Quelltext der Seite REYES (Computergrafik)

Die '''REYES'''-Architektur ist ein [[Bildsynthese]]-[[Algorithmus]], der in der [[3D-Computergrafik]] verwendet wird, um [[Fotorealismus|fotorealistische]] Bilder zu berechnen. Er wurde Mitte der 1980er Jahre von der [[Lucasfilm]]s Computer Graphics Research Group entwickelt, die nun unter dem Namen [[Pixar Animation Studios|Pixar]] bekannt ist.

Zum ersten Mal wurde REYES für den Kinofilm ''[[Star Trek&nbsp;II: Der Zorn des Khan]]'' eingesetzt, um Bilder der ''Genesis''-Effektsequenz zu berechnen. Pixars [[RenderMan|PhotoRealistic RenderMan]] (kurz PRMan) ist eine Implementierung des REYES-Algorithmus. Nach der ursprünglichen Publikation, die den Algorithmus beschreibt, ist das REYES-Bildsynthesesystem: ''„Eine Architektur … für das schnelle, hochqualitative Synthetisieren komplexer Bilder.“'' Vorgeschlagen wurde REYES als eine Sammlung von Algorithmen und [[Datenverarbeitung]]smethoden. Die Begriffe Algorithmus und [[Architektur (Informatik)|Architektur]] jedoch werden in diesem Artikel als [[Synonymie|Synonyme]] verwendet und sind (in diesem Fall) austauschbar.

REYES ist das [[Backronym]] für ''Renders Everything You Ever Saw'' (sinngemäß übersetzt: ''Berechnet alles, was du je gesehen hast''), der Name ist zudem eine Anspielung auf den Ort [[Point Reyes National Seashore|Point Reyes]], [[Kalifornien]], in dessen Nähe [[Lucasfilm]] ansässig ist, und eine Andeutung auf die Verfahren, die mit [[Optische Abbildung|optischen, bildgebenden Systemen]] verbunden sind (''REYES'' wird gesprochen wie das englische Wort ''rays'', was ''Lichtstrahlen'' oder in der Optik, als [[Singular]] ''ray'', den Sehstrahl bezeichnet).

Die Architektur wurde unter Berücksichtigung einer Anzahl Bedingungen entworfen:

* ''Geometrische Komplexität / Vielfalt'': Um visuell komplexe und reichhaltige Bilder zu erzeugen, muss der Anwender eines Bildsynthesesystems die Freiheit haben, eine große Anzahl an komplexen, geometrischen Strukturen zu [[Bildhauerei|modellieren]] oder durch prozedurale Modelle, wie zum Beispiel [[Fraktal]]e oder [[Partikelsystem]]e, zu erzeugen.
* ''Komplexe [[Shader]]'': Vieles von der visuellen Komplexität einer [[Szenengraph|Szene]] wird erzeugt durch die Art, in der das Licht mit der Oberfläche fester Körper interagiert. Im Allgemeinen wird dies im Bereich der Computergrafik durch [[Textur (Computergrafik)|Texturen]] erreicht. Texturen können Tabellen farbiger [[Pixel]] sein, die Oberflächenverschiebungen ([[Displacement Mapping|Displacement]]), Oberflächentransparenz oder Oberflächenreflektivität beschreiben. REYES erlaubt es dem Benutzer, prozedurale Shader einzubinden, wodurch Oberflächenstruktur und optische Interaktion (der Objekte in einer Szene) durch die Benutzung eines Computerprogramms erreicht wird, das prozedurale Algorithmen implementiert, anstatt in einer einfachen Tabelle (wie z.&nbsp;B. einer Textur) nachzuschlagen. Ein großer Teil dieses Algorithmus zielt darauf ab, die Zeit zu minimieren, die der [[Hauptprozessor]] dafür benötigt, Texturdaten aus [[Datenspeicher]]n anzufordern.
* ''Minimales [[Raytracing]]'': Als REYES entworfen wurde, war die Rechenleistung und Speicherkapazität der Computersysteme leistungsschwächer. Das bedeutete, dass das Raytracen einer fotorealistischen Szene pro Einzelbild dutzende bis hunderte von Stunden dauern konnte. Algorithmen wie REYES, die in der Regel kein Raytracing verwenden, [[Laufzeit (Informatik)|laufen]] daher viel schneller und haben trotzdem ein annähernd fotorealistisches Ergebnis.
* ''Geschwindigkeit'': Das Berechnen eines Zwei-Stunden-Films mit 24 Bildern pro Sekunde ist bei einer durchschnittlichen Berechnungszeit von drei Minuten pro Einzelbild innerhalb eines Jahres möglich.
* ''Bildqualität'': [[Artefakt (Computergrafik)|Artefakte]] im Bild, hervorgerufen durch den verwendeten Bildsynthesealgorithmus, sind unakzeptabel.
* ''Flexibilität'': Die Architektur sollte so flexibel sein, dass die Einbindung neuer Techniken ohne eine vollständige Neuimplementierung des Algorithmus möglich ist.

REYES erfüllt effizient mehrere Aufgaben für Effekte, die für die Berechnung in Kinofilmqualität nötig sind: Glatte, gekrümmte Flächen, Oberflächentexturierung, [[Bewegungsunschärfe]] und [[Schärfentiefe|Tiefenunschärfe]].

REYES berechnet gekrümmte Oberflächen, wie solche, die durch parametrische Teilflächen (parametrische Patches) beschrieben werden, dadurch, dass es die Teilflächen in Mikropolygone teilt; dies sind kleine Quadrate, von denen jedes kleiner ist als die Größe eines [[Pixel]]s. Obwohl viele Mikropolygone nötig sind, um die [[Approximation]] einer gekrümmten Fläche akkurat durchzuführen, können sie mit einfachen, [[Parallelrechner|parallelisierbaren]] [[Operation (Informatik)|Operationen]] verarbeitet werden. Ein REYES-Renderer [[Parkettierung|tessliert]] die [[Grafisches Primitiv|Primitiven]] höherer Ordnung bei Bedarf und teilt jede Primitive nur so fein auf, dass es im finalen Bild akkurat aussieht.

Anschließend ordnet ein [[Shader]] jedem Mikropolygon Farbe und Transparenz zu. Die meisten REYES-Renderer erlauben es dem Benutzer, beliebige [[Theaterbeleuchtung|Beleuchtungs]]- und [[Texture Mapping|Texturierungs]]-[[Funktion (Programmierung)|Funktionen]] selbst hinzuzufügen, geschrieben in einer [[Programmiersprache|Shader-Sprache]], die speziell für die Bedürfnisse der Verarbeitung von Daten aus der Bildsynthese geschaffen wird. Die Verarbeitung der Mikropolygone geschieht so, dass die Berechnung der Daten [[Vektorprozessor|vektorisiert]] werden kann.

[[Shader|Geshadete]] Mikropolygone werden auf die [[Bildebene (darstellende Geometrie)|Bildebene]] abgebildet, um das Ausgabebild zu erzeugen. REYES benutzt einen innovativen Algorithmus für das [[Sichtbarkeitsproblem]], englisch ''hider'' genannt, der die nötige Integration von Bewegungs- und Tiefenunschärfe durchführt, ohne mehr Geometrie oder Shaderaufrufe zu benötigen als die Berechnung eines scharfen Bildes bräuchte. Der ''hider'' sammelt alle Farben der Mikropolygone in einem Pixel über die Zeit und Linsenposition durch einen [[Monte-Carlo-Algorithmus]], der ''Stochastic Sampling'' genannt wird.

Die grundlegende REYES-[[Grafikpipeline]] basiert auf folgenden Schritten:

# ''Bound'': Berechnung des [[Bounding Volume]]s jeder einzelnen geometrischen Primitive.
# ''Split'': Zerteile große Primitive in kleinere, die man in Mikropolygone zerlegen kann.
# ''Dice'': Wandel die Primitiven in ein Raster aus Mikropolygonen um, jedes Mikropolygon mit der ungefähren Größe eines Pixels.
# ''Shade'': Berechne die Beleuchtung und die Schattierung und jedes [[Vertex]] des Mikropolygonrasters.
# ''Bust'': Zerlege das Mikropolygonraster in einzelne Mikropolygone, berechne für jedes ein Bounding Volume und prüfe, ob es nicht durch andere Mikropolygone verdeckt wird (vom Prinzip ausgehend eine Miniaturversion der [[Grafikpipeline]]).
# ''Hide'': Taste die Mikropolygone ab und erstelle das letztendliche 2D-Bild.

Bei diesem Design muss der Renderer den kompletten [[Framebuffer|Bildspeicher]] im [[Hauptspeicher]] bereitstellen, da das endgültige Bild so lange nicht ausgegeben werden kann, bis alle Primitiven verarbeitet wurden. Zur Speicheroptimierung wird vor dem ''Dice''-Schritt ein weiterer Schritt, genannt ''Bucketing'', eingefügt. Das Ausgabebild wird hierzu in ein Raster aus einzelnen Rechtecken eingeteilt, genannt ''Bucket'' (englisch für Eimer), jedes typischerweise 16&nbsp;×16&nbsp;Pixel groß. Die Objekte werden dann grob entlang der Grenzen der ''Buckets'' geteilt und dann nach ihrem Ort dem jeweiligen ''Bucket'' zugeordnet. Jeder ''Bucket'' durchläuft einzeln für sich den ''Dice'' und die restlichen Schritte der Grafikpipeline, und Daten vom vorhergehenden ''Bucket'', die nicht mehr gebraucht werden, werden verworfen, bevor der Nächste berechnet wird. Auf diese Weise muss nur der [[Framebuffer|Bildspeicher]] für den in Bearbeitung befindlichen Bucket und Speicher für die Szenenbeschreibung höherer Ordnung für alle geometrischen Primitiven bereitgestellt werden. Dies führt zu einer erheblichen Senkung des Speicherverbrauches für eine durchschnittliche Szene, verglichen mit dem nicht veränderten REYES-Algorithmus.

== REYES-Renderer ==
Die folgenden Renderer verwenden den REYES-Algorithmus auf die eine oder andere Weise, oder erlauben dem Benutzer zumindest, ihn als Vorgabe zu verwenden:
* [[3Delight]]
* [[Aqsis]]
* [[jrMan]]
* [[RenderMan]] Pro Server & RenderMan for Maya
* [[Pixels 3d Renderer]]
* [[Pixie (Renderer)|Pixie]]
* [[RenderDotC]]
* [[Mantra (Software)|Mantra]]
* [[Poser (Software)|Poser FireFly]]

== Literatur ==
* [[Robert L. Cook]], [[Loren Carpenter]] und [[Edwin Catmull]]: ''[http://graphics.pixar.com/Reyes/ The Reyes Image Rendering Architecture]''. ''Computer Graphics ([[SIGGRAPH]] ’87 Proceedings)'', S. 95–102.
* [[Anthony A. Apodaca]] und [[Larry Gritz]]: ''Advanced RenderMan: Creating CGI for Motion Pictures''. Morgan Kaufmann Publishers. ISBN 1-55860-618-1

== Weblinks ==
* [http://www.virtualritz.com/essays/reyes-primitives-some-philosophy/ ''REYES, Primitives & Some Philosophy''] (englisch)

[[Kategorie:Computergrafik|Reyes]]