Clase 093 — PBR: modelo físico de materiales (metallic/roughness)

Parte: 4 — Gráficos, shaders y rendering moderno · Fuente: Godot Engine 4.x — Standard Material 3D y Spatial shaders ⏱️ Duración estimada: 65 min · Nivel: Avanzado

🎯 Objetivo

Entender qué es el renderizado basado en física (PBR) y el flujo metallic/roughness que usa Godot 4. Aprenderás qué representa cada canal (albedo, metallic, roughness, normal, AO), por qué un material metálico se comporta distinto a uno dieléctrico y cómo la conservación de energía evita que las superficies "brillen más de lo que reciben". Lo montarás dos veces: con un StandardMaterial3D de mapas y con un shader spatial que escribe ALBEDO, METALLIC y ROUGHNESS a mano.

📚 Resultados de aprendizaje

Al finalizar, el alumno podrá:

1. Explicar qué es PBR y en qué se diferencia del sombreado ad-hoc de la clase anterior.
2. Describir el papel de albedo, metallic, roughness, normal y AO en el flujo metallic/roughness.
3. Configurar un StandardMaterial3D PBR asignando mapas a cada canal.
4. Escribir un shader spatial que fije METALLIC, ROUGHNESS y ALBEDO por parámetro.
5. Comparar el comportamiento visual de un metal frente a un dieléctrico bajo la misma luz.

🗺️ Temas

📖 Definiciones y características

• PBR: modelo de sombreado que aproxima cómo la luz interactúa realmente con las superficies. Clave: el mismo material se ve bien bajo cualquier iluminación.
• Albedo: color difuso puro, sin sombras ni brillos horneados. Clave: en Godot es ALBEDO, texturizado con source_color.
• Metallic: 0 = dieléctrico (plástico, madera), 1 = metal. Clave: en metal, el color viene del reflejo, no del difuso.
• Roughness: 0 = espejo, 1 = mate. Clave: dispersa el reflejo especular; controla el tamaño del brillo.
• Normal map: perturba la normal por textura para simular relieve. Clave: se asigna a NORMAL_MAP con hint_normal.
• AO (oclusión ambiental): oscurece grietas donde la luz indirecta no llega. Clave: multiplica el ambient, no la luz directa.
• Conservación de energía: una superficie no refleja más luz de la que recibe. Clave: la BRDF de Godot ya la respeta por ti.
• Dieléctrico: material no metálico con reflejo especular tenue (~4%). Clave: metallic 0 y color en el difuso.

🧰 Herramientas y preparación

Usa Godot 4.x, proyecto 3D. Prepara una escena con un Node3D, dos MeshInstance3D con esferas (una para metal, otra para dieléctrico), un DirectionalLight3D y una WorldEnvironment con un cielo procedural: el reflejo del entorno es lo que hace lucir al metal. Puedes usar texturas PBR propias o colores planos. Consulta el Standard Material 3D y la sección de PBR de los Spatial shaders. Lo observable: dos esferas idénticas de forma pero con comportamiento de luz radicalmente distinto.

🧪 Laboratorio guiado

Primero con material estándar, luego con shader propio, para ver que ambos escriben los mismos canales.

Paso 1 — Un StandardMaterial3D PBR. Selecciona la primera esfera, crea un StandardMaterial3D y ajusta:

# Vía código (o hazlo en el inspector):
var mat := StandardMaterial3D.new()
mat.albedo_color = Color(0.9, 0.75, 0.4)   # oro
mat.metallic = 1.0
mat.roughness = 0.25
$EsferaMetal.material_override = mat

Si tienes mapas, arrástralos a Albedo, Metallic, Roughness, Normal Map y AO en el inspector, y activa cada canal.

