Dreidimensionale Computergrafik
Dreidimensionale Computergrafik, manchmal computergenerierte 3D-Bilder genannt (3D computer-generated imagery), meint Grafik, die eine dreidimensionale Darstellung geometrischer Daten benutzt. Die Koordinaten sind oft kartesisch. Der Computer speichert sie, damit er rechnen kann und damit er ein digitales Bild rendern kann. Das Bild ist meist flach. Manchmal ist es ein stereoskopisches Paar oder ein Bild für einen Schirm, der wirklich Tiefe hat. Das Ergebnis kann gespeichert und später angesehen werden, als Animation, oder gezeigt werden, während es berechnet wird.
Der Name legt ein körperhaftes Bild nahe. Was gewöhnlich herauskommt, ist ein flaches. Anders als bei einem 3D-Film, bei dem die Vorführung selbst visuelle Tiefe erzeugen soll, hat ein gerechnetes Einzelbild auf einem gewöhnlichen Monitor keine Tiefe, die ein Lineal messen könnte. Es hat die Hinweise der Tiefe. Zunehmend gehen dieselben Daten auch an einen Schirm, der Tiefe hat, darunter die Schirme in Systemen der virtuellen Realität. Die Daten haben die Kategorie nicht gewechselt. Das Glas schon.
Die 3D-Grafik steht abseits der zweidimensionalen Computergrafik, die gewöhnlich andere Verfahren und andere Formate benutzt, sowohl um das Bild zu erzeugen als auch um es zu rendern. Sie stützt sich zugleich auf viele derselben Algorithmen: Vektorverfahren im Drahtmodell, Rasterverfahren im fertigen Bild. In der Software selbst verschwimmt die Linie. Ein 2D-Programm kann Verfahren aus der dritten Dimension benutzen, um einen Lichteffekt zu bekommen. Ein 3D-Programm kann Verfahren aus der zweiten Dimension für einen Durchgang benutzen, der mit der Kamera nichts zu tun hat. Die Aufschriften auf der Schachtel sind gröber als der Code.
Ein Modell ist noch kein Bild
Die Objekte heißen 3D-Modelle. Anders als beim gerenderten Bild leben die Daten eines Modells in einer Grafikdatei. Ein 3D-Modell ist eine mathematische Darstellung eines dreidimensionalen Gegenstands. Technisch ist es keine Grafik, solange es nicht angezeigt wird. Das klingt nach einer Spitzfindigkeit. Es erspart viel Verwirrung. Auf einem Modell kann eine Simulation laufen, ohne dass es je gezeichnet wird. Es kann schlecht gezeichnet werden, und das Modell bleibt das Modell. Beim 3D-Druck wird das Modell zu einem physischen Gegenstand gerendert, mit Grenzen dafür, wie nah das physische Ding dem virtuellen kommen kann. Ein Drucker hat eine Düse, eine Schichthöhe und Materialien, die durchhängen. Die Datei weiß von alledem nichts, bis ein zweites Programm es ihr sagt.
Die Herstellung eines Bildes fällt in drei Phasen.
- Modellieren: ein Computermodell der Form des Objekts bilden.
- Layout und Animation: Objekte, Modelle, Lichter und das Übrige in einer Szene setzen und bewegen.
- Rendern: die Rechnungen, die aus den Lichtern, den Arten der Oberfläche und den weiteren Eigenschaften ein Bild erzeugen.
Ein Modell bauen nimmt die ersten beiden. Licht und Materialien nimmt die dritte. Dazwischen sitzt eine Szenendatei: Geometrie, ein Blickpunkt, Texturen, Lichter. Das Rendern liest diese Datei und schreibt Pixel.
