Simulation von Stoffen: Faden für Faden zum richtigen Licht

In einer wissenschaftlichen Arbeit beschreibt ein Team der kalifornischen Universität von San Diego ein mathematisches Modell, mit dem sich die Beleuchtung von Textilien realistisch simulieren lässt. Leiter der Studie war Iman Sadeghi, der inzwischen auch für Google arbeitet und seine Doktorarbeit an der Universität zur Simulation von Haaren verfasst hat. Auf Basis dieser Modelle wurden die Haare für den Film "Rapunzel - neu verfönt" gestaltet. Für Filme, aber auch Computerspiele soll sich auch das neue Modell für Stoffe eignen. Ähnlich wie bei der Simulation von Haarsträhnen widmeten sich die Forscher dabei den einzelnen Fäden, aus denen ein Stoff gewoben ist. Diese untersuchten sie an echtem Material unter anderem mit Mikroskopen.

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Oben ein Foto von echtem Satin, darunter das simulierte Material (Bilder: UCSD)

Dabei stellte sich heraus, dass nicht nur das Garn selbst - etwa Leinen oder Seide - ganz spezifische Eigenschaften bei der Interaktion mit Licht aufweist. Es kommt auch darauf an, mit welcher Webtechnik das Garn zu einem Stoff zusammengesetzt ist. Solche feinen Strukturen lassen sich mit klassischer 3D-Technik wie der Rasterung nur schlecht erfassen, die Zahl der Elemente ist viel zu groß.

Also vereinfachten die Forscher die gewobenen Fäden in Form von Zylindern, einer der einfachsten geometrischen Formen. Die Zylinder müssen dabei nicht unbedingt einem einzelnen Faden entsprechen, wenn das Modell einmal erstellt ist, kann auch die Kombination der Webtechnik mehrere Fäden in Form von einem Zylinder darstellen.

Simulation von Stoffen, die es gar nicht gibt

Diese Modelle der Stoffe glichen die Forscher mit Mikroskopaufnahmen so lange ab, bis sich die Brechung des Lichts und die manchmal dabei entstehenden Farbveränderungen auch im Computer realistisch zeigten. Wenn Werte wie Brechungsindex und Reflexionsfaktor bekannt sind, lassen sich damit sogar Stoffe simulieren, die es gar nicht gibt. Als ein Beispiel konstruierten die Wissenschaftler ein Gewebe aus Seide und Polyester mit einer ungewöhnlichen Webtechnik.

Durch die vergleichsweise einfache Erstellung der 3D-Modelle soll sich das Verfahren in der Computeranimation schnell durchsetzen. Die Wissenschaftler sind der Meinung, dass als einzige Alternative der CT-Scan von realen Stoffen vergleichbare Ergebnisse liefern würde, was für die meisten Anwendungen viel zu teuer und langwierig ist.

Die Simulation von komplexen Strukturen ist auch bei Spielegrafik ein Feld, das immer weiter erforscht wird. Zuletzt erregte das von AMD mitentwickelte Verfahren TressFX Aufsehen, das im letzten Tomb-Raider-Spiel der Protagonistin Lara Croft physikalisch korrekt bewegtes Haar bescherte. Im Unterschied dazu kümmert sich die aktuelle Arbeit der US-Forscher aber nicht um die Bewegung, sondern nur um die Beleuchtung.