Sand, Schnee und Schaum besser und schneller rendern

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Sand, Schnee und Schaum besser und schneller rendern

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Sei es nun Sand, Schnee oder eine Schale mit Gewürzen, das Rendering von granularen Materialien stellt eine Herausforderungen für Animationsexperten dar. Ein neues Verfahren, entwickelt von Disney Research, der ETH Zürich und dem Dartmouth College soll es nun möglich machen, das Erscheinungsbild einer Vielzahl von Körnern und deren Mischungen zu simulieren und das mit, wie es heißt, bisher unerreichter rechnerischer Effizienz.
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Sei es nun Sand, Schnee oder eine Schale mit Gewürzen, das Rendering von granularen Materialien stellt eine Herausforderungen für Animationsexperten dar. Ein neues Verfahren, entwickelt von Disney Research, der ETH Zürich und dem Dartmouth College soll es nun möglich machen, das Erscheinungsbild einer Vielzahl von Körnern und deren Mischungen zu simulieren und das mit, wie es heißt, bisher unerreichter rechnerischer Effizienz.

Efficient Rendering of Heterogeneous Poly Disperse Granular Media

 

Quelle: Disney Research

Mit dem Verfahren lassen sich sowohl Details wie die variierenden Formen und Farben der Körner und ihr Glanz als auch das kompaktere Erscheinungsbild der granularen Medien aus größerer Entfernung betrachtet.

„Die visuelle Komplexität in Verbindung mit granularen Medien macht das Rendern großer Mengen zu einem grundsätzlich schwerwiegenden Problem“, so Markus Gross, Vice President bei Disney Research. Man habe die Anzahl der Kornarten, die zusammen gerendert werden könnten, enorm ausgeweitet, etwa wenn die Körner sich mischten oder in verschiedenen Maßstäben.

Die Forscher haben die Methode an der ACM SIGGRAPH Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques in Macao vorgestellt. Ansammlungen einzelner Körner kommen häufig in Naturszenen vor, zum Beispiel feuchter und trockener Sand, Schnee, Blasen und Schaum in Flüssigkeiten oder Erdschichten. Somit sei es eine wichtige Aufgabe für Animationsexperten für Filme und Videospiele, diese schnell und hochwertig zu rendern, so Jan Novák, Wissenschaftler bei Disney Research. Das Wechselspiel des Lichts in diesen Materialien könne extrem komplex sein, besonders bei variierenden Kornkonzentrationen, Dichten und Größen.

Bei feinen Details wie Korngestalt, Farbe und Glanz gibt es nur wenige Interaktionen des Lichts mit dem Material. In großen Ansammlungen von Körnern, die Licht streuen, wie Schnee oder Zucker, kann das Licht hunderte oder tausende Male innerhalb des Materials streuen, bevor es dieses verlässt, was zum charakteristischen gleichmäßigen Oberflächeneindruck dieser Medien führt.

Diese Kombination von Details im kleinen und dem geglätteten Erscheinungsbild im großen Maßstab sei visuell spannend, könne aber immense Rechenleistung erfordern, wenn die Animationsspezialisten sich nicht einiger Abkürzungen bedienten, so Wojciech Jarosz, Assistent Professor of Computer Science am Dartmouth College, und Mitarbeiter am Projekt.

Wie es funktioniert

„Die möglichen Wege zu berechnen, die das Licht nimmt, wenn es zwischen den Körnern streut – das so genannte explizite Path Tracing – kann intensive Berechnungen erfordern, und deshalb haben wir es nur für Naheinstellungen reserviert, um feinskalige Strukturen und Glanz darzustellen“, sagt Jarosz.

Werden jedoch Nahaufnahmen nicht gebraucht, geht das Konzept zu einem Verfahren über, dass seine Entwickler als Proxy Path Tracing bezeichnen. Es liefert eine Annäherung an die Art der Lichtstreuung, und opfert die Genauigkeit zugunsten des Rechentempos, ohne dabei wichtige Strukturen auf Kornebene zu vernachlässigen.

Bei noch größeren Strukturen, bei denen die Streuung für ein tendenziell glatteres Bild sorgt, betrachtet das Konzept nicht mehr einzelne Körner, sondern behandelt das gesamte Konglomerat als volumetrisches Material vergleichbar Wolken oder Rauch. Dabei kommt ein Verfahren namens Volumetric Path Tracing zum Einsatz. Zudem haben die Entwickler in diese Größenordnungen das so genannte Shell Tracing hinzugefügt, um große Mengen lichtstreuender Interaktionen in einzelnen Schritten zu erfassen und somit die Rechenzeit erheblich zu reduzieren.

Bei dynamischen Simulationen, etwa wenn Gewürze in einer Schale zusammengemischt werden, ist das neue Konzept mehrfach schneller als das Explicit Path Tracing. Beim Rendern massiver, statischer Szenen, wie einer Düne, einem Schneemann und zwei Haufen Salzkörnern erweist sich das Verfahren als bis zu 5‘699 mal schneller als Explicit Path Tracing und 37,5 mal schneller als die vorher anerkannt beste Methode. 

Bild: Still aus dem Video. Quelle: Disney Research 

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