Figuren und Spezialeffekte: Wie man aus digitaler Knetmasse virtuelle Wunderwelten formt
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Klammern wir an dieser Stelle Retro-Games im 2D-Look mal aus: Wer heutzutage ein Videospiel herstellen möchte, kommt an 3D-Computergrafik nicht mehr vorbei. Egal ob Gebäude, Fahrzeuge, dynamische Objekte oder selbstverständlich Spielfiguren und andere Lebewesen - alles entsteht am Computer. asselbe gilt natürlich auch für Filme und die neuesten TV-Serien: CGI, also Computer-Generated Imagery, ist in der Unterhaltungsbranche allgegenwärtig. Wir haben einem Experten bei der Arbeit zugesehen und beleuchten im Artikeln, wie eine 3D-Figur entsteht.
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In meist sauteuren und saukomplizierten Programmen werden hier virtuelle Schöpfungen und Geschöpfe modelliert, mit einem künstlichen Skelett versehen, texturiert, animiert und dann auf die Zuschauer oder Mitspieler losgelassen. Der Prozess, wie diese 3D-Grafiken entstehen, ist faszinierend - und einer, den man am besten praktisch demonstriert. Zum Glück kennen wir da einen echten Experten, der sich für uns extra ein paar Tage Zeit genommen hat, um von Null an eine brandneue 3D-Figur zu modellieren, riggen, texturieren und animieren. So konnten wir ihm zuschauen - und ihr könnt das auch: Neben den Screenshots gibt es zu diesem Special auch ein beeindruckendes Schritt-für-Schritt-Video zum Design unseres putzigen, kleinen Dinosauriers, welches wir für euch in den Artikel unterhalb des nächsten Abschnitts eingebettet haben.
Expertensache
Dürfen wir vorstellen: unser Experte, Gareth Tilt. Gareth hat Grafikdesign an der Universität von Kent in Südostengland studiert und ist seit mittlerweile acht Jahren Chef der Grafikabteilung von Cammegh in Ashford. Cammegh ist der weltweit größte Hersteller von Roulettetischen. Alle diese Tische werden per Autodesk Maya in 3D modelliert, animiert und mit Spezialeffekten ausgestattet. Außerdem ist Gareth auch in seiner Freizeit ein begeisterter 3D-Designer und ein Vollprofi beim Erstellen animierter Lebewesen - quasi als Hobby. Als absoluter Software-Crack beherrscht Gareth neben Maya auch noch die komplette Adobe-Suite, ist Programmierer, Webdesigner und hat komplett im Alleingang schon mehrere kleine Videospiele veröffentlicht. Drei Tage lang durften wir ihm in England über die Schulter gucken - und zwar im wahrsten Sinne des Wortes. Los ging es zu unserer Überraschung in Maya mit ... einem einfachen Würfel aus grauer, virtueller Knetmasse. "Früher habe ich 2D-Bilder zu dem, was ich gestalten möchte, als Referenz in Maya aufgezogen und dann in 3D nachgebaut. Mittlerweile ist das nicht mehr nötig, weil ich viel Erfahrung im Charakterdesign habe. Aber wer mit 3D-CGI loslegen möchte, sollte es mit Referenzbildern versuchen. Das ist ein guter Trick!"
Zieh dich aus!
Nachdem Gareth seinen Wunschwürfel in Maya zusammengebaut hat, bedient er sich vor allem dreier Techniken, um diesen virtuellen Knetquader langsam, aber sicher in so etwas Ähnliches wie einen Dinosaurier zu verwandeln. Diese drei Techniken heißen Extrusion, Vertice Pulling und Polygon Splitting. "Extrusion benutzte ich am seltensten", so Gareth, "Diese Technik wird dazu verwendet, um eine flache Oberfläche quasi in eine dreidimensionale Form herauszuziehen. Extrusion kann man also benutzen, um zum Beispiel aus einem Quadrat einen Würfel zu machen. Extrusion kommt später zum Einsatz, um aus dem Nacken unseres Sauriers eine Schnauze nach vorne zu ziehen. Polygon Splitting ist mein wichtigstes Werkzeug. Jedes 3D-Modell besteht aus einem Netz von Polygonen, also geometrischen Formen mit mehreren Ecken, die zusammengenommen die fertige Figur ergeben." Genau das bedeutet "Polygon" auch wörtlich übersetzt: Vieleck. Jeder Eckpunkt eines solchen Vielecks ist gleichzeitig ein sogenannter Vertex, Mehrzahl: Vertices - dabei handelt es sich um einen Punkt, den ein 3D-Modellierer frei Schnauze verschieben kann. Das Polygon folgt diesen Bewegungen seiner Vertices und nimmt die entsprechende Form an.
