CLÚSTER DE RENDERIZADO PARA LA GENERACIÓN DE MODELOS TRIDIMENSIONALES

1.- Problema de Investigación

1.1 Contexto y Justificación

En 1990 la Secretaría de Educación Pública emprendió una serie de estudios y análisis de experiencias académicas en varias naciones para definir un modelo pedagógico de educación superior vinculado con nuestro contexto socioeconómico, como resultado se crea el Sistema de Universidades Tecnológicas, cuya característica fundamental es su relación con el sector productivo y con la sociedad. (Coordinación General de Universidades Tecnológicas, 2011).
Como consecuencia de lo anterior, se concibió un sistema de educación tecnológica superior que prestara servicios al sector productivo de bienes y servicios, así como a la sociedad en general y que, al mismo tiempo, ampliara las expectativas de los jóvenes mexicanos. Este sistema se materializó en lo que hoy conocemos como Universidades Tecnológicas, las cuales ofrecen el Título de Técnico Superior Universitario y actualmente ofrecen a su vez Títulos de Ingeniería.
La Universidad Tecnológica de Morelia se basa en este modelo educativo,  ofrece:

• Un sistema polivalente, lo que quiere decir que en tu formación profesional abarcarás uno o varios grupos de actividades generales aplicables a todas las ramas del sector productivo de bienes y servicios, de tal forma que al egresar tengas la capacidad de adaptarte a diferentes formas de trabajo.
• Continuidad, como egresado puedes continuar estudios de Licenciatura o Ingeniería en otras Instituciones, contando para ello con un gran avance al revalidarte las materias ya cursadas.
• Intensidad, el plan de estudios se imparte en 2 años cubriendo 3,000 horas de estudio en promedio.
• Flexibilidad, cuenta con planes y programas de estudios flexibles que se revisan y adaptan continuamente a las necesidades del sector productivo de la zona de influencia de la Universidad.
• Eficacia, permite que los planes y programas de estudio estén en relación con las necesidades reales de la planta.

La Universidad Tecnológica de Morelia es un organismo público descentralizado que pertenece al Sector Educativo Superior y Medio Superior del Estado de Michoacán de Ocampo. Entre sus atribuciones están las siguientes:

• Formar técnicos superiores universitarios y/o ingenieros a partir de egresados de Bachillerato, en las carreras de Mantenimiento Industrial, Biotecnología, Diseño y Producción Textil y Tecnologías de Información y Comunicación;
• Proporcionar educación superior tecnológica, de acuerdo a los planes y programas de estudios, carreras y modalidades educativas establecidas por la Coordinación General de Universidades Tecnológicas, para garantizar una formación profesional y una cultura científica y tecnológica adecuada;
• Organizar y desarrollar programas de intercambio académico y colaboración profesional con organismos e instituciones culturales, educativas, científicas o de investigación nacionales y extranjeras;
• Establecer la organización administrativa necesaria y contratar los recursos humanos adecuados para su operación, de conformidad con las disposiciones aplicables, el presupuesto de la Universidad y su Decreto de creación;
• Adoptar su estructura orgánica básica, de conformidad con los lineamientos que para tal efecto se expidan;
• Planear y programar la enseñanza e incorporar en sus planes y programas de estudio, los contenidos particulares, locales o regionales necesarios que contribuyan a satisfacer las necesidades de la comunidad, elevando su calidad de vida;
• Proponer los planes y programas de estudio, así como sus adiciones o reformas a la aprobación del Consejo Directivo y de la autoridad correspondiente;
• Planear y desarrollar programas de actualización y superación académica, dirigidos a los miembros de la comunidad universitaria y de la población en general;
• Reglamentar los procedimientos de selección, ingreso y permanencia de los alumnos en la institución, de conformidad con lo dispuesto para el consejo Directivo;
• Regular los procedimientos de ingreso, permanencia y promoción, en su caso, del personal académico atendiendo las recomendaciones que sugieran en el seno del Consejo Directivo;
• Expedir constancias, certificados de estudio, títulos, diplomas, reconocimientos, distinciones especiales que se requieran, conforme a las disposiciones aplicables;
• Establecer los procedimientos y requisitos de acreditación y certificación de estudios, de conformidad con las disposiciones aplicables;
• Promover la congruencia del calendario escolar con el aprobado por la autoridad educativa competente;
• Implementar programas de investigación y vinculación;
• Organizar actividades culturales y deportivas que permitan a la comunidad el acceso a las diversas manifestaciones culturales y contribuir al desarrollo integral del educando;
• Impulsar estrategias de participación y concertación con los sectores público, privado y social para la realización de actividades productivas, con los más altos niveles de eficiencia y sentido social; y
• Las demás necesarias para el cumplimiento de su objeto.

