Die dritte Dimension

Computergrafik Teil 4: Heft 1/1993 (S. 45)

Seitdem Grafik-Computer eingesetzt werden, üben Darstellungen von dreidimensionalen Modellen eine große Faszination aus. Mit Hilfe der entsprechenden Programme, die zahlreiche Möglichkeiten bieten, können fotorealistische Grafiken erzeugt werden.

Durch die räumliche Darstellungsmöglichkeit, die 3D-Darstellung, gelang dem Grafik-Computer in der breiten Öffentlichkeit der entscheidende Durchbruch. Die ARD verhalf vor einigen Jahren mit ihrem in Amerika auf einem Grafik-Computer gestalteten neuen Logo der Computergrafik zu Seriosität und Akzeptanz. Seit dieser Zeit häufen sich die 3D-Grafiken in allen Medien.

Heute ist es undenkbar, daß ein Werbeblock im Fernsehen ohne eine dreidimensionale Computeranimation auskommt. Auch bei der Anzeigengestaltung findet man häufig dreidimensionale Schriftzüge und andere 3D-Effekte. In Schulungsfilmen fliegen Säulen von Geschäftsgrafiken ins Bild, um sich zu einer Umsatzstatistik zusammenzusetzen. Bei allen Fernsehsendern segeln geometrische Formen als Lückenfüller durch das TV-Bild. Ob diese 3D-Grafiken wirklich sinnvoll eingesetzt werden, soll dahingestellt bleiben. Eines aber zeigen sie eindrucksvoll; Anscheinend üben sie noch immer eine besondere Faszination auf den Betrachter aus.

Seitdem die Computergrafik diese Anerkennung gefunden hat, werden ständig leistungsstärkere 3D-Programme entwickelt, die immer naturgetreuere Darstellungen zulassen. Teilweise sind Computergrafiken nicht mehr von Fotografien zu unterscheiden. Mit den Funktionen dieser Programme kann man nicht existente Welten schaffen, in denen irreale Figuren agieren können. Ein wichtiger Grund für die Begeisterung, die 3D-Grafik bei vielen hervorgerufen hat, liegt sicherlich in der Tatsache begründet, daß Dinge gezeigt werden können, die früher mit manuellen Techniken nicht darstellbar waren. So gab es in der Grafik zahlreiche Projekte, deren Realisierung erst mit Hilfe der dreidimensionalen Darstellung möglich geworden ist. Hinzu kommen diejenigen Vorhaben, deren Ideen erst durch die Berücksichtigung der Möglichkeiten entstanden sind, die der Grafik-Computer zur Verfügung stellt.

Gut ausgebildete Grafiker haben zwar bereits früher mit manuellen Werkzeugen wie z. B. der Spritzpistole äußerst realistische Bilder hergestellt. Das große Problem bestand aber darin, daß mit diesen Grafiken keine Bewegtbilder hergestellt werden konnten und zum anderen jede Änderung sehr aufwendig war. Mehrere Versuche, um die gewünschte Wirkung erreichen zu können, waren daher nicht möglich. Als weiterer Faktor mußten außerdem die sehr hohen Produktionskosten derartiger Grafiken berücksichtigt werden. Ein positiver Effekt war eine gewisse Exklusivität solcher Bilder. Heute ist im Vergleich dazu eine Computergrafik, die fotorealistische Darstellungen zeigt, praktisch für jedermann erschwinglich geworden. Eine Einmaligkeit ist damit nicht mehr vorhanden.

Die Unterschiede der Programme

Der große Unterschied der zweidimensionalen Grafik mit 3D-Effekten zur echten 3D-Darstellung besteht darin, daß in der 2D-Grafik eine Tiefe nur simuliert wird. Im 3D-Programm werden dagegen alle Faktoren berechnet, um wie in der Realität auszusehen. Der Grafik-Designer arbeitet zwar mit einem zweidimensionalen Monitor, er muß aber trotzdem so vorgehen, als würde er sich in einem realen dreidimensionalen Raum befinden.

Dieser Punkt dürfte auch jedem Gestalter einige Schwierigkeiten bereiten, der auf die Arbeit mit dem Grafik-Computer umsteigt. Anstatt der gewohnten x-Achse für die Breite und der y-Achse für die Höhe muß er nunmehr mit einer dritten Dimension zurechtkommen, da alle 3D-Programme natürlich auch über die z-Achse verfügen, also die Achse für die Darstellung der Tiefe. Man kann mit einer Kamera, mit Lichtern, Schatten und Perspektiven arbeiten, als würde die Räumlichkeit real existieren.

