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)

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.

Wenn es haarig wird

Ob Wesen von einem anderen Stern, Plüschtiere oder einfach nur ganz normale menschliche Figuren: Sie alle haben Haare. Viele Computeranimations-Szenen sind daher auf deren realistische Darstellung angewiesen, wenn sie natürlich wirken sollen. Erste Ansätzte hierfür gibt es in Blender seit Version 2.40. Die Technik beruht auf einem so genannten Partikelsystem. Darunter ist das automatische Erzeugen vieler kleiner Teilchen zu verstehen, die sich auf definierten Bahnen bewegen. Das Partikelsystem lässt sich so einstellen, dass es die Teilchenbahnen als durchgezogene Linien zeichnet, die wie Haare wirken. Für eine gleichmäßige Behaarung ist Blenders System ausreichend, das reicht aber nur für sehr schlichte Frisuren.

Anders bei der Haarsimulation in Maya: Eine Vielzahl einstellbarer Parametern sorgt dafür, dass die Haare lockig oder glatt, kräftig oder fein wirken. Selbst geflochtenes Haar erzeugt Maya automatisch. Die Behaarung ist in Gruppen von so genannten Follikeln eingeteilt, deren Attribute sich einzeln verändern lassen. Strähnchen entstehen damit schneller als beim Friseur (Abbildung 5, [7]). Bewegt die Figur den Kopf, bewegen sich auch die virtuellen Haare ganz natürlich, ohne dass sich der Designer weiter darum kümmern muss.

Abbildung 5: Ein ausgeklügeltes System aus Haargruppen (Follikeln) gibt dem Designer in Maya maximale Kontrolle darüber, wie die Haare fallen.

Wer die vielen Einstellungen der Haarsimulation zu aufwändig findet, kommt mit der Fellsimulation schneller zu ansprechenden Ergebnissen (Abbildung 6, [7]). Bei dem alternativen Simulationssystem für Körperbehaarung, das schon länger existiert als Maya Hair, genügt es, einer Oberfläche eines der mitgelieferten Fell-Templates zuzuweisen. Die Felle präsentieren eine realistisch wirkende Struktur, bedecken die zugewiesenen Oberflächen jedoch stets gleichmäßig und lassen sich nicht formen wie bei der Haarsimulation. Haar- und Fellsimulation sind nur in der Unlimited-Variante von Maya enthalten.

Abbildung 6: Fell-Templates sind weniger flexibel als die in Version 8.5 erweiterte Haarsimulation, erfordern dafür aber nur wenige Mausklicks.

Elementargewalten

Wasser ist in der Natur meist in Bewegung: Wellen und Strudel bilden ständig wechselnde Formen. Diese in einem 3D-Modeller per Hand nachzuformen scheitert wie bei den Haaren am Aufwand. Abhilfe schafft ein System, mit dem sich das Verhalten der Flüssigkeit aus Viskosität, Schwerkraft und der Form und Bewegung von Hindernissen errechnen lässt. Abbildung 7 zeigt eine Szene [7], in der sich der Wellengang des Meeres mit der Bugwelle eines sich bewegenden Boots überlagert. Beide Bewegungen entstehen mit den richtigen Einstellungen automatisch. Die Simulation ist nicht auf Einzelbilder beschränkt, die naturgetreue Bewegung des Wassers bereichert auch animierte Filmsequenzen.

Abbildung 7: Kräftespiel wie in der Natur: Ein Schiffskiel pflügt durch vom Wind bewegtes Wasser. Maya errechnet eine realistische Oberflächengestaltung.

Auch wenn Wasser und Feuer von alters her als natürliche Gegensätze gelten, die Animationsprogramme stellen sie mit ähnlichen Algorithmen dar. Physikalisch gesehen handelt es sich bei Feuer um Licht emittierende Gasströme (Abbildung 8, [7]). Bis auf die Leuchtkraft gilt das Gleiche auch für Rauch. Auch hier erspart die Automatisierung in Maya Handarbeit: Die Anwendung bringt eine Reihe von Templates mit, die der Anwender nur in die jeweilige Szene einzufügen braucht.

Abbildung 8: Feuer sorgt für Dramatik. Neben Wasser ist dies ein weiteres Einsatzgebiet für die leistungsfähige Strömungssimulation in Maya.

