Raytracing

Raytracing ist eine Methode zur computergestützten Erzeugung von photorealistischen Bildern. Dabei werden dreidimensionale Objekte durch mathematische Verfahren dargestellt (Vektorgleichungen, triangle mesh oder ähnliches), mit Oberflächentexturen und -strukturen versehen, optische Eigenschaften definiert, Lichtquellen gesetzt. Anschließend werden durch jedes Bildschirmpixel »Sehstrahlen« geschickt, sozusagen Lichtstrahlen rückwärts, wobei getestet wird, ob sie irgendwann auf eine Lichtquelle treffen.
Sobald ein Sehstrahl auf eine Lichtquelle stößt, wird der Strahl zurückverfolgt: Welche Farbe und Helligkeit hat das Licht ursprünglich? Läßst die Helligkeit des Strahls nach, wenn er sich von der Lichtquelle entfernt oder nicht, und wenn ja, wie stark? Bei jeder Reflexion an einem Objekt und bei jedem Durchgang durch ein durchsichtiges Objekt (mit Brechung des Lichtstrahls, natürlich): Wie ändern sich Farbe und Helligkeit des Strahls?
Wenn der Lichtstrahl schließlich wieder beim Bildschirmpixel ankommt, wird dieses in der entsprechenden Farbe eingefärbt.

Manche Effekte lassen sich mit dieser primitiven Strahlenoptik schlecht simulieren, z.B. indirektes Licht, Glanzlichter, Nebel etc. Dafür gibt es andere Algorithmen, z.B. Radiosity für indirektes Licht oder Phong Shading für Glanzlichter.
Außerdem ist Raytracing für schnelle Berechnungen, etwa 3-D-Spiele, ungeeignet, da es zu rechenintensiv ist. Hier behilft man sich dann mit einfachen Shading-Algorithmen, die einfach nur näherungsweise Licht und Schatten berechnen.

Der Oberbegriff für all diese Verfahren lautet Rendering.

Wer vorhat, mit der Raytracing-Methode Menschen oder Tiere zu erschaffen, der wird wahrscheinlich bald auf Poser stoßen. Mit Poser ist es relativ einfach, Menschen oder andere Kreaturen in Szene zu setzen und sogar einigermaßen realistisch zu animieren, wenn man ein wenig Arbeit hineinsteckt. Mit hochauflösenden Texturen und Bump Maps, für die man allerdings mindestens 512 MB RAM haben sollte, kann man sogar realistisch wirkende Haut rendern...

Einer der Nachteile, die der Freeware-Raytracer Persistence of Vision (POV oder Povray) bisher hatte, war die fehlende Unterstützung von UV-Mapping, was besonders für realistische Modelle von Menschen und Tieren wichtig ist. Dafür gibt es aber seit einer Weile MegaPOV, und das neue Povray 3.5, das jetzt (24.5.2002) noch im Betastadium ist, beherrscht diese Funktion ebenfalls.

Ein bekannter Raytracer, der seit Version 3.0 auch Radiosity für realistisches indirektes Licht und gute Nebel-Effekte unterstützt, ist der Persistence of Vision Raytracer, besser bekannt als POV-Ray (www.povray.org). Povray ist Freeware und für verschiedene Betriebssysteme erhältlich, und es gibt eine Menge an Zusatzsoftware, z.B. für Animation, Partikelsysteme, Menschen, Pflanzen, etc.
Allerdings ist es nicht ganz einfach, mit POV zu arbeiten, wenn man nicht gerade Programmierer ist, da man nur wenig bis gar nicht mit visuellen CAD-Modellen arbeitet, dagegen sehr viel in einer speziellen Programmiersprache schreibt.

Der beste kommerzielle Raytracer mit integriertem graphischem Modeller, den ich kenne, ist MetaCreations' Bryce 4. Manche Sachen, die man mit POV nur mit Mühe hinbekommt, sind mit Bryce mit ein paar Mausklicks erledigt - andererseits sind manche Dinge mit Bryce kaum hinzubekommen, die bei POV mit ein paar Zeilen Code erschlagen sind. Es gibt halt immer auf allen Seiten Vor- und Nachteile.

Raytracing setzt sich in den letzten Jahren vermehrt auch als Methode zur Erzeugung von Trickfilmen durch (Toy Story, Ants, A Bug's Life, Shrek, Final Fantasy), und es gibt auch schon einige Computer-Trick-Serien. Bei Musikvideos ist Raytracing schon länger verbreitet, anfangs hauptsächlich bei Techno, Acid und House.

Raytracing ist ein Verfahren, welches die Inversität des Lichts bei kleinen Geschwindigkeiten nutzt, um den Strahl statt vom Objekt zum Beobachter vom Beobachter zum Objekt erzeugt um den Berechnungsaufwand zu minimieren. Besonders Brechungs- und Oberflächeneffekte machen Bilder so nicht nur Fotorealistisch sondern Perfektionistisch bis Surrealistisch.

Im Gegensatz gibt es das Rendering, welches hauptsächlich auf die Performance zum Bildaufbau abzielt um interaktive Szenen zu erzeugen.