Was ist Raytracing?

Alles Wissenswerte über den nächsten großen Sprung in der Computergrafik.

Moderne Videospiele können ziemlich realistisch aussehen. In der Vergangenheit sahen wir große Sprünge zwischen jeder neuen Generation von Spielkonsolen und Grafikkarten. Das war in den letzten Jahren jedoch nicht der Fall, da sich Spiele weniger darauf konzentrieren, mehr Polygone darzustellen und stattdessen kleine, aber sinnvolle Upgrades mit Elementen wie Texturqualität, Auflösung, Beleuchtung und visuellen Effekten durchgeführt haben.

Was ist Raytracing?

Raytracing ist eine viel fortschrittlichere und naturgetreuere Art, Licht und Schatten in einer Szene wiederzugeben. Es kommt in Filmen und Fernsehsendungen zum Einsatz, um erstaunliche Computergrafiken mit realen Szenen zu erstellen und zu verschmelzen. Der Nachteil ist, dass für das Raytracing oft umfangreiche Serverfarmen erforderlich sind, um Grafiken vorab zu rendern. Das war bei einem interaktiven Echtzeit-Videospiel, das auf einer kompakten Box läuft, bislang nicht möglich.
Nun, zumindest bis jetzt. Auf der Game Developers Conference kündigten einige große Hersteller Initiativen an, die endlich das Raytracing in Echtzeit-Spielen ermöglichen. Dies bedeutet schillernde grafische Effekte und deutlich verbesserte Spielwelten.

Wie funktioniert Raytracing?

Raytracing ist eine Rendering-Technik, die unglaublich realistische Lichteffekte erzeugen kann. Im Wesentlichen kann ein Algorithmus den Weg des Lichts verfolgen und dann simulieren, wie das Licht mit den virtuellen Objekten interagiert, auf die es schließlich in der computergenerierten Welt trifft.
Wir haben gesehen, wie die Lichteffekte im Spiel im Laufe der Jahre immer realistischer wurden. Die Vorteile des Raytracing liegen jedoch weniger im Licht selbst als vielmehr in der Art und Weise, wie es mit der Welt interagiert.
Raytracing ermöglicht deutlich naturgetreuere Schatten und Reflexionen sowie eine deutlich verbesserte Transluzenz und Streuung. Der Algorithmus berücksichtigt dabei, wo das Licht auftrifft und berechnet die Interaktion und das Zusammenspiel. Ähnlich, wie das menschliche Auge beispielsweise reales Licht, Schatten und Reflexionen verarbeiten würde. Die Art und Weise, wie Licht auf Objekte in der Welt trifft, beeinflusst auch, welche Farben man sieht.

Mit genügend Rechenleistung ist es möglