3D-Welten

3D-Welten Toni Lama Professionelle Animationen und fotorealistische Grafiken mit Raytracing ISBN 3-446-22871-3 Vorwort Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-22871-3 sowie im Buchhandel Zum Einstieg 7 Statt eines Vorwortes – ein Überblick: „Leute, wenn ihr es unbedingt fotorealistisch haben wollt, dann geht ´raus und macht ein Foto!“ aus einem Posting in der IRTC-Mailingliste Zeichnen und malen scheint ein Grundbedürfnis des Menschen zu sein. Die Altertumsforscher mögen spekulieren, warum die ersten Menschen ihre Höhlen bemalten; Tatsache ist: sie haben es getan. Höhlenbilder, bemalte Knochen und Werkzeuge, bedruckte Stoffe und geknüpfte Wandteppiche, Gobelins und Mosaike – zu allen Zeiten hat der Mensch seine Umgebung bildhaft verziert und gleichzeitig ein Stück seiner Zeit für die Ewigkeit konserviert, seit mehr als einer halben Million Jahren, bis heute. Eine interessante Entwicklung ergab sich dabei Ende des 19. Jh., als die Technik in Konkurrenz zur Kunst trat. Über Menschenalter hinweg hatten Bildhauer und Maler ihre Handfertigkeit entwickelt, um ihr Werk so nahe wie möglich beim Original zu platzieren. Die Erfindung der Fotografie ermöglichte plötzlich, instant eine Szene darzustellen mit einer Genauigkeit und Spontaneität, wie es ein Maler niemals gekonnt hätte. Weit stärker als der Buchdruck verstärkte dies den bereits vorhandenen Druck und die Tendenz zur Abstraktion. Über hundert Jahre hinweg öffnete sich die Schere; je besser die Fototechnik wurde, desto weiter entfernte sich die Kunst vom Original. Seit kurzem hat der Konkurrent von damals selbst Konkurrenz bekommen: fotorealistische 3D-Grafikprogramme. Ein schneller PC, eine Maus und etwas Phantasie – mehr braucht es nicht, um einfache Gegenstände und phantastische Welten entstehen zu lassen in einer Art und Genauigkeit, die auch dem erfahrensten Fotografen mit der besten Ausrüstung auf ewig versagt bleiben werden. Die ersten Zeichenprogramme für den PC waren ein Witz und verdienten nicht einmal die Bezeichnung Zeichen- oder Grafik- programm. Die Ergebnisse waren klobige Figuren in zwei Farben, wobei eine Farbe durch den Bildschirmhintergrund vorgegeben wurde. Nichts, was man auch nur annähernd als „Grafik“ bezeichnet hätte. Aber wie schon hundert Jahre zuvor in der Fotografie ging auch hier die Entwicklung weiter – und zwar sehr 8 Zum Einstieg schnell. Vektorgrafikprogramme, grafische Benutzeroberflächen und High-End-Grafikkarten ermöglichten bald bessere Ergebnisse, digitale Effekte zogen ins Kino ein, kurz danach erschien der erste Kinofilm, der vollständig im Computer generiert war. Heute haben wir 3-D-Grafik-Programme, die alles Bekannte in den Schatten stellen und fotorealistische Ergebnisse liefern. Die am PC erstellten Bilder sind oft genug nicht mehr von einem Foto zu unterscheiden. Die Programme werden nicht nur immer besser und die PCs immer schneller, sondern auch im Verhältnis immer preiswerter, was dazu geführt hat, dass sich mehr Privatleute als Profis damit beschäftigen (wobei manche Hobbykünstler den Profis noch was vormachen). Dadurch sind nicht nur ganz neue IT- und Medien-Berufsfelder entstanden (welcher Zwölfjährige will nicht Spieleprogrammierer werden?), sondern auch ein Hobby, das immer mehr Menschen anspricht. In Verbindung mit dem Internet und der Fülle an Wissen und Erfahrung, die in den Communities vorhanden ist, eröffnet sich dem interessierten Laien eine ganz neue, faszinierende Welt. „3D-Welten“ möchte Ihnen einen Teil dieser Faszination näher- bringen und wendet sich an künstlerisch orientierte Menschen; wie man programmiert, wird bereits in anderen Büchern beschrieben. Manche Zusammenhänge sind sehr vereinfacht dargestellt und werden Programmierern, Mathematikern und Physikern nicht gerecht. Aber auch im Bewusstsein der eigenen Grenzen ist es mir wichtiger, den Menschen zu erreichen, als mit Formeln anzugeben. Wenn die vereinfachte Darstellung denjenigen hilft, die zwar von 3D fasziniert sind, von den teilweise sehr komplexen