So findet man zum Beispiel sämtliche Daten vor, die man von der Arbeit mit einer Fotokamera her kennt. Die simulierte Kamera gibt dem Gestalter u.a. die Daten über die Brennweite und den Betrachtungsstandpunkt an. Ist ein Modell einmal gebaut, kann es aus allen erdenklichen Blickwinkeln betrachtet und somit auch modifiziert werden.

Schattenerzeugung ist mit diesen Programmen ebenso möglich wie die Erschaffung eines sich in der Tiefe bildenden Nebels. Auch die Reflexionen, die sich auf den Objekten ergeben, können beeinflußt werden. Effekte, wie man sie beim Fotografieren mit Effektfiltern erreichen kann, sind ebenfalls vorhanden. Insofern ist es eine große Hilfe, wenn man auch über Kenntnisse im Bereich der Fotografie verfügt.

Beim Rendern verfolgt das Programm den Lichtstrahl, um die Reflexionen und Schatten auf der Oberfläche aller Objekte zu berechnen, die sich aufgrund der Umgebungsvariablen, wie Umgebungslicht, Scheinwerfer und Standpunkt des Betrachters, ergeben.

Abb. 1 und 2: Jedermann hat wohl schon Grafiken im Fernsehen gesehen, in die dreidimensionale Schriftzüge integriert waren. Dieser einfache, in allen 3D-Programmen vorhandene Effekt wird oft und gerne von den Gestaltern verwendet. Man sollte allerdings darauf achten, daß er nicht zu häufig eingesetzt wird, um eine Abnutzung zu vermeiden. Der am meisten verwendete Effekt zur Erzeugung der räumlichen Tiefe ist das hier angewandte "Extrudieren".

Die einzelnen Arbeitsschritte

Am Beginn einer jeden Arbeit mit einem dreidimensionalen Programm steht das Modellieren der Gesamtszene. Sicherlich ist dieser Punkt dem Modellieren mit Knetmasse sehr nah verwandt. Allerdings arbeitet man mit einer Maus oder einem Grafiktablett. Wie auch bei der 2D-Grafik werden ausschließlich Objekte erstellt. Die gesamte 3D-Grafik ist als Vektorgrafik konzipiert. Spätestens wenn man plant, 3D-Grafiken anzufertigen, muß man sich also mit den Möglichkeiten der Vektorgrafik vertraut machen (siehe Teil 3 des Beitrags). Nach Abschluß des Modellierens werden die Bilder gerendert, um ein Pixelbild zu erzeugen, das anschließend weiterverarbeitet werden kann.

Es gibt verschiedene Verfahren, mit denen die Lichtstrahlen von den 3D-Programmen berechnet werden. Auf diese verschiedenen Möglichkeiten soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden, da letztendlich für den Betrachter nur wichtig ist, ob ihm das Ergebnis gefällt, zu dem die jeweilige Methode führt.

Das bekannteste dieser Verfahren ist das sogenannte Raytracing. Alle Verfahren beruhen auf einer Tatsache, die jedem Grafiker bereits zu Beginn seiner Ausbildung vermittelt wird: Farben existieren eigentlich nicht. Das, was wir als Farbe empfinden, sind lediglich die Reflexionen des Lichtes von einer Oberfläche. Je nachdem wie diese beschaffen ist, wird das auftreffende Licht unterschiedlich reflektiert. Dadurch empfinden wir Gegenstände als unterschiedlich farbig. Diese Faktoren lassen sich in mathematischen Formeln festlegen und somit in Computerprogramme übertragen. Für die Gestaltung eines Modells sind diese Fakten allerdings nicht weiter von Bedeutung. Wenn man mit derartigen Programmen arbeitet, merkt man von der Komplexität, die sich in der Programmierung verbirgt, nichts mehr. Durch angenehm gestaltete Bedieneroberflächen wird der Einstieg in diese Materie erheblich erleichtert.

