Photogrammetrie für Spiele
In den letzten zehn Jahren haben sich Abbildungen von Personen und Umgebungen in CGI und Videospielen rasant weiterentwickelt, und das nicht aufgrund neuer Hardware, sondern auch durch die Einführung von Digitalisierungstechnologien wie der Photogrammetrie, die Fotos und Videos in wunderschöne 3D-Modelle verwandelt. Im folgenden Artikel beleuchten wir das Thema in aller Ausführlichkeit, angefangen bei den Arbeitsabläufen und bis hin zu den Möglichkeiten, die 3D-Scanner bieten.
Einführung
Ein Videospiel, das auf einem Smartphone gespielt wird
Bevor wir zu Anwendungen kommen, fragen Sie sich vielleicht: Was ist Photogrammetrie?
Kurz gesagt beinhaltet dieses Verfahren das Aufnehmen überlappender Bilder eines Zielobjekts aus mehreren Winkeln. Indem Sie jeweils dieselben Punkte in diesen Bildern identifizieren und eine konsistente Kamerapositionierung, Brennweite und Verzerrung sicherstellen, können Sie Koordinaten erhalten, triangulieren, wo sie in einem 3D-Raum liegen, und sie als 3D-Modelle replizieren.
In der Welt der Videospiele wird Photogrammetrie zunehmend verwendet, um reale Requisiten, Orte und sogar die Gesichter von Schauspielern zu erfassen und in Spiele einzufügen. Mit der Technologie sind Entwickler jetzt nicht nur in der Lage, Welten mit fotorealistischer Grafik zu bauen, sondern sie können dies auch in einem Bruchteil der Zeit tun, die sonst für die manuelle Erstellung benötigt würde.
Bevor sie sich der Photogrammetrie zuwandten, mussten Grafiker bei der Erstellung sogenannter 3D-Assets oft bei Null anfangen, was sie oft dazu zwang, Kompromisse einzugehen, wenn sie die Ästhetik eines Spiels gegenüber Gameplay und Durchlaufzeiten abwägten.
Herkömmliche „White-Box“-Designmethoden, bei denen die Codierung kontinuierlich getestet werden musste, während sich ein Spiel um sie herum entwickelte, ließen ebenfalls Zweifel aufkommen, da die Systeme erst vollständig bewertet werden konnten, wenn das Projekt schon weit fortgeschritten war. Im Gegensatz dazu können Studios mithilfe der Photogrammetrie nun Modelle erfassen und hochladen, um im bereits Voraus umfassende „Kits“ zu erstellen. Dies hilft Entwicklern, besser vorbereitet zu sein und termingerecht zu liefern.
Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden wir die einzelnen Workflow-Schritte aufschlüsseln, die einige Entwickler integrieren, um das gewünschte Resultat zu ermöglichen. Wir werden uns auch mit den verschiedenen Technologien befassen, die zur Durchführung dieser Schritte eingesetzt werden können, und schließlich die potenziellen Vorteile jedes Ansatzes bewerten.
Wie wird Photogrammetrie in Videospielen verwendet?
Da hohe grafische Genauigkeit und kurze Startzyklen der Schlüssel zum Erfolg in der modernen Gaming-Branche sind, liegen die Vorteile der Photogrammetrie auf der Hand. Und nicht umsonst hat sich die Technologie schnell zum Branchenstandard entwickelt. Aber wie funktioniert der ganze Ablauf in der Praxis?
Wie bei jeder anderen Photogrammetrie-Anwendung beginnt der Arbeitsablauf damit, dass ein Objekt aus verschiedenen Winkeln in einem linearen, matrixartigen Muster aufgenommen wird, wobei sich die einzelnen Aufnahmen vollständig überlappen. Bei der Erfassung größerer Objekte können die Entwickler mit 360°-Weitwinkelaufnahmen beginnen, bevor sie das Sichtfeld verkleinern, um näher heranzugehen und feine Details zu erfassen. Im Allgemeinen ist es jedoch einfacher, Geräte mit großer Reichweite zu verwenden, da sie für diese Art von Anwendung besser geeignet sind.
