materiales y texturas

Materiales y texturas: introducción al shading en 3D

- 09 noviembre 2021 -

Conoce las entrañas del mundo de los materiales y texturas en 3D

Ya han pasado más de 25 años desde la aparición de las primeras videoconsolas con gráficos 3D, así como del estreno de Toy Story, la película pionera que inauguró el cine de animación generado por ordenador. Sin embargo, muchas de las técnicas modernas se remontan a aquellos tiempos. Por ejemplo, la producción de 3D se sigue basando en dos pilares: la creación de modelos 3D hechos a partir de polígonos para la forma y la aplicación de materiales y texturas al modelo para la apariencia.

Si bien se han producido algunos cambios en los albores del 3D, ya que los materiales y las texturas utilizados en los juegos antiguos eran simples debido a las limitaciones del hardware de la época. Por esta razón, en general, se aplicaba una única textura de color, lo que daba lugar a objetos planos e irreales.

Por el contrario, las producciones de cine podían permitirse múltiples texturas gracias al uso de imágenes prerrenderizadas. Sin embargo, cada fotograma podía demorarse horas o días en generarse y lograba un realismo incomparable con los gráficos poligonales ejecutados a tiempo real en consola, en los que a 30 fps corresponden 33 milisegundos por fotograma.
materiales y texturas
A pesar de todo, tras décadas de progreso en materia de chips gráficos, se ha ido difuminando la línea que separaba los gráficos por ordenador de la realidad tangible y esto ha sido posible gracias a los avances en shaders, materiales y texturas.

Si quieres saber más sobre estos conceptos y conocer cómo trabajan para construir mundos virtuales, te lo explicamos.

Materiales, texturas y shaders: ¿qué son exactamente?

Los materiales, las texturas y los shaders son tres conceptos clave de la animación 3D, pero es importante diferenciar en qué consiste cada uno de ellos:

  • Las texturas son imágenes usualmente cuadradas y de tamaño múltiple de dos. También se conocen como bitmaps o mapas, ya que vinculan la información de cada píxel de la imagen a la superficie de los modelos tridimensionales. Es decir, distintos tipos de mapas aportan información sobre diversas propiedades de la superficie de un material.
  • Los shaders son conjuntos de instrucciones, esto es, pequeños programas que calculan el color de cada píxel de la pantalla, según las condiciones de la luz y de los materiales aplicados. Los shaders más avanzados pueden obtener resultados llamativos como partículas, líquidos, movimiento, luces programadas y un sinfín de efectos artísticos. Asimismo, su ventaja radica en la rapidez, dado que todas las instrucciones se aplican al mismo tiempo para todos los vértices de la pantalla gracias al poder de la computación en paralelo en cada núcleo de la Graphic Processor Unit (GPU).
  • Los materiales nos permiten comprender la naturaleza de los objetos, cómo una superficie absorbe, refleja y refracta luz, su relieve, etc. Además, aportan el acabado final a un objeto y pueden tanto enmascarar un trabajo de modelado pobre como arruinar la mejor de las esculturas. Por otro lado, los materiales referencian el shader y las texturas a usar: los shaders ejercen de plantilla, definiendo parámetros ajustables desde el material, a los que se le unen otros, según el motor utilizado.

materiales y texturas

Propiedades de los materiales

Las distintas texturas aplicadas a un material describen la forma en que la luz interactúa con este. Las más usadas son las siguientes:

  • Diffuse/albedo map:define el color de la superficie sin zonas iluminadas ni sombreadas.
  • Specular map: define la cantidad de luz proyectada en cada punto del objeto.
  • Roughness y glossiness map: determinan cuánto se dispersa la luz reflejada debido al relieve microscópico superficial, por ejemplo, las superficies lisas aparecerán relucientes y reflejarán imágenes nítidas, como un espejo. Ambos mapas aportan la misma información y se pueden usar indistintamente, pero sus valores están invertidos: un cristal tendrá un valor de roughness cercano a cero (imagen negra) o un glossiness a uno (imagen blanca).
  • Normal map: falsean el ángulo de rebote de la luz para simular relieves y recovecos, dando sensación de profundidad en geometrías planas.
  • materiales y texturas

    No obstante, algunos materiales pueden tener propiedades especiales que requieran el uso de mapas adicionales menos comunes como:

  • Displacement map: igual que el mapa normal, proporciona información del relieve. Sin embargo, como su nombre indica, mueve los vértices y modifica la geometría. Este método requiere teselar el objeto, es decir, subdividir cada polígono para adaptarse al detalle de la textura, lo que tiene un coste computacional prohibitivo para su uso en juegos.
  • Opacity map: para zonas translúcidas o completamente transparentes.
  • Emissive map: usado para objetos o zonas que emiten luz propia, como los leds de un dispositivo.
  • Ambient occlusion map: identifica las áreas menos expuestas a la luz y las oscurece para un mayor realismo. En general, se integra su información en el mapa de color.
  • Anisotropic map: crea reflejos con una direccionalidad marcada, a menudo usados para simular el pelo.
  • Por otra parte, se da una distinción importante entre los materiales metálicos (conductores de electricidad) y los no-metálicos (aislantes o dieléctricos). Por un lado, los metálicos absorben y reflejan la luz únicamente en su superficie, mientras que, por el otro, los dieléctricos siempre dejan pasar algo de luz a su interior y la reflejan en determinadas longitudes de onda. A causa de este fenómeno, los metales tienden a tener mapas de color casi negros, un mapa especular a color, y no en escala de grises, y una textura adicional para determinar las zonas metálicas.
    texturas procedurales

    El poder de lo procedural

    Tradicionalmente, las texturas tipo bitmap se han creado de forma más o menos artesanal a través de herramientas como Photoshop o de fotografías editadas. Sin embargo, en la última década, se ha popularizado un método más técnico: las texturas procedurales.

    Para ello, hay herramientas como Substance Designer que parten de algoritmos y una sucesión de filtros que se fusionan, distorsionan, añaden ruido y detalles para crear imágenes descritas por funciones matemáticas. Aunque sus posibilidades son prácticamente ilimitadas, su uso es más habitual en texturas que emulan la aleatoriedad de la naturaleza, así como en objetos o personajes específicos se suele usar de forma auxiliar para añadir motivos, suciedad o polvo.

    Las ventajas de los materiales y texturas procedurales son su resolución escalable, su bajo tamaño en disco, su flujo de trabajo no destructivo y su facilidad para modificar parámetros y observarlos al momento en el entorno final. Por el contrario, su inconveniente es que suele requerir un trabajo de días respecto a las texturas tradicionales que se completan en horas.

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