Was ist ein Partikelsystem in der digitalen Kunst?
Rauch, Funken, Schwärme, Wolken aus Licht: Ein großer Teil der Bewegung in der digitalen Kunst besteht aus Partikeln. Diese Erkundung erklärt, was ein Partikelsystem ist, wie seine Regeln funktionieren, warum so einfache Teile am Ende komplexe Bilder ergeben und worin es sich von einer physikalischen Simulation oder einem generativen System unterscheidet, mit echten Bildern aus Matter, Nebula und Vortex.
Ein Partikelsystem ist eine Art, etwas als eine große Menge kleiner Elemente darzustellen, der Partikel, die sich alle nach denselben einfachen Regeln bewegen. Ein einzelnes Partikel ist nicht viel: ein Punkt mit einer Position, einer Geschwindigkeit und vielleicht einer Farbe oder einem Alter. Zusammen können Tausende von ihnen als Rauch gelesen werden, als Vogelschwarm, als Gaswolke oder als ein Feld aus Licht, das ausweicht, wenn deine Hand hindurchfährt.
Woher die Idee kommt
Der Begriff stammt aus der Computergrafik. 1983 veröffentlichte William T. Reeves, der damals bei Lucasfilm arbeitete, den Aufsatz Particle Systems: A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects. Darin beschrieb er die Methode hinter dem Feuer, das sich im sogenannten „Genesis-Effekt“ von Star Trek II: Der Zorn des Khan (1982) über einen ganzen Planeten ausbreitet. Sein Argument war einfach: Feuer, Wolken oder Wasser haben keine feste Oberfläche, die man modellieren könnte, also ist es leichter zu beschreiben, wie viele winzige Dinge entstehen, sich bewegen, verändern und wieder vergehen.
Künstlerinnen und Künstler griffen die Idee schnell auf. Die Animation Particle Dreams (1988) von Karl Sims wendete Verhaltensregeln auf Tausende von Partikeln an und erzeugte so einen Schneesturm, einen Wasserfall und einen unruhigen Kopf. Heute arbeitet dasselbe Prinzip in Spiele-Engines, in Programmen für visuelle Effekte und in Bibliotheken für kreatives Programmieren, und ebenso im Browser, auf der Grafikkarte eines ganz gewöhnlichen Handys.
Was ein Partikel ist und was es bewegt
In den meisten Systemen ist ein Partikel eine kurze Liste von Zahlen: wo es sich befindet, wie schnell und in welche Richtung es sich bewegt (seine Geschwindigkeit) und manchmal auch sein Alter, seine Masse oder seine Farbe. Das System wiederholt viele Male pro Sekunde für jedes einzelne Partikel denselben Kreislauf:
- Die Kräfte addieren, die an der Stelle wirken, an der das Partikel gerade ist.
- Seine Geschwindigkeit ein wenig in diese Richtung verändern.
- Es entsprechend seiner Geschwindigkeit verschieben.
- Es zeichnen.
Fast alles Interessante passiert im ersten Schritt. Eine Kraft ist jede Regel, die sagt: „An dieser Stelle schieb in diese Richtung.“ Anziehung zieht Partikel zu einem Punkt hin, Abstoßung drückt sie davon weg, meist umso schwächer, je weiter sie entfernt sind. Ein Strömungsfeld gibt jeder Stelle eine Richtung, wie eine Strömung im Wasser. Dämpfung nimmt in jedem Bild ein wenig Geschwindigkeit weg, damit nichts für immer davonschießt. Viele Systeme haben außerdem Emitter, die neue Partikel erzeugen, und eine Lebensdauer, nach der jedes Partikel verblasst.
Erst die Geschwindigkeit lässt das Ergebnis körperlich wirken. Ein Partikel springt nicht einfach dorthin, wohin die Kraft zeigt: Es dreht sich über mehrere Bilder hinweg in diese Richtung, schießt über das Ziel hinaus und zieht Kurven. Diese Trägheit ist der Grund, warum sich ein Partikelfeld so anfühlt, als hätte es Gewicht.
Wie einfache Teile komplexe Bilder erzeugen
Jede Regel passt in eine oder zwei Zeilen, und trotzdem lässt sich das Bild, das daraus entsteht, kaum je vorhersagen. Die beiden Bilder unten stammen aus einem kleinen System, das eigens für diesen Beitrag geschrieben wurde: 6.000 zufällig verteilte Partikel, von denen jedes dieselbe sanfte Strömung liest und seine Geschwindigkeit nach und nach an die dieser Strömung angleicht. Kein Partikel weiß, dass die anderen überhaupt existieren.
Innerhalb weniger Sekunden hat sich die gleichmäßige Streuung zu Bändern, Wirbeln und leeren Becken geordnet. Niemand hat diese Bänder gezeichnet: Sie erscheinen, weil Tausende Partikel demselben Feld folgen und sich dort sammeln, wo seine Strömungen zusammenlaufen. Genau das bedeutet Emergenz: eine Struktur im Maßstab des Ganzen, die keine einzelne Regel im Maßstab der einzelnen Teile beschreibt. Der Leitfaden zu interaktiver generativer Kunst verfolgt dieselbe Idee anhand von Conways Spiel des Lebens und der Boids, also an Systemen, in denen die Akteure tatsächlich aufeinander reagieren.
Drei Welten, drei Techniken
Es ist verlockend anzunehmen, jedes Partikelbild sei eine physikalische Simulation. Die drei Partikelwelten von Synfield zeigen, dass das nicht stimmt, und der Unterschied wird sichtbar, sobald du weißt, wohin du schauen musst.