Photogrammetrie wird in der Videospielindustrie eingesetzt. Bildquelle: smns-games.com
Allerdings ist dies leichter gesagt als getan, und die Spielstudios müssen eine Reihe von Fallstricken vermeiden, um sicherzustellen, dass sie vollständige Modelle mit der richtigen Form und den richtigen Proportionen erhalten. Zunächst einmal müssen die Entwickler die Ausrüstung berücksichtigen, die sie verwenden wollen. Wenn sie eine hochauflösende Kamera verwenden, müssen sie darauf achten, dass sich die Fotos überschneiden.
Beim Einsatz eines LiDAR-Geräts (Light Detection and Ranging) müssen sie auch berücksichtigen, aus welchem Material ein Objekt besteht. Handelt es sich beispielsweise um ein retroreflektierendes Material, wird das Licht von der Oberfläche mit minimalem Signalverlust zum Empfänger des Scanners zurückgeworfen. Ist das Objekt hingegen glänzend oder undurchsichtig, wird es schwieriger zu digitalisieren sein.
Schlüsselpunkt
Die Photogrammetrie, die seit langem im Vermessungswesen zur Erstellung topografischer Karten eingesetzt wird, erweist sich nun als nützliches Werkzeug für Videospielentwickler, die 3D-Umgebungen erstellen.
Sobald die Entwickler diese Probleme angegangen sind und eine Reihe von sich vollständig überschneidenden Maßen erfasst haben, müssen sie diese mit einem Programm wie Adobe Photoshop bearbeiten. Auf diese Weise können Aspekte wie Beleuchtung und Schatten optimiert werden, damit die Endmodelle dem Ton des Spiels, für das sie entworfen wurden, entsprechen. Nach der Farbkorrektur werden die Modelle oft in Programme wie RealityCapture exportiert, wo die Bilder in eine Punktwolke ausgerichtet und in ein texturiertes 3D-Polygonnetz umgewandelt werden können.
Die ursprünglichen Modelle können später „retopologisiert“ werden. Hierbei handelt es sich um einen Prozess, bei dem die Polygonanzahl der Modelle reduziert wird, damit sie im Spiel leichter gerendert werden können. Sobald die in diesen 3D-Meshes gespeicherten Informationen in Texturdateien gebacken sind, können ihre Oberflächen auf verschiedene Weise bearbeitet werden, um sie realistischer erscheinen zu lassen.
Sie können sie etwa mit „Masken“, die visuelle Effekte wie Schatten und Abnutzung hinzufügen, kombinieren und sogar Verfahren oder Texturkarten verwenden, um Objektgeometrien besser zu simulieren, bevor sie in gängige Spiel-Engines wie Unreal Engine exportiert werden.
Verbessern von Arbeitsabläufen mit KI-Photogrammetrie
KI-Photogrammetrie ist eine neue Funktion Artec Studio, die verschiedene Arbeitsschritte durchführt und so den gesamten Ablauf vereinfacht. Als Nutzer laden Sie einen beliebigen Fotosatz oder ein Video hoch, und Artec Studio kümmert sich um den Rest. Zunächst erfolgt dabei eine sogenannte spärliche Rekonstruktion, bei der die Software ein erstes Modell erstellt, das der Nutzer dann nachbearbeiten kann. Anschließend muss nur noch der Model-Rrahmen angepasst und die Schaltfläche für die Durchführung der dichten Rekonstruktion betätigt werden.
Auf diese Weise wird in Echtzeit ein realistisches 3D-Polygonnetz erzeugt, dass Sie unmittelbar und mit eigenen Augen „wachsen“ sehen können. Natürlich muss das resultierende Polygonnetz immer noch die gleichen Texturierungs- und anderen Nachbearbeitungsschritte durchlaufen wie solche mit der normalen Photogrammetrie erstellten. Die KI-Photogrammetrie bietet jedoch einige einzigartige Vorteile: Sie ist offen für Bilddaten, die mit praktisch jedem beliebigen Gerät (sogar mit dem Smartphone) aufgenommen wurden, und sie liefert einen unglaublichen Realismus sowie eine relativ hohe Genauigkeit – was Sie auch für Anwendungsmöglichkeiten abseits von Videospielen eignet.
