Materiales e Iluminación
Semestre 02, 2026
Objetivo
- Entender qué aporta la luz a una escena y por qué sin ella no hay imagen.
- Distinguir la componente difusa de la especular y saber de qué depende cada una.
- Conocer el albedo como el color propio de un material, independiente de la luz.
- Armar el modelo de iluminación de Phong a partir de sus tres componentes.
- Separar la geometría de un objeto de su material y entender qué decide cada uno.
- Comprender el z-buffer como la estructura que resuelve la visibilidad por píxel.
La luz en una escena
El color de un punto no es más que la luz que ese punto manda hacia la cámara. Sin una fuente que la emita, el raytracer devuelve una imagen negra.
Tipos principales de luz
Representa una fuente muy lejana, como el sol. Sus rayos llegan en paralelo a toda la escena y no se atenúan con la distancia. Un amanecer es el ejemplo típico, porque todo recibe luz desde el mismo ángulo.
Se comporta como una bombilla o una vela. Emerge de un punto del espacio y se propaga en todas las direcciones, así que su intensidad disminuye conforme el objeto se aleja.
Propiedades de la luz
Estas dos propiedades no actúan solas, sino que se combinan con el material del objeto para producir el color final del punto.
Los tres vectores del sombreado
Lo que responde cada ángulo
Los tres vectores se guardan normalizados y con origen en el mismo punto de intersección.
La normal
Vector perpendicular a la superficie en un punto. Define cómo se orienta esa superficie respecto a la luz, a la cámara y al resto de los objetos.
Para qué se usa la normal
Si la normal no tuviera longitud uno, su magnitud contaminaría todos los productos punto del modelo de iluminación.
Luz difusa
La forma en que la luz se dispersa uniformemente en todas las direcciones después de chocar contra una superficie rugosa o mate.
La ley de Lambert
La intensidad es máxima cuando la luz incide perpendicular a la superficie, y va cayendo conforme el ángulo se abre.
Luz especular
La luz que se refleja de forma concentrada en una dirección específica, típica de superficies lisas o pulidas. Es lo que percibimos como reflejo o brillo.
Difusa y especular
| Difusa | Especular | |
|---|---|---|
| Superficie | Rugosa o mate | Lisa o pulida |
| Dispersión | En todas las direcciones | Concentrada en una dirección |
| Depende de la normal | Sí | Sí |
| Depende de la cámara | No | Sí |
| Aporta | Volumen y color base | Brillo y reflejo |
| Ejemplo | Papel, pared, tela | Metal, plástico, vidrio |
La combinación de ambas genera realismo. La difusa da el volumen y el color, mientras que la especular agrega el brillo que delata de qué está hecha la superficie.
Albedo
Propiedad del material que define su color base o intrínseco, independiente de la luz que lo ilumine. Es la fracción de luz que refleja de manera difusa.
El albedo se combina con la luz
Al aplicar un modelo de iluminación, el color del material se multiplica por la luz que llega al punto.
$$ Color_{final} = Albedo \times Luz $$Un material filtra, nunca inventa
Un material solo puede devolver luz que efectivamente recibió. Si la luz no trae cierta longitud de onda, el objeto no puede reflejarla.
El modelo de Phong
Uno de los modelos más usados para simular cómo la luz interactúa con una superficie. Obtiene un color creíble combinando varias componentes en una sola suma.
$$ I = I_a + I_d + I_s $$Por qué se suman las tres
Cada componente modela un fenómeno distinto, y las tres se suman porque la luz que sale de un punto es la acumulación de todas las formas en que ese punto responde a la iluminación.
Componente ambiente
Representa la iluminación mínima de la escena. Simula la luz indirecta que rebota por el ambiente y llega a un punto sin venir directamente de una fuente.
$$ I_a = k_a I_{amb} $$Sin esta componente las superficies en sombra quedarían completamente negras, algo que no ocurre en el mundo real. Es un truco barato para aproximar la iluminación global sin trazar los millones de rebotes que la producen.
Componente difusa
Depende del ángulo entre la luz y la normal de la superficie, siguiendo la ley de Lambert.
$$ I_d = k_d (\mathbf{L} \cdot \mathbf{N}) I_{luz} $$El producto punto hace el trabajo
Si el producto punto resulta negativo, la luz está del otro lado de la superficie y no la alcanza, así que el punto queda en sombra y la componente difusa se descarta.
Componente especular
Simula el brillo o reflejo sobre la superficie, y es la única de las tres que depende de dónde está el observador.
$$ I_s = k_s (\mathbf{R} \cdot \mathbf{V})^n I_{luz} $$El exponente de brillo
El brillo aparece cuando la dirección de reflexión coincide con la dirección de la cámara, y se apaga conforme esas dos direcciones se separan.
Produce un brillo ancho y suave, propio de una superficie mate.
Produce un reflejo pequeño y concentrado, propio del plástico o el metal.
Objetos y materiales
Esferas, planos y triángulos. Es lo que permite responder si un rayo toca el objeto y a qué distancia.
Define cómo se comporta la luz al llegar, si se dispersa de forma difusa, si produce un brillo especular o si atraviesa la superficie de forma translúcida.
La ventaja de separarlos
La misma esfera puede verse como goma, como plástico pulido o como metal sin cambiar una sola línea de su geometría, porque lo único que cambia son los coeficientes del material.
Lo que guarda un material
Eso es todo lo que el sombreador consulta cuando un rayo golpea la superficie.
Z-buffer
Estructura de datos usada en renderizado 3D para determinar qué objetos, o qué partes de un objeto, son visibles en la escena.
Implementación
- Antes de renderizar, el buffer se llena con el valor máximo de profundidad, que conceptualmente es infinito.
- Así cualquier objeto que aparezca queda más cerca que el estado inicial.
- Calcular el valor de profundidad, que es la distancia a la cámara.
- Comparar contra el valor ya almacenado en el buffer.
- Si el nuevo está más cerca, se actualizan tanto el color como la profundidad.
- Si está más lejos, el fragmento se descarta sin dibujarse.
- Solo quedan pintados los píxeles visibles.
- Esa selección por profundidad produce la ilusión óptica de que unos objetos están delante de otros.
Limitaciones
El z-buffer y el ray tracing
El z-buffer es imprescindible, porque los triángulos se dibujan en un orden arbitrario y la visibilidad hay que resolverla después del hecho.
El problema se resuelve antes. Cada rayo prueba todos los objetos y se queda con el impacto de menor distancia, así que no hace falta una estructura aparte.
Es el mismo criterio en los dos casos, que es quedarse con lo más cercano a la cámara. Lo que cambia es el momento en que se aplica.