Das Material-Lab

Das Material-Lab ist der interaktive Teil dieser Webseite. Hier werden die einzelnen Eingänge eines Principled-BSDF-Shaders erklärt. Zusätzlich zu jedem Kanal hast du direkt die Möglichkeit, die Auswirkung des jeweiligen Kanals zu testen. Wie in der Einleitung bereits erwähnt, kannst du einfach mit der Maus oder dem Finger über die Bilder ziehen. Dann siehst du direkt eine Veränderung im Ergebnis.

Die einzelnen Darstellungen beginnen immer bei den Standardeinstellungen des BSDF-Shaders. Nur in Einzelfällen wurden diese Werte geändert, um einen sichtbareren Effekt zu erzeugen. Unter den Abbildungen befinden sich weitere Hinweise über den Eingang.

PBR-Kanäle

Die PBR-Kanäle sind Einstellungen, die ganz dem Namen nach, realistische Bedingungen simulieren.

Base Color

Hierzu gehört zum Ersten die Base color. Diese gibt den Grundfarbton an. Sollte das Modell aus Metall sein, wird diese Farbe zur Glanzfarbe des Objektes. Dieser Kanal ist eine Basiseinstellung für fast alle Materialien. Häufig werden hier Texturen verwendet, um mehr Detail in die Basisfarbe des Körpers zu integrieren.

Hier siehst du die Standardeinstellung (weiß), die sich immer mehr nach der Basecolor einfärbt (rot).

Subsurface Scattering

Die nächsten Kanäle sind für das Subsurface Scattering (SSS) eines Objektes. Mit diesen lassen sich Lichtbrechungen unter der Oberfläche simulieren. Zum Beispiel Kerzenwachs oder die menschliche Haut mit Gegenlicht (vgl. Abb. 7). Der erste Slider entscheidet, ob überhaupt etwas berechnet werden muss. Der Radius bestimmt die „Tiefe“ der Berechnung in das Material. Danach können sowohl Farbe als auch der Brechungsindex (Index of refraction, IOR) und die Ausrichtung des Subsurface Scatterings angepasst werden.

Hier steigert sich der Wert für die Subsurface Scattering Berechnung.
Die rötliche Einfärbung ist Blenders Standardeinstellung für Hauttöne, diese könnte mit dem Radius oder der Color bearbeitet werden.

Metallic

Der Metallic-Slider bestimmt, ob das Material dielektrisch oder metallisch wirkt (vgl. Abb. 8). Da es in der realen Welt nur das eine oder das andere gibt, sollte man sich hier auf die Werte 0 und 1 beschränken. Auch an dieser Stelle können Texturen genutzt werden, um die Verteilung von Metall und diffusen Materialien auf einem Objekt zu beschreiben. Ein oft eintretender Fall ist Rost.

Bei dieser Darstellung erhöht sich die Metallizität immer mehr.
Der Shader liefert zwar unterschiedliche Ergebnisse bei Werten zwischen 0 und 1, jedoch sind diese Werte nicht realistisch.
Dementsprechend sollte man sich auf 0 oder 1 beschränken.

Specularity

Specularity und Roughness modifizieren das Spiegelungsverhalten des Objektes. Ersteres bestimmt die Intensität der Spiegelungen. Der Roughness-Wert definiert die Rauigkeit der Oberfläche und damit die Glätte der Reflexionen. Die meisten Objekte in der echten Welt reflektieren Licht. Deshalb sind Specular und Roughness essenzielle Einstellungen.

Hier erhöht sich die Roughness des Materials.
Die Specularity ist auf dem Standardwert 0.5, die Roughness bestimmt die Härte der Reflexionen.

Clearcoat

Die nächsten PBR-Kanäle sind die beiden Clearcoat-Eingänge. Clearcoat verhält sich, der Name verrät es bereits, wie eine Klarlackschicht über dem gesamten Objekt. Dieser Slider wird häufig verwendet, um lackierte Gegenstände wie Autolack nachzustellen. Hier gibt es auch einen Kanal für die Intensität und einen für die Rauigkeit.

Die Clearcoat-Einstellung legt eine weitere Glanzschicht über das Modell.
Die Specularity und Roughness sind beide bei 0.5, sie werden von der Klarlackschicht noch einmal überzogen.

Index Of Refraction

Der IOR-Eingang bestimmt den Brechungsindex des Materials. Dieser beeinflusst jegliche auftretende Lichtbrechungen. Wichtig ist hier, dass die Brechung für das SSS getrennt eingestellt werden kann. Den genauen IOR für ein Material kann man online nachschauen. Die meisten Werte bleiben zwischen 1,3 und 2,0. Der Index für Glas ist beispielsweise 1,5 (Pixel and Poly, 2022). Der IOR ist noch für etwas anderes nützlich. Im Falle des Principled BSDF Shaders kann der Index den Specular-Kanal mitbestimmen. Hierfür benötigt man die Fresnelgleichung für senkrechten Lichteinfall. Licht wird häufig im Bereich von 0–8 % zurückgeworfen. Deshalb werden auch nur 1/8 der Fresnelgleichung als Wert für die Glanzlichtintensität gewertet.

Hier sieht man die Unterschiede zwischen den Brechungsindexwerten von 1 bis 2.
Bei Wert 1 kann man direkt durch das Modell "hindurchsehen".

Transmission

„Transmission“ und die „Transmission Roughness“ sind die Kanäle für lichtbrechende Objekte. Gläser, Wasser oder durchsichtiges Plastik. All diese Materialien lassen sich mit diesen Kanälen nachbilden. Wie auch bei den anderen Einstellungen bestimmt der erste Wert die Intensität und der zweite die Schärfe des durchscheinenden Bildes.

Bei dieser Darstellung wird das Objekt immer "gläserner".

Emission

Sollte eine Szene komplexere Lichter benötigen, wie zum Beispiel Neon-Farbröhren oder Leuchtstoffröhren, können diese mit dem „Emission“ PBR-Kanal umgesetzt werden. Der Emissionskanal sorgt dafür, dass Objekte zu Lichtquellen werden. Die „Emission Strength“ bestimmt die Intensität des Leuchtens. Je stärker das Objekt leuchtet, desto weißer wird die Farbe, die angegeben wurde. Das ist allerdings nicht die Glühtemperatur des Objektes. Die Intensität bestimmt die Stärke des Glühens. Bei Werten über 1 wird das Leuchten so stark, dass es zu einer Überbelichtungssituation kommt und deshalb die Leuchtfarbe verloren geht.

Je höher der Emissionswert steigt desto stärker leuchtet das Modell in der angegebenen Farbe (hier: Rot).
Der Unterschied zwischen Emission und Base Color liegt in den Schatten.
Da das gesamte Objekt leuchtet, verschwinden auch die Schattenpartien./p>

Alpha

Der Alphakanal bestimmt die Transparenz einer Oberfläche. Die Werte gehen wie bei einer Photoshop-Maske von null bis eins. Null ist Schwarz und wird nicht dargestellt, eins ist weiß und 100 % sichtbar. Daher auch der Standardwert 1 auf diesem Kanal.

Bei dieser Darstellung sind die Werte umgekehrt.
Von 1 (sichtbar) zu 0 (durchsichtig).

Displacement

Genau betrachtet ist das „Displacement“ eines Objektes keine Einstellung im Shader. Der Displacement-Kanal wird direkt mit der „Material Output“ Node verbunden. Displacement Maps bestehen aus Vektorinformationen. Mithilfe dieser Daten werden einzelne Vertexpunkte (Vertices) eines Meshes verschoben. Die Verformung einer Objektoberfläche basiert auf der Polygonanzahl des Modells. Dieser Prozess funktioniert also nur gut, wenn die Auflösung des Körpers hoch genug ist. Ein Mesh mit mehreren Tausend oder Millionen Vertices fällt allerdings schnell ins Gewicht, wenn es um Rechenleistung geht. Um nicht jedes Objekt mit Unmengen von Detail ausschmücken zu müssen, damit Displacement darauf angewendet werden kann, gibt es die viel effizienteren PBR-Helfer.

Das Displacement verschiebt die Geometrie des Modells.
Die hier zu sehenden Werte beschränken sich zwischen 0 und 0.1.

PBR-Helfer

Diese Kanäle sind Einstellungsmöglichkeiten, die nicht zwingend physikalisch korrekt funktionieren. Jedoch sind sie essenziell für die Imitation einiger Lichteffekte.

Speculat Tint

Der erste Kanal ist der „Specular Tint“. Er benutzt die Base color, um die Glanzlichter eines Objektes einzufärben. Meistens sind solche Highlights in der Farbe der Lichtquelle, aus der sie entstehen. Mit dieser Einstellung können jedoch abweichende stilistische Entscheidungen getroffen werden.

Hier sieht man, dass Specular Tint die Spiegelungen in der gleichen Farbe der Base color einfärbt.

