Kurs:Virtuelle Bildwelten/Einführung
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Dieser Kurs gehört zum Fachbereich Kunst.
Dieser Kurs behandelt die Grundlagen der digitalen Bildsynthese (neudeutsch Computer Generated Imagery, kurz CGI). Die Hintergründe sind für alle am Markt verfügbaren Programme gleich, soweit diese die jeweiligen Features unterstützen.
Um nachvollziebare Beispiele vorlegen zu können, stützt sich dieser Kurs auf die kostenlose OpenSource-Software Blender 3D. Die Bedienung des Programms selbst ist nicht Gegenstand dieses Kurses und wird nur so weit erläutert, wie es für den behandelten Stoff erforderlich ist. Unterschiede zu anderen Programmen sind ebenfalls nicht im Lehrplan vorgesehen, dürfen aber gerne in den Laborräumen der entsprechenden Lektionen diskutiert werden.
dito für Unterkapitel
- OH-Projektor - Lektionsübersicht
- Labor - Praktische Arbeiten zu dieser Lektion
Die Bedienung des im Kurs verwendeten Programmes Blender 3D ist im Wikibook 
Blender Dokumentation ausführlich erklärt, auf jeweils relevante Kapitel dieses Lehrbuchs wird in den Lektionen verwiesen.
Die Aufgabenstellung ist - wie so oft im Leben - schneller formuliert, als gelöst.
Im Prinzip wird es hier um nichts weiter gehen, als die Abbildung einer dreidimensionalen Szene auf einer zweidimensionalen Fläche. Unser Auge schafft das völlig automatisch (auch wenn die gekrümmte Netzhaut nicht richtig zweidimensional ist), ein Fotograf kriegt das mit ein paar Linsen und einem lichtempfindlichen Film hin. Ein bildender Künstler (abstrakte Kunst hier mal ausgeklammert) muss sich schon etwas gründlicher Gedanken über den Vorgang des Sehens machen. Das wird uns (und, nebenbei, auch einem ernsthaften Fotografen) zunächst nicht anders gehen. Die Aufgabe, die ich am Anfang lapidar in einem einzigen Satz formuliert habe, berührt bei näherer Betrachtung eine ganze Reihe von Wissensgebieten.
[Bearbeiten] Raumgeometrie
Natürlich müssen wir uns im Computer erst mal eine dreidimensionale Szene basteln, damit wir etwas haben, was wir projizieren können. Egal, ob wir reale Gegenstände abbilden wollen oder Fantasy-Monster erschaffen, um die Kreationen in den PC zu schubsen, brauchen wir eine mathematische Beschreibung für Form und Position. Das nötige Rüstzeug gibt uns die Raumgeometrie.
- Wir werden die grundlegenden Konstruktionselemente Punkt, Kante und Fläche kennenlernen, die die Basis für die Gestaltung von Drahtgittern bilden.
- Für die Manipulation dieser Elemente stehen uns die drei elementaren Funktionen Verschieben, Skalieren und Rotieren zur Verfügung.
- Im weiteren Verlauf des Kurses werden wir uns auch mit alternativen Konstruktionsmethoden beschäftigen und ihre Vor- und Nachteile gegenüber Drahtgitter-Modellen zeigen.
- NURBS: als "Gerippe" für unsere Modelle dienen uns hier geometrische Kurven (Bezier-Kurven oder B-Splines), wie sie einigen bereits aus 2D-Vektorgrafiken bekannt sind. Der Begriff Spline kommt ursprünglich aus dem Schiffsbau, der ein Gerüst aus Splinen mit einer "Haut" aus Planken überzieht. Diese Kurven werden uns auch zur Definition von Bewegungspfaden interessieren, die wir für einfache Animationen benötigen.
- Metaballs sind Körper, die ihre Oberfläche durch ein Kraftfeld beschreiben (vergleichbar mit der Oberflächenspannung von Wassertropfen). Benachbarte Objekte können sich so mit ihren Kraftfeldern gegenseitig in ihrer Oberflächengeometrie beeinflussen.
[Bearbeiten] Geometrische Optik
Für die Bilderzeugung benötigen wir ein paar Grundlagen aus der Strahlenoptik. Sie bestimmt die Transformation der von uns gestalteten Szenen in zweidimensionale Abbildungen. Mitunter kann es ganz hilfreich sein, diesen Zweck schon beim Modellieren im Hinterkopf zu behalten.
- Durch das "Zusammenpressen" von drei auf zwei Dimensionen gehen offensichtlich Informationen verloren. Trotzdem bereitet es uns eher selten Mühe, uns beim Betrachten eines flachen Fotos die reale Szene räumlich vorzustellen.
- Wie funktioniert Perspektive. Ohne diese Verzerrung in der zweidimensionalen Projektion wäre ein räumlicher Eindruck der Abbildung fast undenkbar.
- Objekte können in der Projektion von anderen Körpern ganz oder teilweise verdeckt werden. Die Anordnung vermittelt so einen Eindruck von "vorne" und "hinten". Kaum ein Stillleben verzichtet auf solche Zusatzinformationen.
- Körper verändern das Licht, das auf sie scheint. Dadurch vermitteln sie Bildinformationen, die Aufschluss über ihre geometrische Form und ihre Oberflächenbeschaffenheit geben.
- Fast alle Körper (die meisten Flüssigkeiten und einige Gase eingeschlossen) reflektieren nur einen Teil des empfangenen Lichts. Die reflektierten Wellenlängen bestimmen z.B. die Farbe des Objekts.
- Unterschiede in der reflektierten Lichtmenge (Schattierungen) lassen Rückschlüsse auf den Raumwinkel der Oberfläche in Bezug auf die vorhandenen Lichtquellen zu und geben dem Abbild des Körpers so Plastizität.
- Die Struktur der Oberfläche bestimmt ebenfalls das Aussehen. Glatte oder feuchte Flächen glänzen (erkennbar an Spiegelungen der Lichtquellen → Glanzpunkte). Raue Flächen erscheinen durch die Lichtstreuung matt, bei gröberen Strukturen auch mit einem zufälligen Rauschmuster überzogen.
- Spiegelungen geben Bildinformationen der Umgebung wieder. Daher müssen sie von diffusen Reflexionen unterschieden werden. Während sich diffuse Reflexionen in der CGI relativ einfach simulieren lassen, erfordern die zusätzlichen Bildinformationen der spekularen Reflexion andere Verfahren mit entsprechend höherem Rechenaufwand.
- Durchsichtige Körper verändern die Information der "verdeckten" Bildteile durch Lichtbrechung (und teilweise auch durch Absorption, also das "Verschlucken" von durchscheinenden Bildinformationen und durch Spiegelung, also die Überlagerung anderer Bildinformationen). Sonst wären transparente Gegenstände einfach nur unsichtbar.
- Zu Anfang werden wir uns noch mit verhältnismäßig übersichtlichen Beleuchtungsmodellen beschäftigen, wie sie auch im regulären Physikunterricht behandelt werden. In der Realität werden Abbilder aber auch durch Streulicht (indirekte Beleuchtung) beeinflusst. Solche Einflüsse werden sogar unseren schlauen Computer ganz schön ins Schwitzen bringen. In gewissen Grenzen können wir diese Globale Beleuchtung auch (wie bei Filmaufnahmen oder in einem Fotostudio) durch gezielte Plazierung direkter Lichtquellen simulieren. In der Abteilung für Fortgeschrittene werden wir uns dann mit den automatisierten (und in der Regel sehr rechenaufwändigen) Verfahren beschäftigen, die der Computer verwendet, um Streulicht aus der Szene selbst zu errechnen.
[Bearbeiten] Gestaltungsgrundlagen
Selbstverständlich nutzt die ganze graue Theorie nichts, wenn wir die elementarsten Grundsätze der Bildgestaltung ignorieren.
- Viele Künstler schwören auf den so genannten "Goldenen Schnitt", der als Verhältnis zweier Größen (z.B. Breite und Höhe) angeblich die ideale Proportion verkörpert. Normalerweise genügt jedoch eine grobe Annäherung an diese magische Zahl mit ihren unendlich vielen Nachkommastellen, um eine ästhetische Bildkomposition zu zaubern. Und natürlich sollte man nicht auf eine interessante Bildkomposition verzichten, nur weil sie nicht irgendwelchen formalen Regeln entspricht. Der Goldene Schnitt ist als Faustregel gut. Ein persönliches Urteil ist in den meisten Fällen besser.
- Licht und Schatten sind nicht nur für Physiker interessant. Das wird jeder bestätigen können, der schon mal Kerzenständer für ein romantisches Abendessen aus dem Schrank gekramt hat. Nicht nur zu diesem Thema werden wir uns einiges bei der Konkurrenz, den Fotografen abgucken.
- Kontraste bringen Spannung in unsere Arrangements. Vereinfacht kann man sagen: alle Unterschiede zwischen einem spannenden Bild und einer einheitlich grauen Fläche sind auf die eine oder andere Art auf Kontraste zurückzuführen.
In diesem Bereich werden wir uns nicht mit dem Unterschied zwischen Hell und Dunkel begnügen. Es gibt noch eine Menge weiterer Kontraste:
-
- Komplementärfarben
- groß / klein
- nah / fern
- scharf / unscharf
- Im übertragenen Sinne können wir auch Bedeutungskontraste zur Spannungsbildung einsetzen:
- Gut und Böse
- Liebe und Hass
- Katz' und Maus
- Natur und Technik
Dick und Doof- "Die Schöne und das Biest"
- ...
