 pixeles con 16:10 la relación de aspecto.

WSXGA+ (Wide Super Extended Graphics Array Plus)
WSXGA+ posee una resolución de 1680x1050 pixeles con 16:10 la relación de aspecto.

Placas de video

Introducción

El ser humano siempre ha buscado la forma de plasmar sus ideas sobre lugares y cosas, compartirlas a los demás, para esto se ha apoyado en el uso de diferentes medios, como son: escritos, libros, símbolos, dibujos, etc., pero en algunas ocasiones estos elementos no pueden mostrar con certeza nuestras ideas o simplemente no son el medio adecuado para ello. Un ejemplo claro es cuando deseamos representar el comportamiento de una ecuación de dos variables, el cual puede ser representado en un plano, como puede ser una hoja de libreta o un pizarrón, sin embargo, cuando se requiere el uso de más de dos variables, es difícil representar esa tercer variable en un plano, es por ello que se recurre a un plano 3D con componentes donde a cada componente se le puede asignar una variable de estudio. Cuando además de querer plasmar la idea, deseamos que también puedan “sentir” la idea y visualizarla como nosotros lo hacemos en nuestra mente, se vuelve aún más difícil, ya que podemos comentarla verbalmente, realizar algún dibujo esquemático en una hoja de papel, pero en ocasiones esto no es suficiente para plasmar nuestras ideas, es entonces cuando podemos hacer uso de las computadoras, la cual nos permite plasmar nuestras ideas tan reales como queramos, permitiéndonos visualizarlas, interactuar con ellas en nuestro entorno virtual, explorarlas y sentirlas como si en realidad estuvieran presentes.
Un ejemplo de esta problemática y su evolución es la visualización de diseños arquitectónicos, los cuales en un principio solo se usaban planos, donde con la ayuda de diferentes instrumentos como son: reglas, transportadores, lápices, estilógrafos, etc., se crean planos estructurales, hidráulicos, etc., que permiten darnos una leve idea de la apariencia y estructura final de la arquitectura a desarrollar. Sin embargo, los procesos usados para crear estos planos son lentos, tediosos, cansados y en ocasiones poco precisos; además de que no permitía hacer modificaciones fácilmente. Al terminar el diseño del dichos planos, éstos eran principalmente entendibles para aquellas personas con suficiente conocimiento en planos, mientras que los clientes (futuros dueños de la propiedad), no podían tener una idea clara del aspecto de la arquitectura al terminar la obra, sólo les restaba tratar de imaginar el diseño del inmueble que el arquitecto tenía en mente.
Actualmente, la capacidad de procesamiento presente en las placas aceleradoras gráficas es explotado casi en su totalidad sólo por los motores de juegos de última generación, ya que la mayoría de esta nueva tecnología está orientada a los videojuegos; esto se debe a que el mercado del entretenimiento electrónico es el que más ingresos obtiene y por lo tanto, el que más invierte en investigación y desarrollo de motores de gráficos de ultima generación.
Historia

Las placas de video surgieron a finales de los 60 cuando se comenzaron a usar los primeros monitores para visualizar los resultados de los procesos realizados por el CPU.
La primer placa de video presentada fue desarrollada por IBM en 1980, la cual se llamó MDA (Monochrome Display Adapter), misma que sólo era capaz de trabajar en modo texto (25x80 líneas en pantalla) y estaba equipada con 4 KB de memoria de video. Estas placas eran usadas en monitores monocromáticos.
Los primeros gráficos a colores se implementaron en 1981, para los cuales se creó una placa llamada CGA (Color Graphics Adapter), ésta podía trabajar tanto en modo texto como en modo gráfico. Era capaz de mostrar 4 colores a una resolución de 320x200 puntos y contaba con cuatro veces más memoria que su antecesora (16 KB).
Posteriormente surgió HGC (Hércules Graphics Card), siendo ésta capaz de mostrar una resolución en pantalla de 720x340 puntos además de incluir 643 KB de memoria integrada; el problema de esta placa fue su incompatibilidad con tarjetas de IBM.
En 1985 IBM presenta su EGA (Enhanced Graphics Adapter), la cual era completamente compatible con sus predecesoras (MDA y CGA). Esta placa era capaz de mostrar una resolución en pantalla de 640x350 puntos y contaba con 256 KB de memoria en video, lo que le permitía representar 16 colores de una paleta de 64.
En 1990 IBM presenta dos placas de video, la VGA (Video Graphics Array) y la MCGA (Memory Controller Gate Array). Las placas VGA establecieron un gran avance en el desarrollo de gráficos de alta calidad, siendo capaces de representar 256 colores de un total de 262,144 tonalidades posibles, a una resolución de 640x480 puntos, contando con la misma cantidad de memoria de video que su antecesora (256 KB). Dicha placa seguía manteniendo la compatibilidad con sus predecesoras (MDA, CGA y EGA), de tal manera que el software desarrollado para las placas anteriores era perfectamente compatible con esta nueva placa de video.
El éxito logrado por la VGA impulsó a otras compañías a incursionar en el área, tales como ATI, Cirrus Logic y S3 (siendo esta última la que dominó gran parte del sector en esta
época). Los principales avances se enfocaron en el incremento de resoluciones y número de colores, dando paso a lo que serían las placas SVGA (Súper VGA). Por consecuente, las memorias de las placas de video también se vieron afectadas incrementándose rápidamente y llegando, a mediados de 1993, a la capacidad de 2 MB. Esta cantidad en memoria permitía alcanzar resoluciones de 1024x768 puntos a 256 colores.
Las placas de video siguieron evolucionando de la misma manera, fue sólo hasta 1995 cuando hubo un cambio importante, debido a que los juegos de esa época exigían mucho más que simples incrementos en resoluciones y colores. Fue entonces cuando compañías como Maxtor, Creative, S3, ATI, entre otras, desarrollaron las primeras tarjetas 2D/3D, las cuales aún seguían siendo SVGA pero con aditamentos extras (como unidades de procesamiento gráfico) que permitían un mejor desenvolvimiento de los juegos de esa generación. Dichas placas tuvieron en un principio un costo elevado, lo que las hacía inaccesibles para su uso en computadoras de escritorio, pero con el tiempo este costo fue disminuyendo.
Fue hasta 1997 cuando surgió una verdadera revolución en 3D con el chip Voodoo, por parte de la compañía 3DFX, el cual tenía la capacidad de calcular 450,000 triángulos por segundo, además de soportar un gran número de nuevos efectos que hacían ver los gráficos por computadora mucho más realistas. Sin embargo había un problema, esta placa sólo realizaba operaciones 3D, por lo que necesitaba de una tarjeta SVGA adicional que se encargara de las operaciones 2D. A pesar de esta carencia, que aumentaba los costos, y de la baja resolución capaz de mostrar (640x480), tuvo muy buena aceptación en los usuarios.
Posteriormente, en 1998, se crea la placa con el chip Voodoo 2 por parte de la misma compañía, la cual contaba con nuevos efectos y una mayor resolución en pantalla (1024x768), aun así, seguía necesitando de una tarjeta de video 2D extra.
Poco después de la aparición de la Voodoo 2, la compañía NVIDIA crea una nueva placa completamente revolucionaria y potente, la TNT. Ésta fue la primer placa que incluía capacidad de procesamiento 2D/3D en una sola placa, su potente procesador era capaz de manipular 6 millones de triángulos por segundo, el doble que una Voodoo 2. Dichas características le ayudaron a tener gran aceptación en los usuarios y fue así como NVIDIA comenzó a acaparar buena parte del mercado.
Posteriormente surgieron, la Voodoo 3 (por parte de 3DFX) con 16 MB en video y capacidad de mover 8 millones de triángulos por segundo, y la TNT 2 (por parte de NVIDIA) con 32 MB en video y capacidad de mover 9 millones de triángulos por segundo.
Todas estas placas funcionaban sobre el slot PCI (Port Communication Interface), pero la capacidad de éste (en ancho de banda y velocidad) se comenzaba a quedar corta para la nueva generación de placas, fue entonces cuando Intel desarrollo el puerto AGP (Acelerated Graphics Port), diseñado especial y exclusivamente para dar soporte a placas de video y solucionar los problemas entre el procesador y las placas de video.
Dado el inminente dominio del mercado por parte de NVIDIA, la compañía 3DFX le vendió su tecnología y equipos. NVIDIA dominó el mercado de finales de 1999 a principios de 2002, en este periodo se enfocó a la creación de nuevos y mejores chips gráficos, ahora denominándolos GPU’s (Unidades de Procesamiento Gráfico), las cuales tienen como función principal desempeñar rápidamente las operaciones matemáticas necesarias para visualizar el entorno, esta innovación dio paso al surgimiento de procesadores gráficos, por ejemplo las series: GeForce, GeForce 2, GeForce 3, GeForce 4, GeForce FX, y la GeForce 6800 entre otras, las cuales son capaces de realizar cada vez más operaciones por segundo y de incluir un gran número de efectos por hardware, tales como T&L (Transform and Lighting), Glow, Ultra Shadows, multitud de filtros, etc.
No sólo los chips gráficos se vieron afectados por la evolución de las placas, sino también la memoria de video, la cual se requería que fuera cada vez más rápida y de mayor capacidad de almacenamiento; es entonces cuando surgen placas de video con memorias DDR y con capacidades de 128 MB, 256 MB y 512MB.
Hoy en día las placas de video son capaces de realizar un número casi infinito de efectos visuales en tiempo real y de procesar un gran número de polígonos, lo cual hace algunos años creíamos imposible. Una placa de video actual es capaz de realizar más de 51 mil millones de operaciones de coma flotante por segundo sólo en el sombreado de píxeles.
La tecnología existente hoy en día nos permite usar numerosas operaciones y efectos (Filtro de texturas, efectos de alto rango dinámico, desenfoque, filtrado anisótropo de 16X, sombras suaves, translucidez, mapas de desplazamiento, etc.) en tiempo real que son factibles en aplicar, ya que no se sacrifica la precisión ni el rendimiento de los equipos, permitiendo llevar el realismo del cine a la computadora.

