Neue Methoden zur realistischen Oberflächendarstellung in Computerspielen

Autos überschlagen sich, Geschosse fliegen umher und ein Flugzeug rast quer über den Bildschirm. Dreidimensionale Objekte lassen sich mit heutigen Computern blitzschnell berechnen. Unnatürlich sahen bisher allerdings die Oberflächen verschiedener Materialien aus.

Egal ob Haut, Stein oder Wachs – am Computerbild wirkt jedes Objekt als hätte man es aus demselben Material geschnitten. Das soll sich nun ändern. Die TU Wien, die Universität Saragossa und der Spielehersteller Activision-Blizzard haben nun eine mathematische Methode entwickelt, die Oberflächen realistisch erscheinen lässt. Sie berücksichtigt, dass das Licht in das Material eindringt und dadurch verändert wird. (Video: siehe unten)

Das Licht, das aus der Tiefe kommt

Wenn wir unsere Finger gegen die Sonne halten, sehen sie am Rand rot aus, weil das Licht in unsere Haut eindringen kann. Das Aussehen eines Objektes wird stark von der Lichtstreuung in tieferliegenden Bereichen bestimmt. „Man spricht von Sub-Surface-Scattering oder Volumenstreuung“, erklärt Christian Freude, der gemeinsam mit Károly Zsolnai, Thomas Auzinger und Michael Wimmer am Institut für Computergraphik und Algorithmen der TU Wien an der neuen Rendering-Methode forscht.

„Genau diese Streuung im Inneren des Materials ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass unterschiedliche Oberflächen für uns so unterschiedlich aussehen. Haut sieht anders aus als Wachs und eine Pflanze wirkt ganz anders als eine Steinoberfläche“, sagt Christian Freude.

Besonders die Darstellung von Haut stellt sich aus diesem Grund als kompliziert heraus. Man kann heute ein Gesicht am Computer hochauflösend und realistisch darstellen – bis hin zu feinen Poren und winzigen Unebenheiten. Doch so richtig realistisch wirkt Haut deshalb noch lange nicht. Wenn man die Lichtstreuung unter der Oberfläche nicht berücksichtigt, sieht auch ein perfekt gerendertes Gesicht aus wie aus mattem, undurchsichtigem, hautfarbenem Stein gemeißelt.

Die Rechenzeit ist das Problem

„Grundsätzlich kann man natürlich die Streuung des Lichts unter der Oberfläche physikalisch präzise ausrechnen“, sagt Christian Freude. „Doch muss man dafür unzählige Lichtstrahlen simulieren, und es kann Stunden dauern, ein einzelnes Bild zu berechnen.“ Das Forschungsteam von der TU Wien, der Universität Saragossa und der Firma Activision-Blizzard untersuchten daher, wie sich einfachere Methoden finden lassen, die einen ähnlichen Effekt in Sekundenbruchteilen erzielen. So entstand nun die „SSSS-Methode“ (Separable Subsurface Scattering).

Die Grundidee für die neue Methode stammt von Jorge Jimenez von der Firma Activision-Blizzard. Er entwickelte ein ähnliches Verfahren speziell für menschliche Haut. „Wir haben nun die mathematischen Grundlagen geschaffen um beliebige Materialien realistisch darzustellen, zum Beispiel Marmor, Wachs oder Pflanzen“, sagt Prof. Wimmer.

„Zunächst berechnet man die Streuung eines einzelnen Lichtstrahls unter der Oberfläche, um daraus ein einfaches Filterprofil zu erstellen, das man dann immer wieder auf die Bilder anwenden kann“, sagt Christian Freude. „Das Computerbild wird also zunächst mit den herkömmlichen Methoden generiert, um es danach mit unserer SSSS-Methode zu bearbeiten, was die richtige Oberflächendarstellung und –qualität hervorbringt.“

„Wir haben nach einer eleganten Lösung gesucht, die basierend auf einem bereits berechneten Bild arbeiten kann. Die endgültige Version unserer Methode benötigt in Full-HD Auflösung auf normaler Hardware nur eine halbe Millisekunde pro Bild“, sagt Károly Zsolnai. Damit kann trotzdem noch eine flüssig ablaufende Bewegung dargestellt werden.

„Es gab schon andere Versuche, Subsurface Scattering in Echtzeit-Renderings zu berücksichtigen, doch bisher war die Rechenzeit oft zu lange für die praktische Anwendung“, sagt Christian Freude. „Wir konnten die Bearbeitung einer zweidimensionalen Oberfläche auf zwei eindimensionale Berechnungen zurückführen, das spart Rechenzeit und liefert trotzdem überzeugende Ergebnisse.“ „Diese Reduktion der Dimensionalität wurde mit verschiedenen mathematischen Methoden erzielt, die von exakter Integration, über numerische Optimierungsroutinen bis hin zu benutzergesteuerter Farbprofilmodellierung reichen“, ergänzt Thomas Auzinger.

Activision-Blizzard verwendet die neue Methode bereits. Das Team geht davon aus, dass die SSSS-Methode in Zukunft auch in vielen anderen Anwendungen zu finden sein wird. Im Journal „Computer Graphics Forum“ wird die neue Methode vorgestellt, damit ist sie nun auch für andere Anwender nutzbar.

Rückfragehinweise:

Dipl.-Ing. Christian Freude
Institut für Computergraphik und Algorithmen
TU Wien
Favoritenstr. 9-11, 1040 Wien
T:+43-1-58801-18642
christian.freude@tuwien.ac.at

MSc. Károly Zsolnai
Institut für Computergraphik und Algorithmen
TU Wien
Favoritenstr. 9-11, 1040 Wien
T:+43-1-58801-18657
karoly.zsolnai@tuwien.ac.at

https://www.youtube.com/watch?v=P0Tkr4HaIVk Video
https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2015/ssss weitere Bilder
http://cg.tuwien.ac.at/~zsolnai/gfx/separable-subsurface-scattering-with-activis… nähere Information