Darstellungen im Internet aber abgeschreckt werden, hat sich die Vorgehensweise gelohnt. Insofern soll Ihnen das Buch ein Maximum an Techniken und (Hintergrund)wissen vermitteln, ohne dass Sie sich mit Formeln und Programmierung herumschlagen müssen. Inwieweit der Spagat gelungen ist, müssen die Leser entscheiden. Zum Einstieg 9 Wie Sie dieses Buch durcharbeiten sollten Vom Streichholz bis zum Atomkraftwerk – man kann alles vereinfachen und alles verkomplizieren. „3D-Welten“ soll dem Anfänger dienlich und dem Fortge- schrittenen nützlich sein und Sie praxisbezogen an die Thematik „3D-Grafik“ heranführen. Deshalb besteht es aus drei Hauptteilen. In jedem Teil werden wir uns mit Körpern, Licht und Oberflächen beschäftigen – aber jedesmal anders. In dem Maße, in dem Ihre Kenntnisse und Erfahrung wachsen, werden die Inhalte anspruchs- voller und die Ergebnisse professioneller. Der Fokus liegt auf dem learning by doing, ergänzt um Hinweise auf Optimierungen und typische Fehler. So arbeiten wir uns durch die Kapitel, variieren, probieren und lernen. Da wir jedes Mal ein bestimmtes Thema behandeln, sind die Kapitel auch als spätere Referenz gedacht. Zusätzlich ziehen sich begleitende Übungen durch das ganze Buch, damit Sie das Gelesene vertiefen können. Damit kann das Thema aber nicht hinreichend dargestellt werden – zusätzlich zur Handhabung der Programme sind noch eine Fülle an Informationen notwendig, die im Buch nicht untergebracht werden konnten. Deshalb finden Sie auf der Buch-CD über 200 Seiten als pdf-Dateien. Diese stellen i.d.R. komplette Übersichten dar, die notwendiges Wissen beinhalten. Betrachten Sie die CD daher nicht als reinen Datenträger für die Programme, sie ist integraler Bestandteil des Buches (und umfangreicher als das Buch), und ohne die pdf-Dateien werden Sie an „3D-Welten“ wenig Freude haben. 3-D-Grafik ist generell eine hochmathematische Angelegenheit. Damit sind nicht die vier Grundrechenarten gemeint, sondern richtige Mathematik, mit der ja viele auf Kriegsfuß stehen. Von einigen Wunderkindern abgesehen, ist die Mehrheit ja froh, mit Hängen und Würgen Mathe in der Schule überstanden zu haben, und möchte auch heute kein zweiter Einstein werden. Deshalb haben sich Verlag und Autor darauf verständigt, ein Buch für den (Hobby-)Künstler und Praktiker herauszubringen. Alle beschriebenen Beispiele und Szenen erfordern zwar gesunden 10 Zum Einstieg Menschenverstand, aber keine besonderen Mathematikkenntnisse. Wer nicht mehr weiß, wie der Satz des Pythagoras lautet, kann trotzdem fantastische Bilder rendern. Ab und zu gebe ich Hinweise auf den mathematischen Hintergrund eines Features, aber Sie müssen nichts Kompliziertes rechnen. Wo es zu abgehoben wird, verweise ich auf das Prinzip; der mathematisch Interessierte findet im Internet weiterführende Quellen. Wir konzentrieren uns dafür aufs „Zeichnen“. Trotzdem ist dies kein Buch über Klicke-di-klick-Bilderstellung. Die „just a few clics“-Mentalität, mit der hauptsächlich Microsoft und AOL die Anwender verdorben haben, ist hier zu Ende. Das ist keine „Blut, Schweiß und Tränen“-Androhung, just fact: Professionalität (auch der Bilder) und planloses Traktieren der linken Maustaste schließen sich gegenseitig aus. Ein Buch, das sich nur an Anfänger oder Experten richtet, ist nutzlos. Die Kapitel sind so aufgebaut, dass auch „blutige Anfänger“ sicher angeleitet und schnell zu guten Ergebnissen geführt werden. Schritt-für-Schritt – Anleitungen, reichlich bebildert, sollen Ihnen den Einstieg so einfach wie möglich machen. Aber wir steigern uns schnell, und wenn Sie mitmachen, haben Sie bald einen hohen Level erreicht. Ich unterstelle, dass die aufbauenden Kapitel auch dem fortgeschritten und semi-professionellen Anwender etwas zu bieten haben. Dabei setze ich grundsätzliche Windows-Kenntnisse voraus; eine zusätzliche Windows-Einweisung sprengt hier den Rahmen. Bei vielen PC-Besitzern ist das schon zuviel verlangt; es gibt wirklich Leute, die wissen nicht einmal, welche Hardware bei ihnen verbaut ist.

3D-Welten Toni Lama Professionelle Animationen und fotorealistische Grafiken mit Raytracing ISBN 3-446-22871-3 Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-22871-3 sowie im Buchhandel Inhaltsverzeichnis Zum Einstieg Statt eines Vorwortes .......................................................................................... 7 Wie Sie dieses Buch durcharbeiten sollten ......................................................... 9 Wie das Buch aufgebaut ist ................................................................................. 11 Teil 1 1 Die Installation 1.1 Systemvoraussetzungen ...................................................................................... 13 1.2 Installation von der CD ....................................................................................... 14 1.3 Updates aus dem Internet downloaden ............................................................... 15 1.4 Nach der Installation: wichtige Anpassungen ..................................................... 15 1.5 Hintergrundinformationen: POV-Ray ................................................................. 16 2 Die Grundlagen 2.1 Endlich: die erste Szene ...................................................................................... 17 2.2 Das virtuelle Universum I ................................................................................... 24 2.3 Wir „machen eine Szene“ .................................................................................... 28 2.4 Das virtuelle Universum II .................................................................................. 34 2.5 Rendering, Raytracing, POV-Ray ....................................................................... 37 3 Konstruktion I 3.1 Einfache shapes ................................................................................................... 47 3.2 CSG – aus Zwei mach Eins ................................................................................. 53 3.3 CSG Nachtrag: der Verlust der Unschuld ........................................................... 63 3.4 Die Konstruktionsprinzipien ................................................................................ 65 3.5 Die Tempelszene Teil 1 ....................................................................................... 68 4 Texturen I 4.1 textures – die Texturen ........................................................................................ 79 4.2 pigment – die farbliche Gestaltung ...................................................................... 80 4.3 normal – die Flächennormale .............................................................................. 82 4.4 finish – Glanz und Stumpfheit ............................................................................. 88 4.5 texture – Zusammenfassung ................................................................................ 91 4 Zum Einstieg 5 Licht I 5.1 light sources – direkte Lichtquellen ..................................................................... 99 5.2 light source modifier – Licht verändern .............................................................. 103 5.3 Ungewolltes Licht ............................................................................................... 107 6 Die Kamera 6.1 Bildausschnitt und zooming ................................................................................ 109 6.2 Weitergehende Kameraanwendungen ................................................................. 115 Teil 2 7 Konstruktion II 7.1 lathe - „getöpferte“ Körper .................................................................................. 118 7.2 splines – was´n das? ............................................................................................ 121 7.3 sor – wie lathe, aber ganz anders ......................................................................... 129 7.4 prism – das Prisma .............................................................................................. 132 7.5 height_field – das Höhenfeld .............................................................................. 143 7.6 Konstruktion Nachtrag: Die 3D-Wirklichkeit ..................................................... 147 8 Fraktale 8.1 2D-Fraktale mit Kaos Rhei ................................................................................. 149 8.2 3D-Fraktale mit ChaosPro ................................................................................... 155 8.3 Wir machen eine Animation ................................................................................ 169 8.4 Fraktale Nachtrag: über den Zufall ...................................................................... 176 9 Fremdkörper einbinden 9.1 Poser ................................................................................................................... 177 9.2 PoseRay .............................................................................................................. 178 9.3 Importformate ..................................................................................................... 182 10 Licht II, Atmosphäre und Realismus 10.1 special effects mit Licht ..................................................................................... 185 10.2 atmospheric effects – wie füllt man ein Vakuum? ............................................. 191 11 Schleifen und Zufälle 11.1 loops – Zählschleifen ......................................................................................... 205 11.2 Konstruieren mit Zufallszahlen ......................................................................... 210 Zum Einstieg 5 12 Texturen II 12.1 Verwendung von pigment ................................................................................. 216 12.2 Verwendung von finish ..................................................................................... 224 12.3 Texturen als statement ...................................................................................... 233 12.4 Verwendung von normal .................................................................................. 236 12.5 image maps und bump maps kombinieren ........................................................ 240 12.6 bump maps auf Teilflächen .............................................................................. 249 Teil 3 13 Konstruktion III .................................................................................. 251 14 Modeler .............................................................................................. 259 15 Licht III – photons und media 15.1 photons – Kaustiken erzeugen ......................................................................... 261 15.2 media ............................................................................................................... 275 15.2.1 media types – wie soll es aussehen? ................................................................ 277 15.2.2 Die Parameter des media statements ............................................................... 280 15.2.3 density – Dichte und Verteilung des Mediums ................................................ 281 15.3 interior ............................................................................................................. 284 15.4 object media – media in Körpern .................................................................... 292 16 Animationen 16.1 animations – mit POV-Ray Filme machen ...................................................... 293 16.2 Mehrere items gleichzeitig bewegen ............................................................... 300 17 Landschaftsgenerierung 17.1 Terragen – der Terrain Generator .................................................................... 305 17.2 Schluchten und Ebenen .................................................................................... 311 17.3 Kameraflüge .................................................................................................... 321 17.4 Zwischenbilanz ................................................................................................ 327 17.5 image mapping ................................................................................................. 329 .