Introducción a la graficación por computadora

Muchos de nosotros hemos visto entornos virtuales, ya sea en computadoras o en videojuego. Sin embargo, muchos de nosotros no sabemos cómo se crean estos entornos, cómo se genera la interactividad en ellos, qué es lo que hace que algunas computadoras puedan generar entornos virtuales ricos en realismo y otras no, cómo se generan esos efectos visuales tan impactantes que vemos en los juegos y en películas, o cómo pueden darle vida a personajes, animales o cosas que no existen.
Toda escena 3D, llámese entorno virtual, juego, escena renderizada, etc., es creada casi de la misma manera. Cuando vemos un objeto en el mundo real podemos observar que éste cuenta con una definición perfecta y detalles infinitos; incluso cuando nos acercamos más podemos apreciar otros detalles que en un principio no veíamos. Sin embargo, cuando se crea un entorno virtual artificial, éste debe almacenar todos esos detalles en forma digital, además de permitir su manipulación en tiempo real sin retrasos, lo que nos permite producir la sensación de movimiento natural. Además, toda esta información contenida en el entorno es almacenada en memoria con capacidad limitada, lo que impide guardar toda la información detallada que una escena real requiere. Es por eso que, cuando se crea un mundo virtual, se intenta aprovechar al máximo la capacidad de almacenamiento de información para lograr el mejor nivel de detalle posible.
El objetivo que se busca lograr en todo entorno virtual, es el equilibrio entre el nivel de detalle y la facilidad de manipulación de la escena para que podamos movernos en ella sin retrasos.
Todo entorno virtual está compuesto por objetos con propiedades específicas, y cada objeto se compone de primitivas, de las cuales hay diferentes tipos:

§ Píxeles 3D: también llamados voxels

§ Vectores: Indican una dirección

§ Polígonos: triángulos, cuadriláteros

§ Primitivas de volumen: esferas, conos, cilindros

§ Vértices: Coordenadas 3D (x,y,z)

Los polígonos son las primitivas más usadas en la representación de escenas, dichas primitivas están compuestas por vértices que conforman un plano.
Todos los objetos representados en los entornos virtuales están compuestos por polígonos. Normalmente, estos polígonos son triángulos, ya que es el objeto más simple que se puede representar con pocos vértices (3 en total), además de que con el triángulo se pueden representar otro tipo de figuras, tales como un cuadrado (Fig. 1), compuesto de 2 triángulos. Otra ventaja que ofrece el uso de triángulos, es su facilidad de compartir vértices para formar mallas de polígonos más complejas (Fig. 2).



Fig. 1. Cuadro con polígonos

Fig. 2. Malla de triángulos

La mayoría de las placas de video actuales usan triángulos en la representación de geometría en escenas. Las GPU (Unidades de Procesamiento Gráfico) son procesadores especializados en operaciones sobre triángulos y en operaciones de matrices, vectores, etc.
Los vértices contienen diferentes tipos de información:

1. Posición 3D (coordenadas x,y,z).
2. Un identificador, el cual indica a qué triángulo pertenece.
3. Coordenadas de textura.
4. Un vector normal (perpendicular al plano que forma el triángulo)
5. Color e información de iluminación.
6. Parámetros de Skining.

Así es como se crean los objetos en los entornos virtuales, mediante las primitivas de las que están compuestos. Ahora se verá cómo esto se realiza en tiempo real mediante el flujo de procesamiento gráfico 3D, lo cual se logra mediante funciones matemáticas necesarias para representar los gráficos 3D en pantalla.

Tecnologías de graficación 3D


Las tecnologías de graficación son aquellas que nos permiten mostrar objetos u entornos 3D en computadoras o consolas de juegos; dichas tecnologías, a pesar de llevar un mismo propósito (representar gráficos 3D), pueden variar unas de otras.
Algunas tecnologías de graficación tridimensional fueron diseñadas con propósitos específicos, como en la industria del cine (para mejorar la calidad visual de las películas); otras fueron diseñadas con fines científicos (simulación de fenómenos físicos o químicos) o con el simple propósito de entretener. Otras más fueron adaptadas de su propósito original a otro distinto, tal es el caso de la tecnología OpenGL, que fue diseñada por la compañía SGI (Silicon Gráphics) con el fin de usarla en sus supercomputadoras, y que posteriormente fue adoptada en la creación de juegos 3D.

API (Application Program Interface), es una colección de rutinas para escribir programas con soporte para cierto tipo de hardware o sistema operativo. Una API 3D permite crear programas que automáticamente hacen uso de la capacidad de una placa aceleradora gráfica, los cuales se ejecutan directamente en el chip gráfico de ésta mediante lenguajes de bajo nivel.
Las APIs más conocidas y usadas en la graficación para equipos de uso doméstico son:

Direct 3D

Es una API propietaria de Microsoft que fue rechazada por los programadores en sus comienzos, puesto que su programación era bastante compleja; aun así fue fuertemente difundida, ya que Microsoft la incluyó en sus plataformas Windows 95/98.
Existen varias versiones de esta tecnología, que van desde DirectX 5 hasta el actual DirectX 10. Sin embargo, las versiones que más impacto tuvieron en los desarrolladores de software 3D fueron la versión 7 (donde se incluye la tecnología T&L) y la 8, la cual estaba enfocada precisamente al aumento de realismo.

DirectX 8

Esta tecnología incluyó gran variedad de avances significativos, pero el mayor de ellos fue la capacidad de programación, la cual permite a los desarrolladores de gráficos 3D crear efectos y agregar funciones a las unidades de procesamiento gráfico (GPU), mediante cálculos específicos sobre los píxeles y vértices. Las versiones de DirectX posteriores eran flujos de procesamiento fijo, lo que significa que los programadores no tenían la libertad de programar el hardware directamente y tenían que depender de funciones estáticas de la API. El conjunto de instrucciones que incorpora DirectX 8 son instrucciones de bajo nivel.
Una de las primeras GPUs capaz de soportar esta API fue la GeForce 3 creada por la compañía NVIDIA, la cual estaba orientada a equipos de uso doméstico.
La capacidad de programación de DirectX 8 se divide en dos partes. La primera opera sobre los vértices (geometría) y se le conoce como Vertex Shaders (sombreado por vértices) programables. La segunda opera sobre los píxeles y se le denomina Pixels Shaders, ésta permite aplicar efectos personalizados a cada píxel.

OpenGL

Esta API fue creada por la compañía Silicon Graphics (SGI) y es usada en juegos y en programas de aplicación 3D como Maya, 3D Studio MAX, etc.
La tecnología OpenGL está diseñada para ser independiente de plataformas y sistemas operativos, lo que la hace una API portable y de fácil migración. OpenGL puede incorporarse a la red, lo que hace posible crear aplicaciones cliente-servidor, permitiendo que el servidor se ocupe de la compleja simulación gráfica y el cliente únicamente de la visualización.
En OpenGL sólo se cuenta con primitivas de objetos geométricos: puntos, líneas y polígonos. Dado que en un principio las bibliotecas de OpenGL no incluían soporte para ventanas, como por ejemplo: abrir una ventana, cerrar una ventana, escalar una ventana, dar forma a una ventana, leer la posición del cursor; ni soporte a los dispositivos de entrada como la lectura del teclado, Mark J. Kilgard de SGI desarrolló una biblioteca adicional independiente de la plataforma que resuelve este problema, a la cual se le conoce como GLUT-library.
John Carmack fue quien utilizó por primera vez esta API para el desarrollo de juegos de video 3D (siendo Quake el primero de ellos), y la escogió por su facilidad de programación, algo que en ese entonces no ofrecía Direct3D. Posteriormente se crearon más programas y juegos con soporte para OpenGL como Quake II, QuakeIII, 3DMax, Maya, etc., por lo que se requería que las placas de video de esa y posteriores generaciones, soportaran esta API.