Die Voraussetzungen

Bei der Modellierung müssen allerdings im Gegensatz zur manuellen Grafik von Anfang an weit mehr Faktoren berücksichtigt werden. So braucht man sich zwar um den Betrachtungsstandpunkt oder die Positionierung von Lampen während des Modellierens keine Gedanken zu machen, da diese Einzelfaktoren jederzeit nachträglich beeinflußt werden können; aber man sollte bedenken, daß jedes Modell korrekt gebaut sein muß, und zwar auch an den Stellen, die man eigentlich nicht im Bild sieht. Soll später das Modell aus einem anderen Blickwinkel betrachtet werden, so würde dieser Fehler sofort ins Auge springen. Die räumliche Anordnung muß ebenso sorgfältig berücksichtigt werden wie diejenigen Stellen, an denen sich Objekte schneiden. Außerdem muß man stets einplanen, daß jedes Modell auch für Kamerafahrten oder Ausschnittvergrößerungen geeignet sein sollte. Werden diese Faktoren unberücksichtigt gelassen, so können bei einer späteren Animation unangenehme Fehler auftreten, wenn die Kamera z. B. auf ein Objekt zufährt und dabei eckige Formen, die durch zu niedrige Auflösung entstehen, sichtbar werden. Man sollte auch bedenken, daß das Modell nicht an der Stelle endet, die auf dem Monitor dargestellt wird. Möchte man eine Kamerarückfahrt animieren, werden auch die Gegenstände sichtbar, die vorher nicht auf dem Monitorbild zu sehen waren.

Abb. 3: Auch mit manuellen Mitteln sind Grafiker in der Lage, Dreidimensionalität zu erzeugen. Änderungen lassen sich aber nur sehr schwierig ausführen. Bei dieser Grafik wurde der Untergrund mit der Spritzpistolentechnik hergestellt. Die flächigen Teile sollten sich innerhalb eines Trickfilms bewegen, so daß es nicht möglich war, diese Teile plastisch darzustellen.

Die Arbeitsweise eines 3D-Programms ist zwar sehr komplex, der Aufbau ist aber trotzdem recht leicht zu verstehen. Alle 3D-Grafikprogramme arbeiten mit Polygonen. Je nach Anzahl der verwendeten Polygone erscheinen dem Betrachter die Objekte rund oder eckig. In den meisten Fällen muß man bei der Festlegung der Auflösung einen Kompromiß eingehen, der den vorhandenen Speicher berücksichtigt. Wird für die Berechnung eines Modells zu viel Computerrechenzeit benötigt, so kann man diese durch Reduzierung der Polygone erheblich vermindern.

Das Berechnen der Polygone erfolgt nach dem sehr einfachen Prinzip, daß die Diagonalen eines Rechtecks die einzigen Anhaltspunkte für die wahre perspektivische Mitte sind. Danach mittet der Computer alle Polygonflächen ein. Aus diesem Grund findet man in allen dreidimensionalen Modellen immer wieder zahlreiche Dreiecke vor, die sich durch dieses Verfahren ergeben. Jedes Modell besteht demnach aus einer sehr großen Anzahl von Dreiecken.

Der Aufbau eines Modells

Zunächst ist jedes Modell nur aus diesen beschriebenen Dreiecken, einem sogenannten Drahtgittermodell, auch "Wireframe" genannt, aufgebaut (Abb. 4). Möchte man das endgültige Ergebnis sehen, kann man meist zwischen verschiedenen Modi der Betrachtung wählen. Im groben Rendering (Abb. 5) werden alle Polygone flächig, aber gefüllt dargestellt, was einen ersten Eindruck des Modells vermittelt.

Dieser "Preview" wird sehr zügig dargestellt. Das endgültige Berechnen des Bildes erreicht man durch das Rendering, wobei alle Lichtstrahlen exakt verfolgt und berechnet werden. Erst danach wird der endgültige Eindruck des Bildes wiedergegeben. Da das Rendern einen erheblichen Teil der Zeit des Aufbaus eines dreidimensionalen Modells benötigt, ist es von Vorteil, wenn der Gestalter sich bereits beim Betrachten des Drahtgittermodells das Ergebnis möglichst exakt vorstellen kann. Damit kann viel Arbeitszeit eingespart werden, da ein wiederholtes Rendern damit entfällt.

An dieser Stelle sei der Hinweis angebracht, daß natürlich alle Objekte ungefüllt berechnet werden, was zur Folge hat, daß ein Umdenken stattfinden muß, wenn diese Objekte "aufgeschnitten" werden, da sie ohne weitere Modifizierung hohl wären. Während der Modellierarbeit sollte man überwiegend im Drahtgittermodus arbeiten, da dieser Modus den schnellsten Bildaufbau erlaubt.

