Computergrafiker lassen Wassertropfen klingen

Informatiker an der Cornell University haben Algorithmen entwickelt, um zu computergenerieten 3D-Grafiken von tropfendem Wasser auch den passenden Klang realistisch zu synthetisieren.

Denn das nachträgliche Einspielen von Tonaufnahmen wie in computeranimierten Filmen stößt bei immer interaktiveren und detailreicheren virtuellen Welten an seine Grenzen. Dort wäre ein automatisches Erzeugen passender Klänge wichtig.

„Eine eingespielte Aufnahme kann nur sehr begrenzt ein wirklich fesselndes virtuelles Erlebnis bieten und beispielsweise Änderungen im Blickwinkel oder zusätzliche Objekte in einer Szene nicht berücksichtigen“, meint Doug James, Professor für Informatik an der Cornell, gegenüber pressetext. Die Wassertropfen-Klangsynthese seines Teams ist ein erster Schritt in Richtung realistisch synthetisierter Geräusche.

Der Ansatz zur Synthese des Klangs von tropfendem oder rinnendem Wasser setzt auf eine physikalische Simulation der Objekte in der 3D-Grafik. Dabei werden deren Vibrationen sowie davon ausgelöste Schallwellen berechnet. Wie die Forscher festgestellt haben, entsteht der Klang von Wasser vor allem durch winzige Luftblasen, die beim Tröpfeln und Spritzen entstehen und knapp unter der Wasseroberfläche gefangen sind. Die Bläschen werden durch Oberflächenspannung komprimiert, bis sie sich durch den Druck im Inneren wieder ausdehnen. Durch diese Schwingungen vibriert schließlich die Wasseroberfläche, die praktisch als Lautsprecher Schallwellen in der Umgebungsluft erzeugt.

Das berichten die Forscher in einer Arbeit, die auf der Computergrafikkonferenz SIGGRAPH http://www.siggraph.org/s2009 im August präsentiert wird. Also simulieren sie die Bewegung der Luftbläschen und ihre Schwingungen, um den gewünschten synthetischen Klang zu erzeugen. Demonstrationen dazu finden sich unter http://www.cs.cornell.edu/projects/HarmonicFluids .

Für die synthetischen Wassergeräusche sind Simulationen erforderlich, die mehrere Stunden Rechenzeit erfordern – was aber nicht primär an der Soundsynthese liegt. „Der tropfende Wasserhahn hat nur eine kleine Zahl an Bläschen. Die Schallberechnungen haben nur etwa ein Prozent der gesamten physikalischen Simulation ausgemacht“, sagt James. Zunächst ginge es in der Forschung aber gar nicht um eine schnelle Klangsynthese. „Wir erforschen ein neues Gebiet und suchen Algorithmen, die überzeugenden Sound berechnen können. Wenn wir einmal wissen, was wir machen wollen, können wir die Berechnung beschleunigen – ähnlich wie bei Grafik“, sagt der Wissenschaftler. Langfristig halten die Forscher Echtzeit-Berechnungen für interaktive virtuelle Umgebungen auch bei größeren Geräuschquellen – etwa Schwimmbecken oder vielleicht sogar den Niagarafällen – für gut möglich. „Ich denke, das Problem an Physik-basiertem Soundrendering ist nicht so sehr fehlende parallelisierte Rechenleistung, als vielmehr ein fehlendes Verständnis geeigneter Algorithmen“, meint James.

Die Arbeit am Klang von Flüssigkeiten und Gasen ist nur ein erster Schritt in größer angelegten Forschungsbemühungen. Denn auch an der Möglichkeit, effizient den Klang von klatschenden Händen, Wind in Bäumen, auf den Boden fallenden Gläsern oder zerknüllt werdendem Papier zu berechnen, mangelt es, so die Cornell-Informatiker. Mit einer Förderung von 1,2 Mio. Dollar durch das Human Centered Computing Program der National Science Foundation http://www.nsf.gov soll an der Synthese diverser Geräusche gearbeitet werden, wie beispielsweise dem Klang eines Behälters voller Lego-Steine, eines Beckens in der Musik oder dem Bruchgeräusch berstenden Glases.