VRML

Virtual Reality Modeling Language (VRML) es un lenguaje de modelado de mundos virtuales en tres dimensiones.
En la Primera Conferencia Mundial de la WWW en Ginebra, se aprobó el desarrollo de un nuevo lenguaje que permitiese crear mundos en tres dimensiones a los que se pudiera acceder por la World Wide Web. El lenguaje se desarrolló con base en varios requisitos: que fuese adaptable a la red, que no requiriese anchos de banda elevados, que fuese multiplataforma, etc.
El VRML es un lenguaje textual que describe elementos tridimensionales y entornos interactivos que pueden ser visualizados desde Internet. Éste lenguaje surgió en 1994 y ha ido evolucionando en varias versiones. Aunque un ambiente VRML puede ser generado en un simple editor de texto como el Notepad, existe más de una forma de crear archivos VRML, una opción es mediante lenguajes de bajo nivel, la cual requiere de un pleno conocimiento de las sintaxis del lenguaje de bajo nivel especificadas en la ISO 8879; otra alternativa es usando un programa de diseño 3D en el cual se crea el entorno para posteriormente ser exportado en un archivo VRML compatible, esta ultima alternativa tiene como ventaja la rápida creación de los entornos, gracias a las herramientas de modelado con que cuentan los programas de diseño 3D de la actualidad, y como desventaja el poco acceso a todas las posibilidades del lenguaje VRML, además de que el código generado no es el mas eficiente.
Los archivos VRML son simples archivos de texto que contienen las instrucciones para crear los objetos y el entorno virtual, los cuales pueden ser creados o abiertos con cualquier editor de texto, por ejemplo Notepad. Posteriormente, mediante un visualizador que se carga en nuestro navegador, podemos visualizar el mundo virtual generado a partir de este archivo.
La ventaja de VRML es lo ligero que es, ya que los archivos son sólo texto y no ocupan mucho espacio de almacenamiento, lo que los hace una opción ideal para su uso sobre Internet. VRML es también independiente de la plataforma y el sistema operativo.
La desventaja de VRML es que, dada su simplicidad, no ofrece una amplia gama de efectos visuales ni texturas detalladas que permitan un alto nivel de realismo en entornos virtuales.
Existen otras tecnologías de graficación 3D, como por ejemplo: Glide y Power SGL, las cuales no fueron muy difundidas o incluso ya no se usan en la actualidad. Las tecnologías más importantes y con mayor soporte son las API’s DirectX y OpenGL, las cuales son soportadas por las placas de uso doméstico de última generación.

Características

Antialiasing

El Aliasing, es el efecto de dentado que resulta muy visible en los monitores cuando se crean líneas en ángulos cercanos a líneas verticales u horizontales. A este efecto se le conoce como “jaggies”, irregularidades, escalera o dientes de sierra, debido al aspecto irregular de las líneas que deberían parecer uniformes, donde la altura de cada “diente” es proporcional a un píxel en pantalla.


Aliasing en pantalla completa.

Las distorsiones en pantalla también pueden hacer que las líneas parezcan más gruesas de lo que en realidad son. Ambos “defectos” de la imagen se pueden observar en la siguiente figura, la cual muestra dos versiones de una línea: una línea casi perfecta y otra con irregularidades. (Nota: Las líneas se han ampliado para visualizar mejor el problema).


Aliasing en líneas.

Las distorsiones son causadas por la cuadrícula de píxeles de la pantalla, la cual funciona como si fuera una matriz en la que los píxeles se encuentran ubicados en filas y columnas exactas. El aliasing o distorsión se produce cuando una línea cruza las filas y columnas en un ángulo diferente al formar los bordes de los objetos en la escena, ya sean objetos 3D o imágenes 2D; este efecto reduce mucho el realismo y credibilidad en los objetos. La técnica denominada antialiasing intenta eliminar o reducir esta distorsión.


Tetera sin antialiasing. Tetera con antialiasing.

Existen varias técnicas para eliminar el efecto de aliasing, unas más optimizadas y rápidas que otras. Algunas técnicas se basan simplemente en crear la imagen a una mayor resolución y posteriormente mostrarla en un tamaño menor, lo que cuesta bastante trabajo al procesador gráfico. Otra forma de realizar el antialiasing es generando degradados de colores por píxel entre las fronteras de los objetos o entre la frontera de un objeto y el fondo, engañando así al ojo humano. Hoy en día existen muchas técnicas de antialiasing más rápidas y eficientes, por ejemplo el Quincunx (muestreando píxeles vecinos), Antialiasing 2x, 4x, 6x, 8x, Accuview, Intellisample, etc., todas ellas con el mismo fin: lograr mayor realismo en los objetos mediante la eliminación del efecto de dentado.
A continuación se muestran imágenes comparativas capturadas del juego Quake III que muestran diferentes tipos de antialiasing logrados con una placa de video GeForce 3, además de los rendimientos correspondientes para cada tipo de antialiasing según la compañía NVIDIA.


Quake III con diferentes tipos de antialiasing (AA).



Desempeño en Quake III a 1024x768 a 32 bits.


Como se puede observar en la primer figura, la calidad obtenida con el antialiasing Quincunx y el 4x es muy semejante, sin embargo, de acuerdo a la gráfica de la segunda imagen, el rendimiento obtenido con el método Quincunx es bastante superior al método 4x, ya que logra un incremento de 30 FPS; esto lo convierte en el mejor método (en relación calidad/rendimiento) para eliminar el efecto de aliasing en los entornos virtuales.
El antialiasing provee de entornos virtuales más nítidos y con líneas más definidas, que les da un aspecto más suave, definido y semejante a la realidad, eliminando el molesto efecto de objetos dentados. Gracias a esto, el antialiasing puede proveer un mayor realismo e inmersión en los entornos virtuales.
Como se mencionó anteriormente, existen diferentes tipos de antialiasing, los cuales varían en rendimiento y calidad dependiendo de la placa de video con que se cuente. No se ha dado una explicación completa y detallada de cada uno de los diferentes tipos de antialiasing, sólo se dieron a conocer algunos métodos y se propone aquél que se considera más óptimo en relación a la calidad mostrada y el desempeño obtenido, según pruebas hechas por la compañía desarrolladora de estas tecnologías.
Independientemente del método de antialiasing que se escoja, el simple hecho de usarlo en un entorno virtual arquitectónico ayudará a que éste tenga una apariencia más detallada, suave y realista a la que se obtendría sin usar ninguno de estos métodos.
El antialiasing, además de las ventajas anteriormente mencionadas, ofrece la ventaja de que no necesariamente tiene que ser programado, ya que éste puede ser activado de dos formas: la primera mediante programación en la aplicación 3D y la segunda mediante las opciones de configuración avanzada del controlador de video, el cual puede detectar la aplicación que se está ejecutando y ajustar los parámetros (previamente seleccionados) de antialiasing automáticamente.

Iluminación y Transformación (T&L)

Uno de los aspectos mas importantes que se deben tener en cuenta para mejorar el realismo en los entornos virtuales, es el correcto manejo de luces y sombras.
El principal logro deseado por los gráficos computarizados y diseñadores arquitectónicos, es poder crear en el usuario la percepción de una realidad alternativa.
Los efectos de iluminación mejoran el impacto en los entornos virtuales, ya que confieren mayor realismo a los detalles de una escena, debido a que el ojo humano es más sensible a los cambios de brillo que a los de color. Por ello, la iluminación es uno de los pasos más importantes en la representación gráfica de entornos virtuales, ya que sitúa las imágenes procesadas más cerca de nuestra percepción del mundo real.
Los cálculos de iluminación se usan para modificar de forma sutil o radical el brillo de los objetos 3D y hacerlos más semejantes a los del mundo real. El correcto tratamiento de luces y sombras es de vital importancia para crear escenas realistas que sean más atractivas a los usuarios, ya que, a mayor realismo en las escenas 3D, mayor será su impacto y utilidad.
Como se pueden apreciar en la siguiente imagen, una escena con mejores efectos de iluminación conseguirá transmitir más información al espectador en el mismo lapso, que una que no los tenga.


Ejemplo de iluminación.

En los gráficos 3D, la iluminación consta de dos componentes principales: la iluminación difusa y la iluminación especular. La iluminación difusa es aquella que incide sobre un objeto y se dispersa de igual forma en todas las direcciones, de tal manera que la luz reflejada no depende de la posición del observador; un ejemplo de iluminación difusa en el mundo real es el sol en un terreno de juego. La iluminación difusa también sirve para calcular el brillo de los objetos en las escenas 3D. Por el contrario, la iluminación especular depende de la posición del espectador, la dirección de la luz y la orientación del triángulo en el que se refleja; la iluminación especular muestra las propiedades reflectantes de los objetos y permite crear efectos de reflejos y resplandores. La siguiente imagen muestra dos ejemplos de estos tipos de iluminación.

Luz Difusa Luz Difusa + Luz Especular
Tipos de iluminación.

Los reflejos creados con la luz difusa se mueven a través de los objetos cuando el observador o el objeto se mueven con respecto a la fuente de luz, por lo que deben ser calculados en tiempo real y ser dinámicos a los cambios de posición en el entorno. La iluminación especular se usa para crear efectos de desplazamiento y para dar la apariencia a los distintos materiales de los objetos, por ejemplo, la apariencia de una camisa de seda que es distinta a la de una de algodón o los reflejos en el mármol pulido que serían distintos a los de un mármol sin pulir. El pulido no afecta el color ni la textura del mármol, pero sí el modo en que la luz se refleja en él.
Es tal la importancia que se le ha dado a la iluminación, que la mayoría de las placas de video actuales incluyen, en su GPU, unidades de procesamiento especialmente dedicadas a la iluminación y transformación (T&L).
La iluminación y el sombreado dependen del tipo y posición de la fuente de luz, así como de otros factores adicionales, como son: punto de vista del observador, posición de los objetos, complejidad de los objetos, etc., debido a que las luces y sombras generalmente son dinámicas. Así pues, sin una iluminación integrada, los objetos no pueden reaccionar con precisión a los cambios complejos del punto de vista del observador con relación a las fuentes de luz.
La transformación e iluminación forman parte de uno de los primeros y más importantes pasos en el flujo de procesamiento gráfico 3D de una GPU. Durante este paso es necesario ejecutar un conjunto concreto de instrucciones miles de millones de veces por segundo para procesar una escena. Es tanto el poder de procesamiento que se necesita para calcular las transformaciones e iluminaciones de los entornos, que se optó por incluir motores de transformación e iluminación en las GPU, cuyas funciones son:

- Transformaciones matemáticas entre los diferentes sistemas de coordenadas o “espacios” en los entornos, los cuales pueden ser:
1. Espacio del mundo, el cual contiene todos los objetos 3D del entorno.
2. Espacio del ojo, el cual se usa para iluminar y seleccionar los objetos.
3. Espacio de la pantalla, que es la vista que se muestra al usuario y se almacena en el búfer de tramas gráficas.


