Inhaltsverzeichnis: Was sind Shader und wie funktionieren sie?
Wie matt wirkt ein Stoff, wie spiegelt sich Licht in lackiertem Holz? Shader beschreiben solche Materialeigenschaften im Rendering. Für eine überzeugende 3D-Visualisierung müssen Geometrie, Material, Licht und Bildgestaltung zusammenpassen. Dieser Überblick erklärt die Grundlagen und zeigt, was sie für Material- und Oberflächenvisualisierungen, Produktbilder und Interior-Szenen bedeuten. Beispiele unserer Arbeit findest du im 3D-Render-Studio.
Was sind Shader?
Shader sind Programme zur Berechnung von Grafikdaten. Im Rendering bestimmen sie unter anderem, wie Oberflächen auf Licht reagieren. Echtzeit-Grafik nutzt programmierbare Stufen wie Vertex- und Fragment-Shader auf der GPU. Beim Offline-Rendering werden Materialien häufig über Nodes aufgebaut; je nach Renderer laufen Berechnungen auf CPU oder GPU. Shader sind deshalb nicht grundsätzlich auf Grafikkarten beschränkt. Technische Grundlagen erklären Khronos zu GLSL und Microsoft zu HLSL.
Ein CGI-Künstler von Danthree Studio überprüft Stoffmuster für eine 3D-Visualisierung. Shader spielen eine wichtige Rolle bei der Wiedergabe realistischer Materialien, die in fotorealistischen Renderings genutzt werden.
Was sind Vertex Shader?
Ein Vertex-Shader verarbeitet die Eckpunkte eines Modells. Er berechnet beispielsweise ihre Position für die Darstellung auf dem Bildschirm und gibt weitere Daten wie Texturkoordinaten an die nächsten Stufen weiter. Er legt nicht allein die endgültige Farbe jedes Bildpunkts fest.
Was sind Fragment-Shader?
Ein Fragment-Shader verarbeitet Fragmente, die bei der Rasterisierung entstehen. Aus Materialparametern, Texturen und gegebenenfalls Lichtdaten berechnet er Farbwerte und weitere Ausgaben. Ein Fragment ist dabei noch nicht zwingend ein fertiger Pixel im ausgegebenen Bild.
Wie funktionieren Shader in Bezug auf 3D?
Für eine vereinfachte Rasterisierungspipeline gilt: Mesh, Vertex-Shader, Rasterisierung, Fragment-Shader, weitere Tests und Zusammenführung zum Bild. Die Rasterisierung erzeugt Fragmente aus den projizierten Flächen. Texturen und UV-Koordinaten können die Berechnung unterstützen. Das ist ein Beispiel für Echtzeit-Grafik, keine allgemeine Beschreibung jedes Renderverfahrens.
Material-Editoren in Unreal Engine und Unity helfen, solche Berechnungen aufzubauen. Auch Offline-Renderer wie Arnold, V-Ray und Redshift verwenden Material- und Node-Systeme. Ein Material kombiniert Shader, Parameter und gegebenenfalls Texturen. Die Unreal-Dokumentation zu Materialien und die Unity-Dokumentation zum Lit Shader zeigen unterschiedliche Umsetzungen.
Verschiedene Arten von Shader-Maps für 3D-Modelle: Normal Map, Diffuse Map, Specular Map. Jede dieser Maps hat eine spezielle Funktion, um die Oberflächen eines Modells realistisch zu gestalten
Welche Rolle spielen Shader bei der Erstellung fotorealistischer 3D-Visualisierungen?
Physically Based Rendering (PBR) verwendet Modelle des Lichtverhaltens, etwa für Reflexion, Rauheit und Energieerhaltung. Das erleichtert eine plausible Materialdarstellung bei wechselndem Licht. Es garantiert aber keine Übereinstimmung mit einem realen Produkt: Materialwerte, Maßstab, Beleuchtung und Referenzen müssen zusammenpassen. Ein grundlegender Fachbeitrag ist Physically-Based Shading at Disney. Ein Anwendungsbeispiel aus unserer Arbeit zeigt das Barbas-Projekt mit Kaminbildern und Scrollstory.
Für Möbel- und Interior-Marken ist neben der Materialdarstellung die Bildsprache entscheidend. Holz, Stoff, Stein und Metall sollen zum Produkt passen; Licht, Perspektive und Raumgestaltung zur Marke. Das gilt für Wohnzimmer-Renderings ebenso wie für Badezimmer-Visualisierungen und Küchenbilder.
