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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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