3D-Welten Toni Lama Professionelle Animationen und fotorealistische Grafiken mit Raytracing ISBN 3-446-22871-3 Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-22871-3 sowie im Buchhandel 88 Texturen I Manchmal reicht das schon, manchmal ist das nur ein „Pi-mal- Daumen“-Ausgangswert, je nach shape, normal, Beleuchtung etc. Aber zum Starten ist das immer gut. Die zusätzlichen Lichtquellen können einzeln stehen oder eine light_group bilden und (abhängig von den anderen Bedingungen der Szene) entweder die Farbe der originalen light_source haben, oder die Farbe des Körpers, oder, wie im Bild 4.8, auf Grau gesetzt werden. Schauen Sie, was in Ihrer Szene besser wirkt. 4.4. finish – Glanz und Stumpfheit finish regelt die Interaktion mit dem Licht: Glanz, Spiegelung etc. Streng physikalisch betrachtet, geht es bei finish ausschließlich um Reflexion, denn die Wirkung eines Spiegels und der Glanz einer Seidenkrawatte beruhen auf demselben Prinzip: Reflexion von Licht. finish bestimmt also, wie Licht reflektiert wird, und besteht deshalb aus einer armlangen Liste an Parametern, von denen wir uns zunächst drei anschauen: ambient ambient lässt sich am besten am Bild Im wirklichen Leben sieht es aber eher so erklären: Licht von links, die Kugel wirft aus: Trotz Schatten sind abgeschwächt ihren Schatten nach rechts. Teile der Kacheln und Kugel zu sehen. Das liegt am kleinen Kugel und einige Kacheln liegen Licht, das nicht von der Sonne kommt, vollständig im Schatten und sind nicht sondern „von überall“, weil es von irgend- sichtbar, denn im Schatten herrscht welchen anderen Objekten der Umgebung absolute Dunkelheit. reflektiert wird. Das ist ambient light. Bild 4.9: ambient_beispiel2.pov Bild 4.10: ambient_beispiel.pov Kapitel 4 89 Dieses „Umgebungslicht“ erhellt auch in der Wirklichkeit Dinge im Schatten, zwar nur ein wenig, aber immerhin. Andernfalls könnten Sie im Schatten eines Sonnenschirms keine Zeitung lesen. Echtes ambient light zu berechnen, würde auch den schnellsten Computer in die Knie zwingen, deshalb greift POV-Ray zu einem Trick: Körpern wird ein ambient-Wert zwischen 0 und 1 zuge- wiesen, und dadurch strahlen die Körper entsprechend viel weißes Licht ab. Der Unterschied zwischen den beiden Bildern oben ist (sehen Sie mal in die Szenenbeschreibung) dass rechts dem Boden ein ambient-Wert von 0.1 zugewiesen wurde. In der Realität entsteht dieser „erhellte Schatten“ durch sog. scattered light, auch als interdiffuse reflection bezeichnet, und zusätzlich zum individuellen ambient-Wert in jedem finish gibt es auch einen allgemeinen Wert in den global_settings – später. Dadurch, dass die Textur selbst leuchtet, kann man Körper zum Glühen bringen, wenn der ambient-Wert hoch genug ist, denn auch die Stellen, die im Licht stehen, strahlen Licht ab. Wenn Sie einen hohen ambient-Wert verwenden, sollten Sie deshalb sparsam mit diffuse und reflection sein. Sie können den ambient-Wert selbst wie auch seine Farbe beeinflussen, finish { ambient rgb <0.3,0.1,0.1> } ergibt z.B. ein pinkfarbenes ambient light. Die default-Einstellung ist 0.1 und weiß. phong – der Glanzpunkt Ein phong highlight ist ein kleiner Glanzpunkt auf der Oberfläche, in dem sich das Licht in seiner eigenen Farbe spiegelt. Wir übernehmen Kamera und Licht aus dem Checkered floor template und ersetzen alles andere durch plane { z, 3 } sphere { 0.0, 1 texture { pigment { color Blue } finish { phong 1 } } } Bild 4.11: ein_phong.pov 90 Texturen I phong trägt maßgeblich zum Realismus einer Szene bei, ohne phong fehlt etwas. Wir sind unsere Umgebung so gewohnt, dass wir meistens sehr unaufmerksam durchs Leben gehen. Schauen Sie sich mal zuhause oder im Büro um: Sie finden phongs überall. Auf dem Telefonhörer, dem Kugelschreiber, einer Kaffeetasse etc. iridescence – Ölschlieren Als iridescence (Irideszenz) bezeichnet man die Farbschlieren, die auf Perlmutt, einem Ölfleck oder einer Seifenblase zu sehen sind. Auch Diafreunde kennen die Schlieren unter dem Begriff „Newtonsche Ringe“, dem man mit (extra teurem) Anti-Newton- Glas für Diarahmen begegnete. Diesen Effekt erzielt man in POV- Ray mit dem irid statement. Der Schliereneffekt (verursacht durch einen dünnen transparenten Film auf der Oberfläche) ergibt sich aus dem Einfallswinkel des Lichts, was man sehr gut an einem Benzinfleck oder einer Muschelschale beobachten kann. Ein Teil des Lichts wird direkt vom Film zurückgeworfen, der Rest geht hindurch und wird von der „normalen“ Oberfläche reflektiert. Da POV-Ray in allem perfekt sein will ergibt sich die „Schönheit“ oder „Reinheit“ des Effekts aus dem Zusammenspiel von Licht, Winkel, irid- Parametern und Oberfläche (normal und finish) und ist im Zweifel überhaupt nicht zu sehen. Da muss man halt ein bisschen probieren; in der Realität zeigt sich der Effekt ja auch nicht auf einem Zewa-Tuch. Die allgemeine Syntax für irid ist: irid { VERHÄLTNIS thickness WERT turbulence WERT } Verhältnis ist ein Wert zwischen 0 und 1, der bestimmt, wie viel % der Originalfarbe von iridescence überdeckt wird, thickness bestimmt, wie dick die iridescence-Schicht ist (es macht den Körper nicht dicker, der Dicke-Wert bestimmt nur das Farbspektrum das reflektiert wird), und turbulence bestimmt die Verwirbelung der Schlieren. Bild 4.12: irid_beispiel.pov Beispiel 4.12: weiße Kugel vor blauem Hintergrund; irid { 0.35 thickness 0.5 turbulence 0.7 } Kapitel 4 91 OK, das war unser erster Kontakt mit dem texture-Ozean. Wir sind noch nicht in die Tiefe getaucht, tatsächlich haben wir gerade mal den großen Zeh angefeuchtet, aber es reicht, um unseren Tem- pel auszubauen und deutlich zu verbessern. Bevor es weitergeht, halte ich es für zwingend notwendig, dass Sie die Patterns I.pdf durcharbeiten. Nicht durchblättern, sondern durcharbeiten: Öffnen Sie eine neue, leere Szene, fügen Sie aus dem Insert Menu – Scene templates – Checkered floor ein. Das ist die (bekannte?) komplette Szene mit einer metallischen Kugel. Blättern Sie die patterns durch und fügen Sie nach Lust und Laune einzelne patterns ein, mal im pigment, mal im normal. Experimentieren Sie mit scale und versuchen Sie, color_maps einzusetzen. Sammeln Sie Erfahrungen, bevor wir weitermachen. 4.5 texture – Zusammenfassung Raucht Ihnen der Kopf? Das ist am Anfang völlig normal und hat zwei Gründe: erstens die simple Masse. Hunderte Farben, -zig Texturen, Dutzende Muster. Fast alle können miteinander kombiniert und untereinander gekreuzt werden – das ergibt mehr Möglichkeiten als Hunderassen. Dazu noch die ganzen modifier: allein turbulence lässt die Oberfläche mit jedem Zehntel Veränderung anders aussehen. Das ist zu Beginn unüberschaubar, aber es legt sich. Trust me: Fünfzig Bilder später gehen Sie damit schon ganz souverän um. Der zweite Grund -diesen Vorwurf müssen sich die Programmie- rer gefallen lassen- ist eine gravierende Inkonsistenz der Begriffe. Da werden Dinge mal so und mal anders bezeichnet, manche Na- mensähnlichkeiten machen Sinn, andere nicht, einige Bezeichner- familien sind vereint, andere getrennt. So sind z.B. patterns wie die Kacheln unseres Fußbodens sowohl block patterns als auch color lists, je nachdem, ob man sie als Muster oder Farbe betrach- tet.