Materiales en arte 3D: Los fundamentos

Los materiales son uno de los pilares del arte 3D, lo que da color y vida al modelo. Para dominar esta parte es importante entender bien los fundamentos físicos que explican cómo funcionan los materiales en la realidad. Igual que en otros aspectos, el arte 3D siempre intenta simular lo más fielmente posible la realidad, de ahí la importancia de conocer bien cómo funciona el mundo que nos rodea. Incluso si queremos utilizar un estilo gráfico no realista conocer estos conceptos y entenderlos bien es importante.

Luz y color

No podemos entender los materiales y colores sin la luz, ya que todo lo que vemos no es más que la luz interactuando con los objetos que nos rodean para terminar entrando por nuestros ojos. Por eso la física de los materiales se explica mediante los rayos de luz que inciden en una superficie y llegan a nuestra vista.

Dependiendo del tipo de material la luz incidente se ve reflejada o refractada cuando choca con la superficie del objeto. En el primer caso la luz rebota y en el segundo atraviesa el material. Dependiendo de la proporción de luz refractada y reflejada el material será opaco, transparente o translúcido. En cualquier caso, la cantidad de luz que incide siempre es igual a la rebotada/transmitida.

Aunque probablemente ya sepas cómo percibimos el color del los objetos, vamos a empezar refrescando este concepto, que nos servirá de introducción al resto de fenómenos físicos.

La reflexión difusa

La luz es una radiación electromagnética, ondas con diferentes longitudes de onda, donde cada longitud de onda se corresponde con un color. La luz blanca es aquella que contiene todos los colores, todas las longitudes de onda del espectro visible. Si iluminamos un objeto con luz blanca, el objeto absorbe unas longitudes de onda u otras dependiendo del material. Aquellas que refleja son las que llegan a nosotros y por tanto las que definen el color del material, el resto son absorbidas. En un objeto de color rojo por ejemplo, únicamente se refleja el componente rojo de la luz incidente. En los casos extremos, si el material absorbe todas las longitudes de onda se verá negro y si por el contrario refleja todas, se ve blanco.

La reflexión especular

Lo que acabamos de explicar corresponde a la llamada reflexión difusa del material, y es importante diferenciarla de la reflexión especular. En la difusa, la luz incide en el material lo suficiente para que absorba ciertas longitudes de onda y luego se dispersa al salir del objeto. La reflexión especular es la que se produce en la superficie del objeto, sin llegar a incidir. Esto implica que la luz refleja del material igual que como venía, con el mismo color.

En resumen, mientras que la reflexión difusa es la responsable de dar color al material, la especular es la que genera los reflejos en la superficie del objeto.

Refracción

En el caso de los materiales transparentes no se produce reflexión difusa y en cambio la luz atraviesa el material. En este caso, es interesante destacar que cuando el rayo incide sobre la superficie sufre un desvío, que depende de la diferencia entre los índices de refracción del medio por el que viaja la luz y el material sobre el que incide.

En cuanto a la reflexión especular, ésta sigue ocurriendo igual que lo haría en un objeto opaco.

Rugosidad de la superficie

Realmente esta propiedad no es intrínseca al material, tiene que ver con la geometría de la superficie y puede cambiar por completo el aspecto de un objeto. Básicamente se trata de lo pulida o rugosa que sea la superficie. Cuando la superficie está muy pulida, todos los rayos de luz que inciden se reflejan de forma ordenada, dándonos una imagen nítida. En una superficie rugosa la aleatoriedad de los ángulos de incidencia hace que los rayos se dispersen a la salida, difuminando el reflejo.

Así se producen diferentes acabados, más brillante o más mate:

Materiales metálicos

Los materiales se pueden clasificar en 2 grandes grupos: dieléctricos (que no conducen la electricidad) y metálicos. Es decir, que menos los metales, la mayoría del resto de materiales se pueden clasificar en el mismo grupo porque reaccionan a la luz con las mismas reglas. Entonces, ¿qué hace especial a los metales? Podemos simplificarlo diciendo que éstos no tienen reflexión difusa y que es en la reflexión especular, ligeramente tintada dependiendo del metal, la que aporta el color.

Esto implica que la reflexión especular tiene mucha más intensidad en los metales, ya que incluye toda esa luz que en un material dieléctrico se emplearía en la reflexión difusa.

Efecto Fresnel

Este es un efecto muy interesante que se produce en todos los materiales. Consiste en que la cantidad de reflexión especular depende del ángulo de visión, siendo mayor cuanto más alienada esté nuestra vista con la superficie del objeto.

En el gráfico se observa cómo cuanto más perpendicular es la línea que une nuestra vista con la superficie menor es la reflexión especular y más luz se transmite al material (reflexión difusa). Cuando vemos la superficie en una dirección casi paralela la reflexión especular es máxima, la luz tiene mayor dificultad para "introducirse" en el material. En la imagen este efecto está exagerado para que se aprecie mejor.