3DSMAX Materiales: Material Physical parte 1, introducción y parámetros base

Un material es la suma de un conjunto de parámetros y mapas (que pueden ser imágenes o vídeos) que pueden ser asignados a la superficie de un modelo 3D para describir como este refleja y/o absorbe a luz. La mezcla de todas estas propiedades nos permitirá emular los materiales del mundo real tales como mármol, ladrillo, plásticos, metales, etc. En este tutorial veremos el material denominado Physical el cual viene incorporado en 3DSMAX y actualmente es el material por defecto, y nos servirá para representar de manera realista los materiales más utilizados en Arquitectura y diseño, ya que se basa precisamente en el material Arch & Design de Mental Ray. Para realizar este tutorial, puede descargar el archivo base realizando clic en el siguiente banner:

Material Physical

Material Physical es un material el cual utiliza un modelo de sombreado que incluye los efectos de sombreado más acordes para representar los materiales del mundo real, al tiempo que mantiene un equilibrio entre la facilidad de uso y un diseño intuitivo y lógico. Como su nombre lo indica, este es un material que se basa en capas o “layers”, que además posee controles centrados en flujos de trabajo basados en la física real. Es el material por defecto en las versiones modernas de 3DSMAX y además, es compatible con el motor por defecto ART Renderer. Si bien este material puede utilizarse con Scanline Renderer, este no es adecuado ya que este motor de render solamente representa el material y por ello, carece de los efectos de sombreado más elaborados que sí posee el motor ART Renderer.

El material Physical incluye:

– un layer base el cual posee el color difuso o Diffuse, con una reflexión dieléctrica impulsada por Fresnel o mediante reflejos metálicos coloreados.
– un layer de transparencia o Transparency.
– dispersión bajo la superficie o Sub-Surface Scattering/translucidez o Translucency.
– un layer de emisión o autoiluminación.
– un layer transparente en la parte superior de este.

Para estudiar a fondo este material, primeramente debemos aprender algunos conceptos básicos como por ejemplo, la conservación de la energía. En el caso del material Physical, la “conservación de la energía” se define como una superposición de los diferentes efectos de sombreado. Por esto mismo, el material conserva la energía ya que asegura que la luz no se amplifique. La suma de los diversos componentes de sombreado nunca puede ser superior al 100%, lo que garantiza que la energía de la luz sólo se dispersa o absorbe, no se crea. La excepción a esto es el layer de emisión o autoiluminación, el cual agrega energía extra al material.

Nota: la conservación de energía funciona estrictamente en los parámetros de peso o “Weight” del material y por ello, los parámetros de color del material se ignoran.

Por todo lo anteriormente expuesto, debemos tener en cuenta lo siguiente:

– La Dispersión Sub-superficial o Sub-Surface Scattering (SSS) toma energía de la Difusión o Diffuse. Por esto mismo, si el peso (Weight) de Sub-Surface Scattering es 1.0, no hay Difusión.
– La transparencia o Transparency toma el peso de Diffuse y de Sub-Surface Scattering. Si el peso de Transparency es 1.0, no hay Diffuse o Sub-Surface Scattering.
– Las reflexiones (Reflections) toman el peso (Weight) de todas las demás capas.
– Cuando la opción Metalness toma el valor 0, el peso o Weight de Reflections toma en cuenta la dependencia angular la cual se encuentra en la persiana Advanced Reflectance Parameters (efecto Fresnel, el cual puede estar basado en el IOR -Índice de Refracción- o bien, en el manejo de los valores de la curva personalizada o Custom Curve). Incluso si el peso o Weight de la reflexión es 1.0, la reflectividad real es menor debido a la curva de Fresnel. La energía se toma desde Transparency/Diffuse/Sub-Surface Scattering sólo en relación con la cantidad definida por los valores de la curva.
– Cuando la opción Metalness toma el valor 1, Physical Material se considera opaco. Por esto mismo, no tiene efectos de Diffuse/Transparency/Sub-Surface Scattering.
– El layer transparente se encuentra encima de todas las demás capas, reduciendo la energía en función de cuánto refleja y el color de transparencia del recubrimiento.
– El layer de emisión (autoiluminación) es estrictamente aditivo y agrega energía luminosa de manera independiente. Por ello, no participa en la conservación de energía.

Una vez vistos sus principios básicos, ya estamos en condiciones de experimentar con el material. Para ello, podemos utilizar el archivo base que se incluye en este tutorial, y al abrirlo nos encontramos con la siguiente escena:

Esta representa un tablero y algunas piezas de ajedrez (reina, alfil y dos peones) que gracias a sus formas curvas, nos servirán como un buen ejemplo para ir probando y ejercitando los diferentes parámetros del material y apreciar los diferentes efectos en el render. Volviendo al material en sí, podemos acceder de manera fácil a Physical Material ya que este se encuentra de manera predeterminada en las versiones modernas de 3DSMAX, puesto que está pensado para ser utilizado preferentemente con el motor ART Renderer, el cual también viene por defecto. Por ello, en el editor de materiales Compact, podremos acceder al material seleccionando cualquier Slot ya que este posee por defecto varias muestras del material:

En este caso contamos con varios ejemplos interesantes de materiales ya configurados como plásticos, cerámicas o Car Paint (pintura metalizada). Ahora bien, si estamos en el editor de materiales Slate, obtener el material será bastante sencillo ya que bastará con ubicar la persiana llamada General y luego arrastrar el material Physical a la View1:

Una vez que hemos seleccionado y cargado el material en el Slot o en la View1, en los parámetros de edición de este podemos ver el logo de Physical Material y además tendremos las propiedades del material Physical, las cuales están en una distribución diferente respecto a los del material de tipo Standard. Al igual que en el caso del material Arch & Design, Physical Material comparte parámetros en común con este como por ejemplo los templates o materiales predefinidos aunque en este caso, tenemos más configuraciones disponibles y además estos se denominan Presets.

Los Presets de los que disponemos en Physical Material son los siguientes:

Categoría Finishes

Glossy Paint: genera un material de pintura con un acabado brillante. Podemos establecer el color de esta en la ranura llamada Color Base.

Satin Paint: genera un material de pintura con un acabado satinado. Podemos establecer el color de esta en la ranura llamada Color Base.

Matte Paint: genera un material de pintura con un acabado mate u opaco. Podemos establecer el color de esta en la ranura llamada Color Base.

Varnished Paint: genera un material de pintura con un efecto de barnizado. Podemos establecer el color de esta en la ranura llamada Color Base.

Categoría Non-metallic materials

Satin Varnished Wood: es la madera barnizada y satinada. El satinado se define como un tratamiento específico para lograr superficies tersas y brillantes o también se puede definir como un acabado intermedio entre opaco y brillante. Este tipo de acabado favorece la iluminación ambiental haciendo los espacios agradables a la vista. En este caso, el preset incorpora su propia textura de madera.

Glossy Varnished Wood: es la madera barnizada y brillante. Este preset emula perfectamente una superficie de madera con brillo, junto con rugosidad media en los reflejos. En este caso, el preset incorpora su propia textura de madera.

Rough Concrete: corresponde al concreto cepillado o en bruto, el cual le da un aspecto muy rugoso. Al igual que en el caso anterior, este preset incorpora sus propios mapas de imagen para simular el relieve del hormigón.

Polished Concrete: corresponde al hormigón pulido y por ello posee una superficie brillante, y se utiliza preferentemente para emular pisos y estacionamientos, además de proyectos de tipo industrial. En este caso, el preset incorpora su propia textura de hormigón.

Polished Granite: corresponde al granito pulido y por ello posee una superficie brillante, y se usa preferentemente en mesas y encimeras. En este caso, el preset incorpora su propia textura de granito.

Glazed Ceramic: corresponde a la cerámica brillante o vidriada y es perfecta para emular de forma convincente los pisos, revestimientos y adornos de decoración.

Glossy Plastic: corresponde al plástico brillante, y es perfecto para emular elementos de decoración y artefactos de cocina.

Matte Plastic: es un plástico pero con mucho menos brillo que en el caso de Glossy Plastic, y se utiliza para definir la mayoría de los objetos que están hechos de este material.

Masonry: corresponde a la albañilería mediante bloques de ladrillo. En este caso, este preset trae sus propias texturas que nos permiten emular los ladrillos de forma más o menos convincente, ya que además de la textura propia de Base Color incorpora relieve o Bump.

Rubber: corresponde al material de caucho, y es utilizado preferentemente utilizado para emular elementos como neumáticos o gomas.

Categoría Transparent Materials

Glass (Thin Geometry): corresponde al vidrio pero en este caso sólo tomará en cuenta las dos dimensiones principales y no el espesor del vidrio, por lo tanto se recomienda colocar este template solamente en elementos planos o bidimensionales como marcos. Este tipo de cristal no genera Refracción.

Glass (Solid Geometry): corresponde al vidrio emulado de forma realista ya que a diferencia del anterior este sí toma en cuenta el espesor o grosor, por lo tanto es perfecto para emular elementos de cristal como ventanas u adornos.

Frosted Glass (Physical): corresponde al cristal esmerilado o escarchado, que emula el cristal al ácido. Este difumina y dispersa la luz dentro del objeto.

Categoría Metals

Brushed Metal: corresponde al metal pulido el cual es básicamente un cromado pero con reflexiones borrosas. Es útil para la mayoría de las superficies metálicas.

Polished Aluminum: genera una superficie de aluminio con un acabado pulido.

Matte Aluminum: genera una superficie de aluminio con un acabado de tipo mate.

Polished Copper: este material emula el cobre pulido, el cual posee un acabado sumamente liso que se asemeja al oro.

Copper: este preset emula el cobre normal.

Stained Copper: en este caso se emula el cobre teñido o manchado, el cual cuenta con diferentes rugosidades.

Old Copper: este preset emula el cobre viejo y muy sucio.

Patterned Copper: es el cobre normal pero en este caso se agrega un patrón o trama, y es un poco más oscuro que Copper aunque se añade algo más de brillo, especularidad y sombreado de reflexión.

Silver: este preset emula la plata normal.

Satin Silver: este preset emula la plata pero con un acabado satinado.

Sandblaster Silver: este preset emula la plata pero con un pulido de tipo arenado o mediante “chorro de arena”.

Polished Gold: este material emula el oro pulido, el cual posee un acabado sumamente liso.

Gold: este preset emula el oro normal.

Satin Gold: este preset emula el oro pero con un acabado satinado.

Matte Gold: este preset emula el oro pero con un acabado mate.

Categoría Special

Red Sports Car Paint: este preset emula de forma bastante realista la pintura metalizada de un automóvil deportivo rojo.

Candle Wax: este preset emula de forma bastante convincente la cera de una vela mediante el método Sub-Surface Scattering o SSS. Podemos ajustar la profundidad de este para adaptarlo a la escala de la escena.

Hot Dog with Ketchup: un curioso preset que demuestra el uso de una capa transparente de color para simular el “ketchup” en un perro caliente o hot dog.

Hot Dog Bun: este material emula el “bollo” o pan, para justamente “completar” el hot dog. Este preset utiliza la capa transparente de manera similar a Hot Dog with Ketchup.

Atributos del material Physical

Si bien el material Physical posee presets ya predefinidos, cada uno de estos pueden ser editados de manera independiente ya que, al igual que en el caso de los materiales StandardArch & Design, tenemos diversos parámetros de edición de propiedades como por ejemplo Diffuse, Reflection, Refraction y Self Illumination aunque en el caso de Physical Material, Diffuse pasa a llamarse Base Color (color base). También tenemos parámetros propios de los shaders como por ejemplo, Anisotropy. Physical Material también incorpora mapas especiales (Special Maps) para lograr ciertos efectos especiales además del ya conocido Maps channel.

Un aspecto importante a destacar es que el material posee dos modos de edición: el modo Standard, el cual nos muestra los parámetros base para su edición mientras que en modo Advanced nos mostrará los parámetros ocultos. Podemos seleccionarlos desde la misma persiana Presets:

Por esto mismo, en esta primera parte del tutorial comenzaremos estudiando los parámetros básicos del color base del material y su transparencia para, en la segunda parte de este, continuar los restantes y también con los parámetros avanzados. Los parámetros que tenemos disponible en Physical Material son los siguientes:

Persiana Basic Parameters

Categoría Base Color and Reflections

– Base Color Weight: permite controlar la medida relativa color base del material o Base Color, ya sea este una textura cargada o el color del material. Si el valor de Weight es menor que 1, el color base se irá oscureciendo hasta llegar a negro en el valor 0. Por defecto, su valor es 1.

Configuración de material y render de elementos 3D, con valores de Base Color Weight en 0.0, 0.25, 0.5 y 1 respectivamente.

Al igual que en el caso de Arch & Design, podremos cargar una textura en Base Color Weight enlazando el mapa de la textura en el nodo Base Weight Map del material (1) o bien, haciendo clic en el cuadro del lado del valor de Weight en las propiedades del material (2). Esto método es válido para cualquier mapa que insertemos en cada canal del material.

En el caso que carguemos una textura en Base Weight Map, esta reemplazará al valor de Weight independiente de la cantidad que hayamos asignado a este.

El mismo render anterior pero con una textura cargada en Base Weight Map.

– Base Color: corresponde al color propio del material y por ende, del material cuando está afecto a la luz.

Configuración de material y render de elementos 3D, utilizando colores diferentes en Base Color.

Un aspecto interesante de Color es que al igual que en el caso de Base Weight, se le puede cargar una textura o mapa en el cuadro del lado de la opción o bien enlazando el mapa de la textura en el nodo del canal Base Color Map. Si un mapa o textura es cargada, esta prevalece por sobre el color del material.

Configuración de material y render de elementos 3D, utilizando distintas texturas cargadas en Color.

– Roughness: controla el nivel de aspereza o rugosidad del material. Mientras mayor sea el valor de Roughness, el elemento tendrá más “polvo” y por ende será más áspero. Por defecto, su valor es 0. Si presionamos el botón Inv, invertiremos el valor de la rugosidad para que se comporte como brillo.

Render de elementos 3D con valores de Roughness en 0.0, 0.25, 0.5 y 1 respectivamente.

El mismo ejemplo anterior, pero en este caso se ha cargado una textura en Color Base Map.

Un aspecto interesante de Roughness es que al igual que en el caso de Base Color, se le puede cargar una textura en el cuadro del lado de la opción o bien enlazando el mapa de la textura en el nodo del canal Roughness Map. Esta reemplazará cualquier valor que hayamos colocado en Roughness.

El mismo render anterior, pero esta vez con un mapa de textura aplicado en Roughness.

– Metalness: controla el nivel de metalidad del material. Por esto mismo, cuando el valor de Metalness es 0, el material se renderiza de manera no metálica utilizando Base Color como componente difuso (Diffuse) agregando reflejos sobre este, con dispersión debajo de la superficie (Sub-Surface Scatterning) además de transparencia. Cuando Metalness toma el valor 1, se renderiza un material metálico que solamente es reflectante, reflejando el color base y generando color de reflexión (generalmente blanco) en los bordes.

Render de elementos 3D con valores de Metalness en 0.0, 0.25, 0.5 y 1 respectivamente.

El mismo ejemplo anterior, pero en este caso se ha cargado una textura en Color Base Map.

Un aspecto interesante de Metalness es que al igual que en el caso de Base Color, se le puede cargar una textura en el cuadro del lado de la opción o bien enlazando el mapa de la textura en el nodo del canal Metalness Map. Esta reemplazará cualquier valor que hayamos colocado en Metalness.

El mismo render anterior, pero esta vez con un mapa de textura aplicado en Metalness y con un color en Color Base.

El mismo render anterior, pero esta vez con un mapa de textura aplicado en Metalness y con una textura cargada en Color Base Map.

– IOR (Index Of Refraction):  esta opción solamente funciona al manipular los valores de Transparency, y por ello será visto en la siguiente categoría.

Categoría Transparency

– Transparency Weight: define la medida de la transparencia o refracción del material. Si el valor de Weight es 0, el material no posee transparencia y su valor máximo es 1, implica un 100% de transparencia. Si Transparency toma el valor 1, se suprime el color base o la textura.

Render de elementos 3D con valores de Transparency Weight en 0.0, 0.25, 0.5 y 1 respectivamente.

El mismo ejemplo anterior, pero en este caso se ha cargado una textura en Color Base Map.

Un aspecto interesante de Transparency es que al igual que en el caso de Base Color, se le puede cargar una textura en el cuadro del lado de la opción o bien enlazando el mapa de la textura en el nodo del canal Transparency Map.

El mismo render anterior, pero esta vez con un mapa de textura aplicado en Transparency Weight y con un color en Color Base.

El mismo render anterior, pero esta vez con un mapa de textura aplicado en Transparency Weight y con una textura cargada en Color Base Map.

– Transparency Color: corresponde al color de la transparencia y por ende, gracias a este parámetro podemos crear efectos especiales para el material como el “vidrio de color”.

Render de elementos 3D con diferentes colores en Transparency Color. En todos los casos, el valor de Transparency es 1.

El mismo render anterior pero con una textura cargada en Color Base. En este caso, se ha bajado el valor de Transparency a 0,6.

Un aspecto interesante de Transparency Color es que al igual que en el caso de Base Color, se le puede cargar una textura en el cuadro del lado de la opción o bien enlazando el mapa de la textura en el nodo del canal Transparency Color Map.

El mismo render anterior pero con texturas diferentes cargadas en Transparency Color Map. En este caso, se ha dejado el valor de Transparency en 1.

– Transparency Roughness: solamente está disponible cuando lo desbloqueamos mediante lock, y controla el nivel de aspereza o rugosidad en la superficie de la transparencia. Por ende, si el valor de Roughness es 1, la rugosidad será la más extrema y viceversa.

Por defecto, su valor es 0 el cual representa a un vidrio común liso. Si su valor es 1, la transparencia se parece al vidrio esmerilado. Si presionamos el botón Inv, invertiremos el valor de la rugosidad para que se comporte como brillo.

