4. Materialien und Rendering
Shader und Materials
Blender verfügt über die Technologie, photorealistische Bilder zu berechnen, indem die physikalischen Regeln der Realität simuliert werden (Physically Based Rendering, kurz PBR).
Darüberhinaus können auch nicht-photorealistische Bilder berechnet werden, hier spricht man dann von Non-photorealistic rendering (NPR).
Die drei zentralen Dinge für ein gutes Bild sind das Licht (Lighting), die Materialien/Oberflächen (Materials) und eine virtuelle Kamera (Camera).
Die Algorithmen (also die ganze Mathematik), welche Materialeigenschaften simulieren können, werden in sog. Shadern verpackt. Aus mehreren Shadern kann ein Material erstellt werden.
Wenn zum Beispiel ein Teil des Lichts von der Oberfläche reflektiert wird, und ein anderer Teil durch die Oberfläche und durch das Objekt wandern soll (Refraktion), könnte das Material aus einem Reflection Shader und einem Refraction Shader bestehen.
Im modernen PBR werden die gängigsten Materialeigenschaften in einem Uber-Shader vereint. Dieser Uber-Shader in Blender heisst Principled BSDF.
Finde die Hilfe-Seite für Principled BSDF und überfliege sie:
Kamera und Licht
Kameras und Lichter sind ebenfalls Objektarten, die wir über das Add-Menü der Szene hinzufügen können. Im Viewport werden diese Objekte mit Icons dargestellt.
Speichere deine bisherige Arbeit und erstelle eine neue Szene. Baue folgende Situation nach (Zwei Kugeln, Kamera und ein Area Light): 
Damit die Sphere glatt (smooth) angezeigt wird, können wir im RMB-Menü die Funktion Shade Smooth ausführen:
Stelle den Viewport so ein, dass du durch die Kamera schaust. Die Funktion dafür findest du unter View->Cameras. Beachte die angezeigten Shortcuts!
Die aktive Kamera erkennst du an dem schwarz ausgefüllten Dreieck über dem Camera Icon:
Jetzt lohnen sich zwei Viewports nebeneinander. Bewege die Kamera im Raum während der Blick durch die Kamera (Camera View) in einem anderen Viewport angezeigt wird:
Viewport Shading
Bisher haben wir uns die Scene im Viewport im sog. Solid-Modus angezeigen lassen. Das ist der schnelle Modus, welcher in Echtzeit (Realtime) die Szene darstellt. Dieser Modus ist ideal zum Arbeiten.
Die Art der Darstellung, das Viewport Shading (Dokumentation anschauen!), kann oben rechts eingestellt werden:
Teste im Camera View die Viewport Shading Optionen. Öffne die Einstellungen (Settings) für das jeweilige Viewport Shading.
Stelle im Material Preview die Settings so ein, dass eine scharfe Umgebung (Environment) angezeigt wird, die du drehen kannst:
Wie ändert sich das Licht auf der Kugel, wenn du das Environment drehst?
Principled BSDF
Alle Objekte ohne ein Material, haben eine einheitliche graue Oberfläche. Für ein Objekt muss also ein Material erstellt und zugewiesen werden. Blender bietet für diese Art der Arbeit, dem sog. Shading, einen eigenen Workspace.
Wechsle in den Shading Workspace.
Mit der Sphere als aktives Objekt, erstelle ein neues Material.
Ein Principled BSDF Shader wird automatisch im neuen Material erstellt.
Vorerst sind die oberen drei Properties des Principled Shader für uns interessant. Ändere ihre Werte und beobachte im Material Preview Shading-Modus des Viewport, was sich ändert:
Vergleiche was du siehst mit der Dokumentation ds Principled BSDF Shader.
Shading und Lighting mit Path Tracing und Rasterization
Eingangs wurden die Unterschiede zwischen Path Tracing und Rasterization schon erwähnt. Beides sind Algorithmen, welche als sog. Render Engines verpackt werden, zwischen denen wir wählen können.
Hier schauen wir uns nun an, wo sich diese Render Engines in Blender befinden.
Der Viewport Shading Modus Material Preview nutzt Blenders Rasterization Render Engine, genannt EEVEE.
Die Path Tracing Engine nennt sich Cycles.
Und die dritte Render Engine, Workbench, ist die Engine, welche für den Solid Modus genutzt wird.
In der Dokumentation sind diese drei Engines genau beschrieben:
Um alle drei Engines im Viewport nutzen zu können, muss das Viewport Shading auf Rendered gestellt werden. Die eigentliche Render Engine kann dann in den Render Properties gewählt werden:
Wechsle im Viewport die Render Engines.
Was passiert mit dem Licht?
Finde die Properties für das Licht. Stelle Stärke und Größe ein (nutze das Size und Shape Property).
Dupliziere und Transformiere das Licht, um eine Three-point lighting Situation zu erstellen (beachte die folgende Nebenbemerkung über Seitenansichten):
Wechsle das Viewport Shading zwischen Cycles, EEVEE und Material Preview.
Wenn der Header im Area abgeschnitten ist, kannst du rechts/links scrollen, indem du einfach auf dem Header mit dem Mausrad scrollst:
Nebenbemerkung: Seitenansichten im Viewport
Um beim Transformieren schnell in einer Ebene arbeiten zu können, kann man im Viewport in eine orthographische Seitenansicht wechseln. Diese Ansicht hat keine perspektivische Verkürzung. Dadurch lassen sich Objekte im View Space entlang der globalen Achsen transformieren.
Beim Orbit im Viewport zusätzlich die ALT-Taste drücken. Die Ansicht springt dann in die nächstgelegene Seitenansicht (auch 45-Grad Ansichten) und wechselt in die orthographische Darstellung.
Sobald per Orbit weiter gedreht wird, ist der Viewport wieder im Perspective-Modus:
Materialien sind Data-Blocks
Dupliziere die Sphere und schiebe sie hinter die Kamera. Selektiere beide Spheres abwechselnd und beobachte den Namen des Materials:
Ändere den Namen des Materials und Selektiere im Anschluss wieder die andere Sphere. Was kannst du beobachten?
Hier ist unsere erste Berührung mit einem grundlegenden Konzept in Blender: den sog. Data-Blocks.
Eine Blender-Datei ist im Grunde nichts weiter als eine Datenbank in der verschiedene Arten an Daten (Data-Blocks) gespeichert sind. Diese Data-Blocks sind z.B. Objekte, Collections, Bilder, Kameras und auch Materialien.
Data-Blocks können miteinander verknüpft werden, so dass ein Data-Block von einem anderen Objekt genutzt wird:
ein Data-Block wird dadurch zum User des anderen Data-Block.
Beispiel: ein Objekt wird zum User eines Materials.
Ein Data-Block kann von mehreren anderen Data-Blocks genutzt werden.
Beispiel: ein Material wird von mehreren Objekten genutzt.
(Wir hatten schon eine ähnliche Situation: ein Objekt kann in mehreren Collections sein: der Objekt-Data-Block wird von mehrern Collection-Data-Blocks genutzt).
Wir können also Änderungen am Shader vornehmen, was sich auf beide Objekte auswirkt.
Stelle den Shader so ein, dass sich ein glatter Spiegel ergibt.
Unterschied Path Tracing und Rasterization
Rasterization ist schneller, dafür nicht so genau. Schauen wir uns den Unterschied im Viewport an.
Erstelle für die zweite Sphere ein neues Material (einen neuen Material Data-Block). Gib dem Material eine deutliche Eigenfarbe (Base Color) und stelle den Renderer auf Cycles:
Schalte nun zwischen EEVEE und Cycles hin und her. Was passiert mit der reflektierten Sphere?
Aktiviere Raytracing in den EEVEE Properties, um Reflektionen zu ermöglichen:
Schiebe nun die grüne Sphere so vor die Kamera, dass sie teilweise angeschnitten ist.
Beobachte die Reflektion. Nur was im Sichtfeld (field of view) der Kamera ist, wird reflektiert. Alles andere wird vom Renderer ignoriert.
Vergleiche mit Cycles:
World Material und Environment
Wo aber kommt die graue Farbe her?
Zusätzlich zum Licht, wird im virtuellen Raum eine Umgebung (Environment) simuliert. Im Material Preview können wir aus voreingestellten Environments wählen.
Das Environment beleuchtet die Objekte und ist in den Reflektionen sichtbar:
Im Rendered Modus ist kein Environment voreingestellt, sondern nur ein einheitliches Grau.
So wie es Materials für Oberflächen gibt, gibt es ebenfalls ein Material für die Umgebung, das sog. World Material. Es kann genauso aus Shadern aufgebaut werden und z.B. ein Bild benutzen. Standardmäßig nutzt es einen Background Shader mit dem Grau das wir sehen:
Ändere die Environment-Farbe:
Material auf mehrern Objekten
Wenn wir nun ein Material auf einem Objekt haben, wie bekommen wir es auch auf andere Objekte?
Materials sind Data-Blocks und können mehrere User haben. Wir können Objekte zu Usern machen, indem wir den Material Data-Block mit den Objekten verlinken.
Auch hier spielt das Active Object wieder eine Rolle.
Erstelle ein paar neue Objekte und platziere sie irgendwo im Raum. Selektiere alle neuen Objekte, und setze eine der bisherigen Spheres als das Active Object. Mit CTRL-L im Viewport öffnet sich das Link/Transfer Data Menü. Hier können wir das Material des Active Object mit den Selected Objects verlinken:
Studiosituation
Ein Fotostudio ist idealerweise komplett dunkel, so dass nur die Lampen das Objekt beleuchten und sich darin spiegeln. Diese Situation bauen wir hier nach.
Lade deine Szene mit dem Einmachglas.
Stelle Cycles als Render Engine ein.
Stelle das Environment auf schwarz für einen komplett dunklen Raum.
Erstelle eine Hintergrund-Wand (Plane), Kamera und Area Lights und beleuchte das Produkt.
Erstelle die Materialien und verteile sie auf den Objekten.
Schaue hierzu in der Dokumentation nach, wie mit den Principled BSDF Shader Glas erstellt werden kann.
Gleiches kannst du mit der Espressokanne umsetzen:
Hier kannst du dir drei weitere Szenen zur Übung herunterladen:
Zylindergruppe(enthält Animation):
Kugellager(enthält Animation):
Reifen(enthält Animation):
