¿Qué es un sistema de partículas en el arte digital?
Humo, chispas, enjambres, nubes de luz: buena parte del movimiento en el arte digital está hecho de partículas. Esta exploración explica qué es un sistema de partículas, cómo funcionan sus reglas, por qué piezas tan simples acaban formando imágenes complejas y en qué se diferencia de una simulación física o de un sistema generativo, con fotogramas reales de Matter, Nebula y Vortex.
Un sistema de partículas es una forma de dibujar algo como una gran cantidad de elementos pequeños, las partículas, que se mueven todas según las mismas reglas sencillas. Una partícula sola no parece gran cosa: un punto con una posición, una velocidad y quizá un color o una edad. Juntas, miles de ellas pueden leerse como humo, una bandada, una nube de gas o un campo de luz que se aparta al paso de tu mano.
De dónde viene la idea
El término viene de la informática gráfica. En 1983, William T. Reeves, que entonces trabajaba en Lucasfilm, publicó Particle Systems: A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects, donde describía el método detrás del fuego que se extiende por un planeta en el «efecto Génesis» de Star Trek II: La ira de Khan (1982). Su argumento era sencillo: el fuego, las nubes o el agua no tienen una superficie fija que modelar, así que resulta más fácil describir cómo nacen, se mueven, cambian y mueren muchísimas cosas diminutas.
Los artistas adoptaron la idea enseguida. La animación Particle Dreams (1988), de Karl Sims, aplicaba reglas de comportamiento a miles de partículas para crear una tormenta de nieve, una cascada y una cabeza inquieta. Hoy el mismo principio funciona en motores de videojuegos, programas de efectos visuales y bibliotecas de programación creativa, y también en el navegador, en la tarjeta gráfica de un móvil cualquiera.
Qué es una partícula y qué la mueve
En la mayoría de los sistemas, una partícula es una breve lista de números: dónde está, a qué ritmo y en qué dirección avanza (su velocidad) y, a veces, su edad, su masa o su color. El sistema repite un mismo ciclo muchas veces por segundo, para cada partícula:
- Suma las fuerzas que actúan en el lugar donde está la partícula.
- Cambia un poco su velocidad en esa dirección.
- La desplaza según su velocidad.
- La dibuja.
Casi todo lo interesante ocurre en el primer paso. Una fuerza es cualquier regla que diga «empuja hacia aquí, en este lugar». La atracción acerca las partículas a un punto y la repulsión las aleja, normalmente con menos intensidad cuanto más lejos están. Un campo de flujo asigna una dirección a cada lugar, como una corriente en el agua. La amortiguación resta un poco de velocidad en cada fotograma para que nada salga disparado para siempre. Muchos sistemas tienen además emisores, que crean partículas nuevas, y una vida limitada tras la cual cada una se desvanece.
La velocidad es lo que hace que el resultado parezca físico. Una partícula no salta hacia donde apunta una fuerza: gira hacia ella a lo largo de varios fotogramas, se pasa de largo y traza curvas. Esa inercia explica por qué un campo de partículas parece tener peso.
Cómo piezas simples crean imágenes complejas
Cada regla cabe en una o dos líneas, pero la imagen que producen casi nunca es previsible. Los dos fotogramas siguientes salen de un pequeño sistema escrito para esta historia: 6.000 partículas repartidas al azar, cada una leyendo la misma corriente suave y acercando poco a poco su velocidad a la de esa corriente. Ninguna partícula sabe que existen las demás.
En pocos segundos, la dispersión inicial se ha organizado en carriles, remolinos y charcos vacíos. Nadie ha dibujado esos carriles: aparecen porque miles de partículas siguen el mismo campo y se acumulan donde sus corrientes convergen. Eso es lo que significa emergencia: una estructura a la escala del conjunto que ninguna regla describe a la escala de cada pieza. La guía sobre arte generativo interactivo sigue esa misma idea a través del Juego de la Vida y de los boids, sistemas en los que los agentes sí reaccionan unos a otros.
Tres mundos, tres técnicas
Es tentador pensar que toda imagen de partículas es una simulación física. Los tres mundos de partículas de Synfield demuestran que no es así, y la diferencia se ve en cuanto sabes dónde mirar.
Matter: una simulación
Matter es un sistema de partículas en el sentido clásico. Hasta unas 65.000 partículas conservan su posición y su velocidad de un fotograma al siguiente, guardadas en la tarjeta gráfica y actualizadas en cada fotograma. A cada una la arrastra una corriente calculada como el rotacional de un campo de ruido, una técnica que Robert Bridson y sus colegas expusieron en Curl-Noise for Procedural Fluid Flow (2007) y que crea remolinos sin amontonar las partículas, más un pequeño término extra que las reúne en filamentos. Encima se suman tus fuerzas: el puntero del ratón atrae y remueve, el código interpreta una palma abierta ante la cámara como un empuje, mantener los dedos juntos excava un pozo de gravedad y, al soltar, sale una onda.
Nebula: calculada, no simulada
Nebula tiene hasta 52.000 puntos, pero ninguno recuerda dónde estaba. Cada uno tiene un hogar fijo dentro de una nube que se genera al abrir el mundo. En cada fotograma, la tarjeta gráfica calcula dónde debe aparecer cada punto a partir de ese hogar, del tiempo, de lo abierta que esté la mano, de la posición del puntero y de cualquier onda expansiva en curso. Al cerrar la mano, las capas interiores se recogen primero y las exteriores después, porque siguen dos muelles distintos.
La nube se mueve como un fluido, pero se parece más a una animación guiada por reglas. Como nada se acumula de un fotograma a otro, siempre vuelve a encontrar su forma.
Vortex: una sola magnitud con memoria
Vortex dibuja decenas de miles de trazos cortos alrededor de un núcleo oscuro. Sus posiciones también se calculan: cada trazo tiene su propia órbita y gira con una rotación compartida que va más deprisa cerca del centro, de modo que el disco se cizalla. Lo que tiene memoria es un único número, el giro. Dibujar círculos mientras sujetas el vórtice lo aumenta; cuando lo sueltas, el rozamiento lo va restando poco a poco.
Partículas, física y sistemas generativos
Los tres términos se solapan, pero no son sinónimos.
| Término | Qué es | Ejemplo |
|---|---|---|
| Sistema de partículas | Una manera de representar algo como muchos elementos pequeños movidos por reglas | Chispas y humo en una película, Matter, Nebula |
| Simulación física | Un modelo que sigue de cerca las leyes físicas y se contrasta con mediciones | El aire alrededor de un ala, una prueba de choque |
| Sistema generativo | Un proceso de reglas, a menudo con azar, que produce la obra con cierta autonomía | El Juego de la Vida, un dibujo de plóter |
Un sistema de partículas puede formar parte de una simulación física, como cuando un equipo de ingeniería sigue las gotas de un aerosol. En el arte, sin embargo, las fuerzas suelen elegirse porque se ven y se sienten bien, no porque sean exactas: las corrientes de Matter no son aire ni agua de verdad. Por eso la mayor parte del arte de partículas es también arte generativo. El artista diseña las reglas y el sistema produce imágenes que nadie ha dibujado una a una.
Por qué las partículas encajan con el arte interactivo
Las partículas responden bien a una persona porque cada una reacciona en su entorno inmediato. Una mano o un puntero son solo una fuerza más dentro de la misma suma que la corriente, así que el sistema no necesita entender un gesto para responder a él. La respuesta es continua, no un interruptor, y como las partículas tienen inercia, un movimiento deja una estela que dura unos segundos después de que te detienes. Eso se parece mucho al circuito de actuar y recibir respuesta que describe ¿Qué es el arte interactivo?.
Si quieres construir uno, el libro gratuito en línea The Nature of Code, de Daniel Shiffman, tiene un capítulo muy claro sobre sistemas de partículas, y la página de Craig Reynolds sobre los boids muestra lo que ocurre cuando las partículas empiezan a orientarse según sus vecinas.
En resumen
Un sistema de partículas son muchos elementos sencillos, un ciclo y un conjunto de fuerzas. Las fuerzas dan carácter a la imagen: las corrientes aportan deriva, la atracción y la repulsión aportan una respuesta a un punto, la inercia aporta peso. Además, no toda imagen de partículas es una simulación. Algunas se recalculan desde cero en cada fotograma y otras conservan una sola magnitud con memoria. Fijarse en esas decisiones es una buena manera de leer cualquier obra hecha de partículas.