Was ist Raycasting?

Einführung.

Beim Raycasting wird ermittelt, wie Licht in einer virtuellen Szene auf das Auge (bzw. die Kamera) treffen wird. Im Fall von 3D-Grafiken wird nachgestellt, wie digitale Lichtstrahlen aus der Perspektive der Betrachtenden in die digitale Umgebung gesendet werden. Die Strahlen treffen auf Objekte in der Szene. Mittels Raycasting wird deutlich, welche Farbe und Helligkeit die einzelnen Pixel abhängig vom Einfallswinkel des Lichts und von den Eigenschaften des jeweiligen Objekts haben sollten.

Raycasting spielt bei Render- und Visualisierungsprozessen eine wichtige Rolle, weil sich damit realistische Interaktionen zwischen Licht und Objekten in einer digitalen Umgebung simulieren lassen. Das Ergebnis sind besonders realistische Figuren, Gegenstände und Szenen.

Geschichte.

Raycasting ist ein Standardverfahren im modernen 3D-Design. Die Technologie gibt es aber schon seit Jahrzehnten. In den 1960ern haben Informatikerinnen und Informatiker Methoden erforscht, mit denen sie das Zusammenspiel zwischen Licht und Oberflächen simulieren können, um realistischere, digitale Bilder zu erzeugen. In den 1980ern verfasste John Turner Whitted eine wissenschaftliche Arbeit zum rekursiven Raytracing, die diese neue Technik bekannt machte. Raytracing heißt so viel wie „Strahlenverfolgung“. Damit lassen sich Spiegelungen und Brechungen berechnen. Beim rekursiven Raytracing wird der Algorithmus immer wieder aufgerufen, um mehrfache Spiegelungen und Lichtbrechungen zu ermöglichen.

Richtig durchgesetzt hat sich Raycasting in den frühen 1990ern nach dem Spiel „Wolfenstein 3D“. Entwickler John Carmack und sein Team nutzten die Technik, um eine 3D-Perspektive in einer 2D-Umgebung zu erzeugen. In den 2000ern fingen Kreative an, Raycasting mit Rasterisierung zu kombinieren, um Echtzeit-Rendering in digitalen Simulationen möglich zu machen. Heute arbeiten verschiedene Unternehmen an der Entwicklung von Hardware-beschleunigtem Raytracing und setzen damit wieder völlig neue Maßstäbe.

Anwendungsmöglichkeiten.

Raycasting ist ideal für Videospiele, kommt aber auch in anderen Bereichen zum Einsatz, z. B.:

1. Medizinische Bildgebung: Per Raycasting werden Volumetriedaten aus CT- und MRT-Scans gerendert. Diese detaillierten 3D-Bilder erhöhen die Genauigkeit von Diagnosen.
2. Architektur: Planerinnen und Planer simulieren mit Raycasting die Lichtverhältnisse in Gebäuden. So lässt sich beispielsweise prüfen, wie viel Sonnenlicht je nach Jahreszeit in einen Raum fällt.
3. Virtual Reality (VR): Bei VR wird Raycasting zur Interaktionserkennung genutzt, z. B. durch Eyetracking und Objektauswahl, um die User Experience immersiver zu gestalten.
4. Videospiele: Beim Gamedesign ermöglicht Raycasting realistische, interaktive Umgebungen. Es wird in diesem Bereich auch für das Rendering und die Kollisionserkennung eingesetzt. Mithilfe von Raycasting sind z. B. „Doom Eternal“ und „Cyberpunk 2077“ entwickelt worden.

Volume-Raycasting.

Volume-Raycasting ist eine Weiterentwicklung der Technik, bei der Volumendaten wie 3D-Texturen und -Datensätze genutzt werden. Beim herkömmlichen Raycasting wird das Auftreffen von Lichtstrahlen auf Oberflächen simuliert, während beim Volume-Raycasting der Weg der Strahlen im Raum verfolgt wird. Ein Use Case ist das Visualisieren von 3D-Daten aus CT- oder MRT-Scans in der medizinischen Bildgebung.

Raycasting vs. andere Rendering-Techniken.

Adobe Substance 3D enthält Tools zum Generieren, Bearbeiten und Gestalten von 3D-Modellen. Raycasting kommt in Substance 3D beispielsweise beim Textur-Baking oder für das Zusammenspiel zwischen Licht und digitalen Materialien zum Einsatz. Als Ergänzung zu den 3D-Tools von Substance 3D ermöglicht Raycasting detaillierte, präzise Texturen für besonders realistische 3D-Modelle.

Wie unterscheidet sich Raycasting von anderen Rendering-Techniken?

1. Raycasting: Die Sichtbarkeit von Objekten wird anhand von Strahlen ermittelt, die von Betrachtenden in die Szene gesendet werden.
2. Rasterisierung: Bei dieser Technik der 3D-Modellierung werden geometrische Formen in Pixel umgewandelt. Der wichtigste Einsatzbereich sind Echtzeitgrafiken in Videospielen.
3. Raytracing: Hierbei handelt es sich um eine erweiterte Form des Raycasting. Die Technik simuliert den Weg von Lichtstrahlen durch eine Szene. Raytracing ermöglicht sehr realistische Bilder, erfordert dafür aber viel Rechenleistung.

Einstieg in das Raycasting.

Wenn du dich mit Raycasting näher befassen möchtest, gehe wie folgt vor.

1. Lerne die Basics. Informiere dich über Lichtstrahlen, ihre Wirkungsweise und ihr Zusammenspiel mit Objekten in einer Szene.
2. Beginne mit einer einfachen Szene. Wenn die Technik für dich noch neu ist, fange mit einfachen Formen wie Kugeln und Ebenen an. Gib diesen Objekten mit simplen Schattierungstechniken Tiefe. Beobachte, wie sich Schatten, Spiegelungen und Brechungen in der Szene verändern.
3. Mache mit komplexeren Szenen weiter. Wenn du dich mit der grundlegenden Funktionsweise vertraut gemacht hast, erweitere die Anzahl von Objekten und Materialien in deinen Szenen.

Auch über den Einstieg hinaus empfiehlt es sich, deine Raycasting-Skills zu vertiefen. Nutze dazu Online-Tutorials, Communitys und Leitfäden zu Adobe Substance 3D.

Raycasting mit Adobe Substance 3D.

Beim Raycasting werden reale Lichtverhältnisse in digitalen Räumen simuliert, wodurch die Szenen echter wirken. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von der medizinischen Bildgebung bis zu Videospielen. Probiere es gleich selbst aus – in Adobe Substance 3D.