Paso 2 — La segunda esfera, dieléctrica. Repite con metallic 0 para comparar:

var plastico := StandardMaterial3D.new()
plastico.albedo_color = Color(0.1, 0.4, 0.9)  # plástico azul
plastico.metallic = 0.0
plastico.roughness = 0.4
$EsferaPlastico.material_override = plastico

Ejecuta (F6): el oro refleja el cielo y apenas tiene color propio difuso; el plástico muestra su azul con un brillo pequeño y claro. Esa es la diferencia metal/dieléctrico.

Paso 3 — Un shader spatial que escribe los canales PBR. Crea un ShaderMaterial en una tercera esfera:

shader_type spatial;

uniform vec4 color_albedo : source_color = vec4(0.9, 0.75, 0.4, 1.0);
uniform float metallic_param : hint_range(0.0, 1.0) = 1.0;
uniform float roughness_param : hint_range(0.0, 1.0) = 0.25;
uniform sampler2D normal_tex : hint_normal;
uniform sampler2D ao_tex : hint_default_white;

void fragment() {
    ALBEDO = color_albedo.rgb;
    METALLIC = metallic_param;
    ROUGHNESS = roughness_param;
    NORMAL_MAP = texture(normal_tex, UV).rgb;   // relieve por textura
    AO = texture(ao_tex, UV).r;                  // oclusión ambiental
}

Paso 4 — Barrer roughness desde GDScript. Anima el pulido para ver el efecto:

func _process(delta: float) -> void:
    var r: float = (sin(Time.get_ticks_msec() * 0.001) * 0.5) + 0.5
    $EsferaShader.get_active_material(0).set_shader_parameter("roughness_param", r)

Verás el reflejo pasar de espejo nítido (roughness 0) a un brillo difuso y amplio (roughness 1). Cambia metallic_param entre 0 y 1 y observa cómo el color propio aparece o desaparece.

✍️ Ejercicios

1. Pon la esfera-shader con metallic 1 y roughness 0 y compárala con un espejo real del entorno.
2. Sube roughness a 1 con metallic 1 y describe por qué parece metal cepillado.
3. Asigna un normal map real y confirma que el relieve reacciona al girar la luz.
4. Desactiva el AO (multiplica por 1.0) y compara las grietas con y sin oclusión.
5. Crea un material "cobre pulido" solo con uniforms de color, metallic y roughness.
6. Expón metallic_param en el inspector y crea tres presets: oro, plástico y goma mate.

📝 Reto verificable

Construye una fila de cinco esferas con el mismo shader, variando roughness_param de 0.0 a 1.0 en pasos iguales, todas metálicas, bajo un entorno con cielo. Añade una sexta esfera dieléctrica del mismo color para contraste.

Criterio de aceptación: la fila metálica muestra una transición clara de reflejo especular nítido (izquierda) a difuso (derecha); la esfera dieléctrica exhibe color difuso propio y un brillo pequeño, evidenciando la diferencia metallic/dieléctrico bajo la misma luz.

⚠️ Errores comunes

❓ Preguntas frecuentes

¿PBR es más lento? Marginalmente; Godot lo tiene optimizado. La ganancia en consistencia visual compensa de sobra.

¿Qué es "conservación de energía" en la práctica? Que no puedes tener a la vez difuso fuerte y especular fuerte sin límite; la BRDF reparte la energía. Godot lo gestiona internamente.

¿Metallic/roughness o specular/glossiness? Godot usa metallic/roughness, el estándar más común y con menos parámetros que ajustar mal.

¿Necesito siempre normal y AO? No. Un color, metallic y roughness ya dan un material creíble; los mapas añaden detalle cuando lo necesitas.

🔗 Referencias

1. Godot Engine — Standard Material 3D: https://docs.godotengine.org/en/stable/tutorials/3d/standard_material_3d.html
2. Godot Engine — Spatial shaders (canales PBR): https://docs.godotengine.org/en/stable/tutorials/shaders/shader_reference/spatial_shader.html
3. Godot Engine — Importing images (normal maps): https://docs.godotengine.org/en/stable/tutorials/assets_pipeline/importing_images.html

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