Wenn digital und real verschmelzen: Filmgrafik mit NVIDIA

 
 

NVIDIA Quadro FX Grafiklösungen bei Nexus Digital Studios und Motion Analysis Studios



Computergenerierte Umgebungen, Figuren und Spezialeffekte, so genannte CG-Elemente, sind aus modernen Filmproduktionen kaum mehr wegzudenken. Doch der Begriff an sich enthält nur die halbe Wahrheit – denn im Wortsinn „durch den Computer erzeugt“ sind die Digitalgrafiken natürlich nur teilweise. Abgesehen davon, dass die gesamte kreative Arbeit aus offensichtlichen Gründen von Designern und Grafikern aus Fleisch und Blut geleistet wird, spielt die reale Welt auch als „Rohstoff“ eine wichtige Rolle. Die Figuren und Objekte in digitalen 3D-Welten beruhen heutzutage größtenteils auf ganz realen Menschen und Gegenständen, die mit modernster Lasertechnik vermessen und gescannt werden. Technologien zur Bewegungsanalyse, so genannte Motion-Capture-Verfahren, erfassen Bewegungsabläufe am lebenden Objekt und sorgen auf diese Weise dafür, dass sich auch das digitale Pendant natürlich bewegt. Längst interessiert sich auch die Industrie für derartige Verfahren – wenn es beispielsweise darum geht, bei der Entwicklung neuer Produkte einen realistischen menschlicher Körper mitsamt seiner Bewegungen zu simulieren, wie es unter anderem in der Automobilkonstruktion denkbar ist.

Inzwischen gibt es eine ganze Reihe spezialisierter Studios, die Film- und Fernsehproduzenten mit derartigen Spezialdienstleistungen versorgen. Zwei der renommiertesten Firmen in der Branche sind Nexus Digital Studios und Motion Analysis Studios (MAS). Beide versorgen Filmprofis mit fotorealistischem CG-Material in absoluter Spitzenqualität – was bedeutet, dass ihre Arbeit ohne extrem leistungsfähige Grafiklösungen kaum denkbar wäre. Und beide verlassen sich in dieser Hinsicht auf NVIDIAs Profi-Grafikprodukte der Quadro® FX-Reihe.

Die Kundenliste kann sich sehen lassen: Mit NVIDIA-Grafikpower hatten Nexus und MAS unter anderem bei aufwändigen Fernsehproduktionen wie der Doku Xtreme Martial Arts (XMA) des amerikanischen Discovery Channel die Finger im Spiel. Auch bei Hollywood-Kassenschlagern wie Matrix, Herr der Ringe, Spider-Man oder X-Men half die Technologie, atemberaubende Actionsequenzen auf die Leinwand zu bringen. Nicht zuletzt haben auch Videospiel-Designer die Technik für sich entdeckt – so sorgt sie beispielsweise in Titeln wie NHL Hockey (ESPN) oder NCAA Basketball (Sega) für beeindruckende Effekte.

Diese Kampfsportler gehen wirklich bis an die Leistungsgrenzen des menschlichen Körpers, und dass wir ihre Bewegungsabläufe jetzt bis auf Knochen- und Muskelebene messen und visualisieren können, haben wir zu einem großen Teil den NVIDIA Quadro Grafiklösungen zu verdanken. Dank der Technologie von NVIDIA haben wir eine Fernsehproduktion auf absolutem Hollywood-Niveau geschaffen.-- Mickey Stern, Executive Producer von XMA bei BASE Productions, Inc.
Projektprofil: Discovery Channel
Für die Doku XMA des amerikanischen Discovery Channel sollten die Studios 3D-Modelle von Kampfsportlern erstellen, die eine Reihe von Kampfsequenzen durchspielen. Mit dem bloßen Auge lassen sich derartige Bewegungsabfolgen kaum bewusst verfolgen oder analysieren – sie sind einfach viel zu schnell. Die CG-Animationen hingegen bieten die Möglichkeit, die komplexen Bewegungsabläufe auf ein zuschauerfreundliches Niveau zu verlangsamen. So lassen sich die genauen Körperbewegungen und die dabei wirkenden Kräfte auf beeindruckende Art und Weise verdeutlichen.

Produziert wurde XMA von BASE Productions, wo man aus verschiedenen Prestigeprojekten – von Spielfilmen über Fernsehdokumentationen bis hin zu Sportproduktionen – bereits Erfahrung mit ähnlichen Elementen mitbrachte. Die Kombination all dieser Verfahren in einem derart komplexen und aufwändigen Projekt war jedoch auch für BASE Productions Neuland. Zwei Ziele hatte man vor Augen: Einerseits wollte man die Zuschauer mit Körperanimationen in noch nie dagewesener Qualität beeindrucken, andererseits sollten diese auch in biomechanischer Hinsicht vollkommen korrekt sein. Die erzeugten Daten sollten nicht nur für die Animatoren verwertbar sein, sondern auch wissenschaftlichen Ansprüchen genügen. Um diese Ziele zu erreichen und XMA-Regisseur John Brenkus Spitzenqualität liefern zu können, brauchte man extrem leistungsfähige Grafiksysteme – und dafür kam nur die NVIDIA Quadro FX infrage.

Im ersten Schritt auf dem Weg hin zu einem realistischen virtuellen Ebenbild ließen die Kampfsportler aus XMA zunächst bei Nexus Digital Studios in einem 3D-Laserscanner ihre Körper vermessen. Das Ergebnis eines solchen Scans ist eine beeindruckende Menge von Rohdaten – immerhin einige Hunderttausend Polygone. Für die NVIDIA Quadro FX 3000 kein Problem: In Echtzeit wurden aus den Unmengen von Polygondaten 3D-Abbilder eines jeden einzelnen Kämpfers erstellt. Anschließend passten die Grafiker biomechanisch korrekte, animierte Skelettmodelle in die gescannten Körper der Athleten ein. Dann konnte es auch schon mit der Action losgehen: Auf der Motion-Capture-Bühne von Motional Analysis Studios (MAS) führten die Sportler ihre akrobatische – und potenziell tödliche – Kampfkunst vor. Mithilfe von hochempfindlichen biomechanischen Sensoren auf den Körpern der Kämpfer konnten die MAS-Techniker dabei jede noch so kleine Muskel- und Körperbewegung erfassen. Auch die komplizierten Waffenbewegungen ließen sich auf diese Weise exakt und vor allem aus sicherer Entfernung festhalten. Ein Vorteil, über den das MAS-Team in diesem Fall sicherlich doppelt froh war – denn wer bekommt es schon gerne aus nächster Nähe mit Schwertern, Messern, einer Kung-Fu-Peitsche oder einem Furcht einflößenden Stachelfächer zu tun? Im letzten Schritt wurden dann schließlich die gewonnenen Bewegungsdaten mit den 3D-Scans der Kämpfer verknüpft – die virtuellen Kampfsportler erwachten zum Leben.

Das fertige Ergebnis übertraf selbst die kühnsten Erwartungen der Produzenten. Mickey Stern, Executive Producer bei BASE: „Die Art und Weise, wie wir in XMA echtes Filmmaterial, spektakuläre Effekte und biomechanisch korrekte Animationen zusammenbringen, könnte vielleicht sogar unsere ganze Herangehensweise bei der filmischen Darstellung menschlicher Bewegung verändern. Natürlich soll es zunächst einmal einfach dem Zuschauer Spaß machen – aber auch für die Wissenschaft und zu Lernzwecken ist diese Arbeitsweise von großem Wert. Diese Kampfsportler gehen wirklich bis an die Leistungsgrenzen des menschlichen Körpers, und dass wir ihre Bewegungsabläufe jetzt bis auf Knochen- und Muskelebene messen und visualisieren können, haben wir zu einem großen Teil den NVIDIA Quadro Grafiklösungen zu verdanken. Dank der Technologie von NVIDIA haben wir eine Fernsehproduktion auf absolutem Hollywood-Niveau geschaffen.“

Digital ist besser: Eben noch in der realen Welt, jetzt schon im Computer
Nexus und MAS verbindet eine sehr enge Zusammenarbeit, was sich nicht zuletzt darin zeigt, dass sie sich quasi um die Ecke von Hollywood im kalifornischen Culver City dieselbe Firmenadresse teilen. Der Grund dafür: Die Dienstleistungen der beiden Unternehmen ergänzen sich perfekt – oft möchte der Kunde sowohl einen 3D-Scan eines ruhenden Objekts als auch die passenden digitalisierten Bewegungsabläufe und Animationen.

Nexus Digital Studios: Gegenstände, Tiere, Menschen – alles wird hochauflösend und fotorealistisch digitalisiert
„Normalerweise fangen unsere Projekte mit einem Scan an“, erklärt Domi Piturro, Studioleiter bei Nexus. „Das funktioniert so: Ein 3D-Laser richtet einen sehr schwachen roten Laserstrahl auf das Objekt, das wir scannen wollen. Der Laser tastet die Oberfläche ab, und durch Interpolation mit anderen Kameras entsteht ein 3D-Profil. Die so gewonnenen Scandaten gehen dann an eine Workstation mit einer NVIDIA Quadro FX 3000, wo daraufhin in Echtzeit ein 3D-Bild erzeugt wird. Die Laser sind sehr genau, sodass wir genügend Details erfassen können, um ein sehr organisch wirkendes und lebensechtes Modell zu erhalten. Noch vor zehn Jahren wäre es praktisch undenkbar gewesen, eine solche Menge von hochpräzisen Rohdaten zu verarbeiten. Heutzutage ist diese Technologie aus der Unterhaltungsbranche, der Spieleentwicklung oder dem Industriedesign nicht mehr wegzudenken. Zu verdanken haben wir das dem rasanten Fortschritt bei der Hard- und Software, wie bei der NVIDIA Quadro FX 3000, die über hundert Millionen Dreiecke pro Sekunde zeichnen kann. Wer ein realistisches Abbild eines Objekts oder einer Person braucht, kommt an unserer Technik nicht vorbei – komplett computergenerierte Modelle sehen einfach zu künstlich und puppenhaft aus. In dieser Hinsicht ist uns auch die hohe Grafikqualität wichtig, die die NVIDIA Quadro FX-Karten mit ihrer 128-Bit-Gleitkommapräzision bieten.“

So erfüllt Nexus vielfältige Kundenwünsche: Gescannt werden Autos für Werbespots, Sportler für Videospiele, Schauspieler für CG-Filmsequenzen oder computeranimierte Massenszenen.

Die Kollegen von Motion Analysis Studios stehen ihnen da in nichts nach – so haben sie schon die Bewegungen von Hunden, Katzen, Elefanten und ganzen Sportmannschaften digitalisiert. Für einen Football-Werbespot wurde vor kurzem sogar eigens die größte Motion-Capture-Bühne der Welt errichtet.

Um die Bewegungsabläufe zu digitalisieren, versieht MAS das Messobjekt (das natürlich auch eine Person sein kann) zunächst mit speziellen Reflektoren. Während der Bewegung nehmen dann mehrere Digitalkameras eine Bildsequenz auf, aus der hervorgeht, wie sich die Position der Reflektoren mit der des Objekts verändert. Mit den so gewonnenen Bewegungsdaten kann MAS anschließend einem Drahtgitterskelett realistische Bewegungen einhauchen – und die entstehenden Digitalfiguren in ein Animationspaket oder eine virtuelle Umgebung übernehmen. So erweckt das MAS-Team die Nexus-Scandaten quasi zum Leben – auch hier wieder mithilfe einer NVIDIA Quadro FX 3000 Grafiklösung und in tadelloser Filmqualität.

„Solange wir nur unsere Reflektoren anbringen können, können wir praktisch alles erfassen“, meint dazu Scott Gagain von MAS. „Und das ziemlich genau – schließlich müssen die Bewegungen später exakt zu den Personen passen, die nebenan bei Nexus gescannt wurden. Dank der NVIDIA Quadro-Grafiklösungen schaffen wir das mühelos. So erwecken wir die Daten zum Leben. Das ist schließlich genau das, was unser Studio macht – Sachen zum Leben erwecken. Und die NVIDIA-Technologie hilft uns ungemein dabei.“

Mehr Effizienz in der Filmproduktion: NVIDIAs Ein-Treiber-Konzept, intensive Zusammenarbeit, höchste Grafikleistung
Wenn es um die Grafikkomponente ihrer Scan- und Motion-Capture-Lösungen geht, kommt für die Profis bei Nexus und MAS nur eine einzige Marke infrage – NVIDIA Quadro FX. Um beispielsweise die riesigen Polygonmengen zu bewältigen, die beim Scannen großer, komplexer Objekte oder beim Digitalisieren von Körpern und Gesichtern anfallen, verlassen sich die Nexus-Techniker auf Workstations mit NVIDIA Quadro FX 3000-Hochleistungskarten. Für andere, weniger rechenintensive Vorgänge reicht dagegen vielleicht schon ein normaler Desktop mit einer „kleinen“ Quadro FX 500.

Einer der Entscheidungsgründe war die einfache Administration verschiedener Plattformkonfigurationen – darin sind sich Piturro und Gagain einig: „Wir können uns einfach auf unsere Arbeit konzentrieren und müssen uns nicht die ganze Zeit mit der Frage herumschlagen, welcher Treiber nun für diese oder jene Plattform passt und wie wir ihn zum Laufen bekommen. NVIDIAs Ein-Treiber-Konzept UDA macht das alles sehr einfach – ich kann einfach die aktuellen Treiber von der NVIDIA-Website runterladen und weiß dabei, dass sie auf all unseren Plattformen laufen werden, egal welches Kartenmodell nun installiert ist. In der Produktion müssen wir dadurch nur noch eine einzige Treiberversion in unsere Systeme integrieren und können damit alle Plattform- und Grafikkombinationen abdecken“, so Gagain.

Die intensive Zusammenarbeit mit NVIDIAs Entwicklungsabteilung ist ein weiterer Punkt, den die Teams bei Nexus und MAS sehr positiv bewerten. Der offene Informations- und Meinungsaustausch kommt Studio wie Hersteller gleichermaßen zugute: Die Technikexperten bei Nexus und MAS bekommen umfassende Informationen zur NVIDIA Quadro-Hardware und Software direkt von der Quelle, NVIDIA hingegen bekommt aus erster Hand mit, welche Anforderungen die anspruchsvollen Anwendungen der Studios stellen, und kann seine Produkte und Technologien entsprechend weiterentwickeln. „Die NVIDIA-Entwickler kommen zu uns in die Firma, sehen Motion-Capturing in Aktion und können direkt sehen, wo unsere technischen Problemstellungen und Herausforderungen liegen. So entsteht ein intensiver technischer Austausch, von dem wir sehr stark profitieren”, kommentiert Piturro.

