Lexikon

Raytracing ist eine computergestützte Technik zur Erzeugung von photorealistischen Bildern und Animationen, die in der Computergrafik und in der Filmproduktion weit verbreitet ist. Der Name leitet sich von der Methode ab, bei der Strahlen von Licht oder elektromagnetischer Strahlung virtuell durch eine Szene verfolgt werden, um zu bestimmen, welche Objekte von jedem Pixel einer virtuellen Kamera aus sichtbar sind und wie sie von Lichtquellen beeinflusst werden.

Raytracing basiert auf der Idee, dass Lichtstrahlen von einer Lichtquelle ausgestrahlt werden und sich auf Objekte im Raum verteilen, die dann die Strahlen absorbieren, reflektieren oder brechen. Wenn ein Lichtstrahl auf ein Objekt trifft, wird er in viele weitere Strahlen aufgeteilt, die in unterschiedliche Richtungen gestreut werden. Dieser Prozess wird als Streuung bezeichnet und kann sehr komplex sein, wenn das Licht auf komplexe Objekte trifft.

Im Raytracing-Verfahren wird die Szene als eine Sammlung von geometrischen Objekten modelliert, die alle miteinander interagieren können. Jedes Objekt wird als eine mathematische Formel beschrieben, die seine Form, Größe und Position im Raum definiert. Einige der am häufigsten verwendeten Formen sind Kugeln, Quadrate und Dreiecke.

Um ein Bild mit Raytracing zu erzeugen, wird zunächst eine virtuelle Kamera positioniert und ausgerichtet, um die Szene zu betrachten. Dann wird ein Lichtstrahl von der Kamera ausgesendet und durch die Szene verfolgt. Der Strahl trifft auf das erste Objekt, mit dem er in Berührung kommt, und wird dann entsprechend seiner Reflexions-, Brechungs- oder Absorptionskoeffizienten modifiziert.

Wenn der Strahl reflektiert wird, wird er in einer anderen Richtung ausgesendet und durch die Szene verfolgt, bis er erneut auf ein Objekt trifft oder die Szene verlässt. Wenn der Strahl gebrochen wird, wird er auf der anderen Seite des Objekts neu ausgerichtet und erneut durch die Szene verfolgt. Wenn der Strahl absorbiert wird, wird er nicht weiter verfolgt und seine Farbe und Helligkeit werden für das Pixel berechnet, an dem er auf das Objekt getroffen ist.

Dieser Prozess wird für jeden Strahl von der Kamera aus wiederholt, bis für jedes Pixel des Bildes die Farbe und Helligkeit berechnet wurden. Das Ergebnis ist ein photorealistisches Bild, das Schatten, Reflexionen, Brechungen und andere Lichteffekte genau darstellt.

Raytracing ist ein sehr rechenintensiver Prozess, der für komplexe Szenen viele Stunden oder sogar Tage dauern kann, um ein einzelnes Bild zu erzeugen. Es ist jedoch möglich, die Rechenzeit zu reduzieren, indem man Techniken wie paralleles Rendering, Voxelisierung oder den Einsatz von spezialisierten Grafikkarten verwendet.

Raytracing bietet viele Vorteile gegenüber anderen Technologien in der Computergrafik, aber es hat auch einige Nachteile, die berücksichtigt werden müssen. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Vor- und Nachteile von Raytracing aufgeführt:

Vorteile:

1. Realistische Darstellung von Licht: Raytracing bietet eine sehr realistische Darstellung von Licht in einer Szene, da es die physikalischen Eigenschaften von Licht wie Reflexionen, Brechungen und Schatten genau modelliert.
2. Flexibilität: Da Raytracing auf mathematischen Formeln basiert, können komplexe Szenen mit beliebigen Objekten erstellt werden. Es ist auch möglich, Materialien mit verschiedenen Texturen und Reflexionseigenschaften zu erstellen.
3. Zeitersparnis: In einigen Fällen kann Raytracing Zeit sparen, da es nicht notwendig ist, alle Details einer Szene zu modellieren. Es ist oft ausreichend, nur die Oberflächen von Objekten zu modellieren, die von der Kamera aus sichtbar sind.
4. Echtzeit-Rendering: Fortgeschrittene Hardware wie spezialisierte Grafikkarten und Raytracing-beschleunigte Chips ermöglichen inzwischen auch Echtzeit-Rendering mit Raytracing, was eine höhere Immersion und Interaktivität ermöglicht.

Nachteile:

1. Rechenintensität: Raytracing ist ein sehr rechenintensiver Prozess, der oft viele Stunden oder sogar Tage benötigt, um ein Bild zu erzeugen. Dies kann zu langen Wartezeiten führen, die die Produktivität beeinträchtigen können.
2. Komplexität: Raytracing erfordert ein hohes Maß an technischem Wissen und Erfahrung, um erfolgreich angewendet zu werden. Die Erstellung und Optimierung von Raytracing-Szenen erfordert oft auch eine komplexe Workflow-Organisation.
3. Hardware-Anforderungen: Raytracing benötigt spezielle Hardware wie Grafikkarten oder Chips, um effektiv zu funktionieren. Das macht Raytracing für viele Benutzer kostspieliger und möglicherweise unzugänglicher.
4. Artefakte und Fehler: Bei der Anwendung von Raytracing können Artefakte und Fehler auftreten, die das Bild beeinträchtigen können. Diese Fehler können oft nur durch aufwendige Nachbearbeitung des resultierenden Bildes behoben werden.

Insgesamt ist Raytracing eine leistungsstarke Technologie, die eine hohe Genauigkeit und Flexibilität bietet, um realistische Bilder und Animationen zu erzeugen. Sie wird in vielen Bereichen der Computergrafik eingesetzt, einschließlich der Film