TEMA 4 Cuestionario Avanzado de Iluminación y Sombreado en Gráficos 3D

¿Cuál es la principal diferencia conceptual entre Iluminación (Lighting) y Sombreado (Shading)?. La iluminación se aplica a toda la superficie plana, mientras que el sombreado afecta a un punto específico de la cámara. La iluminación calcula el color de la luz mediante matemáticas en un punto específico, mientras que el sombreado define cómo aplicar este modelo a toda la superficie interpolando valores para darle aspecto tridimensional. La iluminación solo calcula las sombras proyectadas de los objetos y el sombreado añade texturas y color. Son dos términos indistinguibles para describir el mismo proceso matemático.

¿Qué característica es definitoria del modelo de Iluminación Local?. Calcula exhaustivamente los reflejos rebotados entre todos los objetos. Es un proceso muy lento que no se puede utilizar en motores de tiempo real. Solo considera fuentes de luz directas, la posición del observador y las propiedades del material, sin tener en cuenta la luz reflejada por otros objetos. Permite generar de forma precisa efectos de refracción a través de cristal.

En el modelo de iluminación básico de Phong (1975), ¿cuáles son los tres componentes que se suman para calcular el resultado final?. Directa, Indirecta y Global. Lambert, Blinn y Gouraud. Radiosidad, Raytracing y Cáusticas. Ambiente, Difusa y Especular.

Dentro de los componentes del modelo de Phong, ¿de qué depende la luz Difusa según la Ley de Lambert?. Exclusivamente de la posición de la cámara o el observador en el espacio. Del ángulo de reflexión que forma la luz al rebotar en otra pared adyacente. Del ángulo formado entre la normal de la superficie y la fuente de luz directa. De la cantidad de fotones capturados por el kd-tree.

¿Cuál de las componentes del modelo de Phong básico se ve afectada por la posición de la cámara u observador?. La luz Ambiente. La luz Difusa. El componente Especular. La atenuación por la distancia.

¿Qué efecto visual, provocado por el Flat o Facet Shading, es una ilusión óptica del cerebro que exagera el contraste entre bandas oscuras y claras contiguas?. Color Bleeding. Aliasing geométrico. Cáusticas de refracción. Mach Banding.

¿Cómo opera el método de Gouraud Shading (Smooth Shading)?. Calcula el color una sola vez en el centro del polígono y pinta toda su extensión por igual. Interpola las normales de los vértices y luego recalcula la iluminación pixel a pixel. Calcula el color exclusivamente en los vértices del polígono e interpola ese color resultante hacia el interior (scanline). Divide los polígonos en múltiples parches y calcula las transferencias energéticas mediante factores de forma.

¿Qué desventaja principal tiene el Gouraud Shading en comparación con modelos de sombreado más detallados?. Puede perder o ignorar brillos especulares si éstos inciden en el centro de un polígono grande, debido a que solo calcula la luz en los vértices. Genera Mach Banding intenso y bordes completamente planos. Es extremadamente lento y exige muchísima memoria RAM. Es imposible de utilizar en motores en tiempo real como OpenGL.

¿Cuál es la diferencia principal entre el Phong Shading y el Gouraud Shading?. Phong Shading interpola los colores desde los vértices, mientras que Gouraud interpola la densidad de fotones. Phong Shading interpola las normales desde los vértices hacia el interior y recalcula la luz pixel a pixel, logrando resultados más precisos y mejores brillos especulares. Gouraud es más realista que Phong porque calcula la luz por cada píxel de la malla tridimensional. Gouraud Shading es una versión optimizada de Phong y requiere muchos menos recursos para brillos.

¿Qué modelo de sombreado se cita explícitamente como una variante optimizada del Phong Shading?. Gouraud Shading. Blinn Shading. Flat Shading. Path Tracing.

¿Cómo se soluciona el problema de las anomalías visuales en la interpolación que surgen al tener vértices no compartidos o mala orientación en quads y n-gons?. Aplicando un filtro post-procesado para desenfocar los bordes problemáticos. Utilizando un mapa de Radiosidad antes de hacer el sombreado. Triangular la malla siempre antes del shading para garantizar una geometría estable. Evitar la rotación de los modelos dentro de la escena.

¿Qué significan las siglas BRDF en el contexto de iluminación?. Basic Ray-Tracing Distribution Factor. Bidirectional Radiosity Dual Format. Bidirectional Reflectance Distribution Function. Blinn Reflection and Diffuse Function.

¿Qué dispositivo real se utiliza para medir físicamente las propiedades BRDF de un material?. Hemicubo tridimensional. Goniofotómetro. Osciloscopio lumínico. Espectrómetro de masas.

Según la función BRDF, ¿cómo se comportan los materiales clasificados como Anisotrópicos (por ejemplo, metales pulidos)?. Reflejan la luz de forma uniforme independientemente del ángulo, similar a un plástico. Atrapan por completo la luz, resultando en un material negro perfecto (superficie sin rebote). Tienen una reflexión que cambia o varía dependiendo de la dirección de la que proviene la luz. Emiten su propia luz al interactuar con otras fuentes de forma constante.