Licht und Schatten

Raytracer errechnen die Helligkeitsschattierungen der Oberflächen auf Basis des Strahlengangs virtueller Lichtquellen. Bei Innenszenen genügt es für eine realistische Beleuchtung, das Setting wie eine Filmszene mit einigen Lampen auszuleuchten. Bei Außenszenen ist eine natürliche Lichtgebung aber nicht so leicht nachzustellen. Hier gilt es, das Sonnenlicht und die diffuse Beleuchtung zu simulieren, die tagsüber von der Himmelskuppel ausgeht. Auch dabei nimmt Maya dem Benutzer die Arbeit ab, schon ein Klick auf »Create Physical Sun and Sky« unter den Render-Einstellungen sorgt ab Maya 8.5 für eine realistische Außenatmosphäre.

Maya spielt bei der Lichtsimulation von Außenszenen die Stärken des integrierten Mental Ray Raytracer aus. Diese ursprünglich von dem Berliner Unternehmen Mental Images [5] entwickelte Software hat sich neben Renderman in der Filmindustrie als Standard etabliert.

Verfahren wie die so genannte globale Beleuchtung und Final Gathering [6] liefern sehr realistische Ergebnisse. Globale Beleuchtung bedeutet vereinfacht ausgedrückt, dass die Simulation alle physikalischen Eigenschaften des Lichts berücksichtigt: Ein beleuchtetes Objekt wird selbst zur Lichtquelle, durchsichtige Objekte brechen das Licht in seine Farbkomponenten. Final Gathering reduziert den Rechenaufwand bei globaler Beleuchtung, sorgt aber auch dafür, dass Rundungsfehler weniger ins Gewicht fallen. Daher entstehen ruhigere und für das Auge angenehmer wirkende Bilder wie in Abbildung 1.

Komplett oder unbegrenzt

Mayas eingeschränkte Version, Maya Complete, kostet weniger als ein Drittel (2000 US-Dollar) der Unlimited-Variante (7000 US-Dollar). Komplett ist sie insofern, als sie eine State-of-the-Art-Lösung für 3D-Modelling, Animation und Rendering bietet. Dass sie dabei die freie Anwendung Blender übertrifft, sollte angesichts des Preises nicht überraschen. Besonders bei der Bedienung punktet das Profiwerkzeug. Eine gute Dokumentation, wie sie für aktuelle Blender-Versionen nicht in zusammenhängender Form vorliegt, tun ein Übriges, um den Einstieg zu erleichtern. Wer sich auch mit Blender auskennt, gewinnt schon mit der Hilfedatei überraschend schnell einen Überblick, wie das umfangreiche Programm funktioniert.

Bei den technischen Möglichkeiten verbucht die freie Anwendung im Vergleich dennoch mehr als einen Achtungserfolg. Ein guter Teil dessen, was Maya Complete beherrscht, lässt sich auch in Blender realisieren, wenn auch oft nicht ganz auf demselben Niveau. Immerhin hat Mayas überlegene Leistung ihren Preis. Die Software läuft außerdem erst nach einer Online-Produktaktivierung, deren Gültigkeit bei der Testversion an die MAC-Adresse der Netzwerkkarte gebunden war.

Etwas anders fällt der Vergleich zwischen Maya Unlimited und Blender aus: Zwar verkürzt Blender mit den Simulationssystemen, die in den letzten Versionen hinzugekommen sind (Flüssigkeit, Softbody) den Abstand zur Profi-Liga. Wer jedoch menschliche Frisuren, Wasser und Feuer in Hollywood-Qualität auf dem Rechner nachstellen will, kommt um teure kommerzielle Software nicht herum. Im Vergleich zu den Hardwarekosten fallen diese sowieso wenig ins Gewicht. Zwar lässt sich der Modeller auf aktuellen PCs ab 1 GByte RAM und Hardware-3D-Unterstützung nutzen. Für das Bearbeiten der Szenen reicht also ein Standard-PC aus.

Renderings von Einzelbildern in einer Auflösung von 1024 mal 768 lieferte der Testrechner mit 3 GHz Prozessortakt und 1 GByte RAM auch mit Rechenzeiten im Minuten- bis Stundenbereich. Längere Animationssequenzen mit den üblichen 24 Bildern pro Sekunde lassen sich jedoch nur auf großen Rechnerclustern realisieren.