Holzbein eines 3D-Stuhls, erstellt mit PBR-Shadern. Diese Shader simulieren realistische Holzstrukturen und Oberflächenmaterialien in fotorealistischen 3D-Renderings.
Welche Arten von Shadern gibt es?
Der Begriff Shader wird auf verschiedenen Ebenen verwendet. Vertex- und Fragment-Shader bezeichnen technische Verarbeitungsstufen; Oberflächen- und Volumen-Shader beschreiben die Darstellung von Materialien. Folgende Ansätze begegnen dir häufig:
Phong und Blinn-Phong: Klassische Beleuchtungsmodelle mit vereinfachter Berechnung von Glanzlichtern. Sie sind keine vollständigen physikalischen Materialmodelle, können aber für bestimmte Echtzeitanwendungen oder stilisierte Darstellungen ausreichen.
PBR-Oberflächen-Shader: Sie beschreiben Eigenschaften wie Rauheit, Metallanteil, Reflexion oder Transmission mit physikalisch motivierten Parametern. Die konkrete Umsetzung hängt vom Renderer ab. Mehr dazu im Glossar zu Physically Based Rendering.
Shader beim Ray Tracing: Hier werden Materialeigenschaften an den Treffpunkten von Strahlen ausgewertet. Ray Tracing ist ein Renderverfahren und keine Materialart. Es kann auch in Echtzeit eingesetzt werden. Die Unterschiede erklärt unser Glossar zu Ray Tracing.
Volumen-Shader: Sie beschreiben Streuung, Absorption und gegebenenfalls Eigenleuchten innerhalb eines Volumens, etwa bei Nebel, Rauch oder Dampf. Lichtstreuung unter einer festen Oberfläche, beispielsweise Wachs, wird dagegen häufig mit einem Subsurface-Modell im Oberflächenmaterial beschrieben.
Nodes und OSL: Das sind Möglichkeiten, Shader aufzubauen oder zu programmieren, keine eigenen Materialarten. Nodes verknüpfen Funktionen visuell; Open Shading Language ermöglicht programmierte Shader in unterstützten Renderern. Ein Beispiel bietet die Arnold-Dokumentation zu OSL.
Fotorealistische 3D-Darstellung eines Polsterbettes mit Velour Stoff, erstellt mit hochwertigen Shadern. Shader ermöglichen die realistische Darstellung von Stofftexturen und Oberflächenreflexionen.
Was hat es mit den unterschiedlichen Maps von 3D Shadern auf sich?
Textur-Maps liefern räumlich unterschiedliche Werte für einen Shader, etwa Farbe oder Rauheit. Bei Bildtexturen legt häufig das UV-Mapping fest, welcher Bildbereich auf welcher Modellfläche erscheint. Prozedurale Texturen und andere Projektionen können auch ohne manuell entpackte UVs arbeiten.
Nicht jedes Material benötigt jede Map. Entscheidend sind die Eingänge des Shaders und die Eigenschaften, die das Produkt zeigen soll:
Base Color: Die Grundfarbe des Materials ohne eingebrannte Beleuchtung oder Glanzlichter. Wie sie für diffuse oder metallische Reflexion verwendet wird, hängt vom Materialmodell ab.
Roughness: Beschreibt die mikroskopische Rauheit. Sie beeinflusst, wie scharf oder breit Reflexionen erscheinen.
Metalness: Unterscheidet im Metallic-Roughness-Modell zwischen metallischem und nichtmetallischem Verhalten. Lack, Beschichtungen und gemischte Oberflächen erfordern eine passende Materialaufteilung.
Normal Map: Verändert die Richtung der Oberflächennormalen für die Lichtberechnung. So entstehen sichtbare Details, ohne die Geometrie und ihre Silhouette tatsächlich zu verändern.
Displacement Map: Verschiebt die Oberfläche geometrisch und kann dadurch auch die Silhouette verändern. Eine Height Map kann alternativ für Bump Mapping genutzt werden; dann verändert sie nur die Lichtberechnung.
Specular und IOR: Beschreiben je nach Materialmodell Reflexionseigenschaften und den Brechungsindex. Solche Parameter können auch in modernen PBR-Shadern relevant sein, nicht nur in älteren Specular-Glossiness-Workflows.