Quelle: PC Games
Unser Maya-Spezialist modelliert einen Dinosaurier (einen Compy, für die Fachleute) von Anfang an. Die putzige Echse startet erst mal als grauer Quader.
Gareth weiter: "Verwendet man Polygon Splitting zum Beispiel an einem Viereck, verwandeln sich dessen vier Vertices in neun Vertices - die vier ursprünglichen Ecken, jeweils ein neuer Mittelpunkt auf jeder der vier Quadratlinien und dann noch ein neuer Vertex in der Mitte des Vierecks. Dadurch entstehen aus diesem einen Quadrat insgesamt vier kleinere Quadrate. Die sind aber eigentlich nicht so wichtig, vielmehr kommt es auf die Vertices an, die ich nun nach Belieben verschieben kann - und zwar so, dass nach und nach genau die Figur entsteht, die ich mir vorstelle. Diese Technik nennt man dann Vertice Pulling. Und ganz ehrlich? Der Rest ist nur ein bisschen künstlerisches Talent und jede Menge Erfahrung."
Haut und Knochen
Künstlerisches Talent und jede Menge Erfahrung hat Gareth ganz klar: Nach noch nicht einmal einem halben Tag ist unser kleiner Dinosaurier fertig "geknetet" und sieht ... sehr seltsam aus mit seinen weit ausgestreckten Armen und dem emotionslosen Gesicht, von der grauen Platzhalterfarbe ganz zu schweigen. Genau um diese Farbe kümmert sich Gareth als Nächstes - er gibt unserem Modell eine Haut: "Texturen erstelle ich auf zwei Arten. Simple Modelle, vor allem statische Objekte wie den Schreibtisch in unserer Animation, baue ich in Photoshop zusammen. Dazu klappe ich die gesamte Haut des Modells auf und zeichne die Textur einfach auf. Maya hüllt das Modell damit dann auf den Pixel genau ein. Bei sehr komplexen
Quelle: PC Games
Nach und nach fügt Gareth dem Block weitere Polygonflächen hinzu und kreiert dadurch grob seine 3D-Figur. Hier entstehen gerade Arm- und Beinstümpfe.
Figuren und insbesondere bei Lebewesen verwendet man aber üblicherweise das Textur-Spezialprogramm ZBrush." Bei ZBrush handelt es sich um ein geniales Tool, mit dem man Texturen quasi direkt auf ein Modell aufsprühen kann. In beeindruckender Geschwindigkeit verpasst Gareth unserem Dinosaurier so eine komplette Schuppenhaut!
Nachdem unser Modell nun eine Textur abbekommen hat, steht als Nächstes sein Skelett an. Mit dessen Gelenken wird sich unsere Figur gleich bewegen. Die dazu nötigen Knochen baut Gareth in unseren Saurier ein und verschweißt danach das Skelettmodell mit dem Polygonmodell zu einer kombinierten Figur: "Die Summe aller Maßnahmen, die später die Bewegungsmöglichkeiten eines 3D-Modells steuern, nennt man Rigging. Der wichtigste Teil davon ist das Skelett selbst - es definiert die Gelenke und wie sie sich bewegen lassen, ganz so wie bei einem echten lebendigen Körper. Sehr wichtig sind auch die sogenannten Inverse Kinematics. Die sorgen dafür, dass sich, wenn man ein unteres Gelenk bewegt, auch das obere Gelenk mitbewegt. So spart man bei der Animation viel Arbeit." An genau diese Arbeit macht sich Gareth einen Moment später und wir sehen sofort, was er meint: Unser Fachmann packt sich mit der Maus die Gelenke des Dinosauriers, die er bewegen will, und positioniert unsere Figur dann in einer bestimmten Haltung.
"Diese Hauptpositionen nennt man Keyframes. Das sind die Animationsmeilensteine, die Maya verwendet, um einen Bewegungsablauf zu kreieren. Maya füllt den nicht definierten Bewegungsraum automatisch mit sogenannten Tweener-Frames, um die ich mich nicht kümmern muss. Wenn ich zum Beispiel einen Ball in ein Video einbaue, den ganz nach links ins Bild setze, einen Keyframe aufnehme, danach den Ball ganz nach rechts verschiebe und wieder einen Keyframe setze, dann erzeugt Maya alle nötigen Zwischenbilder für die Bewegung des Balls von links nach rechts automatisch." Auf diese Weise baut unser Experte so an einem einzigen Tag die komplette Dinosaurieranimation zusammen.
Von allen Seiten betrachtet
Während wir Gareth so bei seinem Werk beobachten, wird uns im Lauf der Zeit schnell klar: Ein großer Teil der Arbeit an 3D-Grafiken fließt in die Überlegung, wie man das Auge des Betrachters am besten veräppelt. Die Bemerkung lassen wir auch gegenüber unserem
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unfassbar fleißig arbeitenden Grafikdesigner fallen - und sind dabei vorsichtig, dass diese Spitze nicht irgendwie beleidigend rüberkommt. Aber Gareth schmunzelt einfach nur mit diesem typischen "Ja, ich weiß"-Lächeln. Tatsächlich ist es gerade im Filmbereich so, dass animierte CGI-Figuren und sogar nicht-dynamische Hintergrundgrafiken häufig nur aus einer einzigen Perspektive gut aussehen. Würde man den Blickwinkel der Kamera auch nur um fünf bis zehn Grad verändern, die Computermodelle wären sofort sehr grob als solche zu erkennen. Dreht man eine Filmfigur gar komplett um, wird sie in den meisten Fällen zu einem undefinierbareren Haufen aus Pixeln und Horroranatomie.
"Das stimmt schon und ist auch exakt so gewollt", erklärt uns Gareth, "Bei Filmen und Serien wird für einen einzigen Blickwinkel animiert. Alles andere als exakt diese Perspektive sieht dann furchtbar aus." Wir wissen immer noch nicht ganz genau, an welchem Punkt uns Gareth rausschmeißen würde, deswegen legen wir ganz sanft nach: "Also sind 90 % der Arbeit in Maya eigentlich, das Auge des Zuschauers zu betrügen?" Gareth schmeißt uns nicht raus. Er grinst nur wieder und sagt: "70 %".
Quelle: PC Games
Das Gesicht ist bei fast allen Polygonfiguren mit Abstand der komplexeste Teil des Gesamtmodells. So wird eine umfangreiche Mimik überhaupt erst möglich
Videospiele in Echtzeit - also außerhalb von FMV-Sequenzen und Videos - haben diesen Luxus in aller Regel nicht. Das hat einen einfachen Grund: die Kamera. Wenn ihr euch die formidablen Drachen in Der Hobbit: Smaugs Einöde oder Game of Thrones anseht, sitzt ihr frontal exakt so vor dem Bildschirm, wie die Visual-Effects-Zauberer es gerne hätten. Bei Games allerdings habt ihr die Kameraperspektive in eurer Hand. Es genügt ein Dreh am Mausrad oder ein Klick auf den Controller-Button und schon dreht sich die Welt stufenlos komplett um 360 Grad.
