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Interstellar: Hunderte CPUs berechnen schwarzes Loch

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schwarzes-lochDer Film Interstellar aus dem Jahre 2014 zeichnete sich vor allem durch eine möglichst realistische Darstellung und Simulation eines schwarzen Loches aus. Christopher und Jonathan Nolan schrieben das Drehbuch und zeichneten sich auch für die filmische Umsetzung verantwortlich. Der theoretische Physiker Kip Stephen Thorne hat in wissenschaftlichen Fragen seine Expertise beigesteuert und erhielt zuletzt als einer von drei Wissenschaftlern für den Nachweise von Graviationswellen einen Nobelpreis.

In einem wissenschaftlichen Papier beschreiben einige der beteiligten Mitarbeiter der Visual-Effect-Firma, sowie Kip Thorne selbst, die Methoden, wie die visuelle Darstellung von Gargantua, dem für die Geschichte des Film wichtigen schwarzen Lochs, entstanden ist. Christopher Nolan hat für seinen Film einen extremen Wert auf eine korrekte Abbildung des schwarzen Lochs gelegt und dementsprechend detailgetreu sollte auch die Darstellung sein.

Dazu wurde vom CGI-Unternehmen Double Negative Visual Effects zusammen mit Kip Thorne ein DNGR (Double Negative Gravitational Renderer) entwickelt. Dieser berechnet möglichst exakt die visuelle Darstellung in Abhängigkeit diverser Parameter, zum Beispiel die vorhandene Gravitationslinse eines sich drehenden schwarzen Lochs, Farbverschiebungen aufgrund des Doppler-Effekts, das Verhalten der Akkretionsscheibe und die Bindung von Lichtstrahlen rund um den Ereignishorizont. Üblicherweise können CGI-Unternehmen auf eigene oder externe Quellen für bestimmte Effekte zurückgreifen. Im Falle von Interstellar wurde aber noch nie versucht, ein schwarzes Loch in dieser Form dem Publikum darzubieten und es mussten völlig neue Ansätze gewählt werden.

Das Papier beschreibt die Entstehung einer Gravitationslinse durch ein massereiches schwarzes Loch, was besonders nahe des Ereignishorizonts ein kompliziertes Unterfangen ist, da das Licht hier mehrfach durch die Graviation in immer engeren Radien um das schwarze Loch geführt wird, bevor es im Auge des Betrachters landet.

In vielen Darstellungen eines schwarzen Lochs ist die Akkretionsscheibe eine flache Scheibe – ähnlich wie die Ringe um den Planeten Saturn. In der Darstellung eines schwarzes Lochs aus einem geringen Abstand sorgt der Effekt der Gravitationslinse aber dafür, dass diese gebogen und zudem gebeugt dargestellt wird. Hinzu kommen Effekt wie der Doppler-Effekt in der Farbdarstellung und vieles mehr, was in den Berechnungen mit einbezogen werden muss.

Letztendlich umfasst der DNGR 40.000 Zeilen C++-Code, der auf der Renderfarm von Double Negative Visual Effects ausgeführt werden musste. Das schwarze Loch ist in einigen Sequenzen zusammengenommen nur wenige Sekunden zu sehen und dennoch waren die Berechnungen der Darstellung extrem aufwändig.

Interstellar wurde für das IMAX-Format produziert. Jeder Frame besteht aus 23 Millionen Pixeln. In ersten Tests dauerte es 30 Minuten bis zu mehrere Stunden, um einen einzigen Frame zu berechnen. Bei 24 Bildern pro Sekunde kann man sich schnell vorstellen, dass dies einige Zeit dauern kann. Das CGI-Unternehmen betreibt in London eine Renderfarm mit 1.633 Dell-M620-Servern, jeweils bestückt mit zwei Intel Xeon E5-2680 sowie 156 GB Arbeitsspeicher. Die Prozessoren verfügen über jeweils zehn Kerne und zeitweise wurden mehrere hundert dieser Server für die Berechnungen des schwarzen Lochs verwendet.

