Mathematik und ihre Anwendungen

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MATHEON-Forscher Konrad Polthier
Harry Potter ist auch nur Mathematik: Algorithmen, wie die von MATHEON-Forscher Prof. Dr. Konrad Polthier sind die Grundlage jeder Effekte-Software. © MATHEON, K. Polthier, Bo Jansen

DFG-Forschungszentrum MATHEON

Wie Mathematik für Spezialeffekte in Kinofilmen sorgt

Ohne Spezialeffekte sind Kinofilme, Fernsehsendungen und Computerspiele kaum noch denkbar. Superhelden fliegen durch die Luft, Zauberstäbe versprühen Funken, und Ungeheuer erwachen zum Leben. Das Berliner DFG-Forschungszentrum MATHEON sorgt dafür, dass diese Effekte täuschend echt aussehen.

MATHEON ist ein Zusammenschluss von Mathematikern der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin, des Weierstraß-Instituts für Angewandte Analysis und Stochastik und des Konrad-Zuse-Zentrums für Informationstechnik Berlin. „Ein weltweit anerkanntes Vorzeigeprojekt in der angewandten Mathematik“, sagt Konrad Polthier, Mathematiker und Professor an der Freien Universität Berlin.

Mathematische Methoden geben die richtige Schärfe

Im MATHEON arbeiten etwa 200 Forscher an rund 80 Projekten in den Bereichen Bildung, Finanzen, Lebenswissenschaften, Optimierung von Netzen, optische Komponenten, Produktion und Visualisierung. „Die Mathematiker simulieren Effekte, indem sie physikalische Gesetze in mathematische Algorithmen verpacken“, sagt Konrad Polthier. „Wir liefern mathematische Methoden und Verfahren, die auf beliebige Effekte anwendbar sind.“

Konrad Polthier erklärt: „Vorlagen für Drachen, Ungeheuer und andere Fabelwesen sind oft kleine Modelle. Laserstrahlen tasten diese Modelle ab und erzeugen eine Wolke aus Punkten. Die Punkte werden im Computer zu einem Netz verbunden. Dabei treten jedoch viele Fehler auf, die dazu führen, dass das Objekt keine scharfen Kanten hat.“ Polthiers Algorithmen bieten eine Lösung, um diese Kanten zu glätten, und das besonders schnell und in hoher Qualität.

Einfach zu erstellen sind animierte Filmszenen also nicht. Deutlich macht Konrad Polthier das am Film „Shrek der Dritte“. Dafür waren rund 20 Terabyte Speicherplatz nötig. Das entspricht in etwa der Speicherkapazität von 100 PCs. Die Rechner waren 20 Millionen Stunden im Einsatz, um die Figuren so realistisch wie möglich erscheinen zu lassen. Die Gleichungen von Konrad Polthier und seinem Team können solche Daten erheblich komprimieren.

Dreidimensionale Animationsfigur
Durch die Berechnung von Licht und Schatten entsteht der Eindruck, als wäre das digitale Objekt dreidimensional. © MATHEON

Hollywoods Superhelden erwachen in Berlin zum Leben

Nutznießer dieser Mathematik ist zum Beispiel das Unternehmen mental images in Berlin. Die Firma gehört zu den weltweit größten Herstellern von Animationen. Die Mitarbeiter „errechnen“ hier einige der Superhelden Hollywoods. Mit Software, die auf MATHEON-Algorithmen basiert, gelingt es, animierte Szenen nahtlos mit real gefilmten Sequenzen zu verbinden. Die Zuschauer erkennen dann nicht mehr, ob eine Szene real gefilmt oder simuliert worden ist.

Sowohl Konrad Polthier als auch Ludwig von Reiche, Geschäftsführer von mental images, sind vom Standort Berlin überzeugt. Konrad Polthier sagt: „Im MATHEON  arbeitet eine große Anzahl der besten Mathematiker, und in der Region hat sich eine rege Filmwirtschaft angesiedelt.“

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