Anisotropic

Die nächsten Slider sind „Anisotropic“ und dessen Rotation. Runde Lichtquellen bilden auf glatten Oberflächen auch eine runde Reflexion. Anisotropie beschreibt die Verzerrung einer solchen Streuung. Je höher der Wert, desto beträchtlicher die Streckung in eine Richtung. Der Effekt ist bekannt bei Oberflächen mit feinen Rillen, gebürstetem Stahl oder CDs. Die „Anisotropic Rotation“ bestimmt den Winkel, mit dem die Verzerrung stattfindet. Weitere Einstellungsmöglichkeiten bietet der „Tangent“-Eingang weiter unten in der Node. Mit ihm lässt sich eine Vektortangente angeben, die die anisotropische Reflexion steuert.

Die normaler Reflexion gegenüber den anisotropischen Spiegelungen von gebürstetem Stahl.
Auch hier sind die Zwischenwerte nur für Darstellungszwecke.

Sheen

„Sheen“ versucht, eine weich glänzende Stoffoberfläche zu imitieren. In der realen Welt entstehen diese Reflexionen durch die dünnen Fasern. Diese Fäden sind in einem Muster zusammengewebt und reflektieren einzeln Licht. In der virtuellen Umgebung wären solche kleinen Details im Modell ein enormer Rechenaufwand. Um diesen zu vermeiden, kann man mit Sheen ein vergleichbares Ergebnis erzeugen. Sheen Tint wirkt wie das Äquivalent zu Specular Tint.

Eine sehr subtile Änderung die mehr Glanzlicht entlang der linken Kante des Modells erzeugt.
Diese kann oft helfen, Stoff noch überzeugender wirken zu lassen.

Vector Channels

Die letzten drei Einstellungen der PBR-Helfer in dieser Kategorie sind „Normal“, „Clearcoat Normal“ und „Tangent“. Die Normale ist ein Vektor, der orthogonal zu einer Fläche steht und deren Richtung angibt. Normalen werden häufig verwendet, um festzustellen, ob eine Oberfläche nach außen oder innen zum Modell zeigt. Zusätzlich werden sie genutzt, um den Lichteinfallswinkel auf eine Oberfläche zu bestimmen. Bei modifizierten Normalen kann der Lichteinfall künstlich verändert werden, obwohl die Oberfläche eines Körpers glatt ist. Über sogenannte Bump- oder Normal Maps können Höhenprofile in Form von Vektordaten in das Material geladen werden. Diese werden dann vom Shader interpretiert. Damit lassen sich sehr detailreiche Oberflächen mit vergleichsweise wenig Polygonen imitieren. Gerade die Glanzlichter auf einem Modell werden mit einer guten Normal Map extrem realistisch. Deshalb findet man Bump- oder Normal Maps sehr häufig in Materialien.

Eine Bump-Map mit immer höherer Stärke.
Zu beachten ist hier, dass die Bump-Map nicht die Geometrie beeinflusst.
Also ist auch bei dem Wert 1 die Statue noch komplett erkennbar.

All diese Helfereinstellungen sind nicht hundertprozentig physikalisch korrekt. Aber dennoch sind sie notwendig, um die Materialeigenschaften bestimmter Objekte nachstellen zu können. Sie ersetzen die Notwendigkeit, hochauflösende Meshes zu generieren oder hochkomplexe Mikrostrukturen zu berechnen. Stattdessen fungieren sie als schnelle Alternativen. Meine Einteilung in diese drei Kategorien soll also in keiner Weise wertend interpretiert werden.

Weitere Einstellungen

Die ersten beiden Drop-Down-Auswahlmöglichkeiten des Shaders sind Einstellungen für Rechenmethoden. Sie wählen zwischen Algorithmen aus, die Spiegelungen und Subsurface Scattering berechnen. Für die Glanzlichter gibt es hier eine schnellere, nicht ganz korrekte (GGX) und eine präzisere Rechenmethode (Multiple-scattering GGX). Für das Subsurface Scattering können drei verschiedene Methoden angewandt werden. Diese unterscheiden sich in der Streuung unter der Oberfläche und der Genauigkeit der Berechnungen (Blender Foundation, 2022). Diese Einstellungen sind eher optional und meistens ist der Standardwert auch ausreichend. Jedoch kann es teilweise zu Artefakten kommen, die sich mit diesen Menüs beheben lassen. Die Methode „Christensen-Burley“ berechnet das SSS eher ungenauer, ist dafür allerdings schneller. Die zwei letzten Methoden „Random Walk“ rechnen die Untergrundstreuung genauer. Sie unterschieden sich lediglich darin, dass eine Methode den eingestellten SSS-Vektor als Tiefeninformation verwendet und die andere Methode die eingestellte SSS-Farbe.