Opacity und Cutout: Steuern Deckkraft oder ausgeschnittene Bereiche, beispielsweise Lochmuster. Lichtbrechung durch Glas benötigt zusätzlich ein geeignetes Transmissions- und Brechungsmodell.
Emission: Beschreibt Eigenleuchten, etwa für Displays. Ob und wie stark es die Umgebung beleuchtet, hängt vom Renderer und dessen Einstellungen ab.
Ambient Occlusion: Nähert die Abschattung in Vertiefungen und an Kontaktstellen an. Sie ersetzt keine vollständige Lichtberechnung und sollte nicht zu doppelter Abdunklung führen.
Bei Bildtexturen prüfst du Maßstab, Ausrichtung, Nähte und Verzerrungen am Modell. Ein Test der Kachelbarkeit zeigt nur, ob sich ein Texturbild an seinen Rändern wiederholen lässt. Er ersetzt weder die Materialprüfung unter Licht noch den Abgleich mit einer Vorlage. Wie Texturinformationen vorbereitet werden, erklärt unser Beitrag zu Texture Baking.
Wie wählt man den richtigen Shader aus?
Für die Wahl eines Shaders sind Material, Zielanwendung und verfügbare Referenzen wichtiger als eine möglichst lange Liste von Effekten. Diese fünf Punkte helfen bei der Einordnung:
1) Material & Use-Case
Polster, Holz, Stein und Metall reagieren unterschiedlich auf Licht. Eine Lackschicht benötigt andere Einstellungen als gebürstetes Metall. Für Echtzeitanwendungen begrenzen Zielgerät und gewünschte Bildrate die Materialkomplexität; bei gerenderten Produktbildern steht stattdessen die verfügbare Renderzeit im Vordergrund.
Detailaufnahme eines modernen Stuhls, der mit PBR-Shadern für realistische Material- und Texturwiedergabe in 3D visualisiert wurde. PBR-Shader sind entscheidend für physikalisch basierte Renderings.
2) Renderer & Pipeline
Ein Material lässt sich nicht immer unverändert zwischen Renderern übertragen. Prüfe unterstützte Shader, Texturkanäle, Farbräume und Exportformate. Die Material-Grundlagen von Unreal Engine und die Dokumentation zu Unity HDRP Lit zeigen, welche Parameter die jeweilige Anwendung erwartet.
3) Licht & CI
Beurteile Materialien unter nachvollziehbaren Lichtbedingungen und anschließend in der geplanten Szene. HDRI-Umgebungen, Flächenlichter und IES-Lichtprofile haben unterschiedliche Aufgaben. Auch Render-Engine, Farbmanagement und Ausgabe beeinflussen das Ergebnis. Die Bildsprache entsteht aus diesem Zusammenspiel, nicht aus dem Shader allein.
4) Performance & Skalierung
Bei Produktvarianten helfen wiederverwendbare Materialien und nachvollziehbare Versionen. Für Echtzeit-Viewer müssen unterstützte Materialkanäle, Texturgrößen und Zielgeräte geprüft werden. Ein glTF- oder GLB-Export übernimmt nicht automatisch jede Funktion eines Offline-Shaders.
5) Team & Erfahrung
Zur Materialarbeit gehören Beobachtung und Abgleich: Wie verläuft ein Gewebe, wie breit ist eine Reflexion, wie wirkt die Oberfläche im Detail? Unser CGI-Team verbindet dieses Produktverständnis mit der Gestaltung von Licht, Perspektive und Markenraum.
Fazit: Was sind Shader und wofür brauche ich sie?
Shader legen fest, wie Materialien im Rendering berechnet werden. Für überzeugende Produktbilder müssen zusätzlich Geometrie, Texturen, Licht und Farbmanagement stimmen. Wir stimmen digitale Materialien mit deinen Vorlagen ab und setzen sie in Produktbildern, Raumszenen und Animationen ein. Welche Grundlagen dafür nötig sind, klären wir anhand deines Produkts und der geplanten Nutzung.
Zwei CGI-Künstler von Danthree Studio arbeiten gemeinsam an fotorealistischen Shadern für eine 3D-Visualisierung. Shader spielen eine zentrale Rolle bei der Darstellung realistischer Oberflächen in der 3D Computergrafik.
