Künstliche Welten: Der Open-Source-Renderer Blender macht sie möglich – egal ob es sich um die täuschend echte Simulation eines geplanten Produkts oder einen Kurzfilm mit scheinbar lebendigen Charakteren handelt. Version 2.42 bringt viele neue interssante Effekte.

Wenn Hoolywood Computersimulationen einsetzt, dann nicht wegen des Budgets: Softwarelizenzen und das Heer der Designer und Computer-Animateure kosten kaum weniger als aufwändige Kulissen. Doch auf dem Rechner lassen sich Wesen und Charaktere erschaffen, die über den Zauber von Kostüm und Kulisse weit hinausgehen.

Dieser Artikel stellt die wichtigsten Features des Open-Source-Programms Blender [1] vor. Als freie Software kommt es nicht nur für Projekte mit den Budgets der Filmbranche in Frage. Dennoch lassen sich mit der im Juli erschienenen Version 2.42 Animationen in Spielfilmqualität erstellen, wie das Kurzfilmprojekt “Elephants Dream” (Aufmachergrafik und [2]) beweist.

Man nehme

Folgende Zutaten benötigt ein solcher synthetischer Filmclip: Modelle, die die räumliche Geometrie der darzustellenden Objekte als Drahtgitterformen wiedergeben (Modelling), bilden die Basis. Eine realitätsgetreue Oberfläche überspannt das Gitter wie eine Haut (Shading). Virtuelle Lampen leuchten die noch unbewegte Szene schließlich wie ein echtes Filmsetting aus. Um die Szene zu animieren, sind mehrere Arbeitsschritte nötig: Besonders Bewegungen, bei denen sich Objekte verformen, erfordern einige Kniffe. Der Abschnitt “Animation” stellt die wichtigsten vor.

Stillleben

Während unser Gehirn bei einer perspektivischen Abbildung aus der Lichtschattierung spontan die räumliche Form erschließt, kann der Rechner bei einer schräg verlaufenden Linie nicht erkennen, ob der schräge Verlauf von der perspektivischen Darstellung räumlicher Tiefe herrührt (Abbildung 1). Anders als ebene Skizzen lassen sich räumliche Formen daher nicht einfach mit der Maus zeichnen, sondern nur über Konstruktionsverfahren erzeugen (Modelling).

Abbildung 1: Anders als dem menschlichen Auge erschließt sich Computerprogrammen die dritten Dimension nur über Konstruktionsverfahren, zum Beispiel die Extrusion eines Kreises.

Blenders Modeller muss sich vor anderen nicht verstecken: Neben Standardtools wie Extrusion oder Drehmaschinen-Objekten (Lathe Objects) beherrscht das Programm zum Beispiel auch Proportional Editing: Einfache Grundformen lassen sich durch Verschiebung der Maschen des Gitternetzes im 3D-Raum weiterverarbeiten. Dabei ist es schwierig, Formen mit glatten Übergängen ohne Brüche und Kanten zu erzeugen.

Beim Proportional Editing beeinflusst die Verschiebung eines einzelnen Punktes daher auch die benachbarten Punkte in Abhängigkeit vom Abstand. Die Abbildung 2 zeigt den Unterschied: Auf beiden Seiten der Kugel wurde nur ein Gitterpunkt bewegt, links ohne, rechts mit Proportional Editing. Blender unterstützt verschiedene Falloff-Typen, die festlegen, wie der Effekt mit dem räumlichen Abstand abnimmt.

Abbildung 2: Proportional Editing, bei dem die Verschiebung eines einzelnen Gitterpunktes die umgebenden ebenfalls beeinflusst, erleichtert das Erstellen glatter organischer Formen.

Neuerungen

Die in Version 2.40 hinzugekommenen Modifiers erweitern die Leistungsfähigkeit des Modellers weiter und verbessern die Bedienbarkeit: Bereits vor der Erweiterung mögliche Effekte wie die Oberflächenglättung mit dem leistungsfähigen Cattmull-Clark-Algorithmus fügen sich nun übersichtlich in eine Effekte-Pipeline ein und lassen sich getrennt für die Vorschau und den Rendering-Vorgang ein- und ausschalten. Das verbessert die Interaktivität der Anwendung, ohne das endgültige Rendering zu beeinflussen. Zudem lässt sich nun die Reihenfolge der Modifiers festlegen.

Seit Version 2.42 steht ein Modifier vom Typ Array zur Verfügung. Besonders im Zusammenspiel mit anderen Effekten aus der Modifier-Pipeline entstehen damit aus einfachen Grundformen überraschend komplexe Objekte: Abbildung 3 demonstriert, wie aus einem einfachen Zylinder eine Kette aus beliebig vielen Gliedern entsteht. [3] zeigt weitere Beispiele für die Leistungsfähigkeit des Array-Modifiers.

