Deel dit artikel

in de evolutie van beeldgeneratie is er een duidelijke tendens naar meer visueel realisme. het domein van de computer graphics is de meest recente toevoeging aan het arsenaal van technieken om levensechte beelden te creëren. waar de onderzoekswereld van de computerwetenschappers en de artistieke wereld van animatoren aanvankelijk sterk verbonden waren, zijn ze naarmate computergrafische technieken gemeengoed werden in de filmindustrie uit elkaar gegroeid.

De zoektocht naar visueel realisme

Philip Dutré

Visuele afbeeldingen zijn bijna zo oud als de mensheid. Fraaie grottekeningen, middeleeuwse miniaturen, barokke schilderijen, twintigste-eeuwse film of eenentwintigste-eeuwse computeranimatie: alle zijn ze een uiting van de behoefte van mensen om met elkaar te communiceren via een tekening, een schets of een bewegend beeld. Het voornaamste doel hierbij is ongetwijfeld een verhaal te vertellen of een emotie over te brengen. ‘Een beeld is meer waard dan duizend woorden’, zo luidt het spreekwoord. Hoewel de technologieën om beelden op te nemen en de materiële media om beelden weer zichtbaar te maken sterk gewijzigd zijn doorheen de geschiedenis, zijn er uiteraard wel trends te ontdekken in de evolutie van de beeldgeneratie. Eén van die trends is een steeds grotere drang om meer realisme in de beelden te brengen, en synthetische beelden meer en meer te laten lijken op wat we als mens op natuurlijke manier met onze ogen waarnemen. Zowel de vormen, kleuren en materialen van de dingen die we zien als hun beweging maken deel uit van een continue zoektocht naar een steeds sterker visueel realisme. Die zoektocht neemt soms abrupte wendingen. Zo kan men stellen dat de evolutie naar realisme in de schilderkunst gestopt is met de uitvinding van de fotografie, waardoor andere schilderstijlen zoals het impressionisme zich ontwikkelden.

Het domein van de computer graphics is de meest recente toevoeging aan het arsenaal van technieken om levensechte beelden te synthetiseren. Als academisch onderzoeksdomein ontstond computer graphics in de jaren 1960, de periode waarin computers en digitale technologie aan hun exponentiële opmars begonnen. Aanvankelijk werden beelden gegenereerd en berekend voor primitieve oscilloscoopschermen (omdat er geen andere beeldschermtechnologie beschikbaar was), maar naarmate de hardware van beeldschermen evolueerde en de algoritmische software meer en meer de realiteit kon nabootsen, werden de computergegenereerde beelden ook realistischer en natuurgetrouwer van aard. Op dit moment zijn computer graphics alomtegenwoordig. Men beschouwt ze zelfs als een commodity, als een product dat goedkoop en haast vanzelfsprekend beschikbaar is. Niemand kijkt nog op van visuele effecten in films of op de televisie; men zou eerder verwonderd zijn als er geen gebruik werd gemaakt van digitale beeldtechnologie. Als tegenreactie is het bannen van de computer als technologisch hulpmiddel een artistiek statement op zich geworden.

Om een goed begrip te hebben van de mogelijkheden, maar ook van de beperkingen, van driedimensionale computergrafische technieken, is het nuttig even te schetsen hoe beelden van 3D-omgevingen tot stand komen. Algemeen kunnen we drie grote pijlers onderscheiden: het modelleren van vormen, objecten en personages die in de 3D-wereld aanwezig zijn; het modelleren van de beweging van die elementen; en het berekenen van de beelden vanuit een virtueel camerastandpunt.

Modellering tracht de vorm van de wereld die men wil visualiseren – voorwerpen, mensen, dieren of bomen – te beschrijven als wiskundige functies

Modellering tracht de vorm van de wereld die men wil visualiseren – alle voorwerpen, mensen, dieren of bomen – te beschrijven als wiskundige functies. Sommige voorstellingswijzen zijn eerder geschikt om eenvoudige vormen zoals bollen en kubussen te karakteriseren, andere zijn dan weer meer van toepassing voor planten of dieren. De grote uitdaging is tweeledig. Enerzijds proberen we complexe vormen te beschrijven met zo weinig mogelijk informatie (een kubus kan bijvoorbeeld worden beschreven aan de hand van de positie van zijn acht hoekpunten). Anderzijds proberen we ook hulpmiddelen ter beschikking te stellen aan grafische artiesten om vormen op een intuïtieve manier in te brengen in de computer. Dit laatste kan puur manueel gebeuren, maar toestellen voor 3D-scanning zijn ook al courant beschikbaar.