¿Qué fenómeno de iluminación global se caracteriza por una interreflexión difusa donde la luz rebota y adquiere el tono de la superficie sobre la que impacta?. Ray Casting secundario. Atenuación inversa. Color Bleeding. Especularidad cruzada.

¿Cuál es la finalidad de utilizar Mapas HDRI en la configuración de la escena 3D?. Sustituir toda la geometría de la escena para ahorrar recursos. Envolver la escena para proporcionar una iluminación global realista y reflejos precisos basados en fotografías del mundo real. Aplicar un filtro de alto contraste a la renderización en tiempo real. Dividir la escena en parches y calcular la radiosidad más rápido.

En la técnica de Ray-Tracing clásico, ¿desde dónde se trazan o lanzan los rayos inicialmente?. Desde las superficies de los objetos hacia todas las fuentes de luz. De forma aleatoria dentro de la escena para calcular el brillo ambiental. Desde el observador (la cámara) hacia los objetos del entorno. Desde cada fuente de luz direccional hacia los polígonos.

¿Qué tipo de interacciones de la luz domina mejor el algoritmo original de Ray-Tracing?. La luz indirecta ambiental y el rebote difuso. Reflexiones puras en espejos, refracciones y sombras nítidas. La luz rebotada en superficies altamente rugosas. Las manchas lumínicas en superficies de colores vivos.

¿Por qué el clásico Ray-Tracing (espejos y cristal) NO funciona bien para calcular el efecto del Color Bleeding?. Porque el Ray-Tracing asume rebotes directos y perfectos, y no está diseñado para manejar bien la interreflexión indirecta difusa en la que se basan estos efectos. Porque exige millones de parches geométricos. Porque no calcula la transparencia de los cristales y asume que todos los objetos son opacos. Porque lanza fotones que sobrecargan la memoria RAM antes de calcular la luz indirecta.

¿Cuál fue la característica fundamental del antiguo sistema "Ray Casting" ideado en 1968?. Que requería la creación de un kd-tree para guardar los fotones en la memoria. Que calculaba millones de rebotes difusos secundarios con ecuaciones de Monte Carlo. Que solo determinaba la visibilidad de los objetos desde la cámara, sin procesar rebotes de luz secundarios. Que creaba cáusticas a través de volúmenes densos.

¿En qué principio se basa la técnica de Path Tracing para mejorar las limitaciones del Ray-Tracing?. Lanza un único rayo perfecto que envuelve la escena con un mapa HDRI. Lanza nuevos rayos de forma aleatoria mediante el método de Monte Carlo al colisionar con una superficie, para rastrear fuentes de luz directa e indirecta. Ignora la cámara y solo envía fotones desde las lámparas a través de un hemicubo. Interpola el color entre todos los polígonos grandes sin requerir luz artificial.

¿Qué problema colateral principal introduce el método de Path Tracing en la imagen renderizada?. Bordes muy afilados conocidos como Mach Banding en todos los modelos. Ruido y granulado visual abundante que solo desaparece aplicando numerosas muestras y tiempo de cálculo. Brillos excesivamente perfectos sobre superficies mates, arruinando el realismo. La imposibilidad de capturar reflejos puros tipo espejo.

La Radiosidad (Radiosity) es un algoritmo diseñado primariamente para simular: Reflexiones perfectas y el efecto óptico de mirar a través del cristal. La visibilidad primaria de la cámara en escenas de gran poligonaje. El aspecto metálico de superficies anisotrópicas. Interacciones difusas perfectas y el principio de conservación de energía entre todas las superficies.

Para realizar los cálculos de la técnica de Radiosidad, ¿qué operación estructural se debe aplicar primero a los modelos de la escena?. Reemplazar todos los triángulos por superficies NURBS matemáticas. Convertir todos los modelos opacos en materiales dieléctricos. Dividir la escena geométricamente en piezas matemáticas llamadas "Patches" o parches. Guardar los vértices en un archivo de memoria RAM como kd-tree.

¿Qué describe el término "Factor de Forma" (Form Factor) en la Radiosidad?. Es el índice de refracción físico de un objeto transparente que desvía la luz. Es una relación estrictamente geométrica que determina el porcentaje de energía que sale de un parche y logra impactar en otro. Es un multiplicador para ajustar el color de los bordes suavizados de la malla. Es el número de rebotes aleatorios que lanza el Path Tracing.

Al hablar del Factor de Forma, se destaca una ventaja clave de su cálculo frente a otros modelos. ¿Cuál es?. Se puede ignorar por completo la topología de la malla original. Exige un goniofotómetro para calibrarlo virtualmente antes del render. No depende de los materiales de la superficie ni de la vista del observador (la cámara). Modifica físicamente las texturas y requiere recalculado continuo por cada frame.

¿Cuál de los siguientes pares describe dos métodos utilizados para calcular el Factor de Forma en Radiosidad?. Hemicubo y Area sampling. Z-Buffer y Ray Casting. Monte Carlo y HDRI. Gouraud y Phong interpolation.

