Was ist volumetrisches Rendering? Volume-Shader erklärt – von Wolken bis hin zu Explosionen

Autor: Arndt von Koenigsmarck · Technische Überprüfung durch Sergen Eren · Zuletzt überprüft im August 2026

Die meisten Objekte in der Computergrafik sind leere Hüllen. Ein gerendertes Auto, eine Figur, ja sogar ein Berg besteht in der Regel nur aus einer dünnen Oberfläche, die ein leeres Inneres umfasst, denn bei festen Objekten ist die Oberfläche alles, was die Kamera zu sehen bekommt. Doch die Natur ist voller Dinge, die überhaupt nicht massiv sind. Wolken, Nebel, Rauch, Feuer, Staub in einem Lichtstrahl: Dort kann man hinein- und auch hindurchsehen, und das Licht verhält sich an jedem Punkt in ihrem Inneren anders. Die Darstellung solcher Phänomene ist die Aufgabe des volumetrischen Renderings, und das Werkzeug, das beschreibt, wie sie aussehen, ist der Volumen-Shader. Dieser Artikel erläutert beides: zunächst die Konzepte und die physikalischen Grundlagen, anschließend die konkrete Umsetzung in Redshift, der GPU-beschleunigten Render-Engine von Maxon.

Das volumetrische Rendering, auch Volumen-Rendering genannt, ist eine Technik, bei der Bilder anhand dreidimensionaler Datenstukturen anstelle von Oberflächen berechnet werden. Während ein normales 3D-Modell durch Polygone definiert wird, die seine Außenhülle beschreiben, wird ein Volumen durch Voxel definiert – winzige Zellen, die einen Raumbereich ausfüllen und jeweils Werte wie Dichte oder Temperatur speichern. Der Renderer untersucht, was mit dem Licht geschieht, während es all diese Zellen durchläuft. Deshalb kann ein Volumen an seinen Rändern durchscheinend, in seinem Kern dicht und in der Mitte leuchtend sein – und das alles gleichzeitig.

Am einfachsten lässt sich dies anhand des Kontrasts zum Oberflächen-Rendering verstehen. Wenn ein Lichtstrahl auf eine Polygonoberfläche trifft, wertet der Renderer das Material an genau einem Punkt aus – und das war’s. Wenn ein Strahl in ein Volumen eintritt, gibt es keinen einzelnen Punkt, der ausgewertet werden kann. Der Strahl setzt seine Reise fort, und jeder Abschnitt dieses Wegs kann Licht absorbieren, streuen oder hinzufügen. Ein Pixel ist ein farbiges Quadrat in einem 2D-Bild; ein Voxel ist sein 3D-Pendant, ein Wert in einem räumlichen Raster. Diese eine zusätzliche Dimension macht das gesamte Prinzip des volumetrischen Renderings aus – einschließlich der Frage, warum es so gut aussieht und warum es so viel kostet.

Ein Volumen-Shader ist das Material für Objekte, die einen Raum ausfüllen. Anstatt eine Oberfläche zu beschreiben, teilt er der Render-Engine mit, wie das Medium an jedem Punkt innerhalb eines Volumens mit Licht interagiert. Nahezu jede moderne Engine baut diese Beschreibung aus denselben drei Komponenten auf, und die Dokumentation von Redshift bietet für jede davon eine einprägsame Analogie zu Oberflächenmaterialien:

• Streuung ist das Volumen-Äquivalent zu einer diffusen Farbe. Sie definiert, wie viel Licht von den mikroskopisch kleinen Partikeln im Medium reflektiert wird und in welcher Farbe – genau das lässt Wolken weiß und Rauch grau erscheinen.

• Absorption ist das Gegenstück zur Transparenz. Sie bestimmt, wie viel Licht das Medium verschluckt – das macht dichten Rauch dunkel und dichte Volumen undurchsichtig.

• Emission ist das Gegenstück zu Glühen oder Selbstleuchten. Dadurch strahlt das Medium selbst Licht aus, was dazu führt, dass Feuer und Explosionen von innen heraus leuchten.

Jede Wolke, jede Nebelbank oder jeder Feuerball, den Sie schon einmal in einem Film gesehen haben, ist eine Mischung aus diesen drei Verhaltensweisen, die in der Regel auf Daten aus einer Simulation basieren. In Redshift wird diese Rolle vom Standardvolumen Shader übernommen, einem physikalisch basierten Volumenmaterial für Wolken, Rauch, Feuer und Explosionen. Eine kleine Klarstellung für alle, die über eine Suchmaschine hierher gelangt sind: Es gibt auch einen bekannten GPU-Stresstest namens „Volume Shader BM“, der diesen Begriff übernimmt. Dabei handelt es sich um einen Benchmark, nicht um ein Material. In diesem Artikel bleiben wir beim tatsächlichen Thema.

Physiker bezeichnen Nebel, Rauch und Wolken als „teilnehmende Medien“, da der Raum selbst an der Beleuchtung mitwirkt, anstatt das Licht einfach durchzulassen, bis es auf eine Oberfläche trifft. Wenn ein Lichtstrahl ein solches Medium durchquert, können vier Dinge geschehen. Licht kann absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Licht kann aus dem Strahlengang herausgestreut werden, wodurch der Strahl abgeschwächt wird. Licht kann von anderswo in den Strahlengang hineingestreut werden, wodurch dieser aufgehellt wird. Und das Medium kann selbst neues Licht emittieren. Der kombinierte Abschwächungseffekt aus Absorption und Ausstreuung wird als Auslöschung bezeichnet, und der Anteil des Lichts, der einen Abschnitt der Wegstrecke übersteht, wird als Durchlässigkeit bezeichnet. Volumen-Shader-Parameter sind im Grunde genommen für Künstler leicht zu handhabende Steuerelemente für genau diese Größen.

Ein weiteres Konzept leistet überraschend viel: die Phasenfunktion, die das volumetrische Äquivalent dazu darstellt, wie ein Oberflächenmaterial reflektiertes Licht verteilt. Sie beantwortet die Frage, in welche Richtung das Licht nach der Streuung weiterwandert. Rauchpartikel streuen Licht in etwa gleichmäßig in alle Richtungen, was als isotrope Streuung bezeichnet wird. Wassertropfen in Wolken lenken das Licht überwiegend nach vorne, entlang seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung. Diese Vorwärtsstreuung ist der Grund, warum eine Wolke zwischen Ihnen und der Sonne einen strahlenden silbernen Rand hat und warum Nebel im Gegenlicht leuchtet. Render-Engines modellieren dies mit der Henyey-Greenstein-Phasenfunktion, einem Klassiker, der auf eine astrophysikalische Arbeit aus dem Jahr 1941 zurückgeht, wobei ein einziger Anisotropiewert von minus eins (rückwärtige Streuung) über Null (isotrope Streuung) bis plus eins (Vorwärtsstreuung). Speziell für Wolken bietet Redshift zusätzlich das neuere Jendersie-d’Eon-Modell an, das die tatsächliche Mie-Streuung von Wassertropfen nachahmt und eine realistischere Vorwärtsstreuung erfasst als Henyey-Greenstein.

Für Leser, die einen Blick hinter die Kulissen werfen möchten: So beschreiben die Entwickler von Redshift selbst den Standardvolumen-Shader. Intern ist er eng verwandt mit dem „Random Walk Subsurface Scattering“ in Redshifts OpenPBR und Standard-Materialien. Subsurface Scattering simuliert Licht, das durch ein endliches, homogenes Medium wie Haut oder Wachs wandert; der Standardvolumen-Shader wendet denselben Ansatz auf ein heterogenes Medium an, dessen Dichte bei jedem Voxel variiert. Die Parameter entsprechen sich fast eins zu eins: Die „Subsurface-Farbe“ entspricht der „Streuungsfarbe“ des „Volumen“-Shaders, die „Subsurface-Radiusgröße“ entspricht der „Transparenzfarbe“ und der „Subsurface Radius“ entspricht dem „Tiefe“-Regler des „Volumen“-Shaders (siehe nächste Abbildung).