Drahtmodell, dann Schattierung
Sketchpad, 1963 vorgeführt, war ein Programm zum Zeichnen in zwei Dimensionen. Im selben Jahr erweiterte Sketchpad III von Timothy Johnson es auf interaktive Drahtmodelle in drei Dimensionen, mit einer Perspektive neben Aufsicht, Vorderansicht und Seitenansicht. Verdeckte Kanten blieben sichtbar. Dass der Körper fest war, ließ sich nur erkennen, wenn die Linien aufmerksam gelesen wurden. Die Forschung zur Schattierung, hin bis in die Mitte der 1970er-Jahre, hat Polygonmodelle kontinuierlich aussehen lassen statt facettiert. Arthur Appel hat 1968 die punktweise Schattierung fester Körper dargelegt, zusammen mit dem Problem, zu entscheiden, welche Gebiete im Schatten liegen. Das Verfahren von Henri Gouraud von 1971 berechnete die Beleuchtung an den Eckpunkten eines Polygons und interpolierte sie über die Fläche, wodurch die sichtbaren Nähte weniger wurden. Das Modell von Bui Tuong Phong von 1975 interpolierte die Flächennormalen und wertete an jedem Abtastwert einen spiegelnden Term aus, wodurch auf eine polygonale Näherung einer Kurve ein engerer Glanzpunkt kam.
Zu den ersten Malen, bei denen ein Kinopublikum diese Art Animation sah, gehört Futureworld von 1976, mit einem Gesicht und einer Hand, die zuerst für den Kurzfilm A Computer Animated Hand von 1972 gearbeitet worden waren, von Edwin Catmull und Fred Parke, damals Studenten in Utah. Heimrechner bekamen spät in demselben Jahrzehnt so etwas wie 3D-Software. 3D Art Graphics, geschrieben von Kazumasa Mitazawa, erschien im Juni 1978 für den Apple II.
Das Beleuchtungsmodell von Turner Whitted von 1980 führte die Strahlen über die erste Fläche hinaus, sodass Reflexion, Brechung und die Schatten von Punktlichtern zusammen berechnet wurden. Verlängert wurden Strahlen, die vom Betrachter aus geworfen worden waren, ein Verfahren, das er Appel zuschrieb, und nicht Strahlen, die von den Lampen nach außen verfolgt werden. 1984 veröffentlichten Robert L. Cook, Thomas Porter und Loren Carpenter die verteilte Strahlverfolgung (Distributed Ray Tracing) und ersetzten diese exakten sekundären Strahlen durch stochastische Abtastwerte. Bewegungsunschärfe, Schärfentiefe, Halbschatten, Transluzenz und glänzende Reflexion gehören zu den Effekten, die solche Abtastwerte hervorbringen können. Die Rendering-Gleichung von James Kajiya, auf der SIGGRAPH 1986, schreibt den Lichttransport als eine einzige Integralgleichung. Das Modell von Whitted und die verteilte Strahlverfolgung sind Näherungen davon. Die Pfadverfolgung (Path Tracing), die Monte-Carlo-Lösung, die er beschrieben hat, deckt einen weiteren Bereich optischer Effekte ab als ein festgelegter Baum aus Strahlen für Reflexion und Brechung.
Für den Animationsspielfilm beschrieben Cook, Carpenter und Catmull 1987 die Architektur Reyes. Jede Fläche wird in Mikropolygone zerlegt, in den eigenen Koordinaten dieser Fläche schattiert und durch stochastische Abtastung in einen Z-Puffer auf Sichtbarkeit geprüft. Auf Workstations von Silicon Graphics und Sun bauten Künstler bei Pixar die Modelle für Toy Story (1995), und RenderMan erzeugte die Einzelbilder. Regie führte John Lasseter. Es war der erste Kinofilm, dessen Bildmaterial vollständig vom Computer erzeugt war.
Am 31. August 1999 stellte Nvidia die GeForce 256 vor, einen Chip, der Transformation, Beleuchtung und Rendern in sich vereinte und den die Firma die erste GPU der Welt nannte. Eine GPU ist ein Prozessor, der die CPU bei der Grafikrechnung unterstützt. Die frühere Geschichte der Grafikchips ist ein anderes „erstes“, und sie wird bei den Workstations erzählt. Ein am Kopf getragenes Display für virtuelle Realität wurde 1960 patentiert. Das Projekt Oculus Rift begann 2012 mit einer Kampagne bei Kickstarter. Der Abstand zwischen diesen Daten ist der Abstand zwischen einem Patent und einem Produkt, das eine Person bestellen konnte.
Nichts davon verlangt, dass das Bild wie eine Fotografie aussieht. Ein Modell kann mit Absicht in einem künstlerischen Stil gerendert werden. Und ein Bild kann körperhaft wirken, ganz ohne Modell. Das ist ein anderes Thema: Bilder, die nur tief aussehen.