¿Qué ventaja ofrece que el algoritmo de Radiosidad sea "independiente de la vista"?. Permite exportar los archivos a cualquier motor gráfico sin pérdidas geométricas. El cálculo se realiza para toda la escena, permitiendo que la cámara se pueda mover sin tener que recalcular las luces difusas. Que no es necesario colocar fuentes de luz en la escena porque la cámara crea un foco de iluminación global. Los rebotes de luz nunca terminan, haciéndolo ideal para vídeos hiperrealistas.

¿Cuál es la limitación visual fundamental del algoritmo puro de Radiosidad?. Solamente puede iluminar zonas afectadas por luces en movimiento. Presenta problemas al calcular rebotes difusos como el color bleeding. No puede calcular brillos especulares ni reflejos y exige mucho coste en la subdivisión geométrica. Consume toda la memoria RAM para albergar millones de fotones invisibles.

¿Cómo abordan típicamente los motores de renderizado el problema de la Radiosidad con los reflejos especulares?. Creando un modelo anisotrópico que aplique Gouraud Shading en paralelo. A través de un método híbrido de dos pasadas: combinando Radiosity para la luz difusa con Raytracing para los reflejos. Aumentando la densidad del kd-tree hasta disolver los bordes. Convirtiendo las imágenes a mapas HDRI durante el post-procesado.

A diferencia de la Radiosidad, ¿qué particularidad tiene el algoritmo de Mapeo de Fotones (Photon Mapping) respecto a la geometría de los modelos 3D?. Depende exclusivamente del tamaño de los polígonos, obligando a subdividir intensamente. Es un algoritmo de dos pasadas pero es independiente de la geometría y no requiere subdividirla en patches. Sustituye las normales geométricas por rayos aleatorios. Utiliza solo puntos tridimensionales eliminando las caras de los modelos.

Durante la fase 1 (Construcción o Emisión) de los Mapas de Fotones, ¿qué ocurre en la escena?. Se disparan rayos desde la lente de la cámara que detectan texturas de los polígonos. Se colocan parches que emiten una fuerza radiante basada en factores de forma usando hemicubos. Se lanzan fotones desde las fuentes de luz que rebotan o se absorben, guardándose en un kd-tree. Se envuelve toda la geometría con una imagen cúbica HDRI.

¿Qué es un kd-tree en el contexto del mapeo de fotones?. Una variante del Path Tracing. Un material isotrópico. Una estructura 3D en la cual se guardan las posiciones finales de los fotones emitidos. Un error de programación provocado por la excesiva cantidad de rebotes.

La fase 2 del Mapeo de Fotones se denomina Renderizado (o Gathering). ¿Cómo funciona?. Envía de vuelta los fotones a las luces para medir la energía residual. Calcula las sombras difusas interpolando normales de la malla de polígonos. Traza rayos desde la cámara y, al chocar, lee la densidad de fotones cercanos en el kd-tree para definir el nivel de iluminación del punto. Usa la imagen HDRI para pintar píxeles según la información de cámara.

¿Para simular qué fenómeno complejo es especialmente recomendado y eficiente el uso de Mapas de Fotones (Photon Mapping)?. Las refracciones que concentran haces de luz formando dibujos curvos a través del cristal o agua (Cáusticas). Los reflejos idénticos y rectos de los espejos en un pasillo vacío. El aliasing que aparece al usar resoluciones muy bajas de imagen. La ilusión visual de alto contraste del Mach Banding.

¿Cuál es un problema operativo que afecta frecuentemente a la técnica del Mapa de Fotones en la práctica?. Limita seriamente los movimientos de cámara porque demanda un recálculo geométrico continuo. Requiere un goniofotómetro para medir las superficies o fallará en la simulación. Consume mucha cantidad de memoria RAM al almacenar millones de fotones y los objetos muy pequeños pueden quedar mal iluminados si son escasos. Descompone la imagen completa en ruido granulado puro que jamás converge.

¿Qué técnica asume rebotes perfectos y maneja muy bien espejos y cristales pero NO la luz indirecta o difusa por sí sola?. Radiosidad (Radiosity). Gouraud Shading. Mapas de Fotones. Ray-Tracing.

¿Qué modelo de iluminación (Lighting) es más rápido de procesar y comúnmente usado en motores gráficos para videojuegos?. Iluminación Local. Iluminación Global. Radiosidad Híbrida. Path Tracing Direccional.

En Iluminación Local, ¿qué afirma la ley sobre la atenuación de la luz?. Que el color de la luz se contamina progresivamente al tocar otras superficies. Que el brillo especular mutará al color del HDRI cuanto más tiempo pase. Que la intensidad de luz generada decrece gradualmente a medida que aumenta la distancia a la fuente lumínica. Que todas las luces terminan convirtiéndose en luz ambiente en un entorno cerrado.

¿Cómo soluciona Blinn Shading el procesamiento respecto a Phong Shading?. Cambia la iluminación a un formato volumétrico de kd-tree. Es una variante optimizada que agiliza el recálculo pixel a pixel de Phong. Modifica el brillo de la luz ambiente a luz especular. Evita el cálculo de los vértices reescribiendo la posición de la cámara.