Eine weitere Stärke der Plattform ist Kompatibilität mit unterschiedlicher Hardware: Artec Studio kann Daten aus LiDAR-Scannern, Laser-Scannern und auch mit strukturiertem Licht funktionierenden Scannern verarbeiten, so dass problemlos kombinierte Datensätze genutzt werden können. Dies schafft Möglichkeiten für eine noch nicht dagewesene Detailgenauigkeit.
Beispiele für Photogrammetrie in Videospielen
Die Photogrammetrie selbst ist eine sich entwickelnde, aber nicht mehr ganz neue Technologie. Das Verfahren wird schon seit langem in Bereichen wie Qualitätskontrolle und Vermessung eingesetzt, hat aber erst in jüngster Zeit in der Spielebranche an Bedeutung gewonnen. Eines der ersten großen Studios, das Photogrammetrie wirklich einsetzte, war DICE, ein schwedischer Entwickler, der 2015 mit dem Neustart der äußerst beliebten Star Wars: Battlefront-Reihe beauftragt wurde.
Angesichts eines engen Zeitplans für die Veröffentlichung, der Forderung nach einem Gameplay mit 60 FPS und der Notwendigkeit, sich mit einer neuen Konsolengeneration zurechtzufinden, mangelte es DICE nicht an Herausforderungen, als die Produktion begann. Dennoch wollte das Studio eine Welt erschaffen, die dem Ausgangsmaterial treu bleibt. Um dies zu erreichen, stöberte der Entwickler in den Archiven nach Requisiten aus den originalen Star Wars-Filmen, bevor er sie mit Hilfe von Photogrammetrie in 3D modellierte.
Videospielcharaktere aus Star Wars Battlefront von DICE. Bildquelle: battlefront.fandom.com
Mit diesem Ansatz konnte DICE die Zeit, die für die Digitalisierung der einzelnen Elemente benötigt wurde, im Vergleich zum Vorgängertitel Battlefield 4 mehr als halbieren. Darüber hinaus konnte das Studio „Level Construction Kits“ entwickeln, die aus Star Wars-Requisiten, Charaktermodellen und Landschaften bestanden und die Grundlage für das endgültige Spiel bildeten. DICE stellte schließlich fest, dass sein Ansatz es ihm ermöglichte, lange vor der Veröffentlichungstermin einen bewährten Arbeitsablauf zu etablieren, was es ihm ermöglichte, die internen Fristen zu übertreffen.
Seit dem Bekanntwerden der Pionierarbeit des Entwicklers wurden andere Blockbuster-Videospiele auf ähnliche Weise entwickelt. Für die Neuauflage der Call of Duty-Franchise Modern Warfare im Jahr 2019 entdeckte Infinity Ward, dass es Daten aus der Photogrammerie nutzen konnte, um einen Kachelungsprozess durchzuführen, der die Auflösung der Oberflächendetails verbesserte.
Schlüsselpunkt
Die Photogrammetrie wird nicht nur für die Erstellung weitläufiger 3D-Umgebungen verwendet, sondern auch für viele ihrer Bestandteile, einschließlich Requisiten, Laub und Charaktermodelle.
Im Verlauf der Entwicklung des Titels experimentierte das Studio weiter. In einigen Fällen wurden Teammitglieder als Grundlage für Leichenmodelle gescannt, und es wurden sogar per Drohne geflogene Scanner eingesetzt, um größere Umgebungen zu erfassen. Da die Photogrammetrie schließlich die schnelle Erstellung von Requisiten-, Kulissen-, Waffen-, Fahrzeug- und Charaktermodellen ermöglichte, zeigte das Projekt, wie weit die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie für Videospiele bereits fortgeschritten sind.