Wie auch bei den zweidimensionalen Programmen, hat man nur sehr wenige Grundgestaltungselemente zur Verfügung, die aber ausreichen, um jedes nur erdenkliche Modell bauen zu können. Ein Modell, das in einem 2D-Programm gebaut wurde, kann meistens von den 3D-Programmen weiterverarbeitet werden. Dadurch wird die Arbeitszeit eingespart, die man für ein erneutes Bauen der einzelnen Objekte benötigen würde. Auch die Daten aus Konstruktionsprogrammen können übernommen werden, was u. a. für Architekten wichtig ist. Zusätzlich gibt es zahlreiche Funktionen, um zweidimensionale Objekte plastisch darzustellen, wie z. B. das "Extrudieren", welches sicherlich die bekannteste derartige Funktion ist. Die Extrude-Funktion ermöglicht es, z. B. einem Textblock dreidimensionale Tiefe zu verleihen. Weitere Funktionen erlauben es, eine Linie um eine definierte Achse zu drehen und dadurch ein dreidimensionales Objekt zu erzeugen. Mit dieser Funktion wurden die Behältnisse in Abbildung 6 modelliert.

Es ist deshalb sehr wichtig, frühzeitig die Grundelemente zu erkennen, aus denen ein Objekt besteht. Hat man diese Elemente einmal erkannt, ist die reine Arbeitszeit des Modellierens nicht allzu hoch. Bereits früher mußte sich der Gestalter Gedanken über die einzelnen Arbeitsschritte machen, um möglichst rationell arbeiten zu können. Die meiste Zeit benötigte er, um sich mit der zu bearbeitenden Materie vertraut zu machen. Die Reinzeichnung war damals auch nur pure Fleißarbeit.

Abb. 8: Die gezeigte Sammlung von Texturen stammt entweder von eingescannten Fotos oder von Originalmaterialien. Einen Grundstamm derartiger Oberflächen sollte man sich als Archiv anlegen, um bei Bedarf darauf zurückgreifen zu können. Man kann sie aber auch käuflich erwerben. An dieser 3D-Grafik kann man auch die besonders fotorealistische Darstellung erkennen.

Texturen

Wie auch bei der zweidimensionalen Vektorgrafik werden innerhalb eines Modells lediglich die Daten eines jeden Objektes detailliert festgehalten. Pixelinformationen gibt es vorerst nicht. Lichter, Kameras und Objektstandpunkte werden ebenso gespeichert wie die Attribute eines jeden Objekts. Deshalb ist ein Modell solange leicht veränderbar, wie es nicht gerendert wurde. Danach sind aus den Modellen allerdings Pixelbilder geworden. Natürlich können innerhalb eines dreidimensionalen Modells auch Pixelinformationen einbezogen werden.

Der Hintergrund eines Modells besteht zum Beispiel oftmals aus einem eingescannten Foto. Mit dem sogenannten "Texture-Mapping" können auch alle Objekte mit zweidimensionalen Pixelbildern belegt werden, wie dies in der 2D-Grafik ebenso möglich ist. Damit lassen sich durch "aufgelegte" bzw. "umwickelte" Fotos von Strukturen realistische Oberflächen erzeugen. Derartige Strukturen können entweder von bestehenden Fotos eingescannt oder als fertige Vorlagen käuflich erworben werden (Abb. 7).

Zusätzlich stehen dem Grafiker weitere Funktionen zur Manipulation von Pixelbildern und zum Erzeugen von Texturen zur Verfügung: Das "Bump-Mapping" ermöglicht es, den aufgelegten Strukturen Tiefe zu vermitteln, Dieses Verfahren (Abb. 10) ist noch relativ neu. Man verwendet es an den Stellen, an denen man sterile, synthetisch wirkende Oberflächen vermeiden will.

Eine weitere Funktion ist das "prozedurale 3D-Mapping". Dabei werden mathematisch definierte, fraktale Volumen erzeugt. Mit diesem raffinierten Verfahren werden realistische Bilder aus reinen mathematischen Formeln und Zufallszahlen gewonnen. Die Seitenflächen werden dabei anders strukturiert als die Frontfläche, um die Tiefe richtig wiederzugeben. Eine Sammlung solcher Texturen zeigt Abbildung 11.

Zusätzliche Mapping-Effekte können erreicht werden, indem man bestimmte Werte eines Bildes nicht verwendet oder sie beeinflußt. Dies können z. B. alle schwarzen Anteile eines Bildes oder diejenigen Teile eines Bildes sein, die einen bestimmten Kontrast oder eine definierte Helligkeit aufweisen. Bei den Erdkugeln in Abbildung 13 wurden mit diesem Verfahren alle Wasserflächen transparent dargestellt. Der Hintergrund dieses Bildes wurde mit einer prozeduralen Textur belegt.

Setzt man diese Möglichkeit geschickt ein, können sehr interessante Effekte erzielt werden. Eine bedeutende Fähigkeit der 3D-Programme ist die Möglichkeit, sogenannte "Reflection-Maps" zu erzeugen. Dabei spiegeln sich die umliegenden Objekte auf der Oberfläche. Mit dieser Variante kann man u.a. auch Spiegel realistisch darstellen.

Die von 3D-Programmen berechneten Glasoberflächen bereiten den Programmierern offenbar noch immer einige Schwierigkeiten. Die Ergebnisse sind aber in der Vergangenheit immer besser geworden, auch wenn ein absolut realistisches Aussehen noch nicht in allen Fällen erreicht wird (Abb. 6).

Es gibt zahlreiche weitere derartige Effekte. Sie werden ständig weiterentwickelt und ergänzt, um den Modellen ein realistischeres Aussehen zu geben.

Ein- und Ausgabemöglichkeiten

Ein großes Problem waren in den Anfangszeiten der 3D-Computergrafik die Ein- und Ausgabemöglichkeiten. Heute kann direkt in 3D-Grafiken z. B. ein Videobild, auch von einer Bewegtszene, integriert werden. Sämtliche anderen Eingabegeräte, wie z. B. Scanner oder Still-Videokameras, werden ebenfalls unterstützt. Auch die zur Verfügung stehenden Ausgabegeräte wie Diabelichter oder Farbdrucker werden vollständig von den Programmen angesprochen. Sogar Filmbelichter für Cinefilm kann man heute für 3D-Animationen einsetzen.

Zur Arbeitserleichterung sind Funktionen vorgegeben, die es ermöglichen, mehrere Befehle nacheinander selbständig vom Programm bearbeiten zu lassen. Damit kann der Rechner lange Zeit ohne jede Beaufsichtigung Animationen oder Modelle berechnen.

Zukunftsaussichten

Bisher war es stets das Ziel der Programmentwickler, mit den Ergebnissen dem Foto so nah wie möglich zu kommen. Erst seit kurzer Zeit werden vermehrt Funktionen einbezogen, die das "normale" Arbeiten erleichtern.

Während diejenigen Aufträge, die höchste Fotorealität erfordern, rarer werden, sind jetzt Modelle gefordert, die bestimmte ermittelte Fakten wiedergeben, ohne dabei steril zu wirken. Da sich die Betrachter langsam an den identisch aussehenden Grafiken mit spiegelnden Oberflächen sattgesehen haben, ändern sich auch die angebotenen Programme und ihre Funktionen allmählich. So versucht man wieder mehr die praktischen Alltagsaufgaben mit Hilfe der 3D-Programme zu lösen, anstatt nur ständig die Grenze des technisch Machbaren neu festzulegen. Interessant ist in diesem Zusammenhang die Beobachtung, daß in Anzeigen von Firmen, die Computergrafik anbieten, zumeist auf die technischen Geräte und deren Fähigkeiten in aller Ausführlichkeit hingewiesen wird. Musterarbeiten vermißt man hingegen ebenso wie Hinweise auf die Personen, die diese Computer bedienen. Als noch manuell gearbeitet wurde, gab es wohl keinen grafischen Betrieb, der mit dem Fabrikat der von ihm verwendeten Stifte oder sonstigen grafischen Materialien geworben hätte. Statt dessen fand man Musterarbeiten, die zeigen sollten, wo die Stärken dieses Betriebes lagen. Bleibt zu hoffen, daß in Zukunft auch die Computergrafik-Anbieter wieder auf diesen vernünftigeren Weg gelangen.

Abb. 12: Diese Grafik wurde als Zwischentitel für eine Diaschau verwendet. Die eingescannten Dias wurden auf dreidimensionale Objekte "gelegt". Der Hintergrund entstand durch eine prozedurale Struktur. Mit dieser recht einfachen Grafik können ohne viel Aufwand Diapräsentationen aufgelockert werden.