Según el Principio de Arquímedes, un objeto total o parcialmente sumergido es afectado por una fuerza vertical hacia arriba, conocida como fuerza de empuje de magnitud igual al peso del fluido desalojado. Esta descripción simple explica un conjunto variado de efectos que son ubicuos en la naturaleza y están cada vez más presentes en videojuegos, animaciones generadas por computadora y aplicaciones gráficas interactivas en general. Si bien existen soluciones al problema del acoplamiento entre fluidos y sólidos para algunos casos particulares, es necesario el desarrollo de nuevos modelos de flotabilidad precisos y sufi cientemente generales. En esta tesis, se propone un método para computar de manera realista el problema del acoplamiento fluido-a-sólido que es adecuado para un amplio espectro de casos, como objetos rígidos o deformables, sólidos o huecos, permeables o impermeables y con distribución de masa variable. En el caso de objetos permeables que permiten el ingreso de líquido hacia dentro del objeto, el método presentado incorpora la dinámica del fluido en el que el objeto está sumergido y desacopla el cómputo de las magnitudes físicas involucradas en la fuerza de flotabilidad del objeto vacío respecto al líquido contenido dentro de él. Por otro lado, la apariencia visual de ciertos materiales depende de su propiedades intrínsecas de transferencia de luz, de la iluminación presente y de otras contribuciones de ambiente. En particular, esto se produce en el caso de materiales porosos, rugosos o absorbentes donde la presencia de líquido sobre la super cie altera de manera signifi cativa la función de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF) que, a su vez, resulta en cambios notables en la apariencia visual. Por esta razón, el renderizado de materiales que alteran su apariencia bajo condiciones de humedad continúa siendo un tópico de relevancia en el área de Computación Gráfi ca. En esta tesis, además, se introduce una nueva técnica para modelar y renderizar los cambios de apariencia de los materiales absorbentes cuando existe líquido en su super cie. En primer lugar, se desarrolló un nuevo método para resolver el problema de la interacción entre un medio líquido y la super cie de un objeto utilizando, para esto, sus coordenadas de textura. Seguidamente, se propuso un algoritmo para modelar los principales procesos físicos que ocurren en la super cie de un objeto sólido húmedo o mojado. Finalmente, se extiende el modelo propuesto por la literatura para explicar el cambio de apariencia de ciertos materiales absorbentes bajo condiciones de humedad y se implementa un algoritmo logrando tiempos aptos para aplicaciones en Tiempo-Real. La solución completa es diseñada teniendo en cuenta la implementación en arquitecturas superescalares y usando aceleración por GPU (Graphics Processing Unit), permitiendo su integración con los pipelines de procesamiento gráfi co actuales. / Following the celebrated Archimedes' Principle, any object wholly or partially immersed in a fluid is subject to an upwards force, known as buoyancy force, equal to the weight of the uid displaced by the object. This simple description is the origin of a set of effects that are ubiquitous in nature, and are becoming commonplace in games, animation, and interactive applications in general. Even though there are solutions to the fluid-to-solid coupling problem in some particular cases, to the best of our knowledge, comprehensive and accurate computational buoyancy models adequate in general contexts are still lacking. We propose a real-time GPU-based algorithm for realistic computation of the fluid-to-solid coupling problem, which is adequate for a wide generality of cases (rigid or deformable objects, solid or hollow, permeable or waterproof, and with variable masses). The method incorporates the dynamics of the fluid on which the object is immersed, and decouples the computation of the physical parameters involved in the buoyancy force of the empty or dry object from the mass of liquid contained inside. The dynamics of this mass of liquid are also computed, in a way such that the relation between the center of mass of the object and the buoyancy force may vary, leading to complex, realistic behaviors such as the one arising with a sinking boat. The visual appearance of materials depends on their intrinsic light transfer properties, the illumination and camera conditions, and on other environmental contributions. In particular, this is the case in porous, rough, or absorbent materials, where the presence of liquid on the surface alters signi cantly their BRDF (bidirectional reflectance function), which in turn results in signi cant changes in their visual appearance. For this reason, rendering materials that change their appearance when wet continues to be a relevant topic in Computer Graphics, especially when real-time photo-realistic rendering is required in scenes involving this kind of materials in interaction with water or other liquids. In this paper we introduce a physically inspired technique to model and render the changes in appearance of absorbent materials when liquid is present on their surface. First, we develop a new method to solve the interaction between the liquid phase and the object surface using the latter's own underlying texture coordinates. Then, we propose an algorithm to model the difusion phenomenon that occurs in the interface between a solid porous object and a translucent liquid. Finally, we extend a model which explains the change of appearance of materials under wet conditions, and we implement it achieving real-time performance. The complete model is developed using GPU (Graphics Processing Unit) acceleration, which can be seamlessly integrated with the usual rendering pipeline in the most popular graphic libraries.

