Schneller zur Sandburg

Forscher entwickeln neue Methode zur beschleunigten Visualisierung feinkörniger Materialien

01. September 2015

Auf der US-Messe Siggraph 2015 wurde ein neues Verfahren vorgestellt, mit dem sich Bilder von feinkörnigen Materialien wie Zucker und Sand berechnen lassen. Die Methode wurde entwickelt von einem internationalen Team unter Beteiligung des Lehrstuhls für Computergrafik am Karlsruher Institut für Technologie. „Objekte aus granularen Medien, etwa eine Sandburg, bestehen aus Millionen oder Milliarden einzelner Körner. Die Rechenzeit um daraus fotorealistische Bilder zu erzeugen beträgt Hunderte bis Tausende Prozessorstunden“, erklärt Professor Carsten Dachsbacher vom Institut für Visualisierung und Datenanalyse des KIT.

Solche Materialien aus zufällig orientierten, aber bei genauem Hinsehen erkennbaren Körnern sind beim Rendering sehr aufwändig zu berechnen, da die Wege von Millionen von Lichtstrahlen durch die Körner hindurch simuliert werden müssen. „Zudem können komplexe Streueigenschaften der einzelnen Körner, sowie ihre Anordnung zu einem Gesamtsystem den Einsatz klassischer Beschleunigungsverfahren verhindern. Das macht es schwierig, effiziente Algorithmen zu finden“, fügt Doktorand Johannes Meng hinzu. „Gerade bei transparenten Körnern und langen Lichtlaufwegen wächst die Rechenzeit überproportional.“

Für die Bildsynthese entwickelten die Forscher ein neues mehrskaliges Verfahren, das die Simulation an die Struktur des Lichttransports in granularen Medien auf verschiedenen Größenordnungen anpasst. Auf der feinsten Skala, wenn nur wenige Körner im Bild sind, werden Geometrie, Größe und die Materialeigenschaften einzelner erkennbarer Körner sowie ihre Packungsdichte berücksichtigt und Lichtstrahlen werden, wie bei klassischen Ansätzen, dem sogenannten Path Tracing, durch die virtuellen Körner hindurch verfolgt. Path Tracing berechnet einzelne Lichtpfade von jedem Pixel zurück zu den Lichtquellen. Dieser Ansatz ist allerdings nicht praktikabel bei Millionen oder Milliarden Körnern.

Das neue Verfahren kann daher nach einigen Interaktionen – etwa Reflektionen an Körnern –, wenn die

Beiträge einzelner Interaktionen kaum mehr zu trennen sind, zu einer anderen Rendering-Technik, dem Volumetric Path Tracing, wechseln. Die Forscher haben gezeigt, dass diese Technik, normalerweise eingesetzt zur Berechnung von Lichtstreuung in Materialen wie Wolken oder Nebel, auch Lichttransport in granularen Materialien auf diesen Skalen akkurat repräsentieren und effizienter berechnen kann.

Auf noch größeren Skalen wird schließlich mit Diffusionsapproximation gearbeitet, was eine analytische, effiziente Lösung für den verbleibenden Lichttransport liefert. Diese ermöglicht vor allem bei hellen, stark reflektierenden Körnern, wie beispielsweise Schnee oder Zucker, die effiziente Berechnung der fotorealistischen Darstellung.

Die Forscher konnten in ihrer aktuellen Arbeit auch zeigen, wie die einzelnen Techniken kombiniert werden müssen, um konsistente visuelle Resultate über die Skalen hinweg – von einzelnen Körnern bis zu Objekten aus Milliarden Körnern – in Bildern und Animationen zu erreichen. Abhängig vom jeweiligen Material beschleunigt der hybride Ansatz die Berechnung bei gleicher Bildqualität um einen Faktor 10 bis zu mehreren Hundert im Vergleich zum sonst üblichen Path Tracing.