Tipos de coordenadas (“espacios”).

Las operaciones de transformación son operaciones de multiplicación de matrices de tamaño 4x4. Un vector que representa datos 3D, se multiplica por una matriz 4x4 llamada matriz de transformación y el resultado es un vector transformado.


Multiplicación de matrices

- Cálculos de luces. Los cuales realiza el motor de iluminación mediante el cálculo de los vectores de distancia entre las luces y los objetos 3D del entorno, y entre los objetos y los ojos del usuario; como ya se sabe, los vectores contienen información sobre la dirección y la distancia, datos que son obtenidos por el motor de iluminación. Los cálculos de luces se utilizan en la iluminación por vértices, pero además, ayudan a crear otros efectos visuales tales como la niebla.
La ventaja que se obtiene al usar motores T&L, es que todos los procesos que anteriormente se realizaban en la CPU y ocasionaban problemas, ahora se llevan a cabo de manera más rápida y eficiente en la GPU, liberando así al microprocesador de esta tarea para que pueda encargarse de otras más específicas (simulaciones físicas, Inteligencia Artificial, etc.) y permitiendo a los desarrolladores crear entornos 3D con mayor riqueza de detalles y objetos más definidos, a las mismas velocidades de trama (FPS).


Uso del T&L.

Como se puede apreciar en la imagen, la posibilidad de usar un mayor número de polígonos puede incrementar enormemente el realismo en los objetos. En la imagen de la izquierda se observa la falta de detalles (ruedas octogonales, puertas simples, etc.) que ocasiona pérdida de realismo, esta carencia de detalles hace una gran diferencia en el nivel de inmersión al momento de crear experiencias interactivas en los usuarios.

Sombreado

Como ya se explicó anteriormente, la iluminación es un factor clave en el aumento de realismo en entornos virtuales; así mismo, como todos sabemos, casi toda fuente de luz produce sombras al incidir sobre un objeto, las cuales dependen de diversos factores como: la posición de la luz, el tipo de luz, el color de la luz, la textura, el tipo de objeto sobre el que incide, etc.
Un entorno virtual puede estar perfectamente iluminado, pero de no existir sombras, el ojo humano no percibe dicho entorno como algo creíble debido a que estamos a acostumbrados a que, al incidir la luz sobre un objeto, éste proyecte su sombra sobre otros objetos o sobre sí mismo. En resumen, un entorno virtual sin sombras provocará en los usuarios un menor nivel de realismo e inmersión, que aquél que sí las proyecte. Lo anterior puede ser apreciado en la siguiente imagen.


Sin sombra Con sombra
Sombras en los entornos.

Las luces y sombras son parte de nuestra existencia, la ausencia de ellas engaña a nuestros ojos y nos provee de poca información sobre el entorno. El ser humano capta inconscientemente mucha información de las sombras, como puede ser: la profundidad de los objetos, la distancia a la que se encuentran unos de otros, la posición de la fuente de luz que los está iluminando, el color de los objetos, el tipo de luz, la intensidad de la luz, entre otros. Por ejemplo, en la imagen anterior sin sombra no se puede apreciar con exactitud la distancia entre las columnas y la pared; por el contrario, la imagen con sombras nos permite apreciar claramente la distancia entre las columnas y la pared, además de provocar una mejor percepción de los espacios y dimensiones de la escena 3D.
Todos los cálculos de luces y sombreado son operaciones matemáticas complejas, las cuales resultan ser demasiadas para procesarse y mostrarse en tiempo real. Para solucionar este problema se creó una técnica llamada Light Maps (mapas de luces) y otra llamada Shadow Maps (mapas de sombras); ambas crean un sombreado e iluminación ficticia a partir de texturas. Este tipo de iluminación no necesita de fuentes de luz, ni de realizar cálculos complejos de incidencia de luces y proyecciones de sombras que sí se requieren cuando se trata de luces dinámicas, y, al no realizar esto, sus procesado es mucho más rápido (Weinhaus y Devarajan 1997).
Estas técnicas de iluminación y sombreado se crean gracias a la capacidad de multitextura que incluyen las GPU’s, la cual permite combinar dos o más mapas de texturas para conseguir efectos especiales más reales en los mundos tridimensionales.

A B C

Multitextura

La imagen A muestra un mapa de textura de ladrillo bidimensional (textura base), la imagen B representa un mapa de luz y sombras (light map) y la imagen C muestra el resultado obtenido al aplicar multitextura. Esta técnica está disponible desde la versión DirectX 7.
El inconveniente de esta técnica es que no permite al usuario cambiar la posición de la luz, su intensidad, o algún otro parámetro de ésta, ya que se utiliza generalmente para sombras y luces estáticas. Además, cuando se necesita de una fuente de iluminación y sombreado dinámico, y se requiere que ésta sea manipulada por el usuario, no se puede hacer uso de esta técnica, por lo que se necesitan algoritmos más complejos que permiten crear luces dinámicas en tiempo real.
Existen muchas técnicas para representar sombras realistas, cada una con su propia ventaja y desventaja. Una de las técnicas más usadas por hardware gráfico es la llamada mapeo de sombras (shadow maps), la cual fue incorporada por primera vez en la GPU GeForce 3 de NVIDIA, y presenta las siguientes características:

• Escenas complejas
El mapeo de sombras funciona bien en las escenas de gran complejidad arbitraria que contienen un gran número de objetos o formas detalladas.
• Bordes de sombra más uniformes
Esta técnica puede suavizar los bordes de las sombras mediante un algoritmo de filtro de exclusivo.
• Auto sombra
Los objetos pueden proyectar su sombra sobre sí mismos.
• Compatible con rendering multitextura
Permite aplicar sombras en un solo paso a aquellos objetos que usan la técnica de multitexturizado, lo que optimiza el ancho de banda de la memoria de video.

Los efectos obtenidos mediante la técnica de shadow maps ofrecen una buena opción para ambientar entornos virtuales realistas que requieran una buena iluminación y sombreado en tiempo real.


Escenas complejas - Bordes suaves - Auto sombras
Técnicas de shadow mapping.

Hasta hace poco tiempo, esta tecnología sólo era implementada en equipos profesionales de renderizado, lejos del alcance de los usuarios convencionales. Fue NVIDIA la primer compañía en incluir este tipo de tecnología en sus placas de video (GeForce 3) orientadas a usuarios convencionales (PC desktops), y en implementar varias tecnologías que dan soporte nativo (por hardware) a la representación de diversos tipos de luces y sombras.
La técnica de Shadow maps hace posible implementar, en diseños arquitectónicos, luces que simulen focos, lámparas o luces ambientales en diferentes horas del día (atardecer, anochecer, etc.). También permite crear las sombras de los objetos según la posición del la fuente emisora de luz y modificar (en tiempo real) los atributos de ésta.
Las placas de video actuales proveen nuevas y más avanzadas tecnologías para crear sombras más detalladas y verosímiles. Un ejemplo de éstas es la tecnología de Ultrashadow de NVIDIA, la cual acelera los cálculos necesarios para determinar las interacciones entre las distintas fuentes de luz y los numerosos objetos y personajes que componen una escena, permitiendo crear entornos virtuales más realistas y veloces. Esta técnica se encuentra implementada en las placas de video GeForce FX 5900, 5700, Go5700 y GeForce 6, siendo esta última la posee soporte para Ultrashadow II, que permite duplicar el rendimiento.
La técnica de Ultrashadow II ya se está implementando en juegos de alto rendimiento y realismo como son Doom III de Id Software y Abducted de Contraband Entertainment; los cuales, gracias al correcto manejo que muestran de la iluminación y el sombreado, y a las tecnologías optimizadoras como Ultrashadow II, logran crear una gran sensación de inmersión en el jugador.
Esta técnica de optimización de sombras se basa en suprimir el análisis de las partes innecesarias de la imagen, mediante la definición (por parte del programador) de una zona en la escena conocida como límites de profundidad que limita los cálculos de luces y sombras únicamente a los objetos que se encuentran dentro de esta área, liberando así a la GPU de cálculos innecesarios. Además, Ultrashadow cuenta con la capacidad de descartar los píxeles ocultos, haciendo que el hardware no tome en cuenta aquéllos que no van a contribuir a formar la imagen final.


Definición de los valores mínimos y máximos para cálculos de luces.

