3D Illustrationen / Rendering

Ob in Kinoproduktionen, dem Nachrichtenstudio im Fernsehen, in Videospielen oder der Werbung
– 3D-Grafik findet heutzutage in fast jedem Bereich der heutigen Medienlandschaft Anwendung.
Mittlerweile sind auch physikalisch akkurate Bilder, die sich von einem "echten" Foto kaum
unterscheiden, kein Problem mehr. Doch wie funktioniert das eigentlich genau? Im Folgenden soll
ein kleiner Überblick über dieses komplexe Thema geschaffen werden.

Grob gesagt steht der Begriff Bildsynthese für die computergestützte Generierung eines Bildes aus
einer 3D-Szene. In dieser Szene befinden sich für die Lösung der so genannten Rendergleichung
relevante Objekte. Dies können unter anderem Lichtquellen, Objekte unterschiedlichen Materials
oder eine Kamera, die festlegt, welcher Ausschnitt der Szene im Bild sein soll, sein. Diese Objekte
werden wir uns genauer ansehen.

Die Rendergleichung

Man kann sich die Berechnung eines Bildes wie eine gewaltige Gleichung vorstellen: Für jeden
einzelnen Bildpunkt wird die Frage gestellt, welchen Farbwert er am Ende haben muss. Ist dort zum
Beispiel ein roter Würfel, wird dieser Bildpunkt wahrscheinlich rot sein, vorausgesetzt, eine
Lichtquelle ist in der Nähe. Wir sehen also, zur Ermittlung dieser Farbwerte benötigen wir
Informationen darüber, welche Objekte, Lichtquellen etc, sich ebenfalls in relevanter Umgebung
befinden. Aber wie findet man heraus, an welchem Bildpunkt welches Objekt wie hell ist? Dazu ist
es nötig, von dem Betrachter, oder auch Kamera genannt, Strahlen auszusenden, die dann
eventuell von Objekten abprallen, dessen Farbeigenschaften annehmen, und in Lichtquellen
treffen, die dann wiederum Einfluss über die Helligkeit und Farbe des Bildpunktes haben. Ist dies
der Fall, wird diese Farbinformation für den Bildpunkt gespeichert. Bei physikalisch akkuraten
Renderern ist es notwendig, diese Gleichung bis zu mehrere tausend mal pro Bildpunkt
auszuführen.

Lichtquellen

Lichtquellen definieren einen Punkt (oder auch ganzes Modell) im virtuellen Raum, der eine
bestimmte Helligkeit ausstrahlt. Von diesem Punkt werden, ähnlich wie von der Kamera des
Betrachters auch, Strahlen ausgesandt. Diese wiederum erleuchten Objekte in Reichweite. Diese
Reichweite lässt sich in der Lichtquelle festlegen.

Modelle

Ein Modell ist ein Objekt im virtuellen Raum, bestehend aus einem Drahtgitter. Dieses ist wiederum
aufgebaut aus vielen kleinen Eckpunkten. Jeder dieser Eckpunkte hat eine Position im
dreidimensionalen Raum. Zwischen diesen Eckpunkten lassen sich Flächen und Linien
"aufspannen" und somit einen Körper, wie zum Beispiel einen Würfel oder eine Vase, nachbilden.
Genauer gesagt liefern diese Ansammlungen aus Eckpunkten, Linien und Flächen der
Rendergleichung, die für die Erzeugung des Bildes gelöst werden muss, die nötigen Informationen,
wo Lichtstrahlen auftreffen oder welche Objekte verdeckt werden.

Materialien

Objekten können Materialien zugewiesen werden. Diese Materialien legen fest, was mit dem
Lichtstrahl passiert, sollte er auf eine Fläche fallen, dem dieses Material zugewiesen ist. Es wird
beeinflusst, wie ob und wie stark der Strahl reflektiert werden soll, welche Farbe er annimmt, ob er
in den Körper eindringen soll und so weiter. Auf diese Weise kann man ganz unterschiedliche
Dinge darstellen. Ob Glas, einen Betonklotz, Rauch, Wasser, Haut oder Fell – alles ist nur eine
Frage des Materials.