3D-Computergrafik: Natürlicher glänzen

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Der Anzug von Iron Man oder das Batmobile: Sie könnten mit einem neuen, von einem Team amerikanischer Grafikexperten entwickeltem Algorithmus realistischer wirken. Die Forscher unter der Leitung von Prof. Ravi Ramamoorthi an der University of California San Diego haben ein Verfahren entwickelt, das die Interaktion von Licht mit der Oberfläche von vielen Werkstoffen wie Metallic-Lackierungen oder metallischen Veredelungen für elektronische Geräte besser und schneller meistern soll, als bislang der Fall.
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Der Anzug von Iron Man oder das Batmobile: Sie könnten mit einem neuen, von einem Team amerikanischer Grafikexperten entwickeltem Algorithmus realistischer wirken. Die Forscher unter der Leitung von Prof. Ravi Ramamoorthi an der University of California San Diego haben ein Verfahren entwickelt, das verbessern soll, wie Software die Interaktion von Licht mit sehr kleinen, glitzernden Details, so genannten Glints, auf der Oberfläche von vielen Werkstoffen wie Metallic-Lackierungen oder metallischen Veredelungen für elektronische Geräte bewältigt. Die Methode soll 100-mal schneller Ergebnisse liefern, als bislang der Fall, und das bei nur geringen Anforderungen an die Rechenressourcen. Ein möglicher Einsatzzweck wären Animationen. Aktuelle Verfahren könnten die Glints nur in unbewegten Bildern wiedergeben. Die Forscher stellen ihre Arbeit an der SIGGRAPH 2016 in Anaheim, Kalifornien, vor. 

Das Erscheinungsbild eines Materials präzise zu rendern, sei schon immer eine entscheidende Funktion der Computergrafik gewesen, und es sei mit dem Aufkommen der heute üblichen hochauflösenden Displays sogar noch wichtiger geworden, so Ramamoorthi. Das Standardvorgehen, eine reflektierende Oberfläche zu modellieren, setzt voraus, dass die Oberfläche auf Pixel-Ebene glatt ist. Aber in Wirklichkeit kommt dies weder bei metallischen Materialien noch bei Textilien, Holzfurnieren oder Holzfasern vor. Im Ergebnis erscheinen daher diese Oberflächen verrauscht, körnig oder glänzend.

Derzeit gebe es keinen Algorithmus, der die raue Erscheinung von spiegelnden Oberflächen effizient wiedergeben könne, sagt Ramamoorthi. Das außerordentlich unüblich in der modernen Computergrafik, wo sich fast jede andere Szene, genügend Rechenleistung vorausgesetzt, rendern lasse.

Die Lösung bestand darin, jedes Pixel einer unebenen, komplexen Oberfläche in Bestandteile aufzugliedern, die von tausenden lichtreflektierender Punkte bedeckt sind, so genannte Mikrofacetten. Dann hat das Team den Vektor lotrecht zur Oberfläche jeder einzelnen dieser Facetten berechnet, die Normale der Punkte. Der Normalenvektor ist entscheidend dafür, herauszuarbeuiten wie das Licht von der Oberfläche reflektiert wird. 

Für jede computergenerierte Szene reflektieren die Mikrofacetten einer Oberfläche das Licht zu virtuellen Kamera des Rechners nur dann, wenn die Normale exakt auf dem halben Weg liegt zwischen dem Strahl der Lichtquelle und dem Lichtstrahl, den die Oberfläche zurückwirft. Die Wissenschaftler haben die Verteilung der Normalen in jedem Feld des Mikrofacetten berechnet und dann diese Verteilung verwendet, um zu bestimmen, welche Normalen auf dem halben Weg liegen. 

Der Schlüssel für das Funktionieren des Verfahrens ist seine Fähigkeit, diese Normalen-Verteilung an jeder Stelle der Oberfläche anzunähern. Das erlaubt es, die Menge des netto reflektierten Lichts einfach und mit einem Tempo, dass um Größenordnungen über dem bisher üblicher Verfahren liegt, zu berechnen. Eine Verteilung zu nutzen anstatt zu versuchen, zu berechnen, wie das Licht mit jeder einzelnen Mikrofacette interagiert, hat zu beträchtlichen Zeiteinsparungen und Einsparungen bei der notwendigen Rechenleistung geführt. 

Außer Ramamoorthi sind Co-Autoren der Studie:  Ling-Qi Yan, University of California, Berkeley; Milos Hasan von Autodesk und Steve Marschner, Cornell University.

Paper: Position-Normal Distributions for Efficient Rendering of Specular Microstructure

Bild: Wissenschaftler verwenden ihre neue Methode, um die glänzende Schneckenhaus zu modellieren. 

CREDIT: JACOBS SCHOOL OF ENGINEERING/UC SAN DIEGO

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