Computer-animierte Filmszenen gibt es schon lange. Doch vielleicht ist es kein Zufall, dass die Dinosaurier in "Jurassic Park" (1993) keine Haare hatten: Haare, Wasser und Feuer stellen 3D-Programme vor schwierige Aufgaben. Die neue Version 8.5 des 3D-Animationsprogramms Maya meistert sie mit Bravour.

Autodesk Maya 8.5 ist seit Januar in der 2000 US-Dollar teuren Complete- sowie in der 7000 US-Dollar teuren Unlimited-Version verfügbar. Viele der Spezialeffekte, die Maya [1] von dem freien 3D-Programm Blender [2] abheben, sind nur in Maya Unlimited enthalten. Diese machen das Programm zur ersten Wahl der Animationsprofis, die in Spielfilmen wie "Fluch der Karibik 2" gelegentlich Zweifel aufkommen lassen, ob ein maskierter Schauspieler oder eine Computer-animierte Figur zu sehen ist.

Abbildung 1: Der Raytracer Mental Ray in Maya liefert Bilder, die sich kaum von Fotos unterscheiden lassen. Das Züngeln des Feuers stellt Maya in animierten Szenen ebenso realitätsgetreu dar. (Bild: ©Simon Lynen)

Räumliche Körper

Die Basis aller räumlichen Renderings bilden Drahtgittermodelle, die die Geometrie der abzubildenden Körper festlegen. Schon das Modellieren räumlicher Formen ist alles andere als trivial: Da Computerschirm und Maus oder Grafiktabletts auf zwei Dimensionen beschränkt sind, lassen sich dreidimensionale Körper am Computer nicht direkt wie Ton formen. Vielmehr sind Konstruktionsverfahren gefragt, die den zweidimensionalen Zeichenaktionen der Maus räumliche Tiefe verleihen.

Grundlage für organische Formen, etwa den Figuren und Characters in den Visual Effects moderner Spielfilme, sind meist so genannte Polygon Meshes (Polygonnetze). Sie entstehen durch wiederholtes Unterteilen der Flächen einfacher Grundformen. In Abbildung 2 (links) ist der Würfel, aus dem der komplexe Körper entstand, noch zu erkennen. Durch Aufteilen, Verschieben, Drehen und Skalieren der Würfelflächen entsteht das ockerfarbene Objekt.

Abbildung 2: Komplizierte Formen entstehen in 3D-Modellern meist aus einfachen Grundformen, deren Gitternetzmaschen der Designer immer weiter aufteilt und schließlich an die gewünschte Position im Raum verschiebt. Glättungsalgorithmen runden die Form ab. Die Abbildung zeigt außerdem die übersichtliche Oberfläche von Maya.

Hierfür bietet Maya ein intuitives Verfahren: Es zeichnet um das zum Bearbeiten ausgewählte Polygon eine Reihe von Dreh- und Verschiebegriffen, die die drei Dimensionen des Raums widerspiegeln (Abbildung 3). Zieht der Benutzer an einem der farbigen Pfeile, verschiebt er die Fläche dadurch in Richtung der jeweiligen Achse. Ein Bewegen der farbigen Quader an den Achsenenden vergrößert oder verkleinert das aktive Objekt, die farbigen Kreise dienen zum Rotieren um die gleich gefärbte Achse. Die Farben der Achsen entsprechen übrigens dem Standard im CAD-Bereich, der dort seit langem üblich ist.

Abbildung 3: Anders als Blender symbolisiert Maya den dreidimensionalen Raum durch farbige Achsenpfeile und Rotationskreise intuitiv und sicherer vor Fehlbedienung.

Ist die Grundform als Drahtgittermodell erstellt, sorgen automatische Glättungsfunktionen für eine organische Form (Abbildung 2, rechts). Die versieht der Designer mit einer realistisch wirkenden Oberfläche, meist auf Basis eines Fotoausschnitts. Die 3D-Software projiziert (mappt) sie auf das Volumenmodell. Virtuelle Lichtquellen sorgen für Helligkeitsschattierungen.

Das hierfür eingesetzte Raytracing-Verfahren verfolgt den Strahlengang der künstlichen Lichtquellen zurück und simuliert so Schatten- und Lichteffekte wie den farbigen Schein, den ein Gegenstand auf einer Wand zurücklässt (Abbildung 1). Leistungsfähige Programme wie Maya oder der in Blender als Plugin verfügbare Raytracer Yafray errechnen auch die Spiegelungen und Lichtbrechungen, die transparente Objekte hervorrufen.

Profi-Liga

Beim Modellieren räumlicher Formen kann das freie Programm Blender recht gut mit der Profi-Anwendung mithalten, nicht zuletzt seit die neueste Version 2.43 mit dem Sculpt Mode ein Pendant zum Sculp-Geometry-Tool in Maya enthält. Mit diesem Werkzeug deformiert der Designer Volumenkörper interaktiv durch Berühren mit der Maus.

Diese relativ neue Arbeitsweise kommt dem Modellieren von Ton am nächsten und bietet den höchsten Grad an Freiheit und Intuitivität, was sich besonders bei komplizierten organischen Formen wie menschlichen Gesichtern als wertvoll erweist. Sie taugt aber nicht für den Aufbau von Volumenkörpern, sondern ist nur für den Feinschliff zuständig.

Einige Bereiche der Realität sind besonders schwer auf dem Rechner nachzustellen. Dazu gehören Wasser, Feuer und flexible Materialien, allem voran Stoffe, die beim Laufen einer Figur mitwippen und deren Faltenwurf sich bei der Berührung mit festen Gegenständen verändert. Auch die nur zu schätzende Anzahl der Haare von Mensch und Tier machen es unmöglich, sie per Hand zu modellieren.

Hier trennt sich die Spreu vom Weizen: Zwar hat Blender im letzten Jahr stark zugelegt und enthält nun auch Systeme zur Simulation von Flüssigkeiten (Version 2.40) und plastischen Körpern (Softbodies, Version 2.37). Doch die Entwickler bei Autodesk waren ebenso wenig untätig: Maya 8.5 bietet erstmals ein Ncloth genanntes Simulationssystem für Stoffe und andere flexible Materialien. Faltenwurf und Bewegung von Stoffen ergeben sich nun automatisch aus Parametern wie der Verwindungssteifigkeit und der Dichte (Abbildung 4, [7]).

Abbildung 4: Das Tuch entsteht aus einer ebenen Fläche. Den Faltenwurf, der sich aus der Berührung durch das Rohr ergibt, errechnet Maya vollautomatisch.

Soll es in einer Szene windig zugehen, dann braucht der Designer nur die Geschwindigkeit und Richtung der Luftströmung festzulegen. Die Bewegung von Figuren, die Kleider aus mit Ncloth simuliertem Material tragen, schlagen sich im realitätsgetreuen Schwingen des Stoffes nieder.

Wie natürlich Maya das Kleid einer Tänzerin simuliert, zeigt die Flash-Animation auf der Autodesk-Homepage [3]. Selbst aufblasbare Objekte sind leicht zu realisieren [4]. Auch zerreißende oder zerspringende Gegenstände kann das System darstellen. Diesen Funktionen hat Blender (noch) nichts entgegenzusetzen. Ncloth ist den Benutzern der Unlimited-Variante von Maya vorbehalten.

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Computer-animierte Filmszenen gibt es schon lange. Doch vielleicht ist es kein Zufall, dass die Dinosaurier in "Jurassic Park" (1993) keine Haare hatten: Haare, Wasser und Feuer stellen 3D-Programme vor schwierige Aufgaben. Die neue Version 8.5 des 3D-Animationsprogramms Maya meistert sie mit Bravour.