FHTW-Berlin, Universität Linz
Oft betrachten wir staunend Computerbilder und wundern uns über deren realistisches Darstellungvermögen. Oft benennen wir etwas "wirklichkeitsnah", obwohl wir eine Realität meinen. Was ist nun aber Realität und was ist die Wirklichkeit? Ist es dasgleiche oder dasselbe? Sind diese Begriffe nicht austauschbar?
Die Wirklichkeit entspricht einer existierenden, materiellen Erscheinung unabhŠngig unseres menschlichen Bewu§tseins. Die Wirklichkeit wird auch als objektive RealitŠt bezeichnet. Jedoch sehen wir diesselben Erscheinungen und fassen sie unterschiedlich auf, sie erfahren fŸr jede Person eine eigene FŠrbung. Diese "scheinbare" Wirklichkeit, die RealitŠt, ist wiederum abhŠngig vom menschlichen Bewu§tsein. Das Reale sind alle Wahrnehmungen von der Wirklichkeit. Da jeder sein eigenes Wahrnehmungsbewu§tsein hat, ist die RealitŠt subjektiv. Eine Personengruppe, die Zeugen eines Autounfalls werden, betrachten das Geschehene aus unterschiedlichen Blickwinkel. Die Schuldfrage wird unterschiedlich aufgefaßt. Es existieren genau so viele Realitäten, wie die Summe der Beobachter. Hingegen ist die Wirklichkeit der Unfall an sich, der ohne Auffassungen und Ansichten geschah, eine Tatsache.
"Das Gehirn ist im SchŠdel eingeschlossen; einem stillen, dunklen und reglosen Ort, wie kann es erfahren wie es drau§en aussieht? ... Die einzigen Wege zwischen der Welt und dem Gehirn sind NervenstrŠnge wie jene, die von Augen, Ohren und der Haut herkommen. Auf welche Weise gelingt es den Signalen, uns >>in<< der Welt au§erhalb zu fŸhren? Die Antwort lautet, da§ dieses GefŸhl eine komplexe Illusion darstellt. Wir haben nie tatsŠchlichen Kontakt zu der Welt au§erhalb. Statt dessen arbeiten wir mit Modellen der Welt, die wir in unserem Gehirn fertigen". (Marvin Minsky, Mentopolis)
Bildberechnungsverfahren oder auch Beleuchtungsmodelle (kurz: Rendering) in der Comutergrafik verkšrpern die RealitŠt. Schon immer versuchte der Mensch ein Spiegelbild von der Wirklichkeit zu erhalten und zu erstellen. Technische Hilfsmittel wurden entwickelt,um WahrnehmungsunzulŠnglichkeiten des Menschen zu korrigieren. Erst mit dem Fotoapparat, einer Apparatur zum Einfangen von Lichtstrahlen, wurde der Wunsch, ein Abbild unserer Wirklichkeit zu schaffen, erfŸllt. Diese Darstellungsform, die Fotographie, ermšglicht aus funktionaler Betrachtung nur wenig Freirraum einer persšhnlichen FŠrbung, da nur die Wirklichkeit abgelichtet werden kann. Mit der zunehmenden elektronischen Datenerfassung mittels Computer, wurde das Konzept der Fotographie, so weit mšglich, in die digitale WeltŸberfŸhrt. Man untersuchte die physikalischen Prozesse,nutzte das physikalische Wissen und baute mathematische Modelle auf. Diese Konzepte ermšglichten die Einbringung individueller Wahrnehmungen in die digitalen Welten, um synthetischen RealitŠten zu erschaffen. Die Gesamtheit dieser umgesetzten Konzepte bezeichnet man als Bildberechnungsmodelle (auch Beleuchtungs- und Renderingmodelle).
"Die Bildberechnung ist nicht Spiegelung der Wirklichkeit, sondern Abdruck eines individuell untersuchten Funktionsaspekts der optischen Wahrnehmung von Wirklichkeit. Man kann auch sagen, da§ jedes Bildberechnungsmodell die Wirklichkeit mit anderen Augen 'sieht'. Je nachdem, welches Bilberechnungsmodell man wŠhlt, erhŠlt man eine andere Form von RealitŠt." (Ralf Brugger, Professionelle Bildgestaltung)
In diesem Abschnitt werde ich eine Kurzbeschreibung der gŠngigsten Bildberechnungsverfahren vorstellen. Zum wohl bekanntesten unter diesen Modellen zŠhlt das Ray-Tracing, welches ich hier ebenfalls kurz erlŠutern werde, jedoch auf einer gesondert angefertigten Seite nŠher eingehen werde.
Ein Bildberechnungsmodell versucht im wesentlichen die physikalischen GesetzmŠ§igkeiten der Lichtausbreitung in der wirklichen Welt, also Reflexionen, Brechungen usw. algorithmisch nachzubilden, um es auf einem Computer zu simulieren. Diese Modelle kšnnen nicht und werden auch nie unsere Wirklichkeit exakt nachbilden. Trotzdem ist es mšglich Erscheinungen der Wirklichkeit gespenstisch wirklichkeitsnah abzubilden. Wie in jedem Bereich unseres Lebens gibt es hier mehrere Methoden, die unterschiedliche Verfahren der Physik als Berechnungsgrundlage nutzen. Die meistverwendeten Beleuchtungsmodell-algorithmen sind Flat Shading, Gouraud Shading, Phong Shading, Ray-Tracing und Radiosity.Sie besitzen unterschiedliche QualitŠtsstufen.
