Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Methoden zur realistischen Oberflächendarstellung in Computerspielen

04.05.2015

Das Aussehen von Objektoberflächen in Computerspielen wirkt oft unnatürlich. Eine neue Rechenmethode ahmt die komplizierte Streuung des Lichts im Material nach und ermöglicht dadurch erheblich realistischere Bilder.

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.


links: die neue Methode; rechts oben: ohne Subsurface Scattering; rechts unten: mit Subsurface Scattering

TU Wien

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

Weitere Informationen:

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

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht IT-Sicherheit beim autonomen Fahren
22.06.2018 | Fachhochschule St. Pölten

nachricht Schneller und sicherer Fliegen
21.06.2018 | Fachhochschule St. Pölten

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics