Schnell gerechneter Sand
Neues Verfahren zur effizienten Berechnung fotorealistischer Bilder von granularen Materialien.
Computergrafik produziert heute erstaunlich fotorealistische Bilder. Doch es gibt es Motive, die dafür enorm viel Rechenzeit benötigen. Forscher des KIT, von Disney Research in Zürich, sowie der Cornell University in den USA haben nun ein Verfahren entwickelt, das eine erheblich schnellere Berechnung körniger Objekte aus beispielsweise Sand, Schnee oder Zucker ermöglicht.
Abb.: Auch eine digitale Sandburg besteht aus Millionen einzelner Körner. Ihre fotorealistische Darstellung per Computer wird nun recheneffizienter. (Bild: KIT / Disney Research)
Materialien aus zufällig orientierten, aber erkennbaren Körnern bestehen, stellen für die Bildsynthese, große Schwierigkeiten dar, da die Wege von Millionen von Lichtstrahlen durch die Körner hindurch simuliert werden müssen. Für dieses Rendering entwickelten die Forscher ein mehrskaliges Verfahren, das die Simulation an die Struktur des Lichttransports in granularen Medien auf verschiedenen Größenordnungen anpasst. Auf der feinsten Skala, wenn nur wenige Körner im Bild sind, berücksichtigt die Methode Geometrie, Größe und Materialeigenschaften der einzelnen erkennbarer Körner sowie ihre Packungsdichte. Lichtstrahlen werden, wie beim klassischen Path Tracing, durch die virtuellen Körner hindurch verfolgt. Path Tracing berechnet einzelne Lichtpfade von jedem Pixel zurück zu den Lichtquellen. Dieser Ansatz ist allerdings bei Millionen oder Milliarden Körnern nicht praktikabel.
Das neue Verfahren wechselt daher nach einigen Interaktionen – etwa Reflektionen an Körnern –, wenn die Beiträge einzelner Interaktionen kaum mehr zu trennen sind, zu einer anderen Rendering-Technik, dem Volumetric Path Tracing. Auf noch größeren Skalen kommt eine Diffusions-Approximation zum Tragen, die eine analytische Lösung für den verbleibenden Lichttransport liefert. Diese ermöglicht vor allem bei hellen, stark reflektierenden Körnern, wie beispielsweise Schnee oder Zucker, eine effiziente Berechnung der fotorealistischen Darstellung.
Die Forscher konnten 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. Abhängig vom jeweiligen Material beschleunigt der hybride Ansatz die Berechnung bei gleicher Bildqualität um das Zehn- bis Mehrhundertfache im Vergleich zum sonst üblichen Path Tracing.
KIT / RK
