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Ausschnitt aus dem Film 'Shrek Forever After' mit dem Ober-Oger.

Die Physik hinter Shrek und Nemo

In den letzten zehn Jahren kamen immer mehr computeranimierte Filme in die Kinos. Um die Bilder so realistisch wie möglich aussehen zu lassen, bauen Grafiker und Computerwissenschaftler die Charaktere und Szenen auf Basis der Erkenntnisse der Physik.

Computerwissenschaft 27.12.2010

Erfundene Welten und kopierte Realität

Ratten in der Küche, ein Clownfisch auf der Suche nach dem verschwundenen Sohn, ein Team aus Mammut, Faultier und Nagetier während der Eiszeit und ein knuddeliger Oger: Animationen wurden in den letzten Jahren immer besser, sind aber noch lange nicht ausgereift. In vielen Fällen lassen sich künstliche Wolken und Wellen immer noch von echten unterscheiden.

Feste Körper zu simulieren, gilt als eine der leichteren Aufgaben der Animation. Deutlich schwieriger ist es jedoch, weiche und fließende Objekte realistisch nachzuahmen: Rauch, Feuer, Explosionen, Wasser, Gewand, Haut und Haar sind die großen Herausforderungen der Animationskünstler.

Der Artikel

"Computational Physics in Film" ist in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Science" erschienen (Abstract).

Welche Grundlagen der Physik hinter den modernen Animationen stecken und was sich auf diesem Arbeitsgebiet in den letzten Jahren getan hat, haben die Computerwissenschaftler Robert Bridson und Christopher Batty von der Universität British Columbia in Vancouver in der aktuellen Ausgabe von "Science" beschrieben.

Wallendes Haar und der Zwirn im Tuch

Beide haben in den letzten Jahren an Effekten für bekannte Filme mitgearbeitet und zum Beispiel Feuer, Rauch und Wolken als Kulisse für Harry Potter gestaltet. Doch auch manche Computer-Stars sollen so lebendig wirken wie ihre lebenden Kollegen. Biomechanische Modelle von Fleisch, Knochen, Sehnen und anderen Organen dienen dazu, den Eindruck zu erwecken, als würden tatsächlich Muskeln die Arbeit verrichten und die Körper bewegen (Abstract einer entsprechenden Studie). Und was so manchen Schauspielern Kopfzerbrechen bereitet, wird bei animierten Charakteren ebenfalls berechnet und ins Bild gerückt: Falten.

Den Körper nachzustellen, ist keine einfache Aufgabe: Damit menschliches Haar in einer Animation echt wirkt, müsste im Extremfall die Bewegung jedes einzelnen Haares simuliert werden. Doch vor kurzem haben Wissenschaftler eine Methode gefunden, die einfacher und doch realistisch funktioniert: Sie betrachteten die Haarpracht als Flüssigkeit statt als Summe aus einzelnen Strähnen (Abstract).

Den entgegengesetzten Weg wiederum gingen Forscher, um Kleidung animiert darzustellen: Sie simulierten Gewand nicht als zweidimensionale Oberfläche, sondern berechneten die Bewegung der einzelnen Fäden der virtuellen Textilien (Abstract).

Gischt und Brandung

Neben realistischen Faltenwürfen an Kleidern und auf der Haut kommt es auch auf eine hohe Auflösung an. Wenn zum Beispiel ein Schiff auf rauer See dargestellt werden soll, muss zunächst die Bewegung der Wellen simuliert werden. Dies geschieht mit Gleichungen, die die Bewegung von Flüssigkeiten beschreiben.

Doch im Detail geht es um jeden Wassertropfen und jede schaumige Stelle an der Meeresoberfläche (Video). Bridson und Batty zufolge sind solche Darstellungen noch weit von einem realistischen Bild entfernt - und wollte man dieses erreichen, bräuchte es Rechnerkapazitäten, die weit über den heute verfügbaren Ressourcen liegen.

Doppeltes Feuer

Ö1 Sendungshinweis:

Matrix: Wie Comics Internet, iPad und Playstation erobern, 12.12., 22:30 Uhr.

Um etwa Feuer und Rauch in hoher Auflösung darzustellen, verfolgen Computerkünstler ebenfalls einen Ansatz auf zwei Ebenen: Sie simulieren zunächst mit niedriger Auflösung in 3D die Bewegung der Flammen und Rauchschwaden.

Darüber werden dann in einer zweiten Simulation hochaufgelöste "Plättchen" gelegt, also zweidimensionale Bilder der Details. Sie bewegen sich - immer zur virtuellen Kamera hin gerichtet - entlang der vorgegebenen Bahnen aus der 3D-Animation. Dadurch wird es möglich, sowohl die groben Bewegungen als auch feine Texturen realistisch darzustellen.

Brüche, Sprünge, Risse

Und wie im echten Leben geht auch im Film manchmal etwas kaputt: Die Grundlage für berstende Fensterscheiben, zu Boden fallende Gläser, an die Wand geschmissene Teller und auseinanderbrechende Wände liefern wissenschaftliche Arbeiten zur Mechanik von Brüchen oder zur Geometrie von Sprüngen (z.B. Abstract).

Doch laut Bridson und Batty sind diese Effekte derzeit noch schwierig darzustellen und die realistische Simulation kaputtgehender Gegenstände sei daher ein Bereich der Computeranimation, der sich in der Filmproduktion erst noch durchsetzen muss.

Mark Hammer, science.ORF.at

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