Raytracing wird im Grafikdesign verwendet und verwendet den Weg, den Licht durch Pixel nimmt, um Bilder zu erstellen. Raytracing simuliert die Auswirkungen, die Lichtstrahlen auf die Objekte haben, auf die sie treffen. Mit Raytracing erstellte Bilder sind in der Regel von besserer Qualität und haben einen höheren Grad an Realismus, dauern jedoch länger und erfordern mehr Rechenleistung. Daher wird Raytracing am häufigsten zum Erstellen von Standbildern verwendet.
Beispielsweise kann Raytracing beim Film verwendet werden, da die Bilder in der Postproduktion erstellt werden können und somit viel Zeit haben. Im Gegensatz dazu erfordern Videospiele eine schnellere Bildwiedergabe; Raytracing ist also nicht die beste Option.
Wie funktioniert Raytracing?
Eine Software namens Raytracer simuliert den Weg einzelner Lichtstrahlen von einer virtuellen Lichtquelle zu einem virtuellen Kameraobjektiv. Der virtuelle Lichtstrahl kann volumetrische Atmosphären wie Nebel oder Rauch durchdringen und mit Materialoberflächen wie beispielsweise Metall, Glas oder Wasser interagieren. Jedes dieser Objekte wird von Künstlern und Ingenieuren entworfen und modelliert, um das Erscheinungsbild der Szene zu beeinflussen, wie sie vom Raytracer gerendert wird. Fortgeschrittene Raytracer können zusätzliche Berechnungen wie Interreflexion, Radiosity und Caustics anwenden, um komplexes Lichtverhalten zu simulieren.
Wie lange dauert es?
Raytracing kann hochrealistische Bilder erzeugen, ist aber rechenintensiv und daher sehr langsam. Beispielsweise benötigte jedes Standbild des computeranimierten Films Monsters University, der 2013 von Pixar veröffentlicht wurde, 29 Stunden zum Rendern. Bei 24 Bildern pro Sekunde hat der 110-Minuten-Film ungefähr 160.000 Bilder. Pixar nutzte eine riesige Renderfarm, um die Berechnung zu verteilen, und fertigte sie innerhalb weniger Monate an. Auf einem einzigen Computer hätte es viereinhalb Millionen Stunden – 524 Jahre – gedauert, bis der Film fertig gerendert war.
Nicht alle Renderer sind Raytracer
Da die Berechnung lange dauert, wird für das endgültige Rendern häufig Raytracing verwendet. Zwischen- oder Vorschau-Renderings werden oft mit “billigeren” Renderern durchgeführt, die schnell ein Bild von geringerer Qualität erzeugen. Beispielsweise verwendet Blender den Cycles Renderer, um Raytracing durchzuführen, oder den Blender Internal Renderer, um nicht fotorealistische Bilder schnell zu rendern.
Raytracing auf der GPU
Traditionell wird Raytracing von der CPU durchgeführt, nicht von der GPU. Die Hardware einer GPU ist so konzipiert, dass sie so viele FPS (Bilder pro Sekunde) wie möglich ausgibt, um Echtzeit-Grafikanwendungen wie Videospiele zu verbessern. Im Gegensatz dazu ist Raytracing normalerweise ein langsamer Prozess, bei dem die Echtzeitgeschwindigkeit für fotorealistische Qualität geopfert wird. Daher wurde Raytracing-Software nicht entwickelt, um auf GPU-Hardware ausgeführt zu werden, und GPU-Hardware wurde nicht entwickelt, um Raytracing durchzuführen.
Am 13. August 2018 kündigte NVidia jedoch seine neue Turing-Grafikverarbeitungsarchitektur an, die in der Lage ist, Raytracing in Echtzeit durchzuführen. Die ersten GPUs mit Turing-Architektur, die Quadro RTX, sollen Ende 2018 erscheinen.
Raytracing-Software
Im Folgenden finden Sie Beispiele für Raytracing-Software, die zum Download oder Kauf verfügbar ist.
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Autodesk 3ds max – Eine proprietäre 3D-Modellierungs-, Animations- und Rendering-Anwendung, die sich hauptsächlich an CAD-Benutzer wie Architekten richtet.
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Autodesk Maya – Ähnlich wie 3ds max, aber mit Schwerpunkt auf Charakteranimation.
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Blender – Eine kostenlose Open-Source-3D-Modellierungs-, Animations- und Rendering-Anwendung.
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Bryce – Ein fraktaler Landschaftsgenerator, der 1994 eingeführt wurde.
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Cinema 4D – Eine 3D-Modellierungs-, Animations- und Rendering-Anwendung mit prozeduralen Effekten für Filmemacher und Motion-Graphics-Künstler, die als leicht zu erlernen beworben wird.
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Houdini – Eine voll funktionsfähige 3D-Animationsanwendung mit simulierter Physik, Strömungsdynamik und volumetrischen Simulationen. Eine eingeschränkte Version namens Houdini Apprentice steht Studenten und Enthusiasten kostenlos zur Verfügung.
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Lightwave – Eine 3D-CGI-Anwendung, die zum Erstellen von Bewegungsgrafiken, Spezialeffekten und Videospielen verwendet wird.
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LuxCoreRender – Ein kostenloser Open-Source-Renderer für Windows, macOS und Linux.
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POV-Ray (The Persistence of Vision Raytracer) – Ein kostenloser Open-Source-Renderer, der Bilder aus SDL (Scene Description Language), einer Turing-vollständigen Sprache mit Makrounterstützung, erstellt.
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RenderMan – Ein von Pixar entwickelter Renderer in Filmqualität, der in Filmen wie Incredibles 2 und Avengers: Infinity War verwendet wird.
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Visionaray – Eine plattformübergreifende Open-Source-Raytracing-Bibliothek.
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