Making of zu "Vulkane in 360 Grad"

Eine virtuelle Reise in die Welt des Vulkanismus

So nah wie in dem VR-Film "Vulkane in 3D und 360 Grad" wird wohl selbst der mutigste Vulkanologe keinem ausbrechenden Riesen zu Leibe rücken. Der rein am Computer generierte Film zeigt fotorealistisch und in einzigartiger Detailtreue, was bei einem Vulkanausbruch geschieht und nimmt den Zuschauer auf eine eindrückliche, aber völlig sichere virtuelle Reise in die Welt des Vulkanismus mit.

Darstellung eines Arbeitsschrittes für einen computeranimierten Vulkanausbruch
Quelle: ZDF/ Faber Courtial

So nah wie in dem VR-Film "Vulkane in 3D und 360 Grad" wird wohl selbst der mutigste Vulkanologe keinem ausbrechenden Riesen zu Leibe rücken. Der rein am Computer generierte Film zeigt fotorealistisch und in einzigartiger Detailtreue, was bei einem Vulkanausbruch geschieht.

Für den VR-Film wurden Animationen weiter entwickelt, die für den Zweiteiler "Die Macht der Vulkane" verwendet wurden. Der VR-Film, welcher vollständig in der Software 3DS-Max erstellt wurde, betritt in vielen Bereichen Neuland. So sollte nicht nur eine rund um den Betrachter gestaltete „Virtuelle Realität“ geschaffen werden (360-Film), sondern gleichzeitig ein 3D-Film (d.h. „stereoskope Bilder“) mit einer räumlichen Wirkung

Szenen mit Raumwirkung entwerfen

Der Aufwand beginnt bereits beim Konzept: Nicht jedes Motiv bietet sich gleichermaßen gut für einen räumlichen Eindruck an. Bei einem Blick auf so große Objekte wie ein Vulkan ist es die weite Totale über den Gipfel, die stereoskopisch schwer zu realisieren ist. Als Beispiel ausgedrückt: Jeder, der auf einem Berggipfel schon einmal in die Weite geblickt hat, weiß, dass sich die Distanzen einer Landschaft nur schwer schätzen lassen. Doch für einen räumlichen Eindruck bedarf es klar getrennter Vorder- und Hintergründe, um die Tiefe spürbar zu machen. Aus diesem Bedürfnis heraus ist die Tempel-Szene entstanden, die einen spürbaren Vordergrund bietet und die Größe des Vulkans noch mächtiger erscheinen lässt.

Klippe Zwei ist der enorme Aufwand der Bilder rund um den Zuschauer herum. 360-Grad-Videos bedürfen einer anderen Inszenierung als „normale“ Filmbeiträge. Statt in isolierten Einstellungen zu denken, die durch Schnitt und Kamera gelenkt werden, schafft man komplexe Räume, in denen sich der Zuschauer frei umsehen kann. So müssen Szenen geschaffen werden, die nicht eine Projektionsfläche bespielen, sondern einen ganzen Raum, und die so den Betrachter animieren sich umzusehen. Ein besonders gutes Beispiel für eine solche Inszenierung ist die Sequenz, in welcher dem Zuschauer ein Vogelschwarm begegnet. Sie lenken den Blick des Zuschauers in neue Blickrichtungen. Dieser freie Blick erhöht aber den Aufwand für die Grafiker erheblich, denn es müssen immer alle Blickrichtungen gestaltet und vorgehalten werden.

Aufwändige Partikelsimulationen

Ein bereits konzeptionell so ambitioniertes Problem stellte das Team von Faber Courtial natürlich auch vor erhebliche technische Herausforderungen. Ein Vulkanausbruch, das ist Feuer, Lava – und vor allem Rauch und Gesteinsauswurf. In 3D-Animationen stellt man so etwas durch Partikelsimulationen dar. Wer sich ein wenig mit der Render-Welt auskennt, weiß, welcher Aufwand Partikel bedeuten. Gewöhnlich arbeitet man mit Tricks, um die aufwendigen Simulationen hinsichtlich der Partikelphysik im Rahmen zu halten. Doch bei dem Rundum-Vulkan war dies nicht möglich. Die Erschaffer der Animationen konnten sich nicht auf einen Bildausschnitt begrenzen, sondern mussten auch die Ausbruchswolken außerhalb der Blickrichtung darstellen. Dazu muss der Partikelstrom über die gesamte Länge der Animation physikalisch simuliert werden. Speicherauslastung, Renderzeit und der Detailgrad der Simulation stiegen enorm an.


