Fotorealistische Bilder mit Ray-Tracing-Software erstellen


Sowohl abstrakte als auch der Wirklichkeit nachempfundene Szenen lassen sich "fotorealistisch" mithilfe von Ray-Tracing-Programmen erzeugen (rendern).

Das Wort "fotorealistisch" ist durchaus in doppeltem Sinne zu verstehen: Zum einen lassen sich Bilder in höchster Qualität (Detailschärfe und Farbbrillanz) "raytracen", die selbst sehr guten Fotografien in nichts nachstehen. Zum anderen hat die Art und Weise der Bilderstellung mehr mit der Tätigkeit eines Fotografen als mit der eines Malers zu tun.

Bei Ray-Tracing-Programmen wird mit Hilfe eines dreidimensionalen Koordinatensystems eine Szene von Objekten im Raum beschrieben, mit (virtuellen) Lampen beleuchtet und mit (ebenfalls virtuellen) Kameras fotografiert. Über die grundsätzliche Funktionsweise der Bildberechnung können Sie z.B. auf der Seite Ray-Tracing-Theorie etwas erfahren.


Empfehlenswerte Ray-Tracing-Software

Ein sehr gutes Programm, um Bilder durch Ray-Tracing zu erzeugen, ist POV-Ray. Es ist als Freeware für Windows, Mac und Linux erhältlich und kann von der POV-Ray-Homepage herunter geladen werden. Mit dem Programm werden Anleitungen und zahlreiche Beispiele geliefert. Weitere Anleitungen, Beispiele, Vorlagen und zusätzliche Software finden Sie im Bereich Downloads & Links.


Kurzanleitung: Ein erstes Bild mit POV-Ray rendern

Diese Schnellstart-Anleitung für die Arbeit mit POV-Ray soll nicht die (sehr gute) Hilfe des Programms ersetzen, sondern lediglich beim Einstieg in die Bedienung der Software helfen.

  1. Laden Sie das Programm herunter und installieren Sie es mit den vorgeschlagenen Standardeinstellungen. Rufen Sie POV-Ray (über das Windows-Startmenü -> Programme -> POV-Ray) auf. Es öffnet sich das abgebildete Programmfenster.

  1. Öffnen Sie eine (möglichst einfache) Datei. Zum Beispiel können Sie die von mir vorbereitete Datei povstart.pov herunterladen. Speichern Sie die Datei auf Ihrer Festplatte (z.B. im Ordner "Eigene Dateien") und öffnen Sie die Datei dann in POV-Ray. Sie sehen jetzt den Inhalt der Datei im Bearbeitungsfenster. 3D-Szenen (die erzeugten Grafiken) werden durch einen Eingabetext beschrieben. Diesen können Sie später verändern, um das erzeugte Bild zu variieren.
  2. Wählen Sie (links oben im POV-Ray-Fenster) eine Auflösung für das Bild, das Sie im nächsten Schritt berechnen. Höhere Auflösungen führen zu größeren, detailreicheren Bildern, verlängern aber die Rechen-(Render-)zeiten. Die Einstellung AA (Anti-Aliasing) bewirkt eine höhere Bildqualität, verlangsamt aber den Rendervorgang. Wählen Sie für erste Versuche 640x480, No AA.
  3. Starten Sie nun durch einen Klick auf den Button "RUN" den Rendervorgang. Es öffnet sich ein neues Fenster, in dem das berechnete Bild angezeigt wird.

Sie haben damit Ihr erstes Bild mit POV-Ray gerendert. Sie können nun Veränderungen daran vornehmen, indem Sie im Bearbeitungsfenster z.B. die Größe und Position der Objekte "sphere", "cone", "torus" und "cylinder" verändern oder durch Änderung der Kamerakoordinaten (camera { location { ... ) von einem anderen Blickpunkt auf die Szene schauen. Prinzipiell müssen Sie in jeder Grafik, die Sie erzeugen wollen, drei Aspekte berücksichtigen:

Die Gleichzeitigkeit dieser Anforderungen kann am Anfang etwas verwirren. Aus diesem Grunde habe ich Vorlagen vorbereitet, in denen Lichtquellen und Kamera bereits vorbereitet sind und sich zur besseren Orientierung ein Achsenkreuz einblenden lässt. Konzentrieren Sie sich anfangs auf die Erstellung und richtige Anordnung geometrischer Körper. Eine kurze Anleitung, wie Sie dies unter Nutzung der Vorlagen tun können, finden Sie hier (PDF-Format).


Modellierung von Objekten mithilfe einfacher Grundkörper

Verschiedene Gegenstände lassen sich aus einfachen Körpern (wie Kugeln, Zylinder, Kegel und Quader) zusammensetzen.

Ein hübsches Beispiel für den Einstieg in POV-Ray kann der Bau eines Schneemannes sein. Überlegen Sie sich, durch welche einfachen geometrischen Körper die wichtigsten Bestandteile eines Schneemannes nachgebildet werden können und wie Sie diese im Raum anordnen müssen, damit sich als Zusammensetzung dieser Körper ein schöner Schneemann ergibt.

Der hier abgebildete Schneemann ist gewiss ein besonders schönes Exemplar seiner Art. Er wurde von Ivonne Krystossek in einem Grundkurs Mathematik 13 am Andreas-Gymnasium in Berlin hergestellt. Die zugehörige POV-Ray-Datei können Sie sich ansehen (beachten Sie, dass Sie zum Rendern dieser Datei die oben erwähnten Vorlagen benötigen).

Weitere Materialien und Links auf andere Seiten enthält der Bereich Downloads & Links. Interessante Beispiele werden auch mit POV-Ray geliefert.


Boolesche Operationen

Teilweise bereits recht komplexe Formen lassen sich durch sogenannte Boolesche Operationen aus einfachen Grundformen (Kugeln, Zylindern, Quadern, Kegeln, gestreckten Buchstaben u.a.) erstellen. Dabei wird die Vereinigungsmenge (union), die Differenzmenge (difference) oder die Schnittmenge (intersection) zweier Körper gebildet.

Bool'sche Operationen: Vereinigung, Subtraktion, Intersektion

In den hier abgebildeten Beispielen wurden als Ausgangsformen jeweils eine Kugel und extrudierte ("lang gezogene") Buchstaben genutzt. Das linke Bild zeigt die Vereinigung, das mittlere die Differenz und das rechte die Schnittmenge beider Objekte. Auch das kleine Logo im Bild auf der Startseite unten links (vergrößert siehe unten) ist auf diese Weise entstanden.

Eine noch deutlich größere Vielfalt von Formen als durch die Verwendung einfacher Grundkörper und Boolescher Operationen lässt sich durch die mathematische Beschreibung von Flächen modellieren.


Andreas Filler, 1996-2007