Das heißt: Aus jedem einzigen Blickwinkel muss diese virtuelle Welt mit all ihren Charakteren dann glaubwürdig aussehen und optisch funktionieren - sich mal so eben die Animation der Rückseite einer Spielfigur zu sparen, ist nicht drin. Das beginnt bereits bei Idle-Haltungen, also dem grafischen Verhalten eines steuerbaren Charakters, während der Spieler keine Steuereingaben vornimmt: einfaches Atmen, vielleicht ein Umschauen in der Welt oder kurzer Blickkontakt mit NPCs, die an der Figur vorbeilaufen. Für starke Bewegungen wie Laufen, Rennen oder Springen gilt das natürlich noch sehr viel mehr. Auch sie müssen aus jedem Blickwinkel - mitunter sogar aus der Vogelperspektive - hervorragend aussehen. Mehr noch: Die Übergänge von einer Animationsphase in die nächste sollten ebenfalls nicht zu grob beim Zuschauer ankommen. Wenn also eine Spielfigur aus dem Stand plötzlich lossprintet, muss das nicht nur an sich glaubwürdig aussehen, sondern auch noch aus jeder einzelnen möglichen Kameraperspektive. Dasselbe gilt für NPCs. Partikeleffekte wie zum Beispiel Wetter folgen ähnlichen Regeln. Natürlich auch alle statischen 3D-Modelle wie etwa Gebäude. Unterm Strich ist das eine gigantische Aufgabe für CGI-Grafiker - und damit eben auch die Erklärung, warum bei den AAA-Blockbustern ganze Hundertschaften von Maya-Dompteuren an neuen virtuellen Welten arbeiten.
547 Jahre später
Mit einer für uns unglaublichen Geschwindigkeit bastelt Gareth schließlich seine Szene zusammen. In dem unendlichen Dschungel aus Software-Icons, Menüs und Pop-up-Fenstern in Maya arbeitet unser Experte mit einer Klickrate an der Maus, der wir kaum folgen können. Dann steht die Animation schließlich - und sieht ehrlich gesagt noch nicht besonders spektakulär aus. Das bisher Erreichte erinnert und eher an die Effekte des Super-FX-Chips damals auf dem SNES: viele Blöcke, viele grobe, ausgewaschene Texturen, viele kantige Animationsübergänge. Das hat einen guten
Quelle: PC Games
In dem Spezialprogramm ZBrush lassen sich auf einem 3D-Modell die gewünschten Texturen regelrecht aufmalen. Da hält selbst Maya nicht mit.
Grund: Jetzt ist nämlich die Zeit für das Rendering gekommen. Den Begriff kennt man als Computer- und Videospielfan am ehesten durch "vorgerenderte Hintergründe", wie sie insbesondere Capcom zu den Glanzzeiten der Playstation 1 mit Resident Evil etabliert hat. Rendern bedeutet: Der Computer erzeugt aus den vom Grafiker gewünschten Voreinstellungen zu Lichtquellen, Spezial- und Bewegungseffekten aus jedem einzelnen Frame ein perfekt hochgerechnetes Einzelbild. Fügt man diese Einzelbilder dann zusammen, ist das Ergebnis eben ein CGI-Video. Um einen einzigen Frame aus unserem kleinen Dino-Video zu rendern, braucht Gareths verdammt kräftiger PC 2:09 Minuten. Multipliziert mit den insgesamt 300 Frames der Animation bedeutet das: Wir packen jetzt erst mal unsere Sachen zusammen und begleiten Gareth in die Innenstadt, rein in seinen Lieblingspub. Die Getränke gehen auf uns.
Als das erste Bier auf dem Tisch steht, nimmt unser Maya-Crack das Gespräch beim Thema Rendering wieder auf: "Unter drei Minuten für einen Frame sind eine echt gute Zeit. Die ersten 40 Frames habe ich inklusive Bewegungsunschärfe eingestellt, damit der Sprung unseres Sauriers wirklich organisch wirkt. Nur wegen dieses Motion Blurs brauchen die ersten 40 Frames in der Animation jeweils 14 Minuten Renderzeit." Das ist noch mal eine echte Hausnummer, so viel ist uns da schon klar. Auf unsere Frage, ob man dann also verschiedene Frames mit verschiedenen Render-Einstellungen vom Computer berechnen lassen kann, antwortet Gareth: "Ja, das nennt sich Render Passes und ist ein wichtiges Werkzeug, um die Rechenzeiten niedrig zu halten.