Beim Rendern mit Redshift durchlaufen Berechnungsstrahlen das Volumen und nehmen dabei Voxel für Voxel Abtastungen vor, während die Strahlen das Medium durchqueren. Das dabei abgetastete Dichte-Gitter ist lediglich eine skalare Beschreibung dessen, wie viele Partikel an jedem Voxel im Vergleich zum leeren Raum vorhanden sind, unabhängig von jeglicher Farbe. Die Streufarbe ist die Albedo dieser schwebenden Partikel, also die Farbe des Lichts, das sie zurückreflektieren. Die Anisotropie-Einstellungen steuern, ob dieses gestreute Licht nach vorne, nach hinten oder gleichmäßig in alle Richtungen geleitet wird, wobei standardmäßig das Henyey-Greenstein-Verfahren verwendet wird oder bei wolkenartigen Wassermedien das Jendersie-d’Eon-Verfahren.

Die Transparenzfarbe ist der interessanteste Teil. Es handelt sich um eine für Künstler leicht verständliche Darstellung der mittleren freien Weglänge, also der durchschnittlichen Strecke, die jede Lichtwellenlänge im Medium zurücklegt, bevor sie ausgelöscht wird. Die Rot-, Grün- und Blau-Werte stehen jeweils für die zurückgelegte Strecke ihrer jeweiligen Wellenlänge, und der Parameter „Tiefe“ multipliziert diese Werte zwischen 0 und 1 mit den tatsächlichen Entfernungen, gemessen in Zentimetern und unter Berücksichtigung des Maßstabs Ihrer Szene. Da verschiedene Wellenlängen unterschiedlich stark absorbiert werden, nimmt Licht, das weit genug in ein solches Medium dringt, schließlich den Farbton an, der der Transparenzfarbe entgegengesetzt ist, sobald die anderen Wellenlängen erschöpft sind. Genau diese physikalischen Vorgänge lassen tiefes Wasser blau erscheinen, und deshalb verleiht ein dezenter Transparenzfarbton Volumen eine natürliche, organische Tiefe, die eine einfache Streufarbe nicht erreichen kann.

Das Durchlaufen von Voxeln erklärt zwar, wie ein Renderer ein Volumen auswertet, doch der eigentliche Rechenaufwand entsteht dadurch, wie oft das Licht darin die Richtung wechselt. Simuliert die Engine nur eine Reflexion – sogenannte Einfachstreuung –, sehen dünne Medien wie leichter Dunst gut aus, während eine dichte Wolke dunkel und leblos dargestellt wird. Echte Wolken sind hell, weil Photonen in ihrem Inneren Dutzende oder Hunderte Male reflektiert werden, bevor sie entweichen; eine dichte Cumuluswolke reflektiert bis zu 90 Prozent des auftreffenden Lichts. Die Simulation dieser Mehrfachstreuung bedeutet, jeden Strahl über viele zusätzliche Reflexionen hinweg zu verfolgen, und jede weitere Reflexion vervielfacht den Rechenaufwand. Das ist der eigentliche Grund, warum Volumenrendering den Ruf hat, langsam zu sein, und genau hier kommen GPU-Rendering und clevere Näherungsverfahren, die in Teil 2 behandelt werden, zum Tragen. Moderne Engines senken den Rechenaufwand durch Rauschunterdrückung weiter, obwohl Volumen bekanntermaßen schwieriger zu entrauschen sind als Oberflächen, da die Hilfsdaten, die einen Rauschunterdrücker unterstützen – wie beispielsweise Oberflächennormalen –, im Inneren einer Wolke schlichtweg nicht vorhanden sind.

Volumen müssen zwischen der Software, die sie simuliert, und der Engine, die sie rendert, übertragen werden können – diese Aufgabe hat die Branche bereits vor Jahren mit OpenVDB gelöst. Ursprünglich bei DreamWorks Animation entwickelt, 2012 als Open-Source-Projekt veröffentlicht, mit einem Oscar für technische Leistungen ausgezeichnet und nun von der Academy Software Foundation gepflegt, ist OpenVDB der De-facto-Standard für die Speicherung volumetrischer Daten. Die Redshift-Dokumentation bietet eine perfekte Zusammenfassung in einer Zeile: „OpenVDB-Dateien sind für das Volumen-Rendering das, was EXR-Dateien für HDR-Bilder sind.“ Während eine EXR-Datei Pixel speichert, speichert eine VDB-Datei Voxel, und zwar in optimierter Anordnung, sodass der riesige leere Raum um eine dünne Rauchwolke herum auf der Festplatte oder im Arbeitsspeicher fast keinen Platz beansprucht.

Innerhalb einer VDB-Datei sind die Voxeldaten in benannten Gitterstrukturen organisiert, die Redshift im Shading-Kontext als Kanäle bezeichnet werden. Die Namen sind eher Konventionen als feste Regeln, aber zu den gängigen gehören density, ein einheitenloser Wert, der beschreibt, wie viele Partikel jedes Voxel füllen und somit, wo das Volumen Substanz aufweist, temperature für die Wärme, die die Feueremission antreibt, velocity für Bewegungsunschärfe und gelegentlich ein color-Raster für vorgefärbte Volumina. Bei Kanalnamen wird in Redshift zwischen Groß- und Kleinschreibung unterschieden, was schon so manchen Künstler zunächst verwirrt hat. Woher stammen VDB-Dateien? Simulationstools wie Houdini, der Echtzeit-Fluidsimulator EmberGen und das in Cinema 4D integrierte Pyro-System exportieren sie alle, und es gibt hervorragende kostenlose Quellen zum Üben, darunter den berühmten Wolkendatensatz der Walt Disney Animation Studios sowie kostenlose VDB-Pakete von JangaFX.

Redshift bietet für das Volumen-Rendering eine kleine Auswahl an Werkzeugen, und zu wissen, welches davon man verwenden muss, ist schon die halbe Arbeit. Heterogene Volumen, also alles mit variierender Dichte wie Wolken, Rauch, Feuer und Explosionen, werden über das Redshift-Volumenobjekt geladen, das eine VDB-Datei oder eine animierte VDB-Sequenz einliest und im Ansichtsfenster eine Begrenzungsbox oder eine Punktwolken-Vorschau anzeigt. Das Aussehen dieses Volumens wird dann durch das Standardvolumenmaterial definiert. Homogene Volumen, also einheitliche Medien wie atmosphärischer Dunst und Nebel, benötigen überhaupt keine Voxeldaten: Das Redshift-Environment-Objekt füllt die Szene – oder eine höhenbegrenzte Ebene davon – mit einem Streuungsmedium. Dies ist auch das richtige Werkzeug für volumetrische Beleuchtung, die beliebten „God Rays“, die Lichtstrahlen in staubiger Luft sichtbar machen. Schließlich erzeugt ein spezielles „Wolken“-Objekt ganze prozedurale Himmel, mit einem Schnellmodus, der die Wolkendecke als raffinierten Hintergrund rendert, und einem vollständig volumetrischen Modus, in dem ein Wolkenkratzer oder ein Flugzeug die Wolkenschicht durchdringen und von ihr beleuchtet werden kann.

Eine praktische Einschränkung muss klar hervorgehoben werden: Die Volumen müssen vollständig in den GPU-Speicher passen. Sie sind die einzige Asset-Klasse, die vom „Out-of-Core“-System von Redshift ausgeschlossen ist. Daher führt eine riesige VDB, die den verfügbaren VRAM überschreitet, zum Abbruch des Renderings, anstatt es zu verlangsamen. Simulationen nur so hochauflösend zu halten, wie es die Aufnahme erfordert, ist nicht nur eine Frage der Geschwindigkeit, sondern auch des Speicherbedarfs.

Das „Standardvolumen“ Material hat zwei Gesichter. Wird es allein verwendet und werden Rasterbezeichnungen in die Kanalfelder eingegeben, nutzt es einen speziell optimierten Schnellpfad und verhält sich wie ein klassischer, einfach zu bedienender Volumen-Shader mit gut abgestimmten Voreinstellungen für Wolken, Rauch und Flammen. Wird es mit angeschlossenen Eingabe-Nodes verwendet, wird es vollständig programmierbar, sodass Sie Dichte, Farbe und Temperatur mit prozeduralen Rauschen steuern, Raster neu zuordnen und sogar Voxel verschieben können, um zusätzliche Details zu erzielen. Für den Einstieg reichen die integrierten Felder völlig aus, und vier Einstellungsgruppen übernehmen den Großteil der Arbeit:

• Volumenkanal und Dichte. Das Feld „Kanal“ benennt das VDB-Raster, das die Form des Volumens definiert – fast immer die Dichte (density). Der Parameter „Schrittweite“ multipliziert diesen Wert und legt fest, wie dick oder dünn das Medium insgesamt wirkt. Geben Sie den Rasternamen exakt ein; bei den Kanälen wird zwischen Groß- und Kleinschreibung unterschieden.

• Streuung. „Farbe“ und „Größe“ legen fest, was das Volumen reflektiert und wie hell. Der Anisotropie-Modus wählt die Phasenfunktion aus: Henyey-Greenstein mit seinem Schieberegler von minus eins bis plus eins ist der Allrounder und die richtige Wahl für isotropen Rauch, während Jendersie-d’Eon der Wolkenspezialist ist, der das Durchdringen von Licht durch Wassertropfen modelliert.

• Transparenz. Die Parameter „Transparenzfarbe“ und „Tiefe“ setzen die in Teil 1 beschriebenen Wegstrecken pro Wellenlänge um. Dunkler bedeutet dichter, heller bedeutet dünner, und jede Farbe färbt das Volumen in der Tiefe mit ihrem Gegenteil ein, Schatten eingeschlossen. Eine subtile Sättigung bewirkt hier viel; stellen Sie die Tiefe im Verhältnis zur realen Größe Ihres Volumens ein, da sie in Zentimetern gemessen wird.

• Emission. Richten Sie für Feuer und Explosionen den Emissionskanal auf das Temperaturraster aus und wählen Sie den Schwarzkörpermodus, der Temperaturen in physikalisch korrekte Farben und Intensitäten auf der Kelvin-Skala umwandelt – von tiefem Rot bei etwa 3.000 K bis hin zu Weiß und Blau-Weiß jenseits von 9.000 K. Der alternative Farbmodus bietet Ihnen stattdessen einen Farbverlauf – die klassische Flammenfarben von Schwarz über Rot bis Gelb – für künstlerisch inszeniertes Feuer, das die Physik bewusst außer Acht lässt.

In Teil 1 wurde festgestellt, dass dichte Volumen erst durch Mehrfachstreuung zum Leben erweckt werden, und Redshift stellt dies als Rendervoreinstellung namens „Volumen Strahltiefe“ bereit, zusammen mit einer wichtige Anmerkung, die man sich merken sollte: Volumetrische Mehrfachstreuung funktioniert nur mit Brute-Force-Global-Illumination. Erhöht man die Strahltiefe gegenüber dem Standardwert, verwandelt sich eine Wolke von einer grauen Masse in ein leuchtendes, glaubwürdiges Objekt – bei exponentiell steigendem Renderaufwand. Vorwärtsstreuende Wolken profitieren enorm von einer größeren Tiefe; bei isotropem Rauch lässt der Nutzen deutlich früher nach; emittierendes Feuer erhält einen wunderschönen inneren Lichtausbruch, da seine Lichtabgabe den umgebenden Rauch erhellt.