Bei diesen Modellen wird nur die gegenseitige Lage der Objekte betrachtet, nicht aber deren physikalische Eigenschaften (Reflexionen, Brechnugen, Lichtverteilungen). Da in der ursprŸnglichen Form keine Reflexionen und Schatten erzeugt werden kšnnen, wird dieses Problem mit Reflection Mapping (Simulation von Spiegelungeffekten ohne exakte Lichtverteilungsberechnung) und Shadow Mapping (ebenfalls vereinfachtes Simulationsverfahren) umgangen. Es gibt in der Natur aber auch Erscheinungen, wie die Refraktion (lichtbrechnung) von transparenten GegenstŠnden, z.B. Glas, Wasser., die fŸr das Shading auch nicht simuliert werden kšnnen. Der wesentliche Vorzug dieser Bildberechnungsmethoden ist der Geschwindigkeitsvorteil beim Berechnen von Szenen und die damit verbundenen geringeren Hardwareanforderungen.
Im Jahre 1967 fŸhrten Romney, Warnock und Watkins das Flat Shading ein, welches jeder FlŠche eines Objektes einen Farbton zugeordnet, der fŸr die FlŠche in AbhŠngigkeit von der Lichtquelle (Entfernung und Winkel zur Lichtquelle eines FlŠchenvektors) berechnet wird. Eine Farbangleichung an den FlŠchenkanten wird nicht durchgefŸhrt, mit dem Resultat, da§ ein abrupter FarbŸbergang zu den NachbarflŠchen entsteht. Sollen KurvenoberflŠchen dargestellt werden, erhŠlt man eine qualitativ niederwertige Darstellung. Dieses einfachste Schattierungsmethode eignet sich nur zum Preview einer Szenendarstellung. Fotorealistische Darstellungen sind nicht mšglich.
Beispiel einer mit Flat Shading berechneten Szene.
Das von Henri Gouraud 1971 vorgestellte Verfahren erzeugt einen gleichmŠ§igen Farbverlauf an den Kanten der einzelnen FlŠchen, der durch Bestimmung einer Farbe an jeder Ecke des Polygons in AbhŠngigkeit von der Lichtquelle ( wie beim Flat Shading fŸr die FlŠche) berechnet wird. Die innerhalb der FlŠche liegenden Farbwerte werden anhand der Eckwertfarbetšne durch lineare Interpolation (allgemein als Smoothing bezeichnet) ermittelt. Runde OberflŠchen erreichen somit eine hšhere realistische Darstellung als das Flat Shading. Trotzdem existieren noch starke EinschrŠnkungen, wie z.B. keine Spiegelungen, keine Darstellung von unregelmŠ§igen OberflŠchen (Bumps).
Beispiel einer mit Gouraud Shading berechneten Szene.
1973 von Phong Bui-Toung entwickelt, berechnet das Phong Shading jeden Punkt einer FlŠche einzeln. Dadurch entstehen mehr FarbŠnderungen als beim Gouraud Shading, wodurch die Darstellung wesentlich realistischer wird. Im Gegensatz zur vorher beschriebenen Methode werden auf der lichtzugewandten Seite der OberflŠche die Darstellungen plastischer. Das dreidimensionale Erscheinungsbild wird verbessert, Reflexionen, somit auch Spiegelungen und OberflŠchenverformungen (Bumps) sind mšglich, Schattenkonturen werden korrekt berechnet.
Beispiel einer mit Phong Shading berechneten Szene.
Ray-Tracing unterscheidet sich grundsŠchlich von den vorher besprochenden Shading-Verfahren. 1963 ging der IBM-Forscher Appel bei der Konzeption ( erst 1973 kommerziell implementiert) von der strahlenfšrmigen Natur des Lichtes aus. Ray-Tracing (die Stahlenverfolgung) ist die vordergrŸndige Idee dieser Methode. Die Lichtstahlen der realen Welt flie§en von einer Lichtquelle (Erzeuger) in die Umgebung und werden von den Objekten dieser Umgebung reflektiert bzw. gebrochen, bis sie ein Bild unserer Umgebung auf das Auge eines Betrachters oder der Linse einer Kamera projiziert. Die Strahlennatur des Lichts ist jedoch nur ein Gesichtspunkt des Lichtverhaltens. NatŸrlich kšnnen reflektierende Materialien, vor allem in der Darstellung von spiegelnden OberflŠchen, hervorragend durch dieses Bildberechnungsverfahren nachgebildet werden. Derartige gerichtete (spiegelnde) Reflexionen sind jedoch in der RealitŠt nur zu etwa 10% vorhanden. Trotzdem ist es zu den realistischsten Verfahren zu zŠhlen und hat vor allem in Werbung und Film einen gro§en Anteil.
Beispiel einer mit Ray-Tracing berechneten Szene.
Radiosity ist einer der neuesten Bildberechnungsverfahren (seit etwa 1984) und befindet sich noch immer in der Entwicklung. Dieses Modell wurde von den Gesetzen der Thermodynamik abgeleitet, bei der die Ausbreitung von Energie (LichttrŠger) betrachtet wird und Lichtquellen energetisch strahlende Kšrper sind. Dieses Modell simuliert ebenfalls nur einen Gesichtspunkt der Lichtnatur. Im Gegensatz zum Ray-Tracing, in dem nur die Strahlennatur des Lichtes (spiegelnde Reflexionen) betrachtet werden, simuliert Radiosity den Teilaspekt, der fŸr die diffusen Reflexionen in unserer Umwelt verantwortlich ist. Die Radiosity-Berechnung erfolgt unter der Annahme, da§ jede FlŠche in der Szene Energie empfŠngt und abgibt.Die Energieabgabe erfolgt entweder als emittierte Energie (bei Lichtquellen) oder reflektierender Energie (normale Objekte). Die Energieberechnung erfolgt in kleineren inkrementierten Schritten, in der zunŠchst die OberflŠche aller Objekte in kleine FlŠchen mit einer nullwertigen Energie zerlegt werden. Dann folgt die Berechnung der aufgenommenen Beleuchtungsenergie jeder TeilflŠche von einer direkten Lichtquelle. Jede TeilflŠche absorbiert einen Teil der Lichtenergie und reflektiert den restlichen Anteil. Im folgenden Schritt werden nun die TeilflŠchen als sekundŠre Lichtquelle betrachtet und fŸr alle TeilflŠchen die Abgabe der Lichtenergie an die Umgebung berechnet. Der Energiewert einer TeilflŠche, die sich im Schatten befindet, mu§ entsprechend reduziert werden. Weitere Einflu§grš§en sind Orientierung und Entfernung zwischen zwei reflektierenden TeilflŠchen. Es ist sehr wahrscheinlich, da§ jede TeilflŠchešfter zu einer sekundŠren Lichtquelle wird.Da aber die Reflexion ein wesentlicher Faktor ist, reflektiert keine TeilflŠche alle Energie, die sie empfŠngt. Der Energiewert wird mit der fortlaufenden Berechnung soweit reduziert, bis bei Unterschreiten eines Limits (vernachlŠ§igbare Einflu§grš§e) die Berechnung angehalten wird.
Da die Reflexionen in unserer Umwelt etwa zu 80% diffus sind, erreicht man beim Radiosity eine sehr lebensechte und natŸrliche Darstellung. Dies ist deshalb so, weil wir in unserer Umwelt vor allem diffus (mattierte) GegenstŠnde haben und nicht ideal reflektierende. Diffus reflektierende GegenstŠnde erzeugen Reflexionen mit verwischten Konturen. Sie reflektieren das Licht in mehreren Richtungen mit gleicher LichtintensitŠt. Das reflektierte Licht dieser GegenstŠnde beleuchtet die umliegenden GegenstŠnde. Das Radiosity findet vor allem in der Innenarchitektur Anwendung, da besonders bei der Visualisierung von RŠumlichkeiten diffuse Reflexionen wichtig sind, weil Decken und WŠnde oft Licht erhalten, obwohl sie "nicht" von einer Lichtquelle angeleuchtet werden. Der gewaltige Nachteil des Radiosity-Verfahrens liegt jedoch darin, da§ es keine Spiegelungen berŸcksichtigen kann. Dies ist aber ein entscheidender Faktor zur Darstellung realistisch wirkender Bilder.
Die Folge dieser unterschiedlichen Herangehensweisen ist, da§ mit Ray-Tracing berechnete Bilder kŸnstlich und unberŸhrt wirken, wŠhrend mit Radiosity berechnete Bilder weniger steril erscheinen und mehr WŠrme vermitteln. Genaugenommen ist die Radiosity-Berechnung kein direktes Bildberechnungsverfahren, sondern nur eine, dem eigentlichen Bildberechnungsproze§ vorgeschaltete Pre-Process-Berechnung. Die Bildberechnung findet dann anschlie§end mit einen der vorher beschriebenen Verfahren statt. Die Hauptrichtung der ForschungaktivitŠten bei der Radiosity-Weiterentwicklung ist die Vereinigung der Ray-Tracing- und Radiositytechnologien.
"Die immense KomplexitŠt unserer Wirklichkeit zwingt Wissenschaftler und Programmierer dazu, bei ihrer Analyse und Synthese der Wirklichkeit Schwerpunkte zu setzen. Schon in der Wahl der Schwerpunkte zeigt sich ein subjektiver Ansatz. Sind doch diese Scherpunkte abhŠngig von InteressensprioritŠten und/oder Deutungsabsichten eines Subjekts oder einer Gruppe von Subjekten." (Brugger)
© A. Menzel, created: 15.1.96, modified:15.1.96