Het modelleren van beweging is gebaseerd op de wetten van kinematica en dynamica. Voorwerpen bewegen niet zomaar uit zichzelf: er zijn interacties, waardoor bewegende voorwerpen andere bewegingen uitlokken. Net als bij het modelleren van vormen kan een gewenste beweging manueel worden gespecificeerd, ofwel kan men gebruikmaken van zogenaamde motion capture technologie. Hierbij worden acteurs met verschillende camera’s gefilmd, waarna de essentie van de beweging gedistilleerd wordt uit de video-opnames. Nadien kan die beweging digitaal worden aangepast, of kan ze worden gebruikt om een virtueel personage te animeren.

Het generen van de beelden zelf – het proces van rendering – gaat uit van een virtueel camerastandpunt, en genereert hieruit een beeld dat als een rechthoekig raster is opgebouwd uit picture elements of pixels. Twee aspecten spelen hierbij een rol. Ten eerste moet men voor elke pixel bepalen wat men op de plaats van de pixel ziet. Dit wordt het zichtbaarheidsprobleem genoemd: men wil in een pixel geen voorwerpen afbeelden die voor de camera verborgen zijn achter andere voorwerpen. Ten tweede moet de kleur van de pixel worden uitgerekend. Als men een realistisch beeld wil genereren, wordt hiervoor een algoritme gebruikt dat simuleert hoe het licht zich gedraagt in een driedimensionale omgeving. Lichtstralen ontstaan bij een lichtbron, worden gereflecteerd doorheen de ruimte, en komen uiteindelijk in de camera terecht. Op welke manier lichtstralen gereflecteerd worden, zal bepalen of een voorwerp er glanzend, spiegelend, mat of transparant uitziet.
Elk van deze deelaspecten (modellering, animatie en rendering) is stevig verankerd in wetenschappelijke disciplines zoals de wiskunde en fysica, maar er zijn ook belangrijke raakvlakken met psychologie en biologie. Uiteraard spelen de computerwetenschappen de belangrijkste rol. Alles moet worden geïmplementeerd onder de vorm van numerieke algoritmen die uitvoerbaar zijn op een computer.

Computer graphics geven extra mogelijkheden aan de menselijke verbeelding, en zijn als het ware een middel om die verbeelding te visualiseren

De digitale revolutie heeft de mens de mogelijkheid gegeven een heleboel processen op een snellere, efficiëntere en betere manier uit te voeren. Databases laten toe om grotere hoeveelheden informatie te onthouden, via het internet verloopt de communicatie gemakkelijker en met programma’s zoals Excel kan men beter rekenen. Voor elke digitale technologie kan men wel een equivalente menselijke activiteit vinden die naar een hoger niveau wordt getild. Maar welke menselijke activiteit wordt beter gemaakt door computer graphics? De mooiste stelling is dat computer graphics extra mogelijkheden geven aan de menselijke verbeelding, en als het ware een middel zijn om die verbeelding te visualiseren. Immers, één van de toepassingen van computer graphics is het creëren van virtuele omgevingen, die gebruikers of toeschouwers een inkijk geven in imaginaire en verzonnen werelden, net zoals de klassieke film of de literatuur dat ook doen. In die zin zijn computer graphics een erg krachtig mechanisme om wat verzonnen is zichtbaar te maken. Uiteraard gaan de toepassingen van graphics verder dan enkel het maken van virtuele werelden – medische en wetenschappelijke visualisatie, digitale beeldverwerking en CAD/CAM zijn slechts enkele voorbeelden. Maar ook bij deze domeinen valt het op dat er steeds een flinke dosis creativiteit en verbeelding aanwezig is.