Der enorme Aufwand für ein paar Sekunden Darstellung eines schwarzen Lochs ist zum einen durch den physikalischen Hintergrund kaum zu umfassen, aber auch die notwendige Rechenleistung ist nicht zu verachten. An diesem Punkt kommt die Hardware ins Spiel, die wir jeden Tag genauer beleuchten. In vielen CGI-Unternehmen kommen noch klassische Renderfarmen mit recht "alten" Prozessoren zum Einsatz (der Xeon E5-2680 basiert auf Sandy Bridge-EP), diese werden aber zunehmen durch GPU-basierte Rendersysteme ersetzt. Doch nicht zwangsläufig muss dies zu kürzeren Renderzeiten führen, denn ein immer größerer Anteil an Minuten eines Filmes oder einer Serie entstehen zu einem großen Teil am PC und zudem werden diese auch immer komplexer und realistischer, was die Renderzeiten trotz schnellerer Hardware wieder stabil bleiben lässt.

Die Simulation der Darstellung eines schwarzen Lochs war 2014 ein Novum in der Filmwelt und wurde nun etwas genauer beschrieben. Womöglich nehmen sich andere Filmemacher daran ein Beispiel und achten bei ihren Umsetzungen physikalischer Effekte ebenfalls auf einen solchen Realismus.

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Kommentare (21)

#12
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Registriert seit: 15.02.2008
Zürich/CH
Bootsmann
Beiträge: 688
hui, quantenphysik in HWL :)

da schlägt das herz grad schneller, ansonten zum artikel: gut verfasst das es auch "einfache" leute verstehen... ;)
#13
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Registriert seit: 29.09.2006
Sachsen das reicht ^^
Leutnant zur See
Beiträge: 1033
Zitat speedy55;26426241
Ein Großtreil der Menschen wurde gerettet.
Nur was bringt mir das, wenn ich das Raumschifft durch das Wumrloch in die andere Galaxie schicke?
Der nutzbare Planet, wo Cooper zum Schluss 'hindüst', liegt direkt am Ereignishorizont.


Am besten nochmal schauen... Und Lesen was der Ereignishorizont ist...
Am Ereignishorizont gibt es kein Planeten im Film.

*Spoiler*

Der erste Planet im Film liegt so dicht am Schwarzenloch, das er von der Raumkrümung die das Schwarzenloch verursacht sehr sehr Stark betroffen ist. Aber mit Ereignishorizont hat das nichts zu tun.

Erst der Dritteplanet war die neue Heimatwelt
#14
Registriert seit: 16.08.2011

Fregattenkapitän
Beiträge: 2915
Ich weiß, was der Ereignishorizont ist.
Ich finds lustig, wie sich trotzdem viele den Film schönreden, obwohl er viele physikalische Fehler beinhaltet.

... dann liegen die Planeten halt unmittelbar am Ereignishorizont (geht zum. von den Bildern her so ein).
Sterne, welche in real in diesem Abständen um schwarze Löcher kreisen, haben Geschwindigkeiten drauf, die Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit betragen. Diese Sterne besitzen aber Volumen, die in der Größenordnung 1000+ der unseren Sonne entsprechen.
Ich bezweifle, dass so ein mickriger Steinklumpen das übersteht.
#15
Registriert seit: 11.01.2018

Matrose
Beiträge: 30
Dann erweitere mal auch den eigenen Horizont.
Was vor 100, 200, 300, 500 oder auch 1000 Jahren als unmöglich galt, ist heutzutage möglich.
Denk nur mal dran, dass die Erde mal als Scheibe galt. (Das glauben manche sogar heutzutage noch)

Oder z.b. entgegen den Physikalischen Gesetzen kann eine Hummel nicht fliegen. Aber sie kann es. So hiess es zumindest eine Zeit lang aufgrund einer falschen Annahme. (Erzeugt eigene Wirbel, wen es interessiert)

Es wird immer Dinge geben die beim jeweils aktuellen Stand der Wissenschaft unmöglich sind. Auch die Wissenschaft ändert ständig immer wieder die "Meinung" da es neue Erkenntnisse gibt.

Ja, aktuell aus jetzigem Wissensstand wirds so nicht möglich sein. Aber deswegen Unmöglich?

Die Natur (worunter ich jetzt auch das Universum an sich zähle) lehrt uns immer wieder neue Sachen die wir vorher für nicht möglich gehalten haben.
Nur weil du noch keinen Planeten gesehen hast, der dies übersteht/überstehen könnte, heisst es nicht, dass dies nicht sogar exisitiert.

Ob die Planeten übrigens dort liegen oder nicht ist eigentlich auch völlig unerheblich.
Die Rettung der Menschheit ist NICHT der gefundene Planet, sondern die Raumstationen die dann endlich entsprechend möglich sind.
Im falle des Films (achtung Phrasenschwein) ist der Weg das Ziel.
Es geht dabei um die Verbindung zwischen Cooper und seiner Tochter Murphy. Und dabei auch nicht um Wissenschaft, sondern um genau das, was darüber hinaus geht und eben nicht messbar ist, aber jedem bekannt sein sollte.
Und aufgrunde dessen ist es der Menschheit dann möglich mit den Raumstationen gerettet zu werden.

P.S.: Und wenns dir nur um Filmfehler geht, brauchen wir gar nicht diskutieren. Die findet man sowieso so ziemlich überall. Manche aus Zeit-/Geldgründen manche mal aus unachtsamkeit usw.
Übrigens, einiges das vor einiger Zeit als unmöglich galt, haben Filme und Bücher ohne wissenschaftliche Grundlage bereits aufgezeigt und wurde erst später wirklich durch die Wissenschaft entdeckt.
Und natürlich Theorien die selbige Genies nicht nachweisen konnten, aber viele Jahre nach Ihnen nachgewiesen wurde. (bekanntestes Beispiel dürfte Einstein sein)

Und es wird sicher auch jetzt bereits Dinge in der Wissenschaft geben, die du selbst nicht für möglich hälst.
#16
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Registriert seit: 29.09.2006
Sachsen das reicht ^^
Leutnant zur See
Beiträge: 1033
Zitat speedy55;26426988
Ich weiß, was der Ereignishorizont ist.
Ich finds lustig, wie sich trotzdem viele den Film schönreden, obwohl er viele physikalische Fehler beinhaltet.

... dann liegen die Planeten halt unmittelbar am Ereignishorizont (geht zum. von den Bildern her so ein).
Sterne, welche in real in diesem Abständen um schwarze Löcher kreisen, haben Geschwindigkeiten drauf, die Bruchteile der Lichtgeschwindigkeit betragen. Diese Sterne besitzen aber Volumen, die in der Größenordnung 1000+ der unseren Sonne entsprechen.
Ich bezweifle, dass so ein mickriger Steinklumpen das übersteht.


Das hat nichts mit schön reden zutun wenn du nicht weißt wo sich der Ereignishorizont befindet...
Wie bereits gesagt wurde das Schwarzenloch dort platziert und wenn man wurmlöcher schaffen kann, sind 3 Planeten ein Kinderspiel.

The Science of Interstellar: Amazon.de: Kip S. Thorne: Fremdsprachige Bcher

Hier geht Jup Throne drauf ein was Fakt, was Theorie und was Spekulation ist.
#17
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Registriert seit: 14.12.2008
Birmingham
Vizeadmiral
Beiträge: 6306
Am Ende ist es ein Film, keine wissenschaftliche Doku. Ein Film muss auch immer unterhaltsam sein - unabhängig davon, ob es mal ne Schwäche gibt. Ein überaus gelungener Film btw - damit hat es Nolan bei mir endgültig geschafft.
#18
Registriert seit: 10.10.2014

Matrose
Beiträge: 1
Zitat Silverangel;26427062
Dann erweitere mal auch den eigenen Horizont.
Was vor 100, 200, 300, 500 oder auch 1000 Jahren als unmöglich galt, ist heutzutage möglich.
Denk nur mal dran, dass die Erde mal als Scheibe galt. (Das glauben manche sogar heutzutage noch)

Oder z.b. entgegen den Physikalischen Gesetzen kann eine Hummel nicht fliegen. Aber sie kann es. So hiess es zumindest eine Zeit lang aufgrund einer falschen Annahme. (Erzeugt eigene Wirbel, wen es interessiert)

Das ist doch der typische Bullshit eines Laiens ohne Ahnung von Physik.
Der Flug der Hummel ist eben nicht(!!) "entgegen den Physikalischen Gesetzen", weil das nicht möglich ist. Man hatte das vorher nur nicht genug verstanden.
Das Gravitationsgesetz ist aber genug verstanden, um sagen zu können: der Film ist der typische Hollywood-Schwachsinn.


Zitat Silverangel;26427062

Die Natur (worunter ich jetzt auch das Universum an sich zähle) lehrt uns immer wieder neue Sachen die wir vorher für nicht möglich gehalten haben.
Nur weil du noch keinen Planeten gesehen hast, der dies übersteht/überstehen könnte, heisst es nicht, dass dies nicht sogar exisitiert.
Doch, genau das heißt es. Das nennt sich physikalische Gesetze und nicht Regeln. Sprich, sie sind nicht umgehbar.
#19
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Registriert seit: 06.02.2014
Im sonnigen Süden
Admiral
Beiträge: 12573
Wobei wir die exakten physikalsichen Gesetze noch nicht kennen! Die besten Theorien bislang können nur Teile des Ganzen beschreiben und sind dabei miteinander nicht direkt vereinbar.
Daher kann es durchaus sein dass manches was wir für unmöglich halten, doch möglich ist.
#20
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Bergisch Gladbach
Vizeadmiral
Beiträge: 6974
Hier haben einige Leute echte Weltprobleme
#21
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orbit des planeten get-low
Korvettenkapitän
Beiträge: 2048
man kann in der physik garnichts beweisen, deswegen nennt man die theorien auch theorien. allerdings setzt man die theorien so an, dass sie sich mit den beobachtungen der realität decken. durch die mathematik als baustein, ist man sogar in der lage genaue vorhersagen zu treffen. trotzdem, nur weil newton sagt der apfel fällt gen boden, ist das kein gesetz. newton sagte auch die zeit ist konstant. dann kam einstein und dachte sich, dass dem eben nicht so sein kann, wenn t der einzige buchstabe in der gleichung der transformationen ist, der nicht konstant ist. relativistische effekte traten im alltag der "alten" physiker halt einfach nicht auf, weswegen sie auch auf keine probleme gestossen sind. (merkur und dessen periheldrehung mal aussen vor :P). deswegen wird bis zum heutigen tag newtonsche mechanik benutzt, auch wenn man damit quasi nicht richtig rechnet. wenn morgen jemand kommt und einen apfel gefunden hat der nicht gen boden fällt sonder im kreis rotiert, dann wird genau das selbe nochmal passieren. alle köpfe grübeln bis jemand draufkommt warum dem so ist und dann wird eine neue theorie aufgestellt die sich mit allen beobachtungen deckt. kurzgesagt, solange alle äpfel gen boden fallen, kann man seine theorie darauf aufbauen. beweisen dass es keinen apfel geben kann der nicht gen boden fällt, geht nicht.

pberhaupt, was mit objekten "hinter" dem schwarzschildradius passiert kann man mit jetziger theorie nicht erklären soweit ich weiss, denn dort ergeben die formeln keinen sinn mehr (negative zahl unter der wurzel). das was sich (genug) weit ausserhalb befindet kann man schon modellieren/bzw. erklären. ob das für den film nötig war... ich kann mich ehrlich gesagt nichtmal mehr ans schwarze loch erinnern :D cool fand ich den film aber trotzdem, unterhaltsamer als ichs mir vorgestellt habe.
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