Niveles de Detalle (LODs)

Para lograr un mayor realismo en un entorno virtual, se deben usar escenas complejas y detalladas que requieren un gran número de polígonos y una gran capacidad de procesamiento de gráficos, lo cual, hasta hace algún tiempo, no era fácil de adquirir en equipos de escritorio o en sistemas menos complejos. Por esta razón se decidió realizar versiones más simplificadas de los objetos (lo que implica menos polígonos y menos procesamiento gráfico) sin perder las características visuales de éstos. En 1976, Clark sugirió el uso de versiones más simples de geometría para objetos que tuvieran menos importancia visual, como aquéllos lejanos al observador; a estas simplificaciones se les conoce con el nombre de Niveles de Detalle (LODs) (Clark, 1976).
Los LODs se crearon para resolver el problema entre desempeño en interactividad y convincentes formas detalladas de muchos objetos en una escena. Los LODs automáticos ajustan la complejidad de la forma de los objetos, mediante uno o más parámetros de entrada, mostrando el nivel de detalle más adecuado para las condiciones de vista actual.
Uno de los parámetros de entrada más usados para definir el nivel de detalle que se mostrará en los objetos, es la distancia que hay entre éstos y el observador. Mientras mayor sea la distancia entre el objeto y el observador, menor será el detalle y complejidad del objeto y viceversa. La siguiente imagen muestra un ejemplo de LODs con el parámetro distancia.


Niveles de detalle.

Las placas aceleradoras actuales para computadoras personales o estaciones de trabajo (tales como las GeForce de NVIDIA y la Radeon de la ATI) son capaces de lograr dichos niveles de simplificación dinámicamente por hardware.
La siguiente imagen muestra un objeto en modo Wireframe (modo malla o líneas) con alto y bajo nivel de detalle. La imagen de la izquierda se encuentra más alejada del observador, mientras que la imagen de la derecha se encuentra más cercana al observador.


Bajo nivel Alto Nivel
Niveles de detalle en un dinosaurio.

En resumen, la capacidad de representar distintos niveles de detalle dinámicos (DLOD) en los objetos de un entorno virtual, según la cercanía de éstos con el observador, nos da la posibilidad de no sobrecargar la computadora tratando de representar el máximo detalle de los objetos en el entorno, cuando muchos de éstos ni siquiera son tomados en cuenta por el observador, o no se encuentran en su rango de visión. En caso de que el observador desee visualizar un objeto (o grupo de objetos) con mayor detalle, bastará simplemente con acercarse lo más que pueda al objeto (tal como lo hacemos en la vida real) para apreciarlo con mejor calidad hasta observarlo con el nivel detalle que fue creado.
Un ejemplo del uso de niveles de detalle en la vida real es cuando visualizamos en la lejanía un carro, una persona, ave o avión, y su detalle es poco (dada la distancia a la que se encuentra), pero a medida que nos acercamos a éstos, podemos apreciarlos mejor.

Vertex Shaders (Sombreado por vértice)

Con el fin de incrementar aun más el realismo en los entornos virtuales y videojuegos, se desarrollaron dos nuevas tecnologías: Vertex Shaders y Píxel Shaders, las cuales podían representar una gran cantidad de efectos visuales de alto impacto en los usuarios. Microsoft implementó la capacidad de usar estas dos nuevas tecnologías en su API DirectX 8.0 y posteriores; y fueron NVIDIA, ATI, MATROX, entre otras compañías de placas de video, las que les dieron soporte por hardware.
Mediante el uso de la API DirectX 8.1 de Microsoft y una placa aceleradora que dé soporte a esta tecnología, una computadora de escritorio es capaz de recrear una gran cantidad de impresionantes efectos visuales en tiempo real, lo cual no era posible anteriormente. Estos efectos van desde niebla y efectos de movimiento, hasta agua realista, sombras dinámicas reales, pelo, rugosidad, ola de calor, deformación de procedimiento, etc., y serán mostrados con más detalle posteriormente.
Vertex Shaders es una función de procesamiento gráfico que genera efectos especiales en los objetos de una escena gráfica 3D, permitiendo a los programadores ajustar dichos efectos mediante el uso directo de nuevas instrucciones de software en los motores de sombreado por vértice, las cuales están orientadas a realizar operaciones matemáticas precisamente con los datos almacenados en los vértices de los objetos. Estos datos pueden ser coordenadas x,y,z, color, canal alfa, textura, características de iluminación, entre otros. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de la información que almacena un vértice.


Datos de un vértice.

El sombreado por vértice programable es esencialmente una extensión de los motores de iluminación y transformación, los cuales nos permiten realizar un número casi infinito de efectos visuales de alto detalle, sin afectar las velocidades de trama en tiempo real. Todos los cálculos de sombrado por vértice programable son realizados por la GPU, lo que permite que la CPU se ocupe de realizar otros cálculos matemáticos más específicos.
A continuación se muestran los principales efectos visuales que se pueden crear mediante el uso de Vertex Shaders y las ventajas que ofrecen al usuario:

• Animación compleja de personajes.
Da la posibilidad al usuario de recrear piel y ropa más realista, que se puede estirar y arrugar correctamente en las articulaciones como codos y hombros. También pueden crearse animaciones faciales, las cuales pueden incluir hoyuelos o arrugas que aparecen cuando el personaje sonríe y desaparecen cuando éste deja de hacerlo. Esta característica permite crear gestos más específicos que recrean con más exactitud los estados de ánimo en las personas virtuales (avatar).
Las siguientes imágenes fueron obtenidas de un demo de NVIDIA que hace especial uso de esta tecnología, siendo capaz de mostrar en tiempo real distintos tipos de expresiones humanas en un personaje virtual, además de recrear exitosamente las deformaciones que aparecen en la piel cuando expresamos nuestro estado de ánimo mediante un gesto facial. La capacidad de poder expresar estados de ánimo en los personajes hace que el usuario los perciba más realistas.


Animaciones faciales en tiempo real mediante Vertex Shaders.

La capacidad de Vertex Shaders de admitir hasta 32 matrices de control, permite usar hasta un máximo de 32 huesos y músculos para crear distintos componentes del esqueleto de un personaje. Al incluir huesos y músculos en las animaciones de los personajes, se recrean efectos de movimientos más reales para el espectador, haciéndole creer que el avatar virtual es en verdad una persona.


Animaciones por huesos.

• Efectos de entorno.
Gracias a los Vertex Shaders, es posible crear niebla o humo e incluirlo en las escenas virtuales, pudiendo resaltar ciertos objetos por encima de dicha niebla, gracias a que vertex shaders permite aplicar, de forma selectiva, efectos basados en la altura o elevación de cada vértice en el objeto.


Niebla mediante Vertex Shaders.

Otro efecto de entorno que se puede realizar mediante el uso de vertex shaders es el efecto de ondas de calor, el cual crea la ilusión de deformación de los objetos cuando éstos se encuentran en ambientes muy calurosos (Fig. A).

A B
Efectos visuales extra.

Además de los efectos de calor, pueden crearse efectos cáusticos y de refracción, los cuales son necesarios cuando se desea crear agua con gran realismo en escenas 3D (Fig. B).

• Deformación de procedimiento.
Este tipo de deformación puede añadir movimientos complejos a los objetos, que de otro modo tendrían que ser estáticos o muy poco realistas. Por ejemplo, deformaciones en las ondas de agua, el ondear de una bandera, la respiración en el tórax de un animal o de una persona, deformaciones en la ropa, etc.
Deformación de agua Deformación de bandera

Tipos de deformaciones mediante vertex shaders.


Otro efecto es el de movimiento borroso, como el que se muestra cuando un objeto va a gran velocidad, por ejemplo, una nave espacial a supervelocidades.
El efecto de deformación también puede ser estático en lugar de dinámico, por ejemplo las deformaciones que se producen en un objeto metálico por el impacto de las balas de gran calibre.

A B

Deformaciones estáticas y dinámicas.


• Interpolación de tramas.
Es una técnica similar a la de animación por key frames, la diferencia es que la interpolación de tramas se crea a partir de varias versiones de un objeto, mezclando (interpolando) la posición de cada vértice en dos imágenes (Fig. A y C) y generando una intermedia (Fig. B); la versión interpolada se genera un poco antes de necesitarse y se almacena temporalmente, después es eliminada para generar otra interpolación. Este tipo de animación depende del hardware, por lo tanto, con un hardware mas rápido, se generan más interpolaciones por minuto y la animación resultante es más fluida.



A) Delfín n°1 B) Delfín Interpolado C) Delfín n°2
Interpolación de tramas.


• Efectos de lente e iluminación personalizados:
Gracias a los vertex shaders también podemos crear algunos efectos especiales como los efectos de lentes ópticos. Un ejemplo es el efecto “ojo de pez”, el cual se genera cuando vemos a través de una mirilla de puerta o del visor de una minicámara.
Anteriormente no era posible la iluminación de las dos caras de un polígono, ya que no todas las GPUs eran capaces de gestionar la parte posterior de un triángulo, debido a que la parte interior de un objeto hueco no se ve en pantalla. Intentando resolver esto, los diseñadores creaban dos objetos, uno interior y otro exterior, lo que implicaba el doble de polígonos. Ahora, con vertex shaders esto no es necesario.


Efecto de ojo de pez. Luces personalizadas.

Como se puede observar, los vertex shaders nos permiten crear, en tiempo real, una gran variedad de efectos visuales que antes no eran posibles. Estos efectos aportan un aumento considerable en el realismo de los entornos virtuales, puesto que, gracias a ellos, podemos simular acciones, efectos y eventos que suceden en la vida real y que estamos acostumbrados a visualizar cotidianamente.
Los efectos por vertex shaders generalmente no se aplican solos, sino que se encuentran acompañados de los efectos generados por píxel shaders; los cuales, como veremos a continuación, aportan un detalle extra a los objetos.

Píxel Shaders (Sombreado por Píxel)

Otra técnica que se inventó e implementó en las placas aceleradoras con el fin de aumentar el realismo en los entornos virtuales, es la denominada Píxel Shaders o sombreado por píxel. Esta técnica permite crear efectos especiales de alto realismo mediante pequeños programas (de bajo nivel) que manipulan ciertos píxeles en la escena; algo que habría resultado imposible de conseguir con el hardware 3D anterior.
Muchos de los efectos creados con este tipo de tecnología hacen uso de más de una textura aplicada a un objeto, por lo que es necesario que el hardware gráfico soporte multitexturizado, el cual permite aplicar, en una sola pasada, varias texturas a un mismo objeto.
Los motores nfiniteFX (llamado así por el número casi infinito de efectos posibles de crear) de NVIDIA y SMART SHADERS de ATI, cuentan con la capacidad de gestionar 4 o más texturas en una sola pasada, lo que posibilita la creación de efectos píxel a píxel anteriormente imposibles de generar en plataformas convencionales. La capacidad de aplicar 4 texturas en una sola pasada aumenta el rendimiento en el proceso de rendering, ya que, al hacerlo en varias pasadas, éste se vuelve más lento.
Un efecto visual de alto impacto creado mediante el uso de píxel shaders y la capacidad de multitexturizado, es el efecto de Bump Mapping o mapeado de relieve, el cual crea la ilusión de geometría adicional que puede observarse en los relieves de los pisos, paredes rugosas, ladrillos, arrugas en la piel de animales u objetos, etc. Existen varios tipos de mapeos de relieve: Dot3, EMBM (Environmental Bump Mapping), etc; a continuación se expondrá el Dot3.
El mapeado de relieve Dot3 requiere de la capacidad de procesar múltiples capas de texturas, ya que, para aplicar este tipo de mapeo a los objetos, se necesitan 3 texturas: una textura base, un mapa de altura (Fig. A) y un mapa normal; gracias a ellas se puede definir la superficie visible. El mapa de altura es una imagen a escala de grises, donde los tonos de grises representan la altura del píxel; un píxel más claro (blanco) representa una altura mayor, y un píxel más oscuro (negro) una altura menor. El mapa normal (Fig. B) es un mapa RGB que define el efecto de iluminación en la superficie, es decir, cómo se comportará la luz al incidir sobre las distintas partes del objeto. Cuando se dice “normal” se refiere a la normal matemática que define la dirección de un vector, en este caso, del vector dirección hacia donde será reflejada la luz. La textura base (Fig. C) es una textura RGB que indica el color y la tonalidad del objeto, por ejemplo, para una pared, podría ser una textura de ladrillo. A continuación se muestra un ejemplo de Dot3 bump mapping.

A B C D – Imagen resultante

Dot3 bump mapping.


Como se puede apreciar en la imagen anterior (Fig. D), el efecto de bump mapping permite apreciar los objetos con un detalle semejante al que muestran en la realidad sin necesidad de incrementar el número de polígonos en la escena (la “pared” anterior sólo cuenta con dos triángulos), lo que nos brinda la capacidad de crear entornos virtuales con paredes más realistas, a las mismas velocidades de tramas.
Este tipo de mapeo requiere de una o más fuentes de luz que iluminen los objetos, para así poder producir el efecto de relieve en éstos. A continuación se muestran algunas imágenes que usan este tipo de tecnología:


Ejemplos de pixel shaders.

Todos los cálculos de relieves y sombreado pueden ser modificados en tiempo real dependiendo de la fuente de luz, lo cual hace del mapeo de relieve una técnica ideal para representar escenas en movimiento, como por ejemplo, cuando la luz viaja entre diferentes objetos, es decir, cuando la luz no es estática.
Dado que los mapeos de relieve creados mediante Dot3 bump mapping requieren una o más fuentes de luz y, como se explicó anteriormente, el cálculo de luces es algo complicado, el rendimiento de una escena puede verse disminuido (aún en las placas de video actuales) cuando se usa un gran número de luces, debido al cálculo excesivo necesario para generar los relieves.
Para resolver este posible problema se creó otra técnica de mapeo de relieve, la cual no necesita de una fuente de luz para generar tales relieves, pero sí de la capacidad de multitexturizado por hardware. Esta técnica usa 3 mapas de textura: la textura base (Fig. A), la textura de alturas (Fig. B) y la textura de iluminación (Fig. C), esta última indica cómo incidirá la luz en el objeto. Mediante este tipo de técnica se pueden crear objetos con relieves estáticos a mayor rendimiento que el obtenido con la técnica Dot3 (Fig. D).

A B C D

Mapas de relieve sin fuente de luz.


Como se puede apreciar en la imagen anterior, el relieve de los objetos (en este caso ladrillos) es definido por un mapa de alturas, igual que en las opciones de relieve anteriores; sin embargo, con este tipo de técnica la iluminación es especificada por un mapa, el cual simula la existencia de una fuente de luz. Este tipo de iluminación es muy usado en lugares con fuentes de luces fijas, como por ejemplo, una lámpara que se encuentra fija en una pared rugosa, una lámpara iluminando una calle empedrada, etc.
Si nos damos cuenta, casi todas las luces o fuentes de iluminación que vemos en la vida real son luces estáticas, por lo que podríamos usar frecuentemente este tipo de iluminación y mapeo de relieves sin necesidad de incluir un gran número de luces que saturen nuestra tarjeta gráfica, sólo se incluirían aquéllas que son necesarias para iluminar los objetos, incluso aquellos con pelo.
Gracias a las técnicas de relieve podemos crear objetos con alto grado de detalle e impacto al ojo humano, lo que nos permite crear entornos virtuales más realistas e inmersivos.

Mapas de Desplazamiento por Hardware (HDM)

Otra técnica basada en texturas para crear relieves en los objetos y hacerlos ver más detallados y realistas, es la técnica conocida como Displacement Mapping o mapas de desplazamiento, la cual se encuentra disponible a partir de las librerías DirectX 9.0 y hace uso tanto de píxel shaders como vertex shaders. La primera placa de video que incluyó esta técnica fue la Matrox Parhelia (Matrox 2002).
El HDM tiene el principio básico de la técnica de mapeo de relieve, sin embargo, esta técnica no simula geometría de altura en los objetos, sino que genera geometría real a partir de mapas de desplazamiento; éstos consisten en imágenes a escala de grises, y son similares a los mapas de altura usados en la técnica Dot3 bump mapping. A continuación se muestran los pasos para aplicar la técnica HDM:

1. Primero se requiere de una malla base con pocos polígonos (Fig. A) para posteriormente realizar el teselado (Fig. B), el cual es un proceso que añade más polígonos a la malla base donde ésta los requiera; esto ayudará, en algunos casos, a dar suavidad geométrica a las superficies de los objetos. Matrox usa una técnica llamada N-Patch para realizar el teselado de las superficies.

A B

Teselado de superficie.


2. El siguiente paso es aplicar el mapa de desplazamiento (Fig. A) a la malla teseleada. Este mapa modificará (de forma semejante a la técnica de mapeo de relieve) la geometría de la malla, de manera que las partes más oscuras de éste representen en la malla las zonas de más bajo nivel y las más claras las de más alto nivel (Fig. B).

A B

Aplicando mapa de desplazamiento y texturizado.


El mapa de desplazamiento también puede ser dinámico (teselado dinámico), lo que permite aplicar distintos niveles de detalle a la superficie, manteniendo una suave transición entre la geometría de los objetos cercanos y lejanos. Esta diferencia en niveles de detalle se crea gracias a los mip-maps (versiones más pequeñas de la textura original), cuya variación permite incrementar los detalles en las superficies cercanas a la cámara y decrementarlos en aquéllas lejanas a la misma, reduciendo así la cantidad de polígonos necesarios en la escena, por ejemplo de 165,150 triángulos (Fig. B) a 17,794 triángulos (Fig. A) en la siguiente imagen.

A

B
Mip-maps aplicados en displacement maps.


3. El último paso en este proceso es el aplicado de texturas y efectos por píxel (píxel shaders) y por vértice (vertex shaders). A este proceso se le conoce como renderización de la escena y mediante éste se obtiene la imagen final que se muestra al usuario.



Gran Cañón usando Displacement Mapping.

La principal ventaja de generar geometría real a partir de los mapas de desplazamiento, es que los objetos pueden proyectar sombras reales ya sea sobre sí mismos o sobre otros objetos, algo que no se puede hacer con los mapas de relieve.
Para entender mejor las diferencias entre bump mapping y displacement mapping, a continuación se muestra un mismo objeto pero con diferentes técnicas de rugosidad.



Diferencias entre Bump Mapping y Displacement Mapping.

Como se observó anteriormente, gracias al mapeo de desplazamiento podemos añadir mayor realismo a los entornos virtuales arquitectónicos de una manera más fácil, ya que nos permite generar (no simular) geometría y su respectiva sombra a partir de simples texturas. Esta geometría puede crear en lo usuarios la impresión de que lo observado es más real. Por ejemplo, si se desea crear un castillo con paredes de ladrillos resaltados, anteriormente sólo se aplicaba la textura plana de ladrillos a la pared, con lo cual no se lograba una apariencia muy real; ahora, podemos hacer que los ladrillos en realidad existan y emerjan de la pared haciéndola parecer más realista e impactante al usuario.


Diferencia entre texturizado normal y displacement mapping.