Abbildung 3: Verbiegen, glätten und vervielfältigen: Die Modifier-Pipeline im rechten Fensterdrittel macht aus einem einfachen Zylinder eine Kette mit beliebig vielen Gliedern.

Oberflächlich

Für realistisch wirkende Renderings reicht es nicht aus, die räumliche Form der Objekte korrekt zu modellieren: Auch die Objektoberflächen sind für das Ergebnis entscheidend. Blender errechnet die Schattierung einfarbiger Oberflächen sowie eine Reihe von Mustern über Algorithmen. Komplexere Oberflächen wie eine Holzmaserung nutzen dagegen fotografisches Material: Blender projiziert die Abbildung auf die Oberfläche und verleiht dieser so das Aussehen ihres natürlichen Vorbilds.

Zu den Standardtechniken wie Muster-Algorithmen und Bitmap-Mapping gesellt sich mit Version 2.42 ein leistungsfähiges Feature: Wie bei den Modifiers lassen sich nun mehrere Oberflächen in einer Pipeline anordnen. Das ermöglicht interessante Effekte wie die farbigen Reflexe bei Mehrschichtlackierungen. Das Node-Editor-Fenster hilft die Übersicht zu behalten (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Userinterface von Blender erweitert und verbessert sich laufend: Das Node-Window stellt die unterschiedlichen Komponenten einer Objekt-oberfläche übersichtlich dar.

Beim Modellieren erweisen sich Haare als eine besondere Herausforderung: Ihre sprichwörtlich große Zahl macht es zur Sisyphusarbeit, jedes Haar einzeln per Hand zu erstellen. Abhilfe schafft Blenders Partikelsystem, bei dem ein Zufallsgenerator viele kleine Teilchen generiert. Normalerweise bewegen sich die Partikel auf durch physikalische Parameter festgelegten Bahnen und dienen so etwa zur Simulation von Regen. Seit der Erweiterung des Partikelsystems in Version 2.40 lassen sich Partikel mit der Option »static« jedoch auch einsetzen, um Körperbehaarung zu simulieren.

Animation

Blender eignet sich hervorragend für realistisch wirkende Schnappschüsse räumlicher Objekte. Der Leistungsumfang ist damit aber kaum zur Hälfte ausgereizt: Blender enthält eine leistungsfähige Animations-Engine. Grundlage für Bewegungen ist oft das so genannte Armature-Objekt (Abbildung 6): Mit Hilfe einer Kombination aus virtuellen Gelenken und Knochen simuliert Blender die Bewegungen von Mensch und Tier, aber auch vieler technischer Anwendungen. Sind plastisch verformbare Teile an der Bewegung beteiligt (etwa das die Knochen umgebende Gewebe), ergibt sich deren Deformation aus der Verknüpfung zwischen Knochen und der sie umgebenden plastischen Form.

Abbildung 5: Seit Version 2.40 simuliert Blender das Verhalten von Flüssigkeiten realitätsgetreu. Der Benutzer muss nur wenige Parameter einstellen.

Abläufe wie die Beinbewegung beim Laufen lassen sich am leichtesten über Einzelschritte nach Art des Daumenkinos definieren: Blender interpoliert aus wenigen explizit festgelegten Schritten (Keyframes) eine kontinuierliche Folge (Abbildung 6). Viele Bewegungsabläufe in Natur oder Technik wiederholen sich zyklisch. Neben interpolieren kann das Programm daher Bewegungen auch extrapolieren. Im IPO-Fenster (Interpolation) lassen sich Bewegungsabläufe über Bézierkurven fein einstellen.

Abbildung 6: Zum Laufen gebracht: Blender animiert die Beine einer Figur mit Hilfe eines Armature-Objekts, das aus Knochen und Gelenken besteht.

Eine der Schwierigkeiten beim Animieren ist der schnell auf ein nicht mehr zu bewältigendes Maß anwachsende Arbeitsaufwand. Animationsprogramme integrieren daher mehr und mehr Automatisierungsfunktionen. Das bereits angesprochene Partikelsystem fällt auch in diese Kategorie.

Neben Anwendungen wie der Simulation von Regen, bei dem viele gleichgestaltete Tropfen geradlinig nach unten fallen, sind auch kompliziertere Szenarien realisierbar: Die Bewegung der Partikel lässt sich durch Kraftfelder beeinflussen. Versieht der Anwender die Partikel mit einem Halo- oder Lichtschein-Effekt, verschwimmen die Teilchen zu einem sich bewegenden Vorhang. Mit den richtigen Einstellungen für die Partikelbahn simuliert Blender so Feuer und Rauch.