La Universidad Tecnológica de Morelia, se basa en un modelo educativo de 70% práctica y 30% teoría que es una de sus fortalezas frente a sus competidores.
Para poder lograr lo anterior, la universidad cuenta con infraestructura adecuada como aulas, laboratorios que apoyan a la realización de prácticas en cada una de las carreras, además de contar con un centro de información en el cual los usuarios pueden realizar consultas por Internet en la sala de consulta electrónica  o bien consultar libros especializados en la biblioteca.
Una de las bondades de este sistema es la atención personalizada que se le brinda al alumno a  través de un tutor, el cual es asignado a cada grupo y él es el encargado de dar seguimiento académico a cada alumno, el alumno cuenta con el apoyo de los técnicos académicos para la realización de prácticas en los diferentes laboratorios con los que cuenta la Universidad además el alumno tiene el derecho de recibir asesoría tanto por parte del profesor como del tutor asignado, lo cual ayuda a su crecimiento académico.
En las Universidades Tecnológicas se imparten programas educativos con duración de dos años, Nivel 5B, con los que se obtiene el título de Técnico Superior Universitario.
La Universidad desde su decreto de creación inició una serie de estudios de mercado laboral, dando como resultado definir las carreras profesionales requeridas por el sector productivo. Derivado de los estudios de viabilidad se concluyó como necesaria la implementación de cuatro carreras: Biotecnología, Diseño y Producción Industrial, Mantenimiento Industrial y Tecnologías de la Información y Comunicación, Actualmente y derivado de las tendencias y necesidades de contar con nuevos programas educativos que satisfagan la demanda de los usuarios se contempla que para el ciclo escolar 2011-2012 se integren dos carreras nuevas: Gastronomía y Energías renovables, carreras que sin lugar a duda harán de la Universidad Tecnológica de Morelia una de las mejores opciones de estudio para los jóvenes.
En la carrera de Tecnologías de Información y Comunicación, se ofertan dos especialidades Sistemas Informáticos y Multimedia y Comercio Electrónico, esta última cuenta con laboratorios de computo en donde se imparten materias de especialización como Multimedia I, Multimedia II, Desarrollo de Aplicaciones Web y Animación 3D, las cuales requieren de equipo de computo especializado para realizar aplicaciones multimedia.
Uno de los principales problemas al trabajar con estas materias consiste en el tiempo que tarda el crear la escena final en 3D, es decir construir cada fotograma de la animación o película en 3D, dicho proceso puede tardar dos o tres minutos tomando en cuenta requerimientos de baja calidad, por cada segundo de película animada necesitamos al menos 24 cuadros y si tomamos en cuenta que un cortometraje puede durar minutos entonces una sola PC tardaría semanas o meses durante todo el día construyendo los cuadros ya que esto requiere una potencia de cálculo demasiado elevada lo que resulta generar el lento proceso de renderización para conseguir los resultados finales deseados.

Aunado a esto con las nuevas tecnologías como la alta definición que requiere de mayores características para obtener el resultado final. El tiempo de render depende en gran medida de los parámetros establecidos en los materiales, luces y  texturas utilizadas, así como de las configuraciones del programa de renderizado.
En la tabla 1 se muestran los tiempos empleados en renderizar una misma escena de prueba de poca complejidad en distintas máquinas. La imagen resultado que se ha obtenido es de resolución aproximada de (720x576), en formato NTSC (National Television System Committee) (Finder, 2010). El motor de render utilizado ha sido Vray, utilizando una de las técnicas que obtienen resultados fotorrealistas.

En la tabla 2 se muestran los tiempos que se tardo en renderizar una escena de prueba de poca complejidad en distintas máquinas. La imagen resultado que se ha obtenido es de resolución aproximada de (640 x 480), usando parámetros propios del software 3D MAX, como son reflexión, desplazamiento, bump, transparencia, sombras de área e iluminación global. El motor de render utilizado ha sido Vray.
Una vez hechas estas pruebas se tiene como conclusiones lo siguiente: para dar la sensación de movimiento, las imágenes se tendrían que mostrar a una periodicidad de 24 fotogramas por segundo ante el usuario. De este modo, para un cortometraje de dos minutos de duración habría que obtener 3000 fotogramas, en cuyo render se invertirían 36,000 minutos usando el primero de los equipos de la tabla 1 y 2. Por lo anterior y en base a las pruebas que se han llevado a cabo podemos determinar, que el principal problema en este tipo de proyectos es claramente el tiempo de respuesta del procesador. (Electrónico, 2010)
Por lo tanto la utilización de computadoras hoy en día se ha vuelto una práctica común en las actividades de la vida diaria, y debido al gran número de tareas que se tienen que procesar, se vuelve necesario contar con equipo de cómputo de mayor capacidad técnica.
Para que además con la incorporación de nuevas tecnologías permitan realizar este trabajo con mayor rapidez sin la necesidad de sacrificar aspectos como la velocidad de proceso y la calidad de los resultados. La incorporación de dispositivos de cómputo con mayores capacidades implica realizar un gasto excesivo, factor que hace que muchas organizaciones vean limitadas sus expectativas de realizar proyectos de mayor relevancia.
Existen varias razones para utilizarlo una de ellas es en el diseño y desarrollo de hardware o software, en el ámbito de la animación 3D que es el tema trascendental de este trabajo, el uso de técnicas de renderizado de modelos tridimensionales y recorridos virtuales por medio de imágenes reales, requieren de mayor velocidad de procesamiento para obtener un alto rendimiento o mayor velocidad de ejecución del programa. (flytech, 2007)
En esencia, las técnicas de simulación de modelos matemáticos y la tecnología computacional actual ofrecen una combinación excelente que ayudan a hacer realidad los conceptos de manipulación, exploración y descubrimiento. Los medios múltiples con que cuenta la computadora permiten agregar claridad; sin embargo, se ha explorado poco sobre la integración de métodos didácticos, técnicas de simulación y facilidades de cómputo; es aquí en donde nuestro proyecto tendría un alcance mayor.
De lo anterior podemos determinar que en la Universidad Tecnológica de Morelia, se determinaron las siguientes problemáticas respecto al tiempo en que tarda el renderizado de imágenes o la creación de video:

