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News: Echter Apfel gegen Subsurface Scattering

Neue Methode für realistischere Oberflächen in Computerspielen

Michael Nickles / 7 Antworten / Baumansicht Nickles
Links: die neue Methode; rechts oben: ohne Subsurface Scattering; rechts unten: mit Subsurface Scattering. (Foto: TU Wien)

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. 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.

https://www.youtube.com/watch?v=P0Tkr4HaIVk

Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=P0Tkr4HaIVk

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.

Links: die neue Methode; rechts oben: mit Subsurface Scattering; rechts unten: ohne Subsurface Scattering. (Foto: Tu Wien)

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.

 "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).

Links: die neue Methode; rechts oben: ohne Subsurface Scattering; rechts unten: mit Subsurface Scattering. (Foto: TU Wien)

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. Alle Details zur Sache gibt es hier.

Michael Nickles meint:

Sieht das mit SSSS-Methode nun besser aus oder nicht? Ich tue mir etwas schwer damit. Bei dem "Gesicht" ist die Darstellung dadurch gewiss realistischer, aber realistischer muss wohl nicht unbedingt besser bedeuten. Den Drachen finde ich in SSSS-Darstellung schlechter, er wirkt igendwie nur weichgezeichnet, "matschiger".  Ebenso geht es mir beim Obst. Die SSSS-Optimierung finde ich da nicht unbedingt besser.

Echter Apfel. Mit eher lausiger Smartphone-Kamera fotografiert, kein Blitz, keinerlei Bemühung um irgendeine nennenswerte Ausleuchtung. (Foto: mn)

Da ich gerade einen grünen Apfel im Kühlschrank liegen haben, hab ich den mal rausgeholt, auf den Küchentisch gelegt und die Lampe über dem Küchentisch angemacht.

Fotografiert wurde er dann mit meinem 60 Euro Smartphone. Das Bild habe ich dann mit dem Malprogramm runterskaliert und in JPG komprimiert gespeichert.

Konkret war das alles also eine ausdrücklich unprofessionelle Vorgehensweise. Und? Wie sieht mein Apfel nun aus im Vergleich zur Abbildung der TU Wien? Kommt er dort dem normal dargestellten Apfel näher oder dem mit der neuen SSSS-Optimierung?

Hier eine Fotomontage dazu, zum Abchecken reinzoomen:

Links echter Apfel von Mike, mit Billig-Smartphone fotografiert. Die neue Methode der TU Wien; rechts oben: ohne Subsurface Scattering; rechts unten: mit Subsurface Scattering. (Foto: TU Wien / mn)
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giana0212 Michael Nickles

„Neue Methode für realistischere Oberflächen in Computerspielen“

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Der Nickles hat echt viel Zeit. Obst und Drache finde ich ohne die neue Technik besser.

Ein Irrtum dieser Zeit ist es, Glück mit Besitz zu verwechseln.
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schuerhaken giana0212

„Der Nickles hat echt viel Zeit. Obst und Drache finde ich ohne die ...“

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Stets bemüht, @ giana0212, um weltbewegende News für seine lt. Eigenwerbung 300.000 User. 
Für den Fall, dass es der Sache dient: 

Windows 8.1-Smartphone - Lumia 535-Foto:
Apfel an Bierflasche - Kein SSSS, kein Blitz, keine Nachbearbeitung
Soll übrigens keine Werbung für Boskoop sein.
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King-Heinz schuerhaken

„Stets bemüht, @ giana0212, um weltbewegende News für seine lt. ...“

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Soll übrigens keine Werbung für Boskoop sein.

Boskoop ist doch in diesem Fall kein Firmenname, sondern die Apfelsorte - ebenso, wie "Golden Delicious".

Hättest also das Bild auch ohne deinen Hinweis hier hereinsetzen können. Zwinkernd

Zu den 300.000 Usern: Ich sehe hier eigentlich immer nur dieselben 20 - 30 "User". Ist schon fast "familiär" zu nennen, dieses Forum. Weswegen ja schon einmal vorgeschlagen wurde, die "User" liebevoll "Nicklesianer" zu nennen.

Mit anderen Worten: Die Anzahl der User hier ist recht überschaubar.... Lachend

Gruß

K.-H.

„Die letzte Stimme, die man hört, bevor die Welt explodiert, wird die Stimme eines Experten sein, der sagt: ‚Das ist technisch unmöglich!’“ (Sir Peter Ustinov)
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gelöscht_238890 King-Heinz

„Boskoop ist doch in diesem Fall kein Firmenname, sondern die ...“

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Die Anzahl der User hier ist recht überschaubar....

Und was ist mit der unüberschaubaren Schar der "stillen" Teilhaber, also quasi der Mitesser?

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Alekom Michael Nickles

„Neue Methode für realistischere Oberflächen in Computerspielen“

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für mich, als ausdrücklichen Laien, schaut der Apfel mit dem billigen Smartphone doch sehr realistisch aus.

das rechte obere foto, der apfel kommt aber auch ziemlich gut rüber.

und betreffend ausleuchtung...alle dinge werfen einen schatten, das ist realität pur.

wenn ein foto nirgends einen schatten hat, dann ist mir klar, das da was gemacht worden ist.

Alles hat seinen Sinn, auch das scheinbar Sinnlose, denn es gibt nichts ohne Sinn.
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reader Michael Nickles

„Neue Methode für realistischere Oberflächen in Computerspielen“

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Man muss aufpassen - hier wird die Methode für die Entwickler vorgestellt. Feintuning für die Anwendung kommt noch.

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Beeper Michael Nickles

„Neue Methode für realistischere Oberflächen in Computerspielen“

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Hallo Michael

Ich gehe davon aus, dass du dein Apfel Bild welches mit einer Lampe beleuchtet wurde vom aussehen her nicht mit dem Bild der TU Wien vergleichen kannst, wenn beim Bild der TU Wien als Lichtquelle die Sonne diente. Die Sonne und eine Lampe haben lichttechnisch andere Eigenschaften wie z.b. Wellenlänge/Farbtemperatur. Daher wirkt der Farbeffekt oder wie die Oberfläche des Gegenstandes das Licht reflektiert anders wenn unterschiedliche Lichtquellen verwendet werden.

Du müsstest deine Aufnahme also schon in der Sonne machen. Um einen Vergleich anzustellen.

Gruss Beeper

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