Redshift bietet außerdem drei Shortcuts, auf die erfahrene Künstler zurückgreifen, bevor sie die Strahltiefe erhöhen. Die erste ist Auslöschungsabnahme, die den Effekt von Hunderten zusätzlicher Reflexionen annähert, indem sie die Auslöschung mit jeder tatsächlichen Reflexion sanft verringert. Ihr Standardwert von 0,2 ist bewusst als optimaler Wert gewählt, und im Wolkentest der Dokumentation lieferte sie ein helleres, realistischeres Ergebnis bei gleichzeitig schnellerer Renderzeit als dieselbe Szene ohne diese Einstellung. Die zweite ist Anisotropieabnahme, ihr natürlicher Begleiter, der die Anisotropie mit jedem Reflexionssprung ein wenig verringert, sodass tiefere Strahlen immer isotropischer gestreut werden. Dies ahmt eine klassische Erkenntnis aus der Strahlungsübertragung nach, die als van-de-Hulst-Ähnlichkeitsprinzip bekannt ist: In Medien mit starker Mehrfachstreuung erzeugen verschiedene Kombinationen aus Streualbedo und Anisotropie ein nahezu nicht unterscheidbares Erscheinungsbild, solange die Transport-Eigenschaften des Volumens gleich bleiben. Da die Berechnung der anisotropen Streuung rechenintensiv ist, simuliert ihre Lockerung über die Reflexionsschritte hinweg sowohl Streuung höherer Ordnung als auch eine kostengünstigere Darstellung des Volumens. Der dritte Ansatz ist die Stärke der Schattendichte, ein klassischer Trick, der es dem Licht ermöglicht, tiefer in das Volumen einzudringen, ohne dessen Silhouette zu verändern, und so den Aufhellungseffekt von Mehrfachstreuung zu einem Bruchteil des Aufwands vortäuscht. Ein gut ausbalanciertes Volumen kombiniert in der Regel eine moderate Strahltiefe mit diesen Hilfsmitteln, anstatt allein auf eine extreme Tiefe zu setzen.

Wenn Sie mit Cinema 4D arbeiten, benötigen Sie keine externe Software zur Erstellung von Volumendaten, da das integrierte Pyro-System Rauch, Feuer und Explosionen direkt im Programm simuliert. Der Arbeitsablauf ist erfreulich einfach. Jedes Objekt mit einem Pyro-Emitter-Tag erzeugt eine Simulation, und das Pyro-Ausgabe-Objekt erfasst dessen Kanäle, typischerweise Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit (eine Einführung in Pyro-Simulationen findet sich hier in der Cinema 4D-Dokumentation). Von dort aus können Sie direkt rendern oder die Simulation in einer VDB-Sequenz zwischenspeichern und über ein Redshift Volumen-Objekt wieder laden, was in der Dokumentation als speicherschonende Vorgehensweise für die Produktion empfohlen wird. Die Shading-Seite läuft fast automatisch ab: Die mitgelieferten Pyro-Volumen-Voreinstellungen für den Redshift Standardvolumen-Shader sind bereits so voreingestellt, dass das Dichtegitter mit der Streuung und das Temperaturgitter mit der Schwarzkörperstrahlung verknüpft ist – genau diese beiden Verbindungen wandeln die rohen Simulationsdaten in gerenderten Rauch und Feuer um. Der Bewegungsunschärfe-Effekt ist der eine Schritt, den Künstler oft vergessen. Da eine VDB-Sequenz aus einer Reihe von eingefrorenen Momentaufnahmen besteht, liest Redshift die Bewegung aus dem Geschwindigkeitsraster aus; geben Sie die Geschwindigkeit in die „Geschwindigkeitsraster“-Felder des Volume-Objekts ein und erhöhen Sie den „Geschwindigkeitsgröße“-Wert, bis die Unschärfe der Energie der Simulation entspricht – und erschrecken Sie sich nicht, Werte weit über 1.000 sind normal.