3D-Grafik: Uni Ohio will Schattenberechnung revolutionieren

Realistischere Schatten für computergenerierte Bilder und Filme

Forscher der University of Ohio wollen neue Computergrafik-Algorithmen entwickelt haben, mit denen sich bei geringeren Hardwareanforderungen ein annähernd so realistischer Schattenwurf wie in den aufwendigen 3D-Animationen der Filmindustrie erreichen lasse. Dies soll nicht nur Wissenschaftlern, sondern auch 3D-Spielen zugute kommen können.

Artikel veröffentlicht am 24. Juni 2003, 18:25 Uhr, Christian Klaß

Caixia Zhang Entwickelt wurde die neue Art der Schattenberechnung von der Studentin Caixia Zhang, die das Projekt im Rahmen ihrer Abschlussarbeit begann und nun Doktorandin ist. Sie und ihr Informatik-Professor Roger Crawfis haben die Arbeit in der Juni-2003-Ausgabe des Wissenschafts-Journals "IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics" beschrieben.

Die von Zhang entwickelten Algorithmen modellieren, wie Licht durch durchsichtige dreidimensionale Objekte, Feuer und Rauch oder Flüssigkeiten wie Wasser dringt. Das Ergebnis sollen Schatten mit annähernder Hollywood-Qualität sein, allerdings bei deutlich geringeren Speicheranforderungen. Die neuen Algorithmen sollen einzigartig sein, da sie weiche Schatten ("Soft Shadows") für 3D-Objekte berechnen und dabei Faktoren wie die Lichtdämpfung durch lichtdurchlässige Objekte berücksichtigen.

Für die neuen Algorithmen nutzte Zhang eine übliche Volumen-Rendering-Methode namens Splatting (engl. "Matschen"). Anstatt eine 3D-Linie wie etwa beim Raytracing anhand der Sichtlinie des Betrachters zu berechnen, werden beim Splatting umgekehrt die Objekte gegen eine zweidimensionale Oberfläche wie einen Fernseher oder eine Leinwand projiziert, so dass die Berechnungen wie für ein 2D-Objekt durchgeführt werden können. Das 3D-Objekt wird dabei in Volumen-Elemente bzw. Voxel aufgebrochen und der 2D-Abdruck eines Voxels wird "Splat" genannt. "Der Vorteil von Splatting ist, dass man die relevanten Voxel verfolgt und dies weniger teuer hinsichtlich der Datenspeicherung ist", so Zhang.

Getestet wurde die Schattenberechnung bereits erfolgreich für 3D-Objekte verschiedener Komplexität, von der Wolke über eine Roboter-Gruppe bis hin zum Bonsai-Baum. Die Daten des Bonsai-Baums kamen übrigens von der Universität Erlangen-Nürnberg, die Finanzierung des ganzen Projekts erfolgte durch den Career-Award der National Science Foundation.

Schattenwurf per Splatting (Bild: Ohio State University)

Crawfis beschreibt Zhangs Arbeit als Brücke zwischen Low-Level-Animations-Software und den von Filmstudios zur Filmproduktion eingesetzten High-End-Produkten. "Das Ziel ist ein super-akkurates Bild-Rendering mit wenig Speicher", so Crawfis. "Diese Arbeit ist ein Schritt in diese Richtung." Hollywood benötige im Moment eine Stunde pro Bild, bei einer Animation die 30 Bildern pro Sekunde nutze. Mit den neuen Algorithmen könnte man etwa beim Modelellieren von Computeranimationen eine realistischere Vorschau berechnen und damit Zeit sparen.

In der Wissenschaft könnte man die Technik einsetzen, um Operationsmethoden, oder komplexe Daten zu visualisieren. In der Klimamodellierung könnte die Technik simulieren, wie viel Weltraumstrahlung die Erdoberfläche erreicht - denn hier müsste die Lufttemperatur, die Windstärke und die Feuchtigkeit von Wolken in der Atmosphäre berücksichtigt werden. "Die Herausforderung ist es, die Daten so zu darzustellen, dass die benötigen Informationen erkannt werden können", so Zhang.

Professor Crawfis ist der Meinung, dass mit den aktuellen Weiterentwicklungen von Grafikkarten und verwandter Computerhardware Verbraucher bald in der Lage sein werden, die neuen Schattenwurf-Algorithmen auf ihren heimischen PCs in Spielen zu erleben.