Das Aus­se­hen von Objekt­ober­flä­chen in Com­pu­ter­spie­len wirkt oft unna­tür­lich. Eine neue Methode 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 oft­mals 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.

Das Licht aus der Tiefe
Wenn man etwa Fin­ger gegen die Sonne hält, 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.
Gemein­sam mit Károly Zsol­nai, Tho­mas Auzin­ger und Michael Wim­mer vom Insti­tut für Com­pu­ter­gra­phik und Algo­rith­men der TU Wien forscht er an der neuen Ren­de­ring-Methode. „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“, erläu­tert 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.“ Die For­schungs­teams 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 Michael Wimmer.
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.