Mysteriöse Objekte in Unity: So wird Ihr Shader von innen sichtbar, aber von aussen nicht

Willkommen, liebe Unity-Entwickler, zu einem faszinierenden Ausflug in die Welt der Shader! Heute tauchen wir tief in ein Konzept ein, das sowohl elegant als auch überraschend nützlich ist: Inside-Out Shader. Stellen Sie sich vor, Sie können durch ein Objekt in Ihrer Spielwelt blicken, aber nur, wenn Sie sich *innerhalb* dieses Objekts befinden. Von außen bleibt es völlig undurchsichtig. Klingt nach Magie? Nun, es ist Shader-Magie! In diesem Artikel werden wir genau untersuchen, wie diese Technik funktioniert, wann sie nützlich sein könnte und wie Sie sie in Ihrem eigenen Unity-Projekt implementieren können.

Was sind Inside-Out Shader überhaupt?

Ein Inside-Out Shader, manchmal auch als „Inverted Hull Shader” bezeichnet, ist im Wesentlichen ein normaler Shader, der jedoch die Richtung der Flächennormalen umkehrt. Die Flächennormale ist ein Vektor, der senkrecht zur Oberfläche einer polygonalen Fläche steht und bestimmt, welche Seite der Fläche „nach vorne” zeigt. Standardmäßig rendert Unity nur die Vorderseiten der Flächen (das sogenannte „Face Culling”). Wenn wir also die Flächennormale umkehren, rendern wir stattdessen die *Rückseite* der Fläche. Das Ergebnis ist, dass die Oberfläche von außen unsichtbar wird, aber von innen sichtbar ist.

Denken Sie an eine einfache Kugel. Normalerweise würden wir die Außenseite der Kugel sehen. Mit einem Inside-Out Shader sehen wir stattdessen die *Innenseite* der Kugel. Wenn Sie sich nun innerhalb dieser Kugel befinden, können Sie die Innenseite sehen, so als ob Sie sich in einem Raum befinden. Von außen sieht die Kugel jedoch leer aus, da die Vorderseite der Flächen nicht gerendert wird.

Wozu sind Inside-Out Shader gut?

Diese Technik mag anfangs etwas abstrakt erscheinen, aber sie hat eine Vielzahl von praktischen Anwendungen in der Spieleentwicklung. Hier sind einige Beispiele:

• Innenräume ohne komplexe Modellierung: Erstellen Sie schnell und einfach Innenräume für Gebäude, Höhlen oder Raumschiffe. Anstatt detaillierte Wände, Decken und Böden zu modellieren, können Sie einfach ein größeres, einfaches Objekt verwenden und es mit einem Inside-Out Shader versehen. Dies kann die Performance erheblich verbessern, da weniger Polygone gerendert werden müssen.
• Magische Barrieren und Kräftefelder: Stellen Sie unsichtbare Barrieren dar, die nur sichtbar werden, wenn der Spieler in sie eindringt. Dies kann für Schutzzonen, telekinetische Kräfte oder unsichtbare Mauern verwendet werden.
• Spezielle Effekte: Nutzen Sie die Technik für einzigartige visuelle Effekte, bei denen Objekte ihre Darstellung ändern, wenn der Spieler sich innerhalb oder außerhalb befindet.
• Optimierung für VR: In VR-Umgebungen kann das korrekte Rendern von Innenräumen besonders wichtig sein. Inside-Out Shader bieten eine performante Möglichkeit, geschlossene Räume zu simulieren.

Wie erstellt man einen Inside-Out Shader in Unity?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Inside-Out Shader in Unity zu erstellen. Wir werden uns zwei Hauptansätze ansehen: die Verwendung von Surface Shader und die Verwendung von Unlit Shader.

1. Inside-Out Shader mit Surface Shader

Surface Shader sind eine Art von Shader in Unity, die es einfacher macht, komplexe Beleuchtungseffekte zu erstellen. Hier ist ein einfacher Surface Shader, der eine Inside-Out Funktionalität implementiert:

Shader "Custom/InsideOutSurfaceShader" {
    Properties {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Cull Front // Wichtig: Cull Front, um die Vorderseite auszublenden

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        fixed4 _Color;

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
            fixed4 c = _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Metallic = 0.0;
            o.Smoothness = 0.5;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

Erläuterung:

• Cull Front: Diese Zeile ist der Schlüssel. Sie weist Unity an, die Vorderseiten der Flächen nicht zu rendern. Stattdessen werden nur die Rückseiten gerendert.
• Der Rest des Shaders ist ein einfacher Surface Shader, der eine Farbe und einige Standardeigenschaften (Metallic, Smoothness) definiert. Sie können diese Eigenschaften nach Bedarf anpassen.

Anwendung:

1. Erstellen Sie ein neues Shader-Asset in Ihrem Unity-Projekt (Rechtsklick im Projektfenster -> Create -> Shader -> Standard Surface Shader).
2. Ersetzen Sie den Standardcode durch den oben genannten Code.
3. Erstellen Sie ein neues Material (Rechtsklick im Projektfenster -> Create -> Material).
4. Wählen Sie im Inspector-Fenster des Materials den Shader „Custom/InsideOutSurfaceShader” aus.
5. Weisen Sie das Material einem beliebigen Mesh-Objekt in Ihrer Szene zu (z. B. einer Kugel oder einem Würfel).

2. Inside-Out Shader mit Unlit Shader

Unlit Shader sind einfacher als Surface Shader, da sie keine Beleuchtung berücksichtigen. Sie eignen sich gut für Fälle, in denen Sie keine komplexen Beleuchtungseffekte benötigen. Hier ist ein Beispiel:

Shader "Custom/InsideOutUnlitShader" {
    Properties {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline" = "UniversalRenderPipeline"}
        LOD 100

        Cull Front

        Pass {
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

            struct Attributes {
                float4 positionOS : POSITION;
            };

            struct Varyings {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
            };

            float4 _Color;

            Varyings vert (Attributes input) {
                Varyings output;
                output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
                return output;
            }

            half4 frag (Varyings input) : SV_Target {
                return _Color;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

Erläuterung:

• Auch hier ist Cull Front die entscheidende Zeile, die die Vorderseiten der Flächen ausblendet.
• Der Rest des Shaders ist ein sehr einfacher Unlit Shader, der eine Farbe verwendet. Die vert Funktion transformiert die Vertex-Positionen vom Objekt-Raum in den Clip-Raum, und die frag Funktion gibt einfach die Farbe zurück.
• Beachten Sie, dass dieser Shader die Universal Render Pipeline (URP) verwendet.

Anwendung:

1. Erstellen Sie ein neues Shader-Asset in Ihrem Unity-Projekt (Rechtsklick im Projektfenster -> Create -> Shader -> Unlit Shader). Stellen Sie sicher, dass Sie den korrekten Unlit Shader für Ihre Render Pipeline (Standard, URP, HDRP) erstellen.
2. Ersetzen Sie den Standardcode durch den oben genannten Code.
3. Erstellen Sie ein neues Material (Rechtsklick im Projektfenster -> Create -> Material).
4. Wählen Sie im Inspector-Fenster des Materials den Shader „Custom/InsideOutUnlitShader” aus.
5. Weisen Sie das Material einem beliebigen Mesh-Objekt in Ihrer Szene zu.

Zusätzliche Tipps und Tricks

• Transparenz: Sie können die Transparenz mit diesen Shadern kombinieren, um noch komplexere Effekte zu erzielen. Ändern Sie einfach das RenderType-Tag auf „Transparent” und passen Sie die Alpha-Werte in Ihrem Shader an.
• Double-Sided Shading: In einigen Fällen möchten Sie vielleicht *beide* Seiten der Fläche rendern, unabhängig von der Kameraposition. Dies kann nützlich sein, wenn Sie sehr dünne Objekte haben und verhindern möchten, dass sie verschwinden, wenn die Kamera sich dreht. Verwenden Sie in diesem Fall Cull Off.
• Optimierung: Inside-Out Shader sind im Allgemeinen performant, aber achten Sie auf die Anzahl der Polygone in Ihrem Mesh. Reduzieren Sie die Polygonanzahl, wenn möglich, um die Leistung zu maximieren.
• Shader Graph: Sie können auch einen Inside-Out Shader mit dem Shader Graph erstellen, indem Sie einen „Custom Expression” Node verwenden und dort die Zeile Cull Front; einfügen.

Experimentieren Sie mit verschiedenen Farben, Texturen und Beleuchtungseffekten, um einzigartige und faszinierende visuelle Erlebnisse zu schaffen. Das Potenzial von Inside-Out Shadern ist nahezu unbegrenzt. Viel Spaß beim Erstellen!