Natuurlijk moeten we een onderscheid maken tussen de technologie en het gebruik ervan door kunstenaars of creatieve geesten. Bij meer traditionele kunstvormen is dit onderscheid doorgaans duidelijk. Diegenen die de potloden, de verf of het canvas produceren, worden niet gauw verward met de grafische artiesten die er gebruik van maken. Bij een jonge discipline als computer graphics is dit onderscheid minder gemakkelijk. Aanvankelijk werden computergrafische toepassingen ontwikkeld in academische laboratoria of in grote bedrijven die in typische ingenieurssectoren actief waren, zoals vliegtuigbouw of autoproductie. Vooral in de jaren 1960 en 1970 is de band met de academische wereld sterk. Universiteiten waren van de weinige instellingen die computers voor wetenschappelijk onderzoek ter beschikking hadden. In de jaren 1960 werden in verschillende universiteiten de eerste academische programma’s voor computerwetenschappen opgericht, die een divers publiek van jonge studenten aantrokken. Die hadden toegang tot de computers en experimenteerden volop met nieuwe technieken. Hieruit zijn de eerste computergrafische publicaties ontstaan, alsook de eerste spin-offbedrijven die deze grafische technieken wilden commercialiseren.

In de jaren 1970 werden computer graphics voor het eerst gebruikt voor reclamefilms op televisie, en werden de eerste visuele effecten in films met computers gemaakt. Tot dan waren visuele en speciale effecten het domein van maquettebouwers, stop-motionanimatoren (waarbij modelfiguurtjes filmbeeld per filmbeeld bewogen en gefotografeerd werden) of explosiedeskundigen. De populariteit van sciencefictionfilms in de jaren 1980, zoals Star Wars of Star Trek, heeft in sterke mate de doorbraak van computer graphics in de filmindustrie bewerkstelligd. In de academische wereld ging de zoektocht naar fotorealistische beelden verder. In de jaren 1990 werd het mogelijk beelden te creëren die niet te onderscheiden zijn van echte foto’s, mocht de virtuele omgeving echt hebben bestaan. Een film zoals Jurassic Park (1993), waarin levensechte dinosaurussen in dezelfde scènes te zien zijn als echte acteurs, bracht de mogelijkheden van computer graphics definitief naar het brede publiek. Een parallelle ontwikkeling zien we ook in de pure animatiefilm. Hier vond een overgang plaats van traditionele, handgetekende animatie, naar volledig computergegenereerde animatie. Toy Story (1995) is de eerste geanimeerde langspeelfilm.

Bij al die ontwikkelingen bleven de onderzoekswereld van computerwetenschappers en de artistieke wereld van animatoren zeer sterk met elkaar verbonden. Nieuw ontwikkelde technieken vonden snel hun weg van de universiteiten naar de bedrijfswereld, ook al omdat de wereld van de computer graphics een relatief kleine gemeenschap vormde waar velen elkaar persoonlijk kenden. Het is echter vanaf het einde van de jaren 1990, wanneer computergrafische technieken gemeengoed worden in de filmwereld, dat de onderzoeksactiviteiten en commerciële activiteiten uit elkaar groeien. Waar de computeranimatiestudio’s ooit negentig procent ingenieurs en tien procent artiesten onder hun personeel telden, is die verhouding anno 2014 vrijwel omgekeerd. Het onderscheid tussen diegenen die het potlood ontwerpen, en diegenen die het potlood hanteren, is intussen ook in de wereld van de computer graphics sterk doorgedrongen.

Waar de computeranimatiestudio’s ooit negentig procent ingenieurs en tien procent artiesten onder hun personeel telden, is die verhouding anno 2014 vrijwel omgekeerd

Toekomstvoorspellingen voor om het even welke informaticatechnologie zijn altijd een beetje koffiedik kijken. Informatica is een zeer snel evoluerend domein, waarbij bepaalde fenomenen, zoals snelheid van computers of dataverbindingen, hoeveelheid informatie te vinden op het internet, of het aantal dagelijkse gebruikers van computerdiensten, letterlijk exponentieel toenemen. Specifiek voor het domein van de computer graphics kunnen we toch trachten een aantal scenario’s uit te tekenen.

Op dit ogenblik zijn we in staat om zeer realistische beelden in realtime te genereren (dus zestig beeldjes per seconde). Een doordeweekse pc of laptop is uitgerust met een grafische kaart die toelaat om complexe 3D-omgevingen met een hoge graad van realisme te tekenen. De ruimte voor nog verdere verbeteringen is te vinden in een aantal specifieke gebieden. Een klassieke computer heeft een scherm dat ongeveer 1 miljoen pixels telt. We zien echter een evolutie naar steeds meer schermen en displays die zullen worden aangestuurd door computers. Enerzijds is er de toename van beeldschermen op toestellen zoals smartphones of smartwatches, anderzijds wordt ook elk materieel voorwerp via goedkope projectoren een potentieel beeldscherm. In de toekomst zal elke muur, elk tafelblad, elk kledingstuk, uitgerust zijn met de mogelijkheid om er beelden op te projecteren. Dit vereist natuurlijk een andere aanpak van beeldberekeningen, waarbij er aandacht zal zijn voor snelle algoritmen die lokaal kunnen worden uitgevoerd op kleine chips ingebed in elk voorwerp, waarna de beelden snel en efficiënt en met een minimum aan energie kunnen worden geprojecteerd. Bovendien opent zich de extra mogelijkheid dat beeldschermen zelf ook meer versatiele voorwerpen zullen worden. Denk aan plooibare beeldschermen, of zelfs beeldschermen die eerder de tactiele eigenschappen van textiel zullen hebben en dus als kledingstuk kunnen worden gedragen. Ook meer exotische opstellingen, zoals rookgordijnen of waterpartijen die beelden tonen, worden al actief onderzocht.

Een tweede gebied voor verbetering is het simuleren van steeds complexer wordende visuele fenomenen. Denken we maar aan de interactie van licht met rook of mist, of de technieken die nodig zijn om zonlicht in het bladerdek van een boom te simuleren. Dit vraagt doorgedreven numerieke simulatietechnieken, waar nog steeds wetenschappelijk onderzoek naar gevoerd wordt. Een verdere doorbraak kan worden verwacht bij de zogenaamde niet-fotorealistische beeldgeneratietechnieken. Tot nu toe is er immers zeer veel aandacht gegaan naar het op punt stellen van het nabootsen van wat een fotocamera zou waarnemen. Maar er bestaat een heel gamma van weergavetechnieken, zoals pentekeningen, waterverftekeningen, houtskoolweergaves of technische illustraties, die tot nu toe onvoldoende gemodelleerd zijn. Bovendien zou men nog een stapje verder kunnen gaan en computerprogramma’s ontwerpen die de wereld afbeelden door de ogen van Claude Monet, Piet Mondriaan of Pablo Picasso. Elk van deze kunstenaars hanteerde zijn eigen manier om de werkelijkheid om te zetten in beelden. Maar kunnen we dit ook vatten in computeralgoritmen? De eerste experimenten hieromtrent lijken een bevestigend antwoord te geven. Door een foto van een vijver van waterlelies te vergelijken met een schilderij van Monet over hetzelfde onderwerp, kunnen we een aantal wetmatigheden vatten die ons iets vertellen over hoe Monet omging met lichtweerkaatsing, vervormen van contouren, perspectief. Op hun beurt kunnen we die regels dan gebruiken om ‘nieuwe’ tekeningen in de visuele stijl van Monet te genereren. Weliswaar zal dit geen ‘echte Monet’ opleveren in de betekenis die de kunsthistorici eraan geven, maar misschien wel een schilderij zoals het door Monet had kunnen worden geschilderd.

Men zou nog een stapje verder kunnen gaan en computerprogramma’s ontwerpen die de wereld afbeelden door de ogen van Claude Monet, Piet Mondriaan of Pablo Picasso

Een laatste aspect dat veelbelovend lijkt, is het inbrengen van kennis uit de waarnemingspsychologie. Mensen kijken niet naar alle aspecten in een beeld met dezelfde soort aandacht. Bewegende delen van het beeld eisen de aandacht op, of bepaalde details worden weggegomd ten voordele van het grotere geheel. Als we inzicht kunnen verwerven in dergelijke waarnemingsstrategieën, en die vervolgens in algoritmen kunnen vatten, kan de efficiëntie van de beeldgeneratie ongetwijfeld opnieuw worden verhoogd.

Computer graphics hebben in de laatste decennia zeer veel bereikt. Vijftig jaar geleden was men alleen in staat om enkele eenvoudige lijnen te produceren op een scherm; nu zijn grafische beelden alomtegenwoordig. De steeds belangrijker wordende beeldindustrie zal de vraag naar nieuwe computergrafische technieken alleen maar doen toenemen. Of andere expressievormen daaronder zullen lijden is nog zeer de vraag. Misschien is, als puntje bij paaltje komt, een beeld toch nog altijd meer waard dan duizend woorden?

Tom Sito, Moving Innovation: A History of Computer Animation. (Harvard: MIT Press, 2013).

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen