11. Informatik-Sommercamp

31. Juli - 5. August 2006



Raytracing

Raytracing - 7 Fragen und 14 Antworten

(alle Bilder auf dieser Seite wurden mit POVRAY erstellt wer auf die Bilder klickt, kann sich den Quellcode ansehen)
     
Auf die folgenden sieben Fragen gibt es jeweils eine kurze und eine ausführlichere Antwort. Ihr solltet Euch zumindest die Zeit nehmen, die kurze Antwort zu lesen:
  1. Was steckt hinter dem Begriff Raytracing?
  2. Warum soll ich mich mit Raytracing beschäftigen?
  3. Wie komme ich zu einem Bild?
  4. Wie berechnet eine Raytracing Software ein Bild?
  5. Warum arbeiten wir mit POVRAY?
  6. Gibt es Alternativen zu POVRAY?
  7. Ist Raytracing Kunst?
Und nun geht es los ... 

PIC  1. Was steckt hinter dem Begriff Raytracing?

Kurz und knapp: Mit Raytracing kann ich auf künstlichem Wege Bilder erzeugen, die aussehen, "wie echt".
 

Ausführlicher: Raytracing ist ein Verfahren, um mit mathematischen Mitteln auf einem Computer realistische Bilder zu erzeugen.  Wir können mit dieser Technik virtuelle Welten bauen und uns in diesen völlig frei bewegen. Alles was dazu nötig ist, ist ein Computer, eine Raytracing-Software, ein wenig Vorstellungsvermögen und Phantasie - und schließlich noch etwas Geduld, wie wir bald sehen werden. Mit der Mathematik dabei ist es so eine Sache: Sie hilft sehr dabei, zu dem gewünschten Ergebnis zu gelangen. Aber man kann sich auch darum herummogeln und einfach nur mit den vielen Möglichkeiten "herumspielen", die Raytracing so bietet .

PIC  2. Warum soll ich mich mit Raytracing beschäftigen?

Kurz und knapp: Mit Raytracing kann ich Bilder künstlich erzeugen, die ich mit keiner Kamera in der Realität (weil es das Motiv gar nicht gibt) oder nur mit unvertretbarem Aufwand (Motiv zu teuer, Aufnahme zu gefährlich) machen kann.
 

Ausführlicher: Viele Antworten sind denkbar, warum es sinnvoll ist, sich mit Raytracing zu beschäftigen., wenn man an die zahlreichen praktischen Anwendungen denkt.  Grundsätzlich lassen sich große Ideen selbst in dem kleinsten Studio visualisieren und diese Möglichkeit wird in der Praxis auf vielfältige Weise genutzt:

Filmkulissen können nach Maß geschaffen werden; Architekten präsentieren einen Baukomplex, bevor er fertig ist; die NASA demonstriert die Landung einer Raumsonde auf dem Mars, obwohl dort nirgendwo ein Kamerateam für die Aufnahme bereit steht.

Viele bekannte Filme wurden mit Hilfe von Methoden erzeugt, die auf Raytracing zurückgreifen. Beispiele dafür sind Twister, Independence Day, Lost World und auch Godzilla. Nur mit dem Rechner ganz ohne Schauspieler gedreht wurde Das grosse Krabbeln.

Vielleicht aber reicht als Motivation für die Beschäftigung mit Raytracing auch aus, daß es einfach Spaß macht., Bilder zu berechnen. Ist das nicht Grund genug?

PIC  3. Wie komme ich zu einem Bild?

Kurz und knapp: Wir gehen in mehreren Schritten vor, um von einer Idee zum fertigen Bild zu gelangen. Es gibt dabei eine Analogie zum Drehen eines Filmes:
  1. Entwicklung einer Idee für eine Szene (sich eine gute Story ausdenken).
  2. Szene zusammensetzen aus geometrischen Objekten (Charaktere und Handlungsort festlegen).
  3. Anordnung der geometrischen Objekte formal darstellen (Drehbuch schreiben).
  4. Formale Beschreibung mit Raytracing-Programm auswerten (Film drehen).
  5. Generiertes Bild nachbearbeiten (Filmmaterial schneiden).
Ausführlicher: Um eine Idee für eine Szene zu einem fertigen Bild werden zu lassen, muß sie zunächst in einer dem Computer verständlichen Form aufbereitet werden. Dies kann komfortabel mit einem CAD-Programm geschehen oder gleichsam "zu Fuß" unter Verwendung einer Beschreibungssprache. Eine solche Sprache beschreibt die Anordnung von geometrischen Objekten (Kugeln, Zylinder, Würfel, Ebenen) in einem dreidimensionalen Koordinatensystem. Für diese Objekte können individuell Farben, Oberflächen- und Materialeigenschaften festgelegt werden. Weiterhin muß der "Programmierer" (=Regisseur) der Szene sich entscheiden, woher das Licht kommen soll und wo die Kamera steht.

Was dann? Die Textdatei mit den Befehlen, die in Ihrer Gesamtheit eine einzige Szene beschreiben, wird an ein Raytracing-Programm übergeben und dann von diesem ausgewertet. Das kann einige Zeit dauern. Je nach Komplexität der Szene kann sich dieser Zeitraum von einigen Sekunden über Minuten bis hin zu mehreren Stunden oder sogar Tagen  hinziehen.  Deshalb lohnt es sich, bei der Planung der Szene systematisch vorzugehen, um in vertretbarer Zeit zu einem gewünschten Ergebnis zu kommen.

Das fertige Bild kann dann noch nachbearbeitet werden. Unter Unix ist es mit dem Programm xv möglich, Kontraste zu verändern,  Farben auszutauschen oder noch einige interessante Effekte hinzuzufügen.
 

PIC  4. Wie berechnet eine Raytracing Software ein Bild?

Kurz und knapp: Die Software simuliert, was mit den Lichtstrahlen auf Ihrem langen Weg von der Lichtquelle in unser Auge hinein geschieht. Dabei werden solche Aspekte berücksichtigt, wie Farbe, Reflexion und Materialeigenschaften.
 

Ausführlicher: Der Name "Raytracing" verrät das Grundprinzip, um das es hier geht. Zunächst müssen wir uns veranschaulichen, wie unsere visuelle Wahrnehmung eigentlich funktioniert. Was wir von der Welt wahrnehmen, sind eigentlich Lichtstrahlen, welche die Netzhaut unseres Auges erreichen. Diese Lichtstrahlen haben unter Umständen einen sehr weiten Weg zurückgelegt, bis sie ihr Ziel erreicht haben.  Möglicherweise sind sie von einem Spiegel zurückgeworfen, von einer Linse abgelenkt, durch Nebel abgeschwächt, durch ein Filter verfärbt und schließlich noch einmal von einer angerauhten Metalloberfläche reflektiert worden, bis sie unser Auge erreichten. Jeder Lichtstrahl, der von einer Lichquelle ausgeht, kann nun ein ganz eigenes Schicksal in einer gegebenen Welt erfahren.

Eine Raytracing-Software erlaubt es, diesen komplexen Vorgang zu simulieren.

Diese Simulation macht eine Fülle von Berechnungen erforderlich. Schon für einen einzigen Lichtstrahl sind nicht unbedingt aufwendige, aber dafür viele mathematische Operationen nötig.  Das verbraucht natürlich viel Zeit, auch für den schnellsten Computer. Deshalb sucht man nach Möglichkeiten, die Anzahl der nötigen Berechnungen zu verringern. Beispielsweise kann man sich darauf beschränken, maximal 10 Spiegelungen zu verfolgen.

PIC  5. Warum arbeiten wir mit POVRAY?

Kurz und knapp: POVRAY kostet nichts, ist einfach zu bedienen und ist für die verschiedensten Computermodelle verfügbar. Ihr könnt auch zuhause damit weiterarbeiten.
 

Ausführlicher: Die Software POVRAY darf für nicht kommerzielle Anwendungen kostenlos benutzt werden. Mehr dazu verrät das umfangreiche Copyright.  Das bedeutet nun nicht, daß POVRAY nur eingeschränkte Möglichkeiten besitzt. Die derzeitige Version 3.01 überflügelt in Umfang der Möglichkeiten und Qualität der Ergebnisse viele kommerzielle Programme.

Außerdem ist POVRAY für die verschiedensten Computermodelle und Betriebssysteme verfügbar, so zum Beispiel für  MS-DOS, Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, OS/2, Linux, Macintosh, SunOS, Unix, Amiga.  Die verschiedenen Version dieser Programme bekommt Ihr hier.

Ein weiterer Grund: Zu POVRAY gibt es massenhaft Dokumentation im Netz, und das manchmal sogar auf Deutsch.

PIC  6. Gibt es Alternativen zu POVRAY?

Kurz und knapp: Ja.
 

Ausführlicher: Es gibt eine Reihe von Programmen, die mit Hilfe von Raytracing photorealistische Darstellungen berechnen. Viele davon sind allerdings kommerziell und kosten eine Menge Geld.

PIC   7. Ist Raytracing Kunst?

Kurz und knapp: Darüber kann und muß man streiten.
 

Ausführlicher: Achtung: was jetzt kommt, ist (m)eine persönliche Meinung: Rayracing ist genausowenig Kunst, wie ein Eimer Farbe oder eine Spraydose. Raytracing ist vielmehr eine Methode, ein Werkzeug, ein Hilfsmittel, welches es dem Anwender erlaubt, künstlerisch tätig zu sein - wenn er will. Es kommt also vor allem darauf an, was man aus den Möglichkeiten macht.  Über die berechneten Bilder kann man dann genauso streiten, wie über alles, was in einem Museum hängt oder in einer Ausstellung präsentiert wird.  Die von POVRAY berechneten Bilder mögen zwar perfekt sein in einem mathematisch-physikalischen Sinn, aber diese Perfektion mißt sich nur an der Szenenbeschreibung. Wenn diese nichts taugt, dann kann auch die beste Software nichts retten (Analogie: Aus einem wirklich schlechten Drehbuch wird nur schwerlich ein guter Film).


Diese Seite wurde erstellt von Frank Börncke.
Änderungen: Andreas Schindler 20.01.2005