Fachhochschule Karlsruhe

- Fachbereich Informatik -

Multimedia-Labor

WS 2002/03

Lehrfilm: Die Kathodenstrahlröhre

Wolfgang Becker

Uwe Siegrist

Multimedia-Labor

Aufgabenstellung:

Mit der Software "3D Studio Max Release 4" der Firma Discreet sollte ein kurzer, vollständig computeranimierter Lehrfilm zum Thema "Funktionsweise einer Kathodenstrahlröhre" erstellt werden. Diese Software dient zur professionellen 3D-Modellierung, Animation und dem Rendering.

Vorgehensweise:

Zuerst wurde eine kurzes Storyboard mit den gewünschten Szenen entworfen. Hierbei wurden die folgenden Funktionselemente der Kathodenstrahlröhre Schritt für Schritt eingeführt.

Abbildung 1: Aufbau der Kathodenstrahlröhre

1. Glühkathode

2. Wehneltzylinder

3. Anode

4. horizontale Ablenkplatten

5. vertikale Ablenkplatten

6. Leuchtschirm

Zur Simulation des Elektronenausstoßes der Glühkathode verwendeten wir einen Partikelemitter vom Typ Supergischt. Dessen Parameter (z. B. Emissionsrate) wurden zeitabhängig verändert, um so beispielsweise das Aufheizen der Kathode mit ansteigender Partikelemission nachzuahmen.

Hierbei wurden erstmalig Performanceprobleme von 3D Studio Max sichtbar. Je mehr Partikel bereits emittiert waren, desto größer wurden die Antwortzeiten des Systems, wenn zwischen verschiedenen Frames gesprungen wurde. Dies machte ein vernünftiges Arbeiten äußerst schwierig. 3D Studio Max bietet zwar die Möglichkeit, die Anzahl der Partikel im Vorschaufenster zu begrenzen, jedoch wurden bei Einstellungen < 10% gar keine Partikel mehr angezeigt. Auch bei Verringerung der Emissionsrate unter 10 Partikel/Frame waren keine Partikel mehr zu erkennen. Teilweise war das System für einen Zeitraum von bis zu 30 Sekunden komplett ausgelastet.

Ein Rohr-Objekt mit Universaldeflektor diente als Anode und wurde an die Glühkathode gebunden. Dabei wurde festgelegt, dass auftreffende Partikel absorbiert werden sollen. Somit wurde erreicht, dass Partikel (Elektronen) nur durch die Öffnung in der Mitte der Anode ungehindert passieren konnten. Im nächsten Schritt wurde der Wehneltzylinder (ein Rohr-Objekt) zwischen Kathode und Anode platziert und gleichzeitig die Streuung des Partikelemitters auf Null heruntergefahren. Somit entsteht der Eindruck eines Bündelungseffektes durch den Wehneltzylinder. Anschließend wurden zuerst die horizontalen, dann die vertikalen Ablenkplatten in die Szene eingebracht und das Funktionsprinzip aufgezeigt. Die Ablenkung des Partikelstrahls wurde mit jeweils einem Drücker-Objekt in horizontaler und vertikaler Richtung erreicht, deren Kräfteparameter schrittweise verändert wurden.

Abbildung 2: Horizontale Ablenkplatten

Im letzten Schritt wurde per Kameraschwenk der Leuchtschirm mit dem auftreffenden Partikelstrahl ins Bild gesetzt.

Abbildung 3: Komplette Ablenkeinheit mit laufendem Kameraschwenk

Dieser Leuchtschirm bestand wieder aus einem Universaldeflektor, der die Partikel allerdings nicht absorbierte, sondern lediglich auf der Oberfläche festhielt. Dies wurde über die Parameter "Abprallen"=0 (kein Abprallen) und "Reibung"=100 (Partikel werden sofort abgebremst) erreicht. Somit entstand auf dem Leuchtschirm eine Elektronenspur.

Als zusätzliche Szene wurde noch eine Kamerafahrt entlang des Partikelstrahls, ausgehend von der Glühkathode bis hin zum Leuchtschirm, erstellt, die den Weg der Elektronen verdeutlichen sollte.

Abschließend bleibt zu sagen, dass 3D Studio Max ein sehr mächtiges Werkzeug zur 3D-Animation darstellt, dessen Bedienung allerdings nicht immer ganz intuitiv erscheint. Leider stellte sich das Projekt mit den zuvor genannten Unzulänglichkeiten seitens 3D Studio Max (Performanceprobleme) als äußert schwierig dar. Aus Zeitmangel verzichteten wir daher darauf, weitere Verbesserungen vorzunehmen bzw. die Szenen zu vertonen. Wir hoffen, dass dieses Projekt in nachfolgenden Semestern, durch Zuhilfenahme unseres Materials, zu Ende gebracht werden kann.

Das Video:

4.8M Vorabversion des Videos

1.3M Vorabversion des Videos in Internetqualität

Making Of:

Abbildung 4: das Storyboard

Gerenderte Szenen:

Abbildung 6: 2. Fokusierung durch Wehneltzylinder

Abbildung 7: 3. horizontale Ablenkplatten

Abbildung 8: 4. vertikale Ablenkplatten

Abbildung 9: 5. Leuchtschirm

Abbildung 10: 6. schnelle Wiederholung (Verfolgung des Elektronenstrahls)