Photogrammetrie-Software für CGI und Videospiele
RealityCapture wurde bereits erwähnt, doch es ist nicht die einzige Photogrammetrie-Software, mit der Sie 3D-Modelle für Videospiele mit hoher Genauigkeit erstellen können. Der branchenführende Spieleentwickler Electronic Arts (EA) ist beispielsweise dafür bekannt, dass er PhotoModeler verwendet. Mithilfe der Idealize-Funktion dieser Software ist es möglich, Linsenverzerrungen während der Bearbeitung zu entfernen. Dies soll es wesentlich einfacher machen, scharfe Hintergründe für Spiele und Animationen, die besser zum Ausgangsmaterial passen, zu erstellen.
Das Programm verfügt auch über einen automatischen Algorithmus zur Erzeugung von Punktwolken. Dies ermöglicht Modelle mit hochpräzisen Texturen, die in das weit verbreitete CAD-Format exportiert werden können. Allerdings ist das Programm nicht ausschließlich für die Photogrammetrie konzipiert. Daher verfügt die Software auch nicht über den automatisierten Foto-zu-Volumen-Workflow, den die Konkurrenz bietet.
Photogrammetrie eines Automobils in RealityCapture
Für diejenigen, die Programme für die Digitalisierung von atemberaubenden Landschaften suchen, bietet sich Unity SpeedTree an. Diese Software nutzt alles von 3D-Kunstwerkzeugen bis hin zu prozeduralen Generierungsalgorithmen, um Pflanzenwelten originalgetreu nachzubilden. Es ist daher nicht verwunderlich, dass sie von bekannten Spieleherstellern wie Bungie und Ubisoft genutzt wurde.
Ebenso interessant ist Agisoft Metashape, eine Software zur Bearbeitung von 3D-Modellen, die in der Lage ist, aufwendige, sowohl aus der Nähe als auch aus der Entfernung aufgenommene, Bilddaten zu verarbeiten. Diese Software wird zwar eher in der Forschung, im Vermessungs- und im Verteidigungswesen eingesetzt als bei der Entwicklung von Videospielen, doch machen die automatische Kalibrierungsfunktion und die Unterstützung mehrerer Kameras das Programm zu einer attraktiven Option für alle, die komplexe Objekte digitalisieren oder große 3D-Umgebungen erstellen.
Jedoch gibt es bei der Verwendung aktueller Photogrammetrie-Prorgramme einige Nachteile. Viele werden in Stufen vermarktet, was bedeutet, dass die Nutzer in einigen Fällen ein Upgrade vornehmen müssen, um Zugang zu bestimmten Funktionen zu erhalten. In anderen Fällen kann es sein, dass den Programmen Funktionen ganz fehlen. Dies erhöht die Einstiegshürde für Neueinsteiger, da sie wissen müssen, welche Zusatzpakete sie für ein bestimmtes Projekt benötigen.
Photogrammetrie eines Mancubus, eines Monsters aus der klassischen Videospielreihe Doom
Wenn Sie auf der Suche nach einer umfassenderen, leichter zugänglichen Software sind, sollten Sie sich Artec Studio ansehen. Zwar ist dieses Programm eher für die Verarbeitung von mit 3D-Scannern erfassten Daten bekannt, doch ist in die neueste Version auch KI-Photogrammetrie integriert. Wie bereits erwähnt, macht diese Funktion die 3D-Datenerfassung niedrigschwelliger und damit für noch mehr Nutzer interessant.
Die neue Funktion nutzt die Leistungsfähigkeit der KI und ermöglicht es Anwendern, mit beliebigen Fotos oder Videos 3D-Modelle zu erstellen, die geometrisch hinreichend genau und zugleich außergewöhnlich realistisch sind. KI-Photogrammetrie erfasst sogar Objekte mit komplexen, durchscheinenden, glänzenden und strukturlosen Oberflächen. Dies eignet die resultierenden Modelle perfekt für die Videospielindustrie, wo optische Perfektion besonders wichtig ist.
Schlüsselpunkt
Software ist für den Aufbau von 3D-Welten von entscheidender Bedeutung, und die Wahl des Programms bestimmt oft die Art und Weise, wie aufgenommene Bilder zusammengestellt und im Spiel präsentiert werden können.