So wertvoll und wichtig diese Vorteile für sich gesehen schon sind, der Hauptgrund für die Entscheidung der beiden Studios war ein anderer: die konkurrenzlosen Leistungsdaten der NVIDIA Quadro FX-Lösungen. So wissen beide Unternehmen unter anderem die hohe Speicherbandbreite der NVIDIA Quadro FX 3000 von 27,2 GB/s zu schätzen, die ihnen die Arbeit mit großen Texturen erleichtert und Vollbild-Antialiasing in höchsten Auflösungen ermöglicht. In den 3D-Scan-Anwendungen bei Nexus bewältigt die NVIDIA Quadro FX 3000 auch größte Datenstrukturen in Echtzeit – damit die Qualität immer stimmt, selbstverständlich bei höchster Präzision. Zudem eignet sich die Quadro FX 3000 mit ihrem großen 256-MB-Grafikspeicher ideal für die Arbeit in hohen Auflösungen – ein weiterer wichtiger Punkt, denn ein guter Teil der Arbeit von Nexus wird später in HD-Auflösungen ausgestrahlt.

Auch bei MAS ist maximale Grafikperformance ein Muss, wie Jeff Swenty erklärt: „Bei der SIGGRAPH dieses Jahr haben wir auf einer Quadro FX 3000 eine Demo von einer animierten Figur aus Buffy gezeigt... 200.000 Polygone, eine Texturmap mit 4K auf 4K, und wir konnten die ganze Figur in Echtzeit herumbewegen, die Lichtquellen verschieben, die Kamera schwenken... da sind im Publikum schon einige Kinnladen heruntergeklappt. War eine tolle Erfahrung!“

So ist die NVIDIA Quadro FX-Grafikpower bei Nexus und MAS oft der entscheidende Faktor zum Projekterfolg – wenn es darum geht, die Einzelteile zu einem überzeugenden Ganzen zusammenzusetzen. So wird seitens der Filmkunden beispielsweise oft verlangt, ein gescanntes Modell mit Motion-Capture-Bewegungen zu kombinieren und die so animierte Digitalfigur dann in einen digitalisierten 35-mm-Film zu integrieren. „Man hat also die Motion-Capture-Streamingdaten, ein Drahtgitter-3D-Modell, eventuell auch schon mit den Texturen, und dann muss man das Ganze in eine laufende 35-mm-Filmsequenz einpassen. Bei all diesen Datenströmen kommt das Grafiksystem schon ganz schön ins Schwitzen. Jede andere Grafikplattform würde da aufgeben – nur nicht unsere NVIDIA Quadro FX-Karten“, so Swenty.

Was ist real, was digital? Wenn die Grenzen verschwimmen...
Wenn es um die Ziele für die Zukunft geht, sind sich Nexus und MAS ebenfalls einig – man möchte allen Kunden Visualisierungsgrafik in echter Filmqualität bieten. Domi Piturro fasst es so zusammen: “Je höher NVIDIA die Leistungsmesslatte legt, desto mehr können wir auf den Bildschirm bringen. Je interaktiver die Grafikwelt wird, desto mehr verlagert sich die Rolle des Zuschauers – vom reinen Zuschauen hin zum Mitmachen. Vielleicht werden unsere Kinder eines Tages am Samstagvormittag bei den Cartoons nicht mehr einfach vor dem Bildschirm sitzen, sondern selbst bei der Story mitspielen – wer weiß? Ich könnte mir so etwas durchaus vorstellen. Und das macht längst nicht nur Kindern Spaß, sondern auch uns Erwachsenen. Der Trend ist auf jeden Fall da. Wir haben ihn erkannt, und NVIDIA auch. Deshalb ist NVIDIA der richtige Partner für uns – die wissen, wo’s langgeht.“

Mehr Infos zu den NVIDIA Quadro-Grafiklösungen: http://www.nvidia.de/page/quadro.html.

Firmeninfos zu Nexus Digital Studios: http://www.nexusdigitalstudios.com.

Firmeninfos zu Motion Analysis Studios: http://www.mastudios.com.

Fernsehclips online: http://dsc.discovery.com/convergence/xma/video/video.html.

XMA ist eine Produktion von BASE Productions, Inc., im Auftrag des Discovery Channel. Regie: John Brenkus.

 
 
 
 
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