[ES] Este documento revisa desde una amplia bibliografía técnica e histórica la evolución de la simulación tridimensional sobre superficies planas; luego, el uso de la imagen animada y del aprovechamiento de la electrónica y las computadoras para crear imagen digital 3D, tanto para investigación y entretenimiento. En el capítulo I se detallan los primeros intentos artesanos y artísticos usados para representar el movimiento y el volumen tridimensional, explorado inicialmente desde culturas antiguas. Luego, se explica por qué el observar y describir el comportamiento de la luz provocó en científicos europeos del siglo XV al XVIII el deseo de combinar óptica y mecánica para simular figuras animadas y luego el desplazamiento de objetos inertes. El capítulo III muestra el contexto técnico, donde se profundiza en tecnologías para render, articulación de geometrías digitales, modelado, color y texturizado, junto con los primeros hitos en computación, hardware y software, en algoritmos que permitieron desde la electrónica y el píxel reproducir líneas, imágenes texturas y luz digital. El último capítulo muestra paso a paso el flujo de trabajo, las técnicas y los recursos de producción usados en dos proyectos 3D, realizados por el autor de este documento: el primero es la completa producción (en modelado, texturizado, color e interacción) de un personaje con forma humana realista en 3D interactivo y su simulación realista de un ambiente selvático, basado en la cultura amazónica huaorani. El segundo proyecto expone la completa producción de un personaje robot del animé japonés en 3D, junto con su ambientación. Se concluye que el deseo de transformar la materia inerte, más la suma de disciplinas técnico-artísticas diversas, confluyó en tres grandes fundamentos de la animación y del 3D digital: el deseo de simular volumen y movimiento, la acción de alterar el plano, y la actividad divulgadora de la ciencia y sus resultados. / [CA] Aquest document revisa, des d'una àmplia bibliografia tècnica i històrica, l'evolució de la simulació tridimensional sobre superfícies planes; i després, l'ús de la imatge animada i l'aprofitament de l'electrònica i els ordinadors per crear imatge digital 3D, tant per a la recerca com per a l'entreteniment. Al capítol I es detallen els primers intents artesanals i artístics utilitzats per representar el moviment i el volum tridimensional, explorat inicialment des de cultures antigues. Després, s'explica per què l'observar i descriure el comportament de la llum va provocar en científics europeus del segle XV al XVIII el desig de combinar òptica i mecànica per simular figures animades i després el desplaçament d'objectes inerts. El capítol III mostra el context tècnic, on s'aprofundeix en tecnologies per renderitzar, articulació de geometries digitals, modelat, color i texturat, juntament amb els primers fites en computació, maquinari i programari, en algoritmes que van permetre des de l'electrònica i el píxel reproduir línies, imatges, textures i llum digital. El darrer capítol mostra pas a pas el flux de treball, les tècniques i els recursos de producció utilitzats en dos projectes 3D realitzats per l'autor d'aquest document: el primer és la completa producció (en modelat, texturat, color i interacció) d'un personatge amb forma humana realista en 3D interactiu i la seva simulació realista d'un ambient selvàtic, basat en la cultura amazònica huaorani. El segon projecte exposa la completa producció d'un personatge robot de l'animació japonesa en 3D, juntament amb la seva ambientació. Es conclou que el desig de transformar la matèria inerta, més la suma de disciplines tècnicoartístiques diverses, va confluïr en tres grans fonaments de l'animació i del 3D digital: el desig de simular volum i moviment, l'acció d'alterar el plànol, i l'activitat divulgadora de la ciència i els seus resultats / [EN] This document reviews, from a broad technical and historical bibliography, the evolution of three-dimensional simulation on flat surfaces; and subsequently, the use of animated imagery and the exploitation of electronics and computers to create three-dimensional digital imagery, both for research and entertainment purposes. Chapter I details the earliest artisanal and artistic attempts used to represent movement and three-dimensional volume, initially explored by ancient cultures. It then explains why the observation and description of light behavior led European scientists from the fifteenth to the eighteenth centuries to desire to combine optics and mechanics to simulate animated figures and later the movement of inert objects. Chapter II presents the technical context, delving into technologies for rendering, articulation of digital geometries, modeling, color, and texturing, along with the earliest milestones in computing, hardware, and software, in algorithms that allowed lines, images, textures, and digital light to be reproduced from electronics and pixels. The final chapter outlines step by step the workflow, techniques, and production resources used in two 3D projects carried out by the author of this document: the first is the complete production (in modeling, texturing, coloring, and interaction) of a realistically shaped human character in interactive 3D and its realistic simulation of a jungle environment, based on the Huaorani culture of the Amazon. The second project showcases the complete production of a robot character from Japanese anime in 3D, along with its setting. It is concluded that the desire to transform inert matter, combined with the amalgamation of various technical-artistic disciplines, converged into three main foundations of animation and digital 3D: the desire to simulate volume and movement, the action of altering the plane, and the science communication activity and its results. / Sancán Lapo, ME. (2024). Estudio y evolución estética de la animación tridimensional dentro del género de acción en la industria del cine y el videojuego [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/211186