(Bild: Imagination Technologies)
Je komplexer Autos werden, desto mehr Informationen müssen ihre Fahrer immer schneller aufnehmen, zunehmend auch in grafischer Darstellungsweise. Mit dieser Komplexität wächst für den Designer aber auch die Herausforderung, dem Fahrer lediglich eindeutige und genaue grafische Information anzubieten.
Raytracing ermöglicht besonders fotorealistische Darstellungen. Imagination Technologies
Raytracing ist eine Grafiktechnologie für Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI), die es ermöglicht, foto- beziehungsweise hyperrealistische Grafiken auf einem Bildschirm wiederzugeben, allerdings unter Berücksichtigung des Leistungsbedarfs für solche Funktionen, denn die Grafik soll in einen Fahrzeugraum übertragen werden.
Raytracing kam schon vor einigen Jahrzehnten als Grafiktechnologie zum Einsatz. Die meisten High-End-Filme und TV-Shows, die mit Computer-Generated-Imaging (CGI) entstehen, beruhen auf Raytracing und erzeugen erstaunliche Effekte; Star Wars und Jurassic Park sind gute Beispiele für die Nutzung von CGI.
Hieraus ist eine Technologie als Teil der Grafikfamilie Power-VR entstanden, die den Rechenaufwand für die Strahlenverfolgung senkt. Obwohl der spezielle Algorithmus erheblich weniger Rechenleistung benötigt, entstehen damit qualitativ hochwertige Grafiken, ohne die Leistungsbilanz über Gebühr zu erhöhen. Damit eignet sich diese Lösung für den mobilen Einsatz und für Fahrzeuge. Eine vergleichbare Technologie, die zum Beispiel auf einer High-End-Grafikkarte läuft, würde ein Drittel oder ein Fünftel der Strahlleistung erzeugen und dafür 250 W verbrauchen, während die Power-VR-Lösung nur 4 bis 5 W benötigt.
So funktioniert Raytracing
Das Raytracing folgt grundsätzlich der Physik des Lichts. Wir stellen uns eine Szene vor, in die Strahlen geschickt werden. Bei der Durchquerung des Raums treffen die Strahlen auf Objekte, und die Treffer lösen Shader aus; das sind kleine Programme, die Lichteffekte, Oberflächeneigenschaften, Reflexionen und Lichtbrechungen berechnen können. Die Shader-Information mit den Angaben, ob sich der Schnittpunkt im direkten Licht oder Schatten befindet, wird dann dem Strahl hinzu addiert. Nachdem der Strahl vom Objekt „abprallt”, durchquert er die Szene weiter, trifft auf weitere Objekte und löst weitere Shader aus. Das Ergebnis sind schließlich entsprechend eingefärbte Pixel in der Szene, mit realistischen Reflexionen, Lichtbrechungen und raffinierten Lichteffekten wie Globale Beleuchtung. Das Endresultat erscheint dann nahezu fotorealistisch, bestimmt durch die Anzahl der „Treffer“.
Raytracing vereinfacht HuDs
Die Raytracing-Technologie ermöglicht nicht nur fotorealistische Bilder im Instrumentencluster sondern sie eröffnet auch einfache Wege, das an das Head-up-Display (HUD) gesendete Bild derart zu modifizi
Das Blockschaltbild des Power-VR GR 6500 zeigt das Zusammenspiel zwischen den Raytracing-Elementen und den Standard-Grafikprozessoren. Imagination Technologies
eren, dass es auf einer gewölbten Oberfläche (zum Beispiel der Windschutzscheibe) wie auf einem Flachbildschirm erscheint. Das spart Kosten für die sonst notwendige Speziallinse. Tatsächlich könnte so ein einziges System mit nur geringen Änderungen am Algorithmus scharfe HMI-Darstellungen auf jeder Projektionsfläche abbilden, sodass ein HUD für viele Fahrzeuge von unterschiedlichen Herstellern verwendbar wäre.
Raytracing kann auch zur Verbesserung gerasterter Grafiken durch vernünftige Abwägung in einer Hybridlösung zum Einsatz kommen: von der realistischen Schattierung einer Szene (Schärfeeinstellung von Skalen und Anzeigenadeln) bis zur fotorealistischen Darstellung des Fahrzeugs im Infotainmentsystem.
Raytracing und AR
Eine zweite Anwendung ist die augmented reality (AR, erweiterte Realität) mit AR-Brille. Hier dient das an die Sehgrube angepasste Rendering, das sogenannte Foveated Rendering, dazu, die größte Auflösung in das Zentrum des Auges zu legen, denn in seinem zentralen Bereich, der Sehgrube oder Fovea, nimmt das Auge die meisten Details in einem Winkel von 30 bis 40° auf, während der umliegende Rest weniger Details wahrnimmt. Mit Raytracing in einer AR-Brille lassen sich zudem über Sensoren die Augenbewegungen sowie die meisten der im Zentrum fokussierten Strahlen, wohin das Auge gerichtet ist, verfolgen. Daraus ergibt sich ein effizienterer Einsatz der notwendigen Strahlenleistung, weil das Auge dort mehr Details erfasst, wo sie sinnvoll sind.
Eckdaten
Power-VR-Raytracing macht in Kombination mit Power-VR-Grafiktechnologie echte High-End-Grafik erlebbar. Nach Angaben des Autors hat „ein Anwender nie zuvor derart erstaunliche fotorealistische oder hyperrealistische HMIs gesehen“. Raytracing Grafiken repräsentieren den nächsten Schritt der automotiven Grafiken und sie folgen den gut angelegten Pfaden der Film- und Fernsehindustrie. Raytracing hilft auch, Kosten und Komplexität bei HUD/HMI-Systemen zu reduzieren. Mit der Technologie von Imagination Technologies können OEMs und Zulieferer erstaunliche Grafiken auf multiplen Projektionsflächen rund um das Cockpit darstellen ohne den Fahrer zu überfluten.
Mit dieser Technik lässt sich die HUD-Information jederzeit auf das Zentrum des Blickfelds konzentrieren. Da die Blickrichtung des Fahrers verfolgt wird, kann er zudem akustisch gewarnt werden, sobald er für einige Zeit nicht in Fahrtrichtung schaut.
Für den HMI/UI-Entwickler ergibt sich mit Raytracing zudem der Vorteil, dass es oft einfacher ist, hiermit einen Effekt zu erzielen als verschiedene Rendering-Techniken einzusetzen, die dem Raytracing nur nahe kommen. Zudem es gibt viele Effekte, zum Beispiel die Reflexion in der Reflexion, die sich nur auf diese Weise erzeugen lassen und mit Standardtechniken unmöglich realisierbar sind.
Jeder HMI-Entwickler, der mit Werkzeugen des Typs Unity 3D 5.4 arbeitet, kann schon jetzt die Vorteile des Raytracing für die Entwicklung von Lightmaps erfahren, indem er Light-Map-Baking nutzt. Damit wird die Änderung von Lichteffekten in wenigen Sekunden möglich, während konventionelle Technologien hierfür mehrere Minuten benötigen.
Bryce Johnstone
(av)
