En este tutorial veremos qué es el PBR, cómo se utilizan las Textures fundamentales para definir un Material PBR en Substance y, sobre todo, cómo funcionan juntas.
Transcripción del video
¡Hola a todos! Si están aquí, probablemente ya sepan que Substance Painter es una aplicación de software que permite crear materiales y texturas para modelos 3D. Los archivos de modelos 3D se importan en Substance Painter y, aquí, pueden crear imágenes de textura, aplicándolas sobre las geometrías, y exportar esas imágenes para que el objeto, completo con sus texturas, pueda utilizarse en motores de videojuegos como Unity o Unreal para crear videojuegos o aplicaciones con realidad virtual o aumentada, en software de animación y renderizado como Blender 3D, 3D Studio MAX y Maya, o en sistemas de visualización 3D en tiempo real en Internet como Sketchfab, y mucho más.
Antes de continuar, en realidad incluso antes de hablar de la interfaz del programa o de importar un modelo 3D en un nuevo proyecto vacío de Substance Painter, primero necesitamos explicar qué se entiende por Material.
Un Material es un conjunto de información que, cuando se aplica a un objeto 3D, define cómo se comportará al ser iluminado y renderizado en una escena virtual. El renderizado, es decir, la imagen final visible en pantalla, ya sea estática o en tiempo real, es el resultado de la interacción entre la luz y las superficies en una escena virtual. Por un lado, tenemos las fuentes de luz, de varios tipos, desde lámparas virtuales hasta texturas de entorno de iluminación, y por otro lado tenemos las superficies, o en algunos casos los volúmenes, de los objetos. Luego pueden añadirse efectos de postproducción a este resultado inicial, pero como el nombre sugiere, estos son efectos y filtros aplicados después del propio proceso de renderizado.
Bien, entonces un Material es una colección de información... pero ¿qué tipo de información?
Dependiendo del modelo teórico, o “esquema”, “método” o “paradigma” utilizado para crear el renderizado, pueden especificarse distintos tipos de información, cada uno con sus propias características. Substance Painter, en particular, nos permite definir materiales que siguen el modelo Physically Based Rendering, o PBR. A veces también pueden encontrar el acrónimo PBS, que significa Physically Based Shading, refiriéndose al sombreado de las superficies de los objetos.
En este tutorial no profundizaremos demasiado en la teoría PBR, que veremos en un tutorial dedicado. Aquí simplemente observaremos las texturas fundamentales utilizadas para definir un Material PBR en Substance y, sobre todo, cómo funcionan juntas. Comprender estos conceptos es esencial para crear y personalizar nuestros materiales con confianza, sin depender de pruebas al cambiar los parámetros de un canal de información del Material u otro.
Para evitar que este video sea demasiado teórico, explicaré los elementos fundamentales de PBR y cómo se implementan en Substance utilizando un modelo 3D que ya tiene materiales y texturas creados en este software.
El paradigma Physically Based Rendering, como su nombre indica, se basa en un enfoque físico, es decir, está inspirado en cómo se comportan las cosas en el mundo real.
Los materiales pueden especificarse utilizando dos workflows: Metallic y Specular.
En el workflow Metallic, las superficies se dividen en materiales metálicos y no metálicos y, basándose en esta distinción, todos los demás canales se comportan de manera diferente.
En el workflow Specular, en cambio, se definen la intensidad y el posible tinte de color de las reflexiones especulares para determinar cómo se comportará la luz al interactuar con la superficie del objeto.
En particular, en el workflow PBR Metallic, que es el utilizado en este ejemplo, la apariencia de una superficie está determinada por varias características, las más importantes de las cuales son:
su naturaleza, distinguiendo ante todo si es un metal o un no metal, también llamado dieléctrico;
su Base Color, que en un objeto metálico define la intensidad de las reflexiones de la luz, mientras que en los objetos no metálicos representa en realidad el verdadero color de la superficie, sin efectos de iluminación;
el nivel de suavidad, o Glossiness, o por el contrario el nivel de Roughness de la superficie en sus distintas áreas.
A estas características observadas en el mundo real se añaden otras funciones útiles en el mundo virtual. Por ejemplo, utilizando imágenes de textura específicas como Normal Maps o Height Maps, es posible simular la presencia de detalles sin modelarlos realmente en la geometría, ahorrando vértices, aristas y caras y, por lo tanto, recursos computacionales durante el renderizado, especialmente en videojuegos y otras aplicaciones en tiempo real.
El barril de madera que estoy utilizando en este video nos permite examinar, dentro de un solo objeto, cómo esta información básica se traduce en texturas y se combina dentro de un Material de Substance.
Para mostrar la vista previa del Material completo aplicado al objeto en la 3D View, presiono la tecla M, de Material, o selecciono Material en el menú desplegable de la parte superior derecha de la 3D View.
Como pueden ver, tenemos tanto elementos metálicos, hechos de hierro, como elementos no metálicos, hechos de madera. Esto nos permitirá apreciar las diferencias en cómo estos dos tipos de materiales se gestionan en el paradigma PBR, especialmente en lo que respecta a la definición de Base Color y a los colores de las reflexiones especulares.
Para mostrar los canales de información individuales, que corresponden a las diferentes imágenes de textura aplicadas sobre la superficie del objeto, podemos presionar varias veces la tecla C o elegir el canal deseado desde el menú desplegable en la parte superior derecha de la 3D View.
Comencemos con el canal Metallic, que define qué partes del Material deben tratarse como metálicas y cuáles no, utilizando una imagen en escala de grises donde el blanco representa un metal puro y el negro representa un material no metálico puro. En el caso de este barril, también tenemos áreas grises porque el material utilizado para las partes metálicas, “Iron Old”, está pensado para representar hierro viejo y desgastado, quizás cubierto de polvo u óxido, lo que reduce su “metallicidad”, por así decirlo.
Las partes de madera, en cambio, aparecen completamente negras, lo que significa que no son metálicas, como era de esperar.
Pasemos al segundo canal fundamental de PBR: Base Color.
Como pueden ver, este canal de información muestra el color base del objeto utilizando una textura de color, sin efectos de iluminación ni sombreado. Son, por así decirlo, texturas “planas”. Los colores de las partes metálicas y de las partes de madera tienen niveles de intensidad similares. Los colores son diferentes, por supuesto, pero visualmente no parecen radicalmente distintos, aunque pertenezcan a sustancias completamente diferentes.
La razón es que la distinción durante el sombreado y el renderizado la realiza Substance utilizando el canal Metallic y su textura asociada, que le indica a Substance que las reflexiones de la luz deben gestionarse de manera diferente dependiendo de si la superficie es metálica o no metálica. Los valores grises del Base Color en las partes metálicas definen la intensidad de las reflexiones de luz y cualquier posible tinte de color aplicado a esas reflexiones.
El material Iron Old es un material “sucio”, por lo que el efecto no es muy evidente, pero observen cómo cambian las cosas en los distintos canales y en el resultado final si inserto un Material de Substance “Aluminium Pure” entre el material de madera y el material metálico y desactivo el material Iron Old subyacente.
En el resultado final, es decir, en la vista Material que combina todos los canales de información, las partes metálicas aparecen MUCHO más reflectantes que antes.
En el canal Metallic, las partes metálicas son completamente blancas, representando un metal perfectamente puro.
En el canal Base Color, las partes metálicas son casi blancas, indicando que la intensidad de las reflexiones especulares en esas áreas será máxima y sin ningún tinte de color.
Ahora observen qué sucede si establezco el parámetro Metallic de Aluminium Pure en cero: las bandas metálicas se vuelven blancas, ya no reflejan como antes y parecen objetos de plástico blanco.
Ahora volvamos a establecer Metallic en 1, pero reduzcamos el valor de Base Color: las bandas mantienen la reflectividad típica del metal, pero se vuelven gradualmente más oscuras.
Este es el punto clave: en el workflow Metallic, como el utilizado aquí, el Base Color de un objeto por sí solo no es suficiente para definir cuán reflectante será una superficie, porque también necesitamos especificar si es un metal o no. En un metal, la intensidad del Base Color también es la intensidad de la luz y de las reflexiones especulares, mientras que en un material no metálico el Base Color solo define el verdadero color de la superficie, como ocurre con las partes de madera del barril.
Mantengo activado el material Aluminium Pure y desactivado Iron Old para mostrarles los efectos del tercer canal fundamental del Material: Roughness.
Roughness, que es lo opuesto a la suavidad, se representa, al igual que el mapa Metallic, mediante una imagen en escala de grises, donde el blanco representa la máxima rugosidad y el negro representa una superficie perfectamente brillante y completamente reflectante. De hecho, un espejo perfecto se implementa en PBR utilizando un Material metálico con color blanco puro y Roughness establecido en 0, como estoy mostrando ahora mismo en pantalla.
Al aumentar el valor de Roughness, hacemos que la superficie sea menos suave y, por lo tanto, sus reflexiones especulares se vuelvan más difusas o borrosas, en cierto sentido. Esto se aplica tanto a metales como a materiales no metálicos.
Ahora voy a eliminar el Material Aluminium Pure y reactivar Iron Old para volver a la configuración original del proyecto y observar información adicional que, en Computer Graphics, nos permite añadir detalles de superficie durante el renderizado sin modelarlos físicamente en la geometría.
Luego selecciono la opción “Normal + Height + Mesh” en el selector de la parte superior derecha de la 3D View.
Esta vista muestra la combinación de múltiples canales de información que influyen en los detalles simulados sobre la superficie de un objeto. Sin estos detalles, las superficies del objeto parecerían lisas y poco creíbles, especialmente en las áreas de madera.
En particular, en el ejemplo mostrado en pantalla, los detalles de la superficie se implementan principalmente en las partes de madera mediante la capa “Fibers”. Para observar las diferencias en la apariencia de la superficie con y sin esos detalles, basta con activar o desactivar las capas correspondientes en el panel Layers mientras observan las diferencias tanto en el modo “Normal + Height + Mesh” como en el modo “Material” en la 3D View. Las diferencias se vuelven más evidentes cuando el objeto está iluminado con una luz lateral en lugar de una frontal.
Efectos similares también están presentes en las partes metálicas, implementados utilizando los canales de información Height y Normal de dos capas Iron Old, Iron y Edges. Como pueden ver, estas texturas hacen que algunas superficies sean mucho más interesantes, mientras que sin ellas parecerían irreales porque se verían demasiado lisas y demasiado planas.
Un Material es un conjunto de información implementado mediante imágenes, algunas en escala de grises y otras en color, aplicadas sobre las superficies de los objetos y combinadas según un método específico, que en nuestro caso es el paradigma PBR Metallic. Esta información define cómo interactúan la superficie del objeto y las fuentes de luz para producir la imagen final.
PBR se basa en características de materiales observadas en el mundo real e implementadas en Computer Graphics mediante la combinación adecuada de texturas que representan esas características.
El método PBR incluye dos workflows: Metallic y Specular. En este tutorial examinamos un ejemplo utilizando el workflow Metallic.
En el workflow PBR Metallic, el primer paso es definir, mediante una textura en escala de grises, qué partes de una superficie son metálicas y cuáles no.
En las áreas metálicas, la información de Base Color, que es una textura de color, define la intensidad y el posible tinte de color de las reflexiones especulares. En las áreas no metálicas, Base Color solo representa el verdadero color de la superficie, sin efectos de iluminación ni sombreado.
Roughness indica el grado de rugosidad de la superficie. Con valores bajos de Roughness, las reflexiones son muy nítidas y bien definidas, y en una superficie metálica con un color base blanco el material se comporta como un espejo perfecto. A medida que aumenta el valor de Roughness, las reflexiones de la luz se vuelven progresivamente más difusas y borrosas. Roughness es lo opuesto a Glossiness.
Las texturas Normal, que son imágenes en color, y los Height Maps, que son imágenes específicas en escala de grises, permiten simular la presencia de detalles de superficie durante la visualización y el renderizado de objetos. Son útiles para ahorrar geometría y, por lo tanto, recursos computacionales, especialmente en aplicaciones en tiempo real como videojuegos o aplicaciones de realidad virtual y aumentada.
Bien, por este videotutorial introductorio sobre los elementos básicos de PBR, materiales y texturas en Substance Painter, nos detendremos aquí con estos primeros cuatro canales de información. Crearé tutoriales adicionales en los que analizaré canales individuales por separado, como Height y Ambient Occlusion, o alternativamente examinaré todos los canales de un Material juntos para ver cómo se combinan para producir efectos específicos, según el caso.
No duden en dejar preguntas, comentarios y solicitudes en la sección de comentarios del video en YouTube. ¡Hasta la próxima!