Wenn es daran geht, die Qualität der Modelle zu optimieren, macht es die Autopilot-Funktion des Programms die Aufgabe gerade für Einsteiger einfacher als je zuvor, indem sie anbietet, auf der Grundlage einiger weniger Eingaben den jeweils effektivsten Datenverarbeitungs-Algorithmus auszuwählen.
Mit der Fototexturierung in Artec Studio können Nutzer außerdem die Farbklarheit von Modellen verbessern, indem sie Texturen auf 3D-Scans aus hochauflösenden Fotos anwenden. Die technologieunabhängige Photogrammetrie ermöglicht die Erfassung von großen Objekten und Landschaften sowie die Verwendung von Drohnenaufnahmen – und öffnet damit das Tor zu maßstabsgetreuen Animationen.
3D-Scannen als Alternative
Photogrammetrie konnte sich zwar als geeignetes Werkzeug für die Modellierung von Videospielen erwiesen, hat aber auch ihre Grenzen. Die Genauigkeit der resultierenden 3D-Assets hängt von der Auflösung der Kameras, die zum Fotografieren des Zielobjekts verwendet werden, ab. Unbeständiges Wetter sowie Kalibrierungs-, Winkel- und Redundanzprobleme können zur Erstellung von undetaillierten Modellen führen. Darüber hinaus sind die Erfassung und Kombination sich überschneidender Bilder natürlich zeitaufwändig. All diese Hindernisse werfen die Frage auf: Gibt es vielleicht eine effizientere Methode zur 3D-Modellierung?
World War 3: Spätes Stadium der Charakterentwicklung nach dem Scannen mit Artec Leo und Space Spider, wobei Glock 17 Pistole mit Artec Space Spider und die Gesichter Artec Leo gescannt wurden
Wer den Prozess der Erstellung von 3D-Modellen für Videospiele beschleunigen möchte, sollte den Einsatz von 3D-Scans in Betracht ziehen. Mit beeindruckenden Scangeschwindigkeiten von bis zu 44 Bildern pro Sekunde bieten hochmoderne Geräte wie der Artec Leo Photogrammetrie-Anwendern die Möglichkeit, ihren Arbeitsablauf zu beschleunigen.
Das Studio The Farm 51 konnte genau dies bereits erreichen. Durch die Kombination des Leo mit einem anderen 3D-Scanner, Artec Space Spider, konnte das Entwicklerstudio unglaublich realistische Modelle für das Videospiel World War 3 erstellen. Die Umstellung von der Photogrammetrie, die bei der Entwicklung früherer Titel verwendet worden war, ermöglichte es dem Unternehmen, jedes Charakter-, Fahrzeug- und Waffenmodell für seinen Online-Shooter in nur wenigen Stunden zu erstellen.
Gameplay-Screenshot von World War 3 und ein Scan eines frühen Stadiums der Charakterentwicklung, der gerade mit Artec Leo überprüft wird
Das beliebte Xbox-Videospiel Hellblade verfügt ebenfalls über 3D-Ganzkörpermodelle, die mit Hilfe von Artec 3D-Scans erstellt wurden. Das Spiel wurde mit Hilfe der Motion-Capture-Technologie des zu Microsoft gehörenden Studios Ninja Theory entwickelt und bietet eine atemberaubende Nachbildung der Hauptdarstellerin Melina Jürgens. Dank der beeindruckenden Flexibilität und Genauigkeit von Artec Eva war der Entwickler nicht nur in der Lage, die Figur lebensecht aussehen zu lassen, sondern sie auch mit Haut und Muskeln, die sich wie die einer echten Person bewegen, auszustatten.
Heutzutage setzt auch der Maßstab der 3D-Modellierung keinerlei Grenzen: Mit Artec Micro II können Sie digitale Versionen von winzigen Objekten erstellen, indem Sie komplexe Details mit einer Auflösung von bis zu 40 Mikrometern erfassen, bevor Sie sie in Spielwelten einbauen. Am anderen Ende des Spektrums ermöglicht Artec Ray II mit seiner großen Reichweite das 3D-Scannen großer Objekte, bei Bedarf sogar eines ganzen Rettungshubschraubers. Wer kann also ausschließen, dass die Technologie eines Tages nicht auch für den Transport großer Fahrzeuge in die virtuelle Welt eingesetzt wird?
