Hauptsache dreidimensional: Die Grundlagen der Computergrafik
PCGH Plus: Für Spiele, Filme und auch die Industrie ist die dreidimensionale Computergrafik unverzichtbar. Wir bieten einen Einblick in die Geschichte und in die grundlegenden Bestandteile von 3D-Grafik. Der Artikel stammt aus PC Games Hardware 05/2018.
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Sie mag anfangs kompliziert erscheinen, doch 3D-Computergrafik zu verstehen oder selbst zu erschaffen, ist durchaus möglich.
Kleine Filme aus dem Computer
Während PC-Spieler vergleichsweise spät in den Genuss von erster 3D-Grafik kamen, gab es entsprechende Entwicklungen schon deutlich früher. 1972 entstand die kurze Filmsequenz A Computer Animated Hand, die von Edwin Catmull und Fred Parke erstellt wurde. Sie zeigt eine dreidimensionale Hand, die nicht nur als Wireframe, sondern mit schattierten Oberflächen (Polygonen) dargestellt wurde. Darüber hinaus war sie animiert, die Hand konnte sich also bewegen. Die beiden Schöpfer waren damals Studenten an der University of Utah. Catmull ist inzwischen Präsident der Walt Disney Animation Studios und war bereits bei der Gründung der Pixar Animation Studios ein Teil des Unternehmens. Parke veröffentlichte zwei Jahre nach A Computer Animated Hand noch eine Demonstration mit einem animierten, menschlichen Gesicht.
Auch vor den 1970ern gab es erste Gehversuche mit computergenerierten Grafiken, doch kamen aus Leistungsgründen damals vornehmlich Wireframe-Ansichten zum Einsatz. Es waren also ausschließlich die definierenden Kanten der Objekte sichtbar, nicht aber die Flächen. Ein Beispiel hierfür ist die 1963 von Edward E. Zajac veröffentlichte Animation eines Satelliten, der um die Erde kreist. Sie besteht aus einer sich drehenden Kugel und einem darum rotierenden Quader.
Passende Software kommt auf den Markt ...
An Relevanz gewannen entsprechende Grafiken durch Programme, die die Erstellung von dreidimensionalen Objekten über eine Benutzeroberfläche ermöglichten. Vor diesen mussten beispielsweise die Koordinaten von Eckpunkten von Hand eingegeben werden.
In den 1980ern wurden mehrere Unternehmen gegründet, die bis heute bestehen und wichtige Programme aus diesem Bereich vertreiben: Autodesk startete 1982; das Unternehmen vertrieb zunächst Auto CAD (Computer Aided Design). 1990 erschien dann 3D Studio - der direkte Vorgänger von 3ds Max.
1983 wurde Alias Research, später Alias Systems Corporation, gegründet. Das Unternehmen entwickelte beispielsweise das Programm Poweranimator, 1998 kam dann die bekannte Software Maya auf den Markt, die inzwischen von Autodesk vertrieben wird.
Näherungen eines Kreises bzw. einer Kugel: In der ersten Zeile sind Kreise, in der zweiten Kugeln mit Flat Shading. In der dritten Zeile sehen Sie Kugeln mit Phong („Smooth“) Shading. Die Zahlen geben die Eckpunkte pro Kreis/des Gesamtobjekts an.
... und 3D-Spiele häufen sich
Während für Animationen oder Spezialeffekte in Filmen schon früher computergenerierte Grafiken zum Einsatz kamen, standen Spiele damals vor einem Leistungsproblem: Heimanwender hatten nur sehr begrenzte Rechenleistung und obendrein muss bei einem Spiel die Berechnung auch noch in Echtzeit erfolgen. Die grafische Darstellung wurde "live" und damit interaktiv also erst später möglich.
Einer der ersten Titel mit gerenderten Flächen anstelle von Wireframes, 3D Monster Maze, erschien 1981 für den Sinclair ZX81. Dieser hatte einen Prozessor mit — aus heutiger Sicht lächerlichen — 3,25 Megahertz Takt verbaut.
Das Spiel wurde in First-Person-Perspektive dargestellt; der Spieler musste darin einen Weg aus einem Labyrinth finden. Schon früher gab es Spiele mit Wireframe-Ansicht, etwa Spasim aus dem Jahr 1974.
Ein verhältnismäßig flüssiges Spielerlebnis, auch in Wireframe-Ansicht, bot beispielsweise das von Atari entwickelte Battlezone von November 1980. Zum Vergleich: Das berühmte Spiel Pac-Man erschien nur wenige Monate früher.
Ein Jahrzehnt später hatte sich die Grafik stark weiterentwickelt: Der Klassiker Wolfenstein 3D setzte auf einen Mix aus einer 3D-Spielwelt und 2D-Gegnern. Die Polygone sind hier bereits nicht mehr einfarbig, sondern mit Texturen versehen. 1995 kam der erste vollständig am Computer erstellte Spielfilm, Toy Story, ins Kino — und weitere Animationsfilme folgten. Die Grafik wurde nun langsam realistischer und vor allem massentauglich.
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Im Artikel wird auf 15.000 Zeichen Folgendes erklärt:
Aufbau einer 3D-Szene mit vielen anschaulichen Grafiken
- Geometrie: Vertices, Edges und Faces/Polygone
- Materialien und Texturen: Normal / Displacement Maps
- Lichtquellen und deren Bedeutung
- So werden 3D-Szenen dynamisch: Rigs, Bones und Shape Keys
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