FLOTTE SIMULATION 25.08.2015, 08:51 Uhr

Sandburgen aus dem Computer

Fotorealistische Bilder von körnigem Material wie Sand, Zucker oder Schnee lassen sich nur mit extrem hohem Rechenaufwand erstellen. Mit einer Hybridtechnik geht es weitaus schneller. Hersteller von Spielesoftware wird das begeistern.

Auch eine digitale Sandburg besteht aus Millionen einzelner Körner. Ihre fotorealistische Darstellung per Computer wird nun recheneffizienter.

Auch eine digitale Sandburg besteht aus Millionen einzelner Körner. Ihre fotorealistische Darstellung per Computer wird nun recheneffizienter.

Foto: KIT/Disney Research

Das ließ Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nicht ruhen. Münchner Kollegen hatten eine Software entwickelt, mit der sich die Rechenzeit für fotorealistische Bilder von Rauch, die extrem rechenaufwendig sind, drastisch verkürzen lässt. Sand, Schnee, Zucker und andere körnige Materialien benötigen, wenn sie in Massen vorkommen, ähnlich viel Rechenaufwand, bis jetzt jedenfalls.

Mit raffinierten mathematischen Algorithmen haben KIT-Wissenschaftler, unterstützt von Kollegen von Disney Research in Zürich und der Cornell University in Ithaca im US-Bundesstaat New York, es jetzt geschafft, die Rechenzeit beispielsweise für die Simulation einer Sandburg um den Faktor zehn zu verkürzen. In manchen Fällen lässt sich das fotorealistische Bild sogar ein paar 100 Male schneller berechnen als bisher.

Millionen Lichtstrahlen sind zu berücksichtigen

Die Berechnung der einzelnen Pixel sei so aufwendig, weil Millionen Lichtstrahlen, die die Körner passieren, ablenken und reflektieren, berücksichtigt werden müssten, so Professor Carsten Dachsbacher vom KIT-Institut für Visualisierung und Datenanalyse. „Komplexe Streueigenschaften der einzelnen Körner sowie ihre Anordnung zu einem Gesamtsystem verhindern den Einsatz klassischer Beschleunigungsverfahren“, fügt Dachsbachers Doktorand Johannes Meng hinzu. „Das macht es schwierig effiziente Algorithmen zu finden.“

Von einzelnen Körnchen bis zur kompletten Burg

Sie kommen gewissermaßen vom Hölzchen aufs Stöckchen. Im ersten Schritt sind nur wenige Sandkörnchen oder Schneeflocken im Spiel. Simuliert werden Geometrie, Größe und die Materialeigenschaften einzelner erkennbarer Körner sowie ihre Packungsdichte. Außerdem werden die Wege des Lichts von jedem Pixel zurück zu den Lichtquellen ermittelt. Die Forscher erweiterten diese Lichtsuche auf eine Volumetric Path Tracing genannte Technik, die eigentlich zur Berechnung von Lichtstreuung in Materialen wie Wolken oder Nebel eingesetzt wird. Sie modifizierten sie so, dass sie auch für die Simulation etwa von Burgen aus Sand oder Schnee eingesetzt werden kann.

Die Forscher konnten in ihrer aktuellen Arbeit auch zeigen, wie die einzelnen Techniken kombiniert werden müssen, sodass konsistente visuelle Resultate über die Skalen hinweg – von einzelnen Körnern bis zu Objekten aus Milliarden Körnern – in Bildern und Animationen erreicht werden. Sie stellten ihre Hybrid-Rechenmethode kürzlich auf der renommierten internationalen Konferenz für Computergrafik in Los Angeles vor. Interessant dürfte sie vor allem für die Hersteller von Spielesoftware sein.

Von Wolfgang Kempkens
Von Wolfgang Kempkens

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