Ein anderes Beispiel ist das Team von Creative Mesh. Mit der kombinierten Anwendung von Leo und Ray II gelang es dem Entwickler, unglaublich lebensechte DLCs für Farming Simulator, einem Liebling unter PC-Spielern, zu erfassen. Und nachdem der Entwickler zudem noch alles Weitere, angefangen von Flugzeugen bis hin zu größeren Flächen, erfassen konnte, scheinen die Möglichkeiten der 3D-Datenerfassung im Bereich Videospiel tatsächlich grenzenlos zu sein.
Ein 3D-Modell einer MD-902 und der Hubschrauber, der gerade mit Artec Leo 3D-gescannt wird
Kombination von Photogrammetrie und 3D-Scannern
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Photogrammetrie mit 3D-Scannern zu kombinieren. Dies könnte bedeuten, dass Sie eine größere Szene mit Photogrammetrie erfassen und dann einzelne Elemente innerhalb dieses Bereichs mit einem professionellen 3D-Scanner digitalisieren. Da die Photogrammetrie mit praktisch jedem Fotosatz funktioniert, können Sie auch Drohnen einsetzen, Szenen aus der realen Welt erfassen und sie in Videospielform in wirklich großem Maßstab nachbilden.
Bei der Zusammenführung von Datensätzen Photogrammetrie und 3D-Scannern leistet Artec Studio sehr gute Dienste. Die Software nicht nur die Kombination völlig unterschiedlicher Polygonnetz-Daten, sondern bietet auch die Möglichkeit der Fototexturierung, so dass Sie Texturen auch selbst auf Modelle anwenden können.
Artec Studio verbindet also das Beste aus beiden Welten: 3D-Scannen, Photogrammetrie oder beides – je nachdem, was Ihre Anwendung erfordert.
Fazit
Angesichts der oben beschriebenen praktischen Anwendungsfälle ist klar, dass sowohl die Photogrammetrie als auch das 3D-Scannen dazu beitragen, die grafischen Grenzen in der Spieleindustrie zu erweitern. Da jeder Blockbuster, der mit Hilfe von Scanning erstellt wurde, auf leicht unterschiedlichen 3D-Plattformen basiert, gibt es derzeit keine Allzwecklösung, die pauschal zur Erstellung von Modellen für jedes beliebige Videospiel eingesetzt werden kann – wobei Artec Studio dieser Idealvorstellung immer näherkommt.
Stattdessen haben die Studios die Wahl zwischen verschiedenen Hardware- und Softwarepaketen, von denen einige speziell für die Spieleentwicklung und andere für ganz verschiedene Anwendungen entwickelt wurden. Bei der Entscheidung zwischen diesen Programmen müssen die Entwickler Faktoren wie die Art der Umgebungen, die sie im Spiel nachbilden wollen, sowie die grafische Genauigkeit, welche die Objekte in ihrer virtuellen Welt haben sollen, berücksichtigen.
Glücklicherweise hat die zunehmende Verbreitung der Photogrammetrie und des 3D-Scannens in der Spielebranche zur Einführung von Produkten geführt, die unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Die bewährte Fähigkeit dieser Technologien, Objekte aller Formen und Größen originalgetreu zu reproduzieren und in virtuelle Welten hochzuladen, zu optimieren und zu integrieren, macht sie attraktiv für die Beschleunigung der Entwicklung neuer, innovativer Spiele. Und da die KI nun auch die 3D-Modellierung selbst zu automatisieren verspricht, werden Funktionen wie die KI-Photogrammetrie bei Entwicklern eine immer größere Rolle spielen.
Vor diesem Hintergrund erleben wir in der CGI- und Videospielbranche gerade eine aufregende Zeit für die Photogrammetrie und das 3D-Scannen– und es wird interessant sein zu sehen, wie neue Technologien die Innovation in diesen und anderen Anwendungen weiter vorantreiben werden.
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