Realistisch durch raffinierte Lichtstreuung

Irgendwas wirkt da noch unnatürlich... Man kann heute zwar beispielsweise Gesichter in Computerspielen bereits sehr detailreich darstellen, doch ein Makel bleibt: Sie wirken wie aus hautfarbenem Stein gemeißelt. Das soll sich nun ändern: Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das auf vergleichsweise wenig rechenintensive Weise computergenerierten Oberflächen den rechten Schimmer verschaffen kann. Sie berücksichtigt, dass das Licht auch in das Material eindringt und so zu visuellen Effekten führt.

Credit: TU Wien

Wenn wir unsere Finger in helles Licht halten, schimmern sie am Rand rötlich, weil die Strahlung in die Haut eindringt und dort Streuungseffekte hervorruft. Auf diese Weise bestimmt das Licht aus der Tiefe das Aussehen vieler Objekte mit Lichtdurchlässigkeit. „Man spricht von Sub-Surface-Scattering oder Volumenstreuung", erklärt Christian Freude. Gemeinsam mit seinen Kollegen arbeitet er am Institut für Computergraphik und Algorithmen der TU Wien an neuen Rendering-Verfahren zur besseren Darstellung dieser Effekte. Auch wenn sie auf den ersten Blick subtil erscheinen mögen, so bestimmen sie offenbar, wie realistisch wir eine Darstellung empfinden. „Die Streuung im Inneren eines Materials ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass unterschiedliche Oberflächen für uns so verschieden aussehen: Haut sieht anders aus als Wachs und eine Pflanze wirkt ganz anders als eine Steinoberfläche", so Freude.

Realistische Lichtstreuung ist eine Herausforderung

Die Darstellung von Volumenstreuung ist eigentlich bereits technisch machbar, aber die bisherigen Methoden haben einen Haken: Sie sind sehr rechenintensiv. „Grundsätzlich kann man natürlich die Streuung des Lichts unter der Oberfläche physikalisch präzise ausrechnen", sagt Freude. „Doch muss man dafür unzählige Lichtstrahlen simulieren, und es kann Stunden dauern, ein einzelnes Bild zu berechnen." Aus diesem Grund war es das Ziel der Forscher, einfachere Methoden finden, die einen ähnlichen Effekt in Sekundenbruchteilen erzielen. „Wir haben nach einer eleganten Lösung gesucht, die basierend auf einem bereits berechneten Bild arbeiten kann", sagt Team-Mitglied Károly Zsolnai.

Dies ist den Forscher nun offenbar geglückt. Sie nannten ihr Lösung „SSSS-Methode" (Separable Subsurface Scattering). Es handelt sich um ein mathematisches Verfahren, das die komplizierte Lichtstreuung fassen kann. „Zunächst berechnet man die Streuung eines einzelnen Lichtstrahls unter der Oberfläche, um daraus ein einfaches Filterprofil zu erstellen, das man dann immer wieder auf die Bilder anwenden kann", erklärt Freude. „Das Computerbild wird also zunächst mit den herkömmlichen Methoden generiert, um es danach mit unserer SSSS-Methode zu bearbeiten, was die richtige Oberflächendarstellung und -qualität hervorbringt."

Schlankes Verfahren mit „Echt-Faktor"

Den Forschern zufolge benötigt das Verfahren eine so geringe Rechenleistung, dass flüssig ablaufende Bewegung beispielsweise in Computerspielen dargestellt werden können. „Die endgültige Version unserer Methode benötigt in Full-HD Auflösung auf normaler Hardware nur eine halbe Millisekunde pro Bild", sagt Zsolnai. Ein Computerspiele-Hersteller, der an der Entwicklung ebenfalls beteiligt war verwendet die Methode nun bereits. Das Team geht davon aus, dass die SSSS-Methode in Zukunft auch in vielen anderen Anwendungen zu finden sein wird, denn sie steht nun auch anderen Anwendern zur Verfügung.

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