Raytracing

Raytracing ist ein computergrafisches Verfahren für die realistische Darstellung von virtuellen, dreidimensionalen Szenen auf einem zweidimensionalen Bildschirm. Weitere sind das Phong Shading und Radiosity. Beim Raytracing, einem äußerst rechenintensiven Verfahren, wird die Wirkung der Beleuchtung auf die Texturen der Objektoberflächen berechnet, ebenso wie die entstehenden Licht-Schatten-Effekte unter Berücksichtigung des Betrachtungswinkels. Die Lichtreflexion der verschiedenen Oberflächenmaterialien spielt dabei eine entscheidende Rolle, da die Oberflächenbeschaffenheit, deren Form und Farbe die Brechung, Beugung, Absorption und Reflexion der auftreffenden Lichtstrahlen bestimmt.

Was die Oberflächentexturen betrifft, so reflektieren diese auftreffendes Licht je nach Materialbeschaffenheit punktförmig, gleichmäßig oder diffus. Metalle erzeugen beispielsweise eine andere Lichtreflexion als Gummi oder Kunststoffe. Die Licht-Schatten-Effekte werden von der Anzahl der Lichtquellen, deren Lichtstärke, Farbton und Anordnung bestimmt und was den Betrachtungswinkel betrifft, so können je nach Betrachtungswinkel Objekte von einem anderen Objekt verdeckt sein. Dieses Sichtbarkeitsproblem wird im Raytracing so behandelt, wie die Ausbreitung von Lichtstrahlen. Dem Verfahren nach wird dabei von einem virtuellen Betrachter aus, ein Sehstrahl in die 3D-Szene geschickt, der jeden einzelnen Bildpunkt berechnet. Die Bildpunkte, von denen der Sehstrahl zuerst reflektiert wird, sind sichtbar. Die weitergehende Berechnung berücksichtigt die Lichtreflexion von dem ersten Objekt in den Raum und auf andere Objekte, deren Oberflächenstruktur durch das reflektierte Licht weitere Lichteffekte hervorruft.

Raytracing, 
   Grafik: Databasen.de

Raytracing, Grafik: Databasen.de

Raytracing arbeitet bei der Berechnung mit unendlich vielen kleinen Dreiecken. Die komplette Szene mit allen Objekten, Lichtreflexionen und Schatten setzt sich aus kleinen Dreiecken zusammen, die jedes für sich separat für jeden einzelnen Lichtstrahl und den Schnittpunkten der Lichtstrahlen berechnet wird. Um den enormen Rechenaufwand, dieser wird für eine normale Darstellgröße auf 1 Billion Rechenoperationen geschätzt, zu reduzieren, werden beim Raytracing nur die Objekte und Lichteffekte berechnet, die der Betrachter auch sieht. Nicht sichtbare Lichteffekte und Lichtreflexionen, die vom Betrachter weg in den nicht sichtbaren Raum erfolgen, bleiben dagegen unberücksichtigt. Der Rechenvorgang entspricht damit der Betrachtungsweise des Anwenders. Eine kostengünstige Alternative zum Raytracing ist das Environment-Mapping, das weniger rechen- und zeitaufwendig ist.

Mit dem Raytracing können 3D-Szenen physikalisch korrekt dargestellt werden. Das betrifft die Oberflächen, die Distanzen der Objekte untereinander und deren Perspektiven und die vielen Licht-Schatten-Effekte.

Informationen zum Artikel
Deutsch: Raytracing
Englisch: raytracing
Veröffentlicht: 10.03.2013
Wörter: 366
Tags: Grafik-Grundlagen
Links: Absorption, Beleuchtung, Betrachtungswinkel, Beugung, Bildschirm