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Mit Bits und Bytes tricksen

Mit speziellen Effekten machen Informatiker der ETH Zürich Filme noch spannender und exotischer. Seit ein paar Tagen haben sie zusammen mit Walt Disney ein eigenes Labor.

Entgegen der Schwerkraft: Flüssigkeit fliesst bei der 3-D-Animation...
Entgegen der Schwerkraft: Flüssigkeit fliesst bei der 3-D-Animation...
ETHZ
...die Stufen hinauf...
...die Stufen hinauf...
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...und formt sich zu einer menschenähnlichen Gestalt.
...und formt sich zu einer menschenähnlichen Gestalt.
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Mit strahlendem Gesicht geniesst der tollkühne, grüne Unhold Shrek die dreckige Schlammdusche. Der Matsch fliesst von oben aus einem Holzkübel auf ihn herunter und rutscht zähflüssig über seinen unförmigen Körper hinweg. Der Film Shrek, der im Jahr 2001 in den Kinos lief, gehört zu den ersten computeranimierten Trickfilmen, in denen auch Flüssigkeiten mit grossen rechnerischen Aufwand real abgebildet werden.

An der ETH Zürich haben Informatiker sich darauf spezialisiert, solche Szenen sowie auch andere 3-D-Computeranimationen noch wirklichkeitsgetreuer darzustellen. Dies war auch ein Grund dafür, warum Walt Disney mit der Technischen Hochschule in diesem Sommer eine Industriepartnerschaft einging. In der vergangenen Woche sind nun die ersten Mitarbeiter in das neue Disney Research Lab der ETH eingezogen. «Eines unserer Ziele ist, einfache, benutzerfreundliche Software für verschiedene Spezialeffekte zu entwickeln», sagt Markus Gross, Direktor des neuen Labors. Um beispielsweise in einem computeranimierten Film echt aussehende Lachfalten oder Sommersprossen in ein Gesicht zu bekommen, müsse man bisher mit viel Aufwand jedes Bild einzeln bearbeiten. Das wäre eine Sisyphusarbeit. Aber auch Strömungen von Rauch bei einer Explosion oder Wasser bei einer Überschwemmung real darzustellen, sei schwierig.

Mehr Action durch Strömungen

Sobald eine Strömung eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht, entstehen Turbulenzen. Es entwickelt sich eine komplexe Dynamik, die sich mathematisch mit gekoppelten Navier-Stokes-Gleichungen berechnen lässt. Dazu verwenden die Forscher als Grundlage Gitterstrukturen mit zum Teil mehr als 100 Millionen Punkten, um die Bewegung der Flüssigkeiten abzubilden. Später wird in einem separaten Schritt daraus ein Bild im Computer erstellt. Auf diese Weise lässt sich etwa das chaotische Verhalten einer Flutwelle oder das Aufprallen eines einzelnen Regentropfens in eine Pfütze simulieren.

«Wir können aber auch grundlegende Gesetze der Physik wie beispielsweise die Wirkung der Gravitation weglassen oder verändern, um künstlerische Effekte zu erzielen», sagt Nils Thürey. So hat er eine Computeranimation erstellt, bei der eine silberfarbene Flüssigkeit die Treppe herauf fliesst und sich zu einer menschenähnlichen Gestalt formt.

Digitale Schauspieler

Auch in computergenerierten Filmen sollen Menschen möglichst echt aussehen. Die Produktionsfirmen lassen deshalb bekannte Schauspieler wie den Amerikaner Tom Hanks, der im Film «Polar Express» den Kondukteur gespielt hat, mit Markern etwa das Gesicht bekleben. Mit speziellen Kameras wird dann die Position dieser Marker genau erfasst, um danach die Mimik möglichst gut auf die künstlich geschaffene Figur zu übertragen. Die Methode stösst aber auch schnell an ihre Grenzen, sodass die Gesichter letztlich oft fahl, flach und farblos aussehen.

Um die filmische Umsetzung in spektakuläre 3-D-Animationen zu perfektionieren, tüfteln die Zürcher vor allem auch am Ausdruck des Gesichts. «Wir wollen, dass Emotionen wie Wut, Angst, Freude oder Trauer die Zuschauer noch mehr in ihren Bann ziehen», sagt Markus Gross. Immerhin hätte man 26 Muskeln im Gesicht, von denen allein 8 für die Mimik verantwortlich sind.

Damit es nicht künstlich wirkt, ist die Faltenbildung wichtig. Auch die Zürcher haben für ihr Verfahren mit einem Schauspieler experimentiert und ihm 110 blaue, gut sichtbare Punkte ins Gesicht gemalt. Zusätzlich wird mit Videokameras die Position und Form der Falten erfasst. Mit dieser Methode lässt sich fast jede kleine Bewegung im Detail verfolgen und nachher im Computermodell rekonstruieren. In der Tat schneidet das virtuelle Double auf dem Bildschirm die gleichen Grimassen und sieht dem Original zum Verwechseln ähnlich. Allerdings fehlen ihm noch weitere charakteristische Gesichtsmerkmale wie Haare und Augen.

Die ETH-Forscher können einer computergenerierten Person noch mehr Leben einhauchen, indem sie die Lichtverhältnisse auf der Oberfläche der Haut genau berücksichtigen. Wie weit dringt künstlich erzeugtes Licht in die Haut ein? Wo wird es gestreut?

Um dies im Detail zu studieren, hat Bernd Bickel zusammen mit anderen Forschungskollegen ein Gerät zum Messen der Reflexionseigenschaften der Haut gebaut. Und zudem seine Testperson unter eine Kuppel mit 150 Leuchtdioden gesetzt. Während des Versuchs haben 16 Kameras in verschiedenen Positionen die aus unterschiedlichen Richtungen angestrahlte Haut in einer Bilderserie festgehalten. Mit dem Resultat, dass die computergenerierte Haut ein natürlich wirkendes Erscheinungsbild bekommt.

Aufgrund der technischen Möglichkeiten bekommen Schauspieler in einem Film immer mehr die Rolle von Statisten. Echte Szenen werden durch computergenerierte Abschnitte vollständig ersetzt. Bei dem Phantasyfilm «Beowulf» haben die Produzenten keinen Aufwand gescheut, für die Aufnahmen in der realen Welt wurden sogar Pferde mit Markern ausgestattet. Allerdings gibt es dabei auch technische Grenzen und es muss getrickst werden. «So haben die Helden im Film‹Beowulf› entweder Helme auf oder tragen Stirnbänder», betont Bernd Bickel. Dann müsse man nachher am Computer ein paar Falten weniger berücksichtigen.

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