Otra de las ventajas de usar displacement mapping es la capacidad de crear modelos de personajes detallados a partir de modelos más simples (con pocos polígonos), es decir que, con el mismo modelo simple, se pueden crear diferentes tipos de personajes cambiando únicamente la textura de desplazamiento, la cual variará conforme al personaje que se desee crear. Esta posibilidad ofrece además la ventaja de ocupar menos espacio en disco para el almacenamiento de los modelos de personajes, por lo que la aplicación total se verá beneficiada en su reducción de tamaño.


Modelos de personajes usando Displacement Mapping.


Como se puede apreciar en la imagen anterior, a partir de un modelo base se crearon tres personajes diferentes: un ser extraterrestre, un hombre y una mujer, únicamente cambiando la textura de desplazamiento aplicada al modelo simple.
Gracias a los mapas de desplazamiento, es posible crear personajes más detallados sin necesidad de diseñarlos con tanta complejidad. El nivel de detalle del personaje puede ser modificado una vez que se encuentra en la escena y cambiar dinámicamente dependiendo de la distancia del observador, permitiendo que, a una distancia cercana, un personaje pueda mostrar arrugas en la cara, cuello, etc., e incluso simular las elevaciones de la piel producidas por los huesos.


Modelo detallado usando Displacement Mapping.

La tecnología de displacement mapping es de gran utilidad y de mucha aplicación, sin embargo, esta tecnología únicamente está disponible en las librerías de DirectX 9.0 y posteriores, y en aquellas placas de video que soportan esta API. Algunos modelos de placas de video que la soportan son: por parte de NVIDIA, toda la serie GeForce FX y las más actuales GeForce 8600; por parte de ATI, desde la serie 8500, 9700, 9700Pro, la serie 9800 y las nuevas X800; por parte de Matrox la serie Parhelia, etc. Existen otras compañías que desarrollan placas de video con soporte para las librerías de DirectX 9, sin embargo, las placas de las compañías anteriormente mencionadas, son las que mejor se comportan según los resultados de algunos de los Benchmarks de placas de video, como el 3D MARK de la compañía FUTUREMARK..
Cualquiera que sea su elección, si desea incluir la tecnología Displacement Mapping en su aplicación o videojuego, asegúrese de que su Sistema Operativo se encuentre actualizado con las librerías de DirectX 9 y de que la placa de video de su elección tenga soporte para dicha API.
Además de las tecnologías antes mencionadas (píxel shaders, vertex shaders, etc.), existen otras herramientas e impactantes efectos visuales que se pueden generar mediante el uso de hardware gráfico.

Motion Blur

Cuando una cámara crea una imagen, esa imagen no representa un sólo instante del tiempo. Por las restricciones tecnológicas o los requisitos artísticos, la imagen representa la escena sobre un período de tiempo. Como los objetos en un movimiento de la escena, una imagen de que la escena debe representar una integración de todas las posiciones de esos objetos, así como también el punto de vista de la cámara, sobre el período de exposición determinada según la velocidad del obturador. En tal imagen, cualquier objeto moviéndose con relación a la cámara se verá borroso o embarrado a lo largo de la dirección de movimiento relativo. Esto puede ocurrir en un objeto que se mueve o en un segundo plano de estática si la cámara se mueve. En una película o una televisión la imagen, esto se ve natural porque el ojo humano se comporta adentro muy en la misma forma.
Porque el efecto se debe al movimiento relativo entre la cámara, y los objetos y la escena, el trazo confuso de movimiento puede ser evitado moviendo la cámara en relación a los objeto, adecua la cámara a rastrear esos objetos en movimiento. En este caso, aún por mucho tiempo la fotografía cronometra, los objetos aparecerán más afilado, y los antecedentes más borrosos.

Animación por Computadora: de modo semejante, en la animación de la computadora de tiempo real cada marco muestra un ejemplo perfecto con el tiempo (análogo para una cámara con un obturador infinitamente rápido), con trazo confuso de movimiento de cero. Esto está por que un juego del video con una tasa del marco de 25-30 cuadros por segundo parecerá extraño, mientras el movimiento natural filmado en la misma tasa del marco aparece continuo. Para compensar para esto, las tasas del marco más altas se prefieren, de 60 marcos por segundo o más. La mayoría de los vídeos juegos de la siguiente generación presentan trazo confuso de movimiento, especialmente los de carreras o simuladores de vuelo se les agrega el efecto trazo confuso de movimiento para simular una velocidad acelerada (como una cámara).
En la animación presuministrada de la computadora, algo semejante como películas CGI, simplemente la elevación la tasa del marco no es siempre posible, pero el trazo confuso realista de movimiento puede trazarse porque el suministrador tiene mucho más para trazar cada marco. El aliasing temporal produce marcos como una mezcla de muchos instantes.

Componentes

GPU

La GPU (Graphics Processing Unit, Unidad de Procesado de Gráficos) es un procesador (como la CPU) dedicado al procesamiento de gráficos; su razón de ser es aligerar la carga de trabajo del procesador central y, por ello, está optimizada para el cálculo en coma flotante, predominante en las funciones 3D. La mayor parte de la información ofrecida en la especificación de una placa de video se refiere a las características de la GPU, pues constituye la parte más importante de la placa. Dos de las más importantes de dichas características son la frecuencia de reloj del núcleo, que en 2006 oscilaba entre 250 MHz en las placas de gama baja y 750 MHz en las de gama alta, y el número de pipelines (vertex y fragment shaders), encargadas de traducir una imagen 3D compuesta por vértices y líneas en una imagen 2D compuesta por píxeles.

Memoria de video (VRAM)

Según la placa de video esté integrada en la motherboard o no, utilizará la memoria RAM propia de la computadora o dispondrá de una propia. Dicha memoria es la memoria de vídeo o VRAM. Su tamaño oscila entre 128 MB y 892 MB. La memoria empleada en 2006 estaba basada en tecnología DDR, destacando DDR2, GDDR3 y GDDR4. La frecuencia de reloj de la memoria se encontraba entre 400 MHz y 1,8 GHz.
Una parte importante de la memoria de un adaptador de video es el Z-Buffer, encargado de gestionar las coordenadas de profundidad de las imágenes en los gráficos 3D.

RAMDAC

El RAMDAC es un conversor de digital a analógico de memoria RAM. Se encarga de transformar las señales digitales producidas en la computadora en una señal analógica que sea interpretable por el monitor. Según el número de bits que maneje a la vez y la velocidad con que lo haga, el conversor será capaz de dar soporte a diferentes velocidades de refresco del monitor (se recomienda trabajar a partir de 75 Hz, nunca con menos de 60). Dada la creciente popularidad de los monitores digitales y que parte de su funcionalidad se ha trasladado a la placa base, el RAMDAC está quedando obsoleto.

Salidas

Los sistemas de conexión más habituales entre placa de video y el dispositivo visualizador (como un monitor o un televisor) son:

SVGA: estándar analógico de los años 1990; diseñado para dispositivos CRT, sufre de ruido eléctrico y distorsión por la conversión de digital a analógico y el error de muestreo al evaluar los píxeles a enviar al monitor.

DVI: sustituto del anterior, fue diseñado para obtener la máxima calidad de visualización en las pantallas digitales como los LCD o proyectores. Evita la distorsión y el ruido al corresponder directamente un píxel a representar con uno del monitor en la resolución nativa del mismo.

S-Video: incluido para dar soporte a televisores, reproductores de DVD, vídeos, y videoconsolas.

Otras no tan extendidas en 2007 son:

Vídeo Compuesto: analógico de muy baja resolución mediante conector RCA.
Vídeo por componentes: utilizado también para proyectores; de calidad comparable a la de SVGA, dispone de tres clavijas (Y, Cb y Cr).

HDMI: tecnología digital emergente en 2007 que pretende sustituir a todas las demás.

Interfaces con la mother-board

ISA: arquitectura de bus de 16 bits a 8 MHz, dominante durante los años 1980; fue creada en 1981 para los IBM PC.

MCA: intento de sustitución en 1987 de ISA por IBM. Disponía de 32 bits y una velocidad de 10 MHz, pero era incompatible con los anteriores.

EISA: respuesta en 1988 de la competencia de IBM; de 32 bits, 8.33 MHz y compatible con las placas anteriores.

VESA: extensión de ISA que solucionaba la restricción de los 16 bits, duplicando el tamaño de bus y con una velocidad de 33 MHz.

PCI: bus que desplazó a los anteriores a partir de 1993; con un tamaño de 32 bits y una velocidad de 33 MHz, permitía una configuración dinámica de los dispositivos conectados sin necesidad de ajustar manualmente los jumpers. PCI-X fue una versión que aumentó el tamaño del bus hasta 64 bits y aumentó su velocidad hasta los 133 MHz.

AGP: bus dedicado, de 32 bits como PCI; en 1997 la versión inicial incrementaba la velocidad hasta los 66 MHz.

PCIe: interfaz serie que desde 2004 empezó a competir contra AGP, llegando a doblar en 2006 el ancho de banda de aquel. No debe confundirse con PCI-X, versión de PCI.

Dispositivos refrigerantes

Debido a las cargas de trabajo a las que son sometidas, las pla-cas video alcanzan temperatu-ras muy altas. Si no es tenido en cuenta, el calor generado puede hacer fallar, bloquear o incluso averiar el dispositivo. Para evitar-lo, se incorporan dispositivos refri-gerantes que eliminen el calor excesivo de la placa. Se distinguen dos tipos:

Disipador: dispositivo pasivo (sin partes móviles y, por tanto, silencioso); compuesto de material conductor del calor, extrae este de la placa. Su eficiencia va en función de la estructura y la superficie total, por lo que son bastante voluminosos.