1. En cuarto y quinto cuatrimestre los alumnos tienen en su retícula las materias de Desarrollo de Aplicaciones WEB, Modelado 3D, Multimedia I y Multimedia II, materias que ocupan de computadoras con mayores requerimientos tanto de hardware como de software para la realización de prácticas y trabajos de modelado y animación, por lo que al momento de realizar los renderizados se tarda mucho en procesar estas actividades, por lo que es necesario que los equipos de computo se queden prendidos por horas e inclusive hasta días enteros, lo que ocasiona que cuando se utiliza el laboratorio de multimedia para impartir otras clases esas computadoras no se puedan utilizar por que están realizando un proceso de renderizado por lo que se considera tiempo muerto; otro problema es el aumento en el consumo de energía y en ocasiones la descompostura de los equipos.

2. La Universidad Tecnológica de Morelia, dentro de sus actividades ofrece servicios tecnológicos, es decir, ofrece servicios de capacitación, consultorías y últimamente se está ofertando el servicio de realización de modelos tridimensionales y recorridos virtuales; lo que conlleva a que los tiempos de entrega de los productos anteriormente mencionados en ocasiones no se puedan determinar con precisión, debido al tiempo que tardan los equipos en realizar el proceso de renderizado, lo que incurre en la penalización por parte de los contratantes o hasta la cancelación del proyecto.

Para calcular el costo de renderizado de un proyecto tomamos en cuentas las siguientes variables:

• Punto de vista, se debe de determinar si es exterior o interior
• Iluminación, se debe de definir el tipo de iluminación que se utilizará ya sea diurna o nocturna.
• Tipo de Diseño, minimalista o de estilo
• Grado de Definición, si es un renderizado de tipo esquemático o hiperrealista
• Entorno, establecer si es un modelado es decir creación de figuras  a base de prismas y polígonos o si el modelo es en base a un foto modelado; es decir modelar todo el entorno.

Tomando en cuenta estas variables para elaborar un modelo tridimensional y recorrido virtual, el primer paso es construir una maqueta digital en base a polígonos, mediante la utilización del procesamiento de equipo de computo, para lo cual son necesarios los planos de plantas, fachadas, cortes y otros detalles especiales; enseguida se busca el punto óptimo para visualizar la mejor perspectiva del modelo, cabe señalar que esto se hace sin la utilización de materiales y sombras, una vez que es aprobado el punto de vista se procede a realizar el armado de la escena con vegetación, accesorios, gente, vehículos, movimientos, materiales, transparencias, luces, etc. Por lo tanto podemos decir que el costo por segundo de renderizado es de $250.00, si el renderizado tiene una duración de 1 minuto el costo por este proceso es de $15,000.00.
Respecto a las penalizaciones se tiene contemplado que en caso de no entregar en los tiempos establecidos, el cliente haga una penalización del 20% del precio total del producto renderizado, lo que conlleva a la universidad a tener pérdidas por la no entrega del producto.
La justificación de este trabajo reside en utilizar un enfoque distinto a la hora de abordar la etapa de renderizado, con el objetivo principal de reducir el tiempo empleado para ello. Debido a que existe una gran comunidad de desarrollo en el diseño y creación de modelos tridimensionales y recorridos virtuales se refiere, proyectos como este son importantes porque las mejoras conseguidas afectan beneficiosamente a un gran número de personas. De hecho, existen muchas empresas y entidades que utilizan mecanismos de representación realista, como centros de investigación científica, empresas de publicidad, y entidades relacionadas con el sector del ocio (videojuegos. películas de animación y recorridos virtuales).

En la siguiente tabla se muestran algunos de los proyectos que se han realizado como parte de los servicios tecnológicos que ofrece la Universidad Tecnológica de Morelia, así como su costo, el tiempo de renderizado y la penalización por proyecto, cabe señalar que estos proyectos no se entregaron a tiempo debido al proceso de renderizado, en donde la penalización es del 20% sobre el costo total del proyecto.