Überzeugende 3D-Animation nach dem Vorbild der Natur

Eine neue Theorie, die auf der Physik der Wolkenformation und der Neutronenstreuung fußt, könnte Animationsexperten zu überzeugenderen Filmen verhelfen. Zu verstehen, wie Licht und mikroskopischen Partikel in der Natur interagieren, weist den Weg zu besseren rechnergenerierten Bildern.

Wissenschaftler von Pixar, Disney Research, der ETH Zürich und der Cornell-Universität haben sich an der Arbeit unter der Leitung des Dartmouth College beteiligt. Die Methode wird im Journal Transactions on Graphics ausführlich dargestellt und an der SIGGRAPH Asia präsentiert, die vom 4. bis 7. Dezember in Tokyo, Japan, stattfindet.

Objekte wie Wolken enthalten Milliarden individuelle Wassertröpfchen, die sich in computergenerierten Filmszenen schwerlich erfassen lassen. So ermöglichen aktuelle Verfahren nur, die Partikeldichte in jedem Teil einer Wolke zu bestimmen, um daraus deren Form und Erscheinungsbild herzuleiten. Wie die Partikel aber tatsächlich auch im räumlichen Bezug zueinander angeordnet sind, lässt sich mit diesen Verfahren aber nicht steuern.

Wie interagieren die Partikel?

Wojciech Jarosz, Assistant Professor für Informatik am Dartmouth College, der die Forschungsarbeiten koordinierte, erklärt: „Indem sie nur die Dichte berücksichtigen, gehen heutige Lösungen einfach davon aus, dass die Partikel zufällig und unabhängig voneinander angeordnet sind. Aber diese Annahme kann sich dramatisch auf die letztlich erzielte Darstellung auswirken.“ Denn in der Realität sind die Partikel nicht immer zufällig angeordnet. Abhängig von der Art des Materials klumpen sie zusammen oder verteilen sich gleichmäßig. Zu wissen, wie sich die Teilchen im Raum arrangieren und wie das Licht mit ihnen interagiert, eröffnet eine Reihe neuer künstlerischer Ausdrucksmöglichkeiten für Filmemacher.

Bislang seien nicht viele unterschiedliche Darstellungen möglich gewesen, so Jarosz. Die CG-Spezialisten haben sich mit einem Regler begnügen müssen, sei es etwa um das Aussehen einer Wolke gegangen. Nun jedoch eröffnen sich ihnen viele weitere Optionen.

Erkenntnisse aus der Atmosphären- und Kernphysik

In der Studie haben die Wissenschaftler verglichen, wie sich ein Lichtstrahl verhält, der auf ein Material mit zufällig angeordneten Partikeln trifft und auf eines mit eher natürlich angeordneten Partikeln. Aus Millionen von Versuchen haben sie gemittelt, wie weit ein Photon reist, bevor es von Partikeln oder anderen Objekten abgebremst wird.

Üblicherweise erscheint die Kurve, die den Weg von Photonen durch ein Material mit unabhängig voneinander angeordneten Partikeln beschreibt, glatt, „exponentiell“ und zeigt somit ein gleichmäßiges Nachlassen des Lichts, je tiefer dieses in das Material vordringt. Beim Verklumpen von Partikeln wie in einer Wolke überstehen die Photonen durchschnittlich längere Distanzen, was dann auch in einer Kurve mit einem längeren Ende resultiert.

Das hat nicht nur Folgen für mathematische Modelle, die Forscher haben diese Erkenntnisse auch in Software programmiert. 3D-Künstlern bieten sich daher mehr Darstellungsmöglichkeiten, denn sie können genauer steuern, wie sich Licht in „volumetrische Materialien“ wie Wolken, Nebel, Dunst, einer Marmorstatue oder unserer Haut verhält. Das Ergebnis ist eine genauere Abbildung der realen Physik.

Um zu verstehen, wie sich kleinste Teilchen untereinander organisieren, haben sich die Wissenschaftler mit Erkenntnissen aus der Atmosphäre und dem Neutronentransport beschäftigt. In diesen Forschungsgebieten kann zum Beispiel das Wissen über die Anordnung der Wassertröpfchen oder des Reaktormaterials die Klimaforschung oder die Reaktorsicherheit voranbringen.

Zwar haben sich Wissenschaftler schon daran versucht, die Anordnung der Partikel zu beschreiben, doch bis jetzt gibt es keine Gleichungen, die dieses Problem in allgemeiner Form angehen. Es sei nicht einfach darum gegangen, Verfahren aus anderen Forschungsgebieten herzunehmen, die dann für nette Bilder aus dem Computer sorgen, sagt Benedikt Bitterli, PhD Student am Dartmouth College, der auch die Arbeit an der SIGGRAPH Asia präsentieren wird. Die physikalischen Gleichungen so zu formulieren, dass sie richtig funktionieren, habe sich als eine neue und außerordentlich schwere Hürde herausgestellt.

Darüber hinaus hat die Forschergruppe das Verfahren auch bei soliden Objekten eingesetzt, etwa Marmorstatuen, die zwar einiges an Licht reflektieren, aber auch einen Teil davon eindringen lassen, was zum transluzenten Erscheinungsbild beiträgt. 3D-Künstler können die Interaktion des Lichts mit den Objekten steuern, ohne jedoch die Teilchendichte zu verändern.

Die Forschungsarbeit folgt auch eine kürzlich erschienene Studie der Universität Zaragoza, die sich mit ähnlichen Themen beschäftigt, aber sich dabei auf Objekt mit gleichförmiger Dichte konzentriert. Beide Arbeiten kommen zu einer Zeit immer leistungsfähigerer Rechner und Softwaresysteme, die Filmstudios zu noch ausgefeilteren Lösungen auf der Grundlage der realen Welt anspornen dürften.

Srinath Ravichandran (Dartmouth College), Steve Marschner (Cornell University), Thomas Müller (Disney Research/ETH Zurich), Magnus Wrenninge (Pixar) und Jan Novák (Disney Research) haben sich an der Arbeit beteiligt.

Weitere Informationen auf der Projektseite: https://dartgo.org/non-exponential-media

Interaktive Präsentation: https://cs.dartmouth.edu/~wjarosz/publications/bitterli18framework-supplemental/index.html

Bild: Forscher haben sich die Natur genauer angeschaut, um Filmemacher realistischere und physikalisch überzeugendere Animationen zu ermöglichen. Credit: Images Courtesy of Dartmouth Visual Computing Lab

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