Um die Partikelwolken auf den Workstations überhaupt berechnen zu können, war es nötig, den gesamten Vulkanausbruch in zwölf einzelne Simulationen aufzuteilen. Rauch, große Lavabomben, kleine Lavabomben, Brocken und Funken wurden für jede Ebene einzeln simuliert. Jede dieser Simulationen unterteilte sich in wiederum zehn Render¬ebenen. Trotz dieses gewaltigen Rechenaufwandes wurde nicht an der Physiksimulation gespart: Philipp Clermont, der sich bei FaberCourtial um das Projekt kümmerte, erklärt: „Lavabrocken und Asche interagieren mit der Umgebung, die hohe Temperatur aus dem Kraterinneren erzeugt Auftrieb und Verwirbelungen. Die Rauchpartikel spalten sich in kleinere Partikel auf, was zwar die Komplexität nochmals erhöht, jedoch noch mehr Detail verspricht und damit einen besseren Eindruck der gewaltigen Größe der Aschewolke vermittelt.“

"Supersampling": Detailschärfe und Detailgröße optimieren

Um bei einer streamingfähigen Endauflösung dann dennoch den Detailgrad beizubehalten, musste noch ein weiterer Komplexitätsfaktor miteinbezogen werden – einen erheblich größeren Speicherbedarf als später in der Animation benötigt, um Supersampling zu ermöglichen. Supersampling bedeutet, ein Bild größer zu berechnen und dann über einen Algorithmus auf die Zielgröße zu verkleinern. So verhindert man eine übermäßige Treppenbildung durch einzelnen Pixel und erreicht eine weitaus höhere Detailschärfe. Gerade bei VR ist das wichtig. Denn durch die Brille blickt man ja immer nur auf einen vergrößerten Teilausschnitt des Gesamtbildes, das den Zuschauer umgibt. Bildfehler und Ungenauigkeiten treten deutlich hervor.

Vulkan in 3D - Wegfliegende Tauben
Vögel fliehen vor dem ausbrechendem Vulkan Quelle: ZDF/ FaberCourtial


So konnte auch bei diesem Projekt auf eine Minimierung dieser Probleme durch Supersampling nicht verzichtet werden – auch wenn die Bildgröße eines Einzelframes in der Summe damit auf unglaubliche 250 MB anschwoll. In 4k-Auflösung wohlgemerkt – und das mal zwei. Denn für jedes Auge musste eine etwas andere Perspektive frisch berechnet werden, um den räumlichen Eindruck zu ermöglichen. Durch die hohe Auflösung, das 3D¬Format und die Partikelsimulationen ergeben sich enorme Datenmassen für die Quellanimation. In Einzelebenen werden nicht nur der sichtbare Bildinhalt, sondern auch Farbkanäle, Kanäle für Bildtiefe, die Position einzelner Pixel im Raum und die Pixelgeschwindigkeit gespeichert. Jeder Frame benötigte in der Summe circa drei Stunden Berechnungszeit für den Computer. Nur durch die Verteilung auf mehrere Rechner konnten diese Massen in dem relativ kurzen Produktionszeitfenster bis zur Veröffentlichung bewältigt werden. Insgesamt benötigte die Animation ungefähr 5,5 Terabyte Speicherplatz, auf mehrere Festplatten verteilt.

Forschungsprojekt mit Universität Glasgow

Dabei war noch eine letzte Hürde zu umschiffen. Wie sich in der Produktion herausstellte, gab es für die Endberechnung der Simulation keine virtuelle Kamera, welche dem Vorhaben gewachsen war. Erst in einer Co-Entwicklung mit der Universität Glasgow gelang es, eine eigene Software-Kamera zu entwickeln.Das Problem: Für die Ausgabe eines perfekten stereoskopischen Bildes in VR benötigt man eine sehr komplexe Strahlenfunktion. Bei einem normalen Film, in dem man sich nicht frei umsehen kann, reicht es einfach, die zwei Kameras für die beiden Augen einige Zentimeter voneinander entfernt zu berechnen. Der Tiefeneffekt stellt sich dann ein. Da man aber in VR in alle Richtungen blicken kann, funktioniert das hier nicht. Je weiter man von der ursprünglich berechneten Blickrichtung abweicht, desto stärker reduziert sich der räumliche Eindruck. Leider gab es zu der Zeit, als das Projekt in der Herstellung war, keine Kamera in 3DS Max, welche dieses Problem lösen konnte.


Ein bereits bestehender Kontakt zur Universität Glasgow brachte den Durchbruch. Der neuartige Ansatz, in einer 3D Software eine neuartige Kamera für stereoskopische Rundumbilder zu generieren, faszinierte die Schotten. Ein offizielles Forschungsprojekt entstand, das in Kooperation zwischen Faber Courtial als Unternehmen und der Universität finanziell gefördert wurde. Diese Zusammenarbeit brachte schlussendlich die Lösung des Problems – welches im Bereich des VR-Realfilmes übrigens bis heute ungelöst bleibt. In der Summe wird deutlich, dass die packenden Minuten, die uns das fertige Video in einen Vulkanausbruch führt, bei der Produktion für viel Kopfzerbrechen sorgten.

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