MITs Meschers: Unmögliche Objekte visualisieren & bearbeiten
Forschende des Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT haben ein neuartiges Tool namens „Meschers“ entwickelt, das die Visualisierung und Manipulation von „unmöglichen Objekten“ ermöglicht – Geometrien, die den Gesetzen der Physik trotzen und an die verblüffenden Kunstwerke von M.C. Escher erinnern.
Traditionell konnten Computergrafik-Wissenschaftler und Designer diese optischen Illusionen in 3D nur durch physikalische Umwege nachbilden, etwa indem sie eine reale Form biegen oder schneiden und diese in einem präzisen Winkel positionieren. Dieser Ansatz weist erhebliche Einschränkungen auf: Eine Veränderung der Glätte oder Beleuchtung der Struktur offenbart ihre wahre, physikalisch mögliche Natur, wodurch sie für eine genaue geometrische Analyse ungeeignet wird.
Meschers bietet eine einzigartige Lösung, indem es Bilder und 3D-Modelle in „2.5-dimensionale“ Strukturen umwandelt. Diese innovative Darstellung modelliert, wie Menschen diese unmöglichen Formen wahrnehmen. Anstatt eine globale Konsistenz zu erzwingen, konzentriert sich das Tool auf die „lokale Konsistenz“ der Objektteile – das heißt, einzelne Abschnitte erscheinen plausibel, auch wenn das Ganze in der Realität nicht existieren kann. Im Hintergrund arbeitet Meschers, indem es die x- und y-Koordinaten des Bildes sowie die Tiefenunterschiede (z-Koordinaten) zwischen benachbarten Pixeln kennt. Dies ermöglicht es dem Tool, unmögliche Objekte indirekt zu analysieren und zu manipulieren. Entscheidend ist, dass Benutzer diese einzigartigen Geometrien neu beleuchten, glätten und studieren können, während ihre optische Illusion erhalten bleibt.
Die Vielseitigkeit von Meschers eröffnet neue Wege in verschiedenen Bereichen. Für Geometrieforscher könnte es komplexe Berechnungen wie „Geodäten“ (die kürzeste Entfernung zwischen zwei Punkten auf einer gekrümmten, unmöglichen Oberfläche) erleichtern und die „Wärmediffusion“ (wie sich Wärme über ein solches Objekt ausbreitet) simulieren. Künstler und Computergrafik-Wissenschaftler können nun eine völlig neue Klasse von Formen erforschen und physiktrotzende Designs in mehreren Dimensionen erstellen. Darüber hinaus könnten Wahrnehmungswissenschaftler das Tool nutzen, um besser zu verstehen, an welchem genauen Punkt ein Objekt in der menschlichen Wahrnehmung von plausibel zu wirklich unmöglich übergeht.
Ana Dodik, Hauptautorin und MIT-Doktorandin, drückte ihr Ziel aus, Computergrafik-Tools zu entwickeln, die über die Nachbildung der Realität hinausgehen. „Mit Meschers haben wir eine neue Klasse von Formen für Künstler freigeschaltet, mit denen sie am Computer arbeiten können“, erklärte sie. Seniorautor Justin Solomon, außerordentlicher Professor am CSAIL, fügte hinzu: „Meschers zeigt, dass Computergrafik-Tools nicht durch die Regeln der physikalischen Realität eingeschränkt sein müssen. Unglaublicherweise können Künstler, die Meschers verwenden, Formen analysieren, die wir in der realen Welt niemals finden werden.“
Das Team hat die Fähigkeiten des Tools an verschiedenen unmöglichen Objekten demonstriert, darunter ein „Impossibagel“ (ein physikalisch unmöglich schattierter Bagel) zur Simulation der Wärmediffusion und ein Modell eines Hundes auf einem Skateboard, um die Fähigkeit zu zeigen, die Schattierung anzupassen, während die optische Illusion erhalten bleibt. Meschers kann diese Strukturen auch für präzisere Berechnungen unterteilen, visuelle Unvollkommenheiten reduzieren und sogar Zeichnungen und Bilder von unmöglichen Objekten durch „inverses Rendering“ in hochdimensionale Designs umwandeln.
Die Forschung wird auf der bevorstehenden SIGGRAPH-Konferenz im August vorgestellt. Mit Blick auf die Zukunft planen Dodik und ihre Kollegen, eine benutzerfreundlichere Oberfläche zu entwickeln, aufwendigere Szenen zu erstellen und in Zusammenarbeit mit Wahrnehmungswissenschaftlern breitere Anwendungen zu erforschen.