Nur mal so zum Vergleich: Die großen Hollywood-Animationsstudios berechnen ihre Videos in mindestens vierfacher Auflösung verglichen mit unserem Projekt, mit bei Weitem umfangreicheren Licht- und Spezialeffekten. Bei einem Film von 60 Minuten Länge mit 60 Frames pro Sekunde - also der Geschwindigkeit, bei der unser Auge sehr weiche Bewegungen wahrnimmt - kommt man insgesamt auf über 200.000 Frames. Bei 3D-Filmen im Kino sind das dann 400.000 Frames, weil man jedes Einzelbild für unsere zwei Augen aus jeweils unterschiedlichen Kameraperspektiven rendern muss. Ich habe das mal hochgerechnet: Würde ich so einen 60-Minuten-Film alleine auf meinem PC rendern wollen, würde das 547 Jahre dauern. Deswegen stehen bei den großen Studios natürlich etliche Hochleistungscomputer, die sich diese Arbeit teilen."
Nooooch mehr Arbeit?
Selbst bei unter drei Minuten pro Frame wird uns aber schnell klar, dass wir an dieser Stelle Feierabend machen. Gegen Mittag des Folgetags ist unser kleines Dino-Video dann fertig gerendert und wir wollen schon zu jubeln beginnen, als Gareth unseren Elan bremst - wir sind nämlich immer noch nicht fertig. "Jetzt steht das Basis-Video, aber es fehlt noch der Feinschliff." - sprach's und öffnete Adobe After Effects. Hier fließen dann auf
Quelle: PC Games
Rigging und Skin Weight gehören zu den wichtigsten Vorbereitungen einer Animation. Hier wird das Skelett einer Figur mit dem „Fleisch“ verbunden.
eigenen Grafikebenen noch mehr Spezialeffekte in das sonst schon fertige Render-Video, vor allem bei Feuerpartikeln schwört Gareth auf das Spezialprogramm. Wer schon einmal mit einem Ebenen-basierten Bildbearbeitungsprogramm wie Photoshop oder Sai gearbeitet hat, kann sich das sehr ähnlich vorstellen - nur eben mit Videos statt Bildern. Auch hier packt Gareth noch mal vier Stunden rein und uns wird klar: Wenn so ein CGI-Video fertig gerendert ist, wartet immer noch eine ganze Menge Arbeit. Insgesamt kostet das Softwarepaket unseres Spezialisten deutlich über 10.000 Euro, bezahlt (zum Glück) von seinem Arbeitgeber. Als es dann abends Zeit für die nächste Pub-Tour wird, ist das Werk aber endlich geschafft! Das Video ist fix und fertig, unser putziger Dinosaurier springt fröhlich auf seinen Schreibtisch und blättert durch die PC Games. An diesem Abend verabschieden wir uns herzlich von Gareth und machen uns wieder auf den Heimweg.
Respektiert die Künstler!
Unterwegs zurück in Richtung Deutschland steht für uns fest: Die fantastischen Grafiken, die wir in unseren Filmen, Serien und vor allem auch Spielen mittlerweile fast als selbstverständlich hinnehmen, sind das Werk talentierter und hervorragend ausgebildeter Arbeiter, die im gleichem Maße Techniker und Künstler sind. Ebenfalls wichtig ist eine schier unvorstellbare Rechenpower. Die hier angeschlossenen PCs und Macintosh-Computer
Quelle: PC Games
Was ein echter Fachmann ist, lässt keinen noch so kleinen Backenzahn farb- und texturlos. Gareth pinselt selbst den Unterkiefer schön rosa ein.
benötigen schon fast ein eigenes Kraftwerk und mehrere Jahre Zeit, bis die Assets alle stehen - vor allem bei Games mit umfangreichen Rendersequenzen, insbesondere RPGs oder (fast) jedes Metal Gear Solid. Dabei steigen die Anforderungen mit jedem Jahr und erst recht mit jeder Hardwaregeneration. Der Traum von Spielern und Designern gleichermaßen sind irgendwann Grafiken in Renderqualität, aber natürlich in Echtzeitberechnung. Bis die dafür nötige Wunder-Engine gebaut wird, dürften noch ein paar Jahre ins Land gehen, soweit die schlechte Nachricht. Die gute Nachricht: Dank etlicher kostenloser Softwareangebote kann jeder von euch selbst als 3D-Designer einsteigen - heute noch, wenn ihr wollt! Wie man das am besten anstellt und noch jede Menge weitere tolle Tipps gibt es in unserem Interview mit Gareth direkt im Anschluss an dieses Special.
