"Unmöglicher" Algorithmus spart Hollywood-Trickfilmern enorme Rechenzeit

Vertex Connection and Merging bei Pixar "Unmöglicher" Algorithmus spart Hollywood-Trickfilmern enorme Rechenzeit

13.08.2014Redakteur: Peter Koller

Durch die clevere Kombination zweier eigentlich inkompatibler Verfahren haben Saarbrücker Informatiker einen Computergrafik-Algorithmus geschaffen, der es in Rekordzeit ins Software-Inventar der Filmemacher des Disney-Konzerns gebracht hat.

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Seine Arbeit ist auch für Auto-Designer von großer Bedeutung: Professor Philipp Slusallek
(bellhäuser - das bilderwerk)

Naturgetreu am Computer zu simulieren, wie Licht einen Raum durchdringt, ist nicht nur für Animationsfilme wie „Toy Story“ oder „Cars“ entscheidend. Auch die Automobilindustrie will virtuelle Prototypen möglichst realistisch am Bildschirm designen. Spezielle Rechenverfahren sollen dies sicherstellen, erfordern jedoch einen hohen Aufwand. Saarbrücker Informatiker haben nun einen neuen Ansatz entwickelt, der so vielversprechend ist, dass er in Rekordzeit von Unternehmen übernommen wurde – unter anderem von Pixar, einem renommierten Spezial-Unternehmen der Filmindustrie aus dem Hause Walt Disney.

Bei der Produktion von computergenerierten Filmen ist es wichtig, die Beleuchtung in einem Raum realistisch darzustellen. Funktioniert dies nicht, ist der Eindruck einer dreidimensionalen Anmutung schnell zerstört. Die digitalen Lichtexperten der Filmindustrie setzen dazu auf spezielle Rechenverfahren, die bisher aber noch einen großen Rechenaufwand erforderten, was die Produktionskosten in die Höhe getrieben hat.

Doch nicht nur die Filmbranche, auch die Autoindustrie investiert viel, um Lichtverhältnisse für ein per Computer generiertes Bild möglichst realitätsgetreu darzustellen. Komplette Rechenzentren werden genutzt, um realistische Bilder der hoch-komplexen Automodelle schon im Entstehungsprozess in Echtzeit berechnen und darstellen zu können. Nur so können die Verantwortlichen das Design und andere Produkteigenschaften schon frühzeitig bewerten und noch während der Planung optimieren.

„Es werden ja kaum noch reale Prototypen angefertigt. Daher wollen die Designer sicher sein, dass die Karosserie auf dem Bildschirm genauso aussieht wie später am realen Wagen“, erklärt Philipp Slusallek, Professor für Computergrafik an der Universität des Saarlandes. Er ist auch wissenschaftlicher Direktor am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) und am Intel Visual Computing Institute der Saar-Uni.

Hohe Kosten durch Doppelarbeit

Bisherige Rechenverfahren konnten jedoch nicht alle Beleuchtungseffekte effizient berechnen. Das sogenannte „Monte-Carlo Path-Tracing-Verfahren“ konnte sehr gut für den direkten Lichteinfall und die indirekte Beleuchtung durch Lichtreflexion an den Oberflächen in einem Raum eingesetzt werden. Es versagte jedoch bei der Beleuchtung rund um transparente Gegenstände wie beispielsweise den halbtransparenten Schatten von gläsernen Gegenständen oder der Beleuchtung über spiegelnden Oberflächen (sogenannte Kaustiken).

Genau das war die Stärke des sogenannten Photon-Mapping, das aber wiederum bei der direkten Beleuchtung von Oberflächen enttäuschte. Da jedoch beide Verfahren mathematisch inkompatibel waren (Monte-Carlo-Integration gegenüber Dichteschätzverfahren), konnte man sie nicht zusammenführen und musste sie unabhängig voneinander für das jeweilige Bild berechnen. Diese Doppelarbeit verursachte hohe Kosten bei computeranimierten Filmen wie „Der Hobbit: Eine unerwartete Reise“, bei denen bis zu 48 Bilder pro Sekunde berechnet werden müssen – bei einer Gesamtdauer von rund 160 Minuten.

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