Render de elementos 3D con valores de Transparency Roughness en 0.0, 0.25, 0.5 y 1 respectivamente. En todos los casos, el valor de Transparency es 1.

Un aspecto interesante de Transparency Roughness es que al igual que en el caso de Base Color, se le puede cargar una textura en el cuadro del lado de la opción o bien enlazando el mapa de la textura en el nodo del canal Transparency Roughness Map.

– Depth: el parámetro de profundidad o Depth permite la absorción de la luz en el material. Por ello, si el valor de Depth es 0, se usa un modelo de transparencia de gráficos por computadora tradicional, donde la luz se colorea en la superficie y no se ve afectada al viajar dentro del medio. Por tanto, el grosor del objeto no se ve afectado. Si es cualquier otro valor, el color de la transparencia se aplica como absorción y la profundidad especificada es la profundidad a la que la absorción coincide con el color dado.

– Thin-walled: establece la transparencia por medio de paredes delgadas o thin walled. En este modo, Depth no tiene efecto alguno y la luz no se refracta al atravesar el material, sin embargo se dispersará según el valor de Roughness. Cuando está desactivado, el objeto se considera como un sólido y por ello, contiene volumen de material que admite la profundidad de transparencia (Depth) y la dispersión por debajo de la superficie (Sub-Surface Scatterning). Cuando está encendido, se considera que el objeto está hecho de una capa transparente infinitamente delgada (similar a una pompa de jabón) sin refracción. Depth está desactivado y Sub-Surface Scatterning se reemplaza por translucidez (Translucency).

Render de elementos 3D con Transparency aplicada. En las dos últimas piezas se ha activado la opción Thin-walled.

– IOR (Index Of Refraction):  define el índice de refracción, el cual mide la cantidad de un rayo de luz que se curva al entrar en un material, y la dirección en la que la luz se curva dependerá de si se está entrando o saliendo del objeto. Arch & Design utiliza la dirección de la normal de la superficie como referencia para averiguar si la luz está entrando o saliendo. Por tanto, es importante modelar los objetos transparentes y refractivos con las normales de la superficie que apunten en la dirección correcta. El valor de IOR a colocar dependerá del elemento que se quiera representar. Los índices de refracción más conocidos son:

Material IOR o índice de refracción
Vacío 1,0
Aire 1,0002926
Agua 1,33
Acetaldehído 1,35
Alcohol Metílico 1,329
Alcohol Etílico 1,36
Solución de azúcar (30%) 1,38
1-butanol (a 20 °C) 1,399
Glicerina 1,473
Heptanol (a 25 °C) 1,423
Solución de azúcar (80%) 1,52
Benceno (a 20 °C) 1,501
Metanol (a 20 °C) 1,329
Cuarzo 1,544
Vidrio (corriente) 1,52
Disulfuro de carbono 1,6295
Cloruro de sodio (sal común) 1,544
Diamante 2,42

Además de los valores propios de IOR, podremos ir a la persiana llamada BDRF (Bi-directional Reflectance Distribution Function) y una vez allí, ajustar el índice de refracción de forma manual manipulando los valores de la curva BDRF, la cual determina cuánto refleja un material al ser visto desde diferentes ángulos ya que la reflectividad depende del ángulo de visión.

En esta persiana podremos elegir la opción By IOR (fresnel Reflections) o también podemos manipular los valores de los ángulos respectivos (0° a 90°) mediante Custom Reflectivity Function. Según la opción que elijamos, los resultados en el render serán diferentes. Si bien IOR aparece en la categoría Base Color and Reflections, tiene relación directa con la transparencia pues solamente funciona si el valor de Transparency Weight es distinto de cero. Además, a diferencia de Arch & Design, deberemos ir al modo Advanced para acceder a los parámetros de la curva BDRF.

Ejemplo de modelos 3D con valor de Transparency de 1. Los valores de IOR asignados de izquierda a derecha son: 1.0 (aire), 1.33 (agua), 1.52 (solución de azúcar, por defecto) y 2.42 (diamante). En este caso de la primera pieza, se ha ajustado el valor de Transparency para poder apreciarla.

Un aspecto interesante de IOR es que al igual que en el caso de Base Color, se le puede cargar una textura en el cuadro del lado de la opción o bien enlazando el mapa de la textura en el nodo del canal IOR Map.

El mismo render anterior pero en este caso, se han cargado cuatro texturas diferentes en IOR Map.

Este es el fin de este tutorial. Puede ir a la parte 2 del mismo mediante este enlace.

Bibliografía utilizada:

– Base de conocimientos de Autodesk: https://knowledge.autodesk.com/.

 

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