Matter: eine Simulation
Matter ist ein Partikelsystem im klassischen Sinn. Bis zu etwa 65.000 Partikel behalten ihre Position und ihre Geschwindigkeit von einem Bild zum nächsten; sie liegen auf der Grafikkarte und werden in jedem Bild aktualisiert. Jedes wird von einer Strömung mitgetragen, die als Rotation eines Rauschfelds berechnet wird. Diese Technik haben Robert Bridson und Kollegen in Curl-Noise for Procedural Fluid Flow (2007) vorgestellt; sie erzeugt Wirbel, ohne dass sich die Partikel zusammenballen. Dazu kommt ein kleiner zusätzlicher Term, der sie zu Fäden sammelt. Darüber legen sich deine Kräfte: Der Mauszeiger zieht an und rührt um, eine offene Handfläche vor der Kamera liest der Code als Stoß, ein gehaltener Pinch-Griff gräbt einen Schwerkraftschacht, und beim Loslassen läuft eine Welle hinaus.
Nebula: berechnet, nicht simuliert
Nebula hat bis zu 52.000 Punkte, aber keiner von ihnen erinnert sich, wo er gewesen ist. Jeder hat einen festen Platz in einer Wolke, die beim Öffnen der Welt erzeugt wird. In jedem Bild berechnet die Grafikkarte, wo jeder Punkt erscheinen soll, und zwar aus diesem Platz, der Zeit, dem Grad, zu dem die Hand geöffnet ist, der Position des Zeigers und jeder gerade laufenden Druckwelle. Wenn du die Hand schließt, ziehen sich die inneren Schichten zuerst zusammen und die äußeren erst danach, weil sie zwei verschiedenen Federn folgen.
Die Wolke bewegt sich wie eine Flüssigkeit, steht aber einer regelgesteuerten Animation näher. Weil sich von Bild zu Bild nichts ansammelt, findet sie immer wieder zu ihrer Form zurück.
Vortex: eine einzige Größe mit Gedächtnis
Vortex zeichnet Zehntausende kurzer Striche um einen dunklen Kern. Auch ihre Positionen werden berechnet: Jeder Strich hat seine eigene Umlaufbahn und dreht sich mit einer gemeinsamen Rotation, die in der Nähe des Zentrums schneller ist, sodass die Scheibe geschert wird. Was ein Gedächtnis hat, ist eine einzige Zahl, der Drall. Wenn du Kreise zeichnest, während du den Wirbel hältst, wächst diese Zahl; sobald du loslässt, bremst die Reibung sie langsam wieder ab.
Partikel, Physik und generative Systeme
Die drei Begriffe überschneiden sich, sind aber nicht dasselbe.
| Begriff | Was es ist | Beispiel |
|---|---|---|
| Partikelsystem | Eine Art, etwas als viele kleine, durch Regeln bewegte Elemente darzustellen | Funken und Rauch in einem Film, Matter, Nebula |
| Physikalische Simulation | Ein Modell, das sich eng an die Gesetze der Physik hält und mit Messungen überprüft wird | Die Luft um einen Flugzeugflügel, ein Crashtest |
| Generatives System | Ein Regelprozess, oft mit Zufall, der das Werk mit einer gewissen Eigenständigkeit hervorbringt | Conways Spiel des Lebens, eine Plotterzeichnung |
Ein Partikelsystem kann Teil einer physikalischen Simulation sein, etwa wenn Ingenieurinnen und Ingenieure die Tröpfchen eines Sprays verfolgen. In der Kunst werden die Kräfte aber meist gewählt, weil sie richtig aussehen und sich richtig anfühlen, nicht weil sie exakt sind: Die Strömungen in Matter sind weder echte Luft noch echtes Wasser. Deshalb ist die meiste Partikelkunst zugleich generative Kunst. Wer sie schafft, entwirft die Regeln, und das System bringt Bilder hervor, die niemand einzeln gezeichnet hat.
Warum Partikel zu interaktiver Kunst passen
Partikel reagieren gut auf einen Menschen, weil jedes von ihnen auf seine unmittelbare Umgebung reagiert. Eine Hand oder ein Zeiger ist nur eine weitere Kraft in derselben Summe wie die Strömung, also muss das System eine Geste nicht verstehen, um auf sie zu antworten. Die Antwort ist stufenlos, kein Schalter, und weil Partikel träge sind, hinterlässt eine Bewegung eine Spur, die noch einige Sekunden nachwirkt, nachdem du aufgehört hast. Das ähnelt sehr dem Kreislauf aus Handeln und Antwort, der in Was ist interaktive Kunst? beschrieben wird.
Wenn du selbst eines bauen willst, hat das kostenlose Online-Buch The Nature of Code von Daniel Shiffman ein sehr klares Kapitel über Partikelsysteme, und die Seite von Craig Reynolds über die Boids zeigt, was passiert, wenn sich Partikel an ihren Nachbarn auszurichten beginnen.
Kurz gesagt
Ein Partikelsystem besteht aus vielen einfachen Elementen, einem Kreislauf und einer Reihe von Kräften. Die Kräfte geben dem Bild seinen Charakter: Strömungen bringen Drift, Anziehung und Abstoßung bringen eine Antwort auf einen bestimmten Punkt, Trägheit bringt Gewicht. Und nicht jedes Partikelbild ist eine Simulation. Manche werden in jedem Bild von Grund auf neu berechnet, andere bewahren eine einzige Größe mit Gedächtnis. Auf diese Entscheidungen zu achten, ist eine gute Art, jedes Werk zu lesen, das aus Partikeln besteht.