Raytracing

Raytracing ist eine Methode zur computergestützten Erzeugung von photorealistischen Bildern. Dabei werden dreidimensionale Objekte durch mathematische Verfahren dargestellt (Vektorgleichungen, triangle mesh oder ähnliches), mit Oberflächentexturen und -strukturen versehen, optische Eigenschaften definiert, Lichtquellen gesetzt. Anschließend werden durch jedes Bildschirmpixel »Sehstrahlen« geschickt, sozusagen Lichtstrahlen rückwärts, wobei getestet wird, ob sie irgendwann auf eine Lichtquelle treffen.
Sobald ein Sehstrahl auf eine Lichtquelle stößt, wird der Strahl zurückverfolgt: Welche Farbe und Helligkeit hat das Licht ursprünglich? Läßst die Helligkeit des Strahls nach, wenn er sich von der Lichtquelle entfernt oder nicht, und wenn ja, wie stark? Bei jeder Reflexion an einem Objekt und bei jedem Durchgang durch ein durchsichtiges Objekt (mit Brechung des Lichtstrahls, natürlich): Wie ändern sich Farbe und Helligkeit des Strahls?
Wenn der Lichtstrahl schließlich wieder beim Bildschirmpixel ankommt, wird dieses in der entsprechenden Farbe eingefärbt.

Manche Effekte lassen sich mit dieser primitiven Strahlenoptik schlecht simulieren, z.B. indirektes Licht, Glanzlichter, Nebel etc. Dafür gibt es andere Algorithmen, z.B. Radiosity für indirektes Licht oder Phong Shading für Glanzlichter.
Außerdem ist Raytracing für schnelle Berechnungen, etwa 3-D-Spiele, ungeeignet, da es zu rechenintensiv ist. Hier behilft man sich dann mit einfachen Shading-Algorithmen, die einfach nur näherungsweise Licht und Schatten berechnen.

Der Oberbegriff für all diese Verfahren lautet Rendering.

Ein bekannter Raytracer, der seit Version 3.0 auch Radiosity für realistisches indirektes Licht und gute Nebel-Effekte unterstützt, ist der Persistence of Vision Raytracer, besser bekannt als POV-Ray (www.povray.org). Povray ist Freeware und für verschiedene Betriebssysteme erhältlich, und es gibt eine Menge an Zusatzsoftware, z.B. für Animation, Partikelsysteme, Menschen, Pflanzen, etc.
Allerdings ist es nicht ganz einfach, mit POV zu arbeiten, wenn man nicht gerade Programmierer ist, da man nur wenig bis gar nicht mit visuellen CAD-Modellen arbeitet, dagegen sehr viel in einer speziellen Programmiersprache schreibt.

Der beste kommerzielle Raytracer mit integriertem graphischem Modeller, den ich kenne, ist MetaCreations' Bryce 4. Manche Sachen, die man mit POV nur mit Mühe hinbekommt, sind mit Bryce mit ein paar Mausklicks erledigt - andererseits sind manche Dinge mit Bryce kaum hinzubekommen, die bei POV mit ein paar Zeilen Code erschlagen sind. Es gibt halt immer auf allen Seiten Vor- und Nachteile.

Und warum platscht mein 3D-Modell nicht zum Bildschirm-Rand runter, wenn ich Wasser als Material vergebe? Es wabbelt nicht einmal, wenn ich es ganz schnell drehe.
Aber Wasser als Material ist praktisch, wenn ich das Teil durchsichtig drucken will, wegen den Innereien. Ich könnte auch Plexiglas nehmen oder die Transparenz der Füllfarbe erhöhen, aber Wasser ergibt den besten Effekt.
Aber in Echt würde das Teil dann runter platschen.

Raytracing bedeutet »Strahlenverfolgung«, und genau das ist es - künstliche Lichtstrahlen in einer künstlichen Umgebung werden auf ihrem Weg verfolgt, um zu ermitteln, mit welcher Intensität und Farbe sie beim Betrachter (bzw. der virtuellen Kamera) ankommen.

Raytracing ist ein Verfahren, welches die Inversität des Lichts bei kleinen Geschwindigkeiten nutzt, um den Strahl statt vom Objekt zum Beobachter vom Beobachter zum Objekt erzeugt um den Berechnungsaufwand zu minimieren. Besonders Brechungs- und Oberflächeneffekte machen Bilder so nicht nur Fotorealistisch sondern Perfektionistisch bis Surrealistisch.

Im Gegensatz gibt es das Rendering, welches hauptsächlich auf die Performance zum Bildaufbau abzielt um interaktive Szenen zu erzeugen.

...bis der Arzt kommt, PoV-Ray rules! Und wenn man dann am Morgen danach beim Frühstück über den Brechungsindex von Marmelade grübelt, weiß man, dass es einen definitiv gepackt hat!