Physik pur

Physikalisch gesehen ergeben sich Bewegung und Verformung eines hüpfenden Balls aus der Anfangsgeschwindigkeit und der plastischen Beschaffenheit der Materialien. Seit Version 2.37 gilt dies auch für plastische Objekte in Blender: Das Soft-Body-System simuliert das Verhalten deformierbarer Körper. Die Kräfte, die aus dem Abprallen des elastischen Körpers entstehen, lassen sich mit benutzerdefinierten Bewegungen kombinieren. Wie das Ergebnis zum Beispiel aussehen könnte, zeigt die Animation unter [4]: Die Beinbewegung der Gummifigur im Videoclip hat der Designer per Hand über ein Armature-Objekt festgelegt. Die Fühler am Kopf der Figur wippen jedoch von selbst.

Weitere beeindruckende Effekte, die sich in ihrer Komplexität kaum von Hand nachstellen lassen, liefert Blenders System zur Simulation von Flüssigkeiten: Ein fallender Tropfen, der auf eine Oberfläche trifft, verhält sich nach Aktivierung der Fluid-Simulation wie ein Tropfen in der Natur. Blender stellt damit physikalische Gegebenheiten wie die Viskosität der Flüssigkeit und die Oberflächenspannung nach.

Eine Erfolgsgeschichte

Blender ist nicht nur bei der konkreten Arbeit interessant: Leistungsumfang und bewegte Geschichte laden dazu ein, dem Erfolg dieses Open-Source-Projekts auf den Grund zu gehen und daraus Rückschlüsse auf die Dynamik freier Softwareprojekte zu ziehen.

Blender entstand ab 1995 als Inhouse-Tool des niederländischen Animationsstudios Neogeo. Der Initiator des Projekts, Ton Roosendaal, gründete 1998 die Firma Not a Number, die nach klassischem Open-Source-Businessmodell ein freies Hauptprodukt (Blender) sowie kommerzielle Zusatzleistungen anbot. Not a Number war zunächst erfolgreich, überlebte aber das für die IT-Branche schwierige Jahr 2001 nicht.

2002 gründete Ton Roosendaal die Non-Profit-Organisation Blender Foundation. Sie brachte über eine Spendenaktion in nur sieben Wochen den Preis für den Rückkauf von Blender aus der Konkursmasse von Not a Number (100000 Euro) auf und stellte so eindrucksvoll die Beliebtheit in der Community unter Beweis. Seit dieser Zeit entwickelte sich Blender als Open-Source-Programm etwas langsamer, aber doch stetig weiter. Im Jahr 2005 erweiterte sich Blenders Funktionsumfang mit dem Soft-Body-System, der Flüssigkeitssimulation sowie einem verbesserten Partikelsystem erneut sprunghaft.

Einen weiteren Entwicklungsschub bekam Blender ab Ende 2005 durch das “Elephants Dream”-Filmprojekt, bei dem Künstler und Software-Entwickler besonders eng zusammenarbeiteten. Viele der Neuerungen in Version 2.42 entstanden aus Feature-Anfragen der Filmemacher: Ohne Funktionen wie Vektor Blur oder Objektgruppen wäre Elephants Dream gar nicht zu realisieren gewesen.

Fazit

Blender ist ein leistungsfähiges 3D-Rendering- und Animationspaket. Es ist in der Lage, professionelle Ansprüche zu befriedigen, und kommt dem Leistungsumfang teurer State-of-the-Art-Werkzeuge wie Maya deutlich näher, seit es in Version 2.42 aus der Bewährungsprobe, dem Kurzfilm der Blender Foundation, gestärkt und mit neuen Features hervorgegangen ist.

Gründe für Erfolg und Beliebtheit des Animationspakets sind leicht auszumachen: Einerseits sind 3D-Animation und das Erzeugen künstlicher Welten ein Thema mit großer Öffentlichkeitswirksamkeit. Hinzu kommt, dass 1998, als Ton Roosendaal Blender der Open-Source-Community übergab, kein annähernd so umfassendes Programm frei verfügbar war. Für das wirtschaftliche Scheitern macht der Blender-Initiator in seinem Abriss zu Blenders Geschichte [5] vor allem überzogene Erwartungen verantwortlich. Das Programm hatte jedoch zu diesem Zeitpunkt bereits eine so große und eingeschworene Nutzergemeinde, dass der Rückkauf der Rechte von den neuen Eigentümern auf Spendenbasis problemlos möglich war.

Besonderes Interesse hat das bislang letzte Kapitel der Open-Source-Erfolgsgeschichte verdient: Die enge Zusammenarbeit mit den Entwicklern steigerte die Qualität der Anwendung noch einmal. Das Movie-Projekt “Elephants Dream”, das auf der Arbeit von sechs Entwicklern über etwa ein Jahr basiert, finanzierte sich in Kooperation mit dem “The Netherlands Media Art Institute” über öffentliche Kulturförderung, den Vorverkauf von DVDs und erneut Spenden. Es zeigt, wie stark der Entwicklungs- und Motivationsschub, der von einem öffentlichkeitswirksamen Projekt ausgeht, die Entwicklung eines Open-Source-Projekts vorantreiben kann.