Ventilador: dispositivo activo (con partes móviles); aleja el calor emanado de la tarjeta al mover el aire cercano. Es menos eficiente que un disipador y produce ruido al tener partes móviles.
Aunque diferentes, ambos tipos de dispositivo son compatibles entre sí y suelen ser montados juntos en las placas de video; un disipador sobre la GPU (el componente que más calor genera en la placa) extrae el calor, y un ventilador sobre él aleja el aire caliente del conjunto.

Alimentación

Hasta ahora la alimentación eléctrica de las placas de video no había supuesto un gran problema, sin embargo, la tendencia actual de las nuevas placas es consumir cada vez más energía. Aunque las fuentes de alimentación son cada día más potentes, el problema se encuentra en el puerto PCIe que sólo es capaz de aportar una potencia de 150 W. Por este motivo, las placas de video con un consumo superior al que puede suministrar PCIe incluyen un conector (PCIe power connector) que permite una conexión directa entre la fuente de alimentación y la tarjeta, sin tener que pasar por la placa base, y, por tanto, por el puerto PCIe.
Aún así, se pronostica que no dentro de mucho tiempo las placas de video podrían necesitar una fuente de alimentación propia, convirtiéndose dicho conjunto en dispositivos externos.

Fabricantes

En el mercado de las placas de video se distinguen dos tipos de fabricantes:
De chips: generan exclusivamente la GPU. Los dos más importantes son:

NVIDIA
ATI


De placas: integran los chips adquiridos de los anteriores con el resto de la placa, de diseño propio. De ahí que placas con el mismo chip den resultados diferentes según la marca.

NVIDIA
NVIDIA Corporation (Nasdaq: NVDA) es un fabricante estadounidense de procesadores gráficos (GPUs), chipsets, placas de video y dispositivos para consolas (Playstation 3). Con base en Santa Clara, California, es junto con ATI Technologies e Intel Coporation, uno de los líderes del sector. En 2001, tuvo beneficios por valor de 1.370 millones de dólares.

ATI
AMD/ATI Technologies Inc. es la mayor empresa de hardware que diseña procesadores gráficos, placas de video y procesadores. Su mercado acapara todo tipo de productos para el procesamiento gráfico y multimedia, tanto para computadoras personales, como para dispositivos portátiles, videoconsolas, teléfonos móviles y televisión digital. Su fundación data del 20 de agosto de 1985 (ATI). A la empresa se le ha conocido por varios nombres. Se fundó llamándose Array Technology Inc., pero durante los primeros 5 meses se le cambió a Array Technologies Inc., el 18 de diciembre de 1985 pasó a llamarse ATI Technologies Inc., y definitivamente paso a ser parte de AMD el 25 de octubre de 2006.
ATI tiene su sede en Markham, Ontario, en Canadá. Su plantilla laboral, de acuerdo con su sitio web corporativo, es de 3.300 empleados directos en el continente americano, Europa y Asia. Aunque la manufactura de los productos de ATI se realiza principalmente en Canadá y Taiwán.

Conclusión

Este trabajo práctico presenta un caso de estudio en el cual se analiza la historia, funcionamiento, tecnologías, características, etc. de los monitores y placas de video. Podemos ver que la tecnología tuvo un gran avance en estos últimos años, ya que la grafica obtenida supero muchas expectativas y otras no, pero esas expectativas que no se obtuvieron dan paso a continuar con la investigación de nuevas tecnologías y tratar de mejorar día a día “desperfectos” gráficos y brindar mas beneficios a los usuarios, ya sea en calidad, como en precio.

Glosario


Colores: En cuanto a número de colores nos referimos a la cantidad de colores que puede representar a la vez. La combinación de estos 2 parámetros (Resolución, color) están estrechamente relacionados a mayor resolución menor número de colores a representar, y la inversa.
DRAM: Se utilizaban en las placas de video mas antiguas obtienen un refresco de 60hz.
EDO: O ‘EDO DRAM’ el estándar en placas de calidad media, de muy variables refrescos dependiendo de la velocidad de la EDO entre 40hz (la velocidad de la memoria no el refresco asociado) son las peores y de 25 Hz las mejores.
Driver: El encargado de colocar en la memoria de video los datos procedentes de la aplicación que está ejecutándose es el microprocesador, este se encarga de convertirlos en información y que sean representados a través del monitor.
Entrelazado: Es una técnica que permite al monitor alcanzar mayores resoluciones refrescando el contenido en 2 pasadas en lugar de uno, primero las líneas impares y luego las pares. Lo malo de esta técnica es que produce un efecto de parpadeo muy molesto, debido a que el tiempo de refresco no es lo suficientemente pequeño como para mantener el fósforo activo entre las dos pasadas, este modo cansa muchísimo la vista, por esos procurar que vuestro monitor sea no-entrelazado.
Frecuencia de refresco: Es el número de veces que se dibuja la pantalla por segundo a mayor veces de dibujo de la pantalla, menos se nos cansara la vista. Esta frecuencia se mide en hertzios por ejemplo 70hz significa que la pantalla se dibuja cada 1/70 de segundos.
Memorias de video: A mayor memoria mejor, su tipo determina si conseguiremos una buena velocidad de refresco de pantalla o no.
Monitor: Es uno de los periféricos de salida más usual, en el se ve la información suministrada por la computadora.
Monitores color: Las pantallas de estos monitores están formadas internamente por tres capas de material de fósforo, una por cada color básico (rojo, verde y azul). También consta de tres cañones de electrones e igual que las capas de fósforo, hay uno por cada color.
Para formar un color en pantalla que no sea ninguno de los colores básicos, se combinan las intensidades de los haces de electrones de los tres colores básicos.
Monitores CRT: Son las tradicionales cuya base es un tubo de rayos catódicos, están formada por dos filtros polarizantes con filas de cristales líquidos alineados perpendicularmente entre sí, de modo que al aplicar o dejar de aplicar una corriente eléctrica a los filtros, se consigue que la luz pase o no pase a través de ellos, según el segundo filtro bloquee o no el paso de la luz que ha atravesado el primero.
Monitores LCD: Las tecnologías han ido evolucionando, las primeras pantallas usaban tecnología DSTN o matriz pasiva, las actuales hacen uso de la tecnología TFT (Thin Film Transistor) o de matriz activa y las que vienen ya no usaran LCD sino Plasma con la que en la actualidad se construyen las grandes pantallas de TV. Las pantallas planas cuestan una 7 veces más que las tradicionales CRT. En un principio solamente se utilizaban para los ordenadores portátiles pero la tecnología ha permitido la fabricación de pantallas de mayor tamaño por lo que se comercializan también para los ordenadores de sobremesa.
Monitores monocromáticos: Muestra por pantalla un solo color: negro sobre blanco o ámbar, o verde sobre negro. Uno de estos monitores con una resolución equivalente a la de un monitor color si es de buena calidad, generalmente es más nítido y más legible.
Monitores de Plasma: Son lo ultima generación, obtiene una resolución excelente y una tamaño realmente superior a los de hoy.
Píxel: Es la mínima unidad de información grafica que es representable en un monitor. Cada píxel en la pantalla se enciende con un determinado color para formar la imagen. De esta forma, cuanto más cantidad de píxeles puedan ser representados en una pantalla, mayor resolución habrá. Es decir, cada uno de los puntos será más pequeño y habrá más al mismo tiempo en la pantalla para conformar la imagen. Cada píxel se representa en la memoria de video con un número, dicho número es la representación numérica de un color especifico, que puede ser de 8, 16 o más bits. Cuanto más grande sea la cantidad de bits necesarios para representar un píxel, más variedad de colores podrán unirse en la misma imagen. De esta manera se puede determinar la cantidad de memoria de video necesaria para una cierta definición y con una cierta cantidad de colores.
Pulgadas: Es el tamaño de un monitor viene determinado en pulgadas y existen de 9’’,14’’,15’’,17’’,19’’, 20’’ y 21’’ aunque hay que tener en cuenta que dicha medida no hace referencia a la zona de visión real de la pantalla, sino a la longitud diagonal de la pantalla.
Resolución: Es el numero de puntos que es capaz de presentar la tarjeta de video tanto en forma vertical y horizontal. Por ejemplo la resolución 800 x 600 significa que tendrá 600 rectas de 800 puntos cada una.
SDRAM: La SDRAM adaptada para uso grafico, de los mejor en el mercado, camino de ser estándar.
Tamaño del punto: Esta es una de las características que depende del tubo, y define el tamaño que tendrá cada uno de los puntos que forman la imagen, por tanto cuanto más pequeño más preciso será. No confundir el tamaño de punto con el ‘píxel’ este depende de la resolución de la pantalla, y puede variar, mientras que el punto es fijo, y depende exclusivamente del tubo. El tamaño normal es alrededor de 0,28 mm y es aconsejable que no sea de mayor tamaño, en todo caso menor, como los 0,25 de los tubos Trinitron.
Tarjeta gráfica, de video ó adaptador de video: Es el elemento de hardware que se encarga de controlar la información que aparece en la pantalla del monitor.
VRAM – WRAM: Bastantes buenas aunque en desuso en tarjetas de calidad, muy buenas características.