Computeranimation: Schau mich an

Die Augen virtueller Figuren in Filmen oder Spielen echt wirken zu lassen, ist extrem schwierig. Wissenschaftler haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem die Täuschung nahezu perfekt gelingt.

Die Piratin Maz Kanata spielt in der "Star Wars"-Episode "Das Erwachen der Macht" nur eine Nebenrolle, aber für die Filmtechnik ist sie der große Star. Die schrumpelige Figur mit ihren dunklen Augen hinter dicken Brillengläsern, die Anakin Skywalkers Lichtschwert in ihrem Schloss auf dem Planeten Takondana verwahrt, ist nämlich komplett computeranimiert. Das Speziellste jedoch sind ihre Augen, die mit einer neuen Software generiert wurden, die von Pascal Bérard und seinem Team am Disney Research Lab Zürich entwickelt worden ist.

"Das Auge ist das zentrale Merkmal eines Gesichts", sagt Computergrafiker Bérard. Das ist zwar eine Binsenwahrheit, erstaunlich ist jedoch, dass die Rekonstruktion von Augen für Computerspiele oder eben für Filme bisher viel weniger gut gelang als der Rest des Gesichts. Während die Haut, die Haare der Brauen oder des Barts sowie Mund und Nase schon fast perfekt simuliert werden können, blieben die Augen bisher eher rudimentär.

Visuelle Effekte sind aus zeitgenössischen Filmen heute nicht mehr wegzudenken. Fantasyfilme wie "Star Wars" leben davon, aber auch viele Superhelden-Streifen nutzen Simulationen. Dafür wird die ganze Umwelt möglichst realitätsgetreu erfasst, im Computer digitalisiert und für eine Szene simuliert. Man nennt dies das Motion-Capture-Verfahren. In der Capture- and-Effects-Gruppe des Disney Research Lab arbeitet ein halbes Dutzend Leute allein an der Digitalisierung und Rekonstruktion von Gesichtern. Das Auge war dabei eine besondere Knacknuss. "Es sind die subtilen Details, die einer erfolgreichen Rekonstruktion bisher im Wege standen", sagt Pascal Bérard. Diese Details bestimmen die Individualität des Sehorgans. Es lebt nicht nur von den unterschiedlichen Augenfarben, die sich in der Iris zeigen, sondern auch von deren Textur, von der Mikrostruktur der feinen Äderchen im Augenweiß, der Sklera, und auch von der Art, wie sich eine Pupille bewegt. Selbst die Form des Auges ist komplex. Es ist keine perfekte Kugel, sondern außen runder und gegen die Nase hin abgeflacht. Ein besonderes Problem bei den bisherigen Verfahren, die vor allem auf fototechnischen Methoden basierten, waren zudem die unberechenbaren Licht- und Spiegeleffekte der feuchten Hornhaut, welche die geometrische Rekonstruktion des Auges so schwierig machten.

Das Programm kann sogar die Verästelung der Äderchen und die Textur der Iris nachahmen

Kommt hinzu, dass die Zuschauer bei der Wahrnehmung von Augen ganz unbewusst besonders kritisch sind. Der Mensch ist darauf trainiert, den Ausdruck der Augen zu erfassen und einzuordnen. Eine Rekonstruktion kann somit schnell ins "uncanny valley", das "unheimliche Tal", fallen. So nennt man im Bereich der Computersimulationen und Virtual Reality die Akzeptanzlücke von nicht ganz perfekten Nachahmungen. Deren Eigenart ist, dass offensichtliche Fehler eher akzeptiert werden als minimale Abweichungen von der Realität. "Unser Ziel kann nur die perfekte Kopie sein", sagt Pascal Bérard.

Diesem Ziel sind die Zürcher Disney-Forscher nun einen großen Schritt nähergekommen. "Wir haben ein Basismodell, von dem aus wir immer ein realistisches Auge generieren können", sagt Bérard, der vom Magazin Forbes in die Liste der 30 wichtigsten Jungforscher Europas aufgenommen wurde. Das Team um Bérard hat das Problem in zwei Schritten gelöst. In einem ersten Projekt wurde eine Stammbibliothek von 30 verschiedenen Augen erstellt, die als eine Art Schablone dienen. Dazu haben die Wissenschaftler Menschen mit möglichst unterschiedlichen Augen bezüglich Farbe, Form und Textur ins Labor geholt. Sie baten die Probanden auf eine spezielle, mit sechs Kameras und verschiedenen Lichtquellen ausgerüstete Liege, auf der sich der Kopf fixieren ließ. Dann wurden pro Auge 150 digitale Fotos aufgenommen. Derart viele Aufnahmen mussten unter anderem deshalb gemacht werden, um die Bewegungen der Pupille aufzufangen. "Der Anteil der Bewegung an der Mimik wurde bisher unterschätzt", sagt Bérard. So machen gängige Rekonstruktionsverfahren die Pupille einfach linear größer oder kleiner. In Wirklichkeit sind die Augenmuskelbewegungen viel komplexer. Am Ende hatten die Forscher einen riesigen Datensatz für die Iris und die Pupille, für die Hornhaut sowie für die Sklera. Für diese Bestandteile kreierten sie Rekonstruktionsalgorithmen, welche die jeweiligen Besonderheiten berücksichtigten. So haben sie zum Beispiel für die Sklera einen Algorithmus entwickelt, der das Wachstum der Äderchen simuliert. Die Textur der Iris, so zeigte sich, hängt stark mit der Augenfarbe zusammen: Blaue Augen haben eine feingliedrigere Struktur als braune, die eher glatt sind; grüne Augen liegen irgendwo dazwischen. Die einzelnen Algorithmen wurden kombiniert, sodass nun hochaufgelöste dreidimensionale Augen mit der richtigen Geometrie und Textur modelliert werden konnten.

Die große Herausforderung war es dann, aus diesen Daten beliebige Augen zu rekonstruieren, ohne die Schauspieler stundenlang fotografieren zu müssen. "Die Idee war, diesen riesigen Datensatz von 30 verschiedenen Augen zu einem Modell zu kondensieren", sagt Pascal Bérard, der im Rahmen dieses Projekts seine Dissertation an der ETH Zürich schreibt, mit der das Disney Lab zusammenarbeitet. Der Trick: Für die Rekonstruktionsalgorithmen der einzelnen Augenteile wurde jeweils eine Anzahl Parameter definiert, je nach Komponente unterschiedlich viele. Für die Irisrekonstruktion etwa sind das die einzelnen Farbstufen für jedes Pixel. Das Rekonstruktionsprogramm für das Wachstum der Äderchen dagegen wird nur über vier Parameter definiert: die Dicke der Äderchen, deren Länge sowie die Ausdünnung und die Verästelung.

Vor einem halben Jahr nun haben die Forscher ihre Methode publiziert - und werden seither mit Anfragen überhäuft. Dank der Parametrisierung reicht heute für die Imitation des Auges eines Schauspielers ein hochaufgelöstes Foto. Dieses Foto enthält genügend Angaben, um mithilfe der Rekonstruktionsalgorithmen und mit den richtig gesetzten Parametern ein realistisches Auge nachzuahmen und dieses auch noch richtig in Szene zu setzen. Doch das Programm kann noch mehr. Wenn der Schauspieler beispielsweise nach durchwachter Nacht aussehen soll, kann der Anwender des Programms die Parameter für das Äderchenwachstum so setzen, dass die Augen gerötet erscheinen.

Mit der zweiten Methode haben die Forscher die Augen des Schauspielers Benedict Cumberbatch im neuen Film "Dr. Strange" rekonstruiert, um ihn auch in unrealistischen Situationen wie Cumberbatch aussehen zu lassen. Der britische Schauspieler spielt in diesem von Scott Derrickson gedrehten Superhelden-Film den verzweifelten Neurochirurgen Stephen Strange, der nach einem Autounfall in eine Welt von Magie und Wunderglauben gerät. In diesem Film wird Pascal Bérard auch im Abspann erwähnt. "Das war ein fantastisches Gefühl", sagt er. "Als Wissenschaftler arbeitet man ja viel für sich allein. Wenn dann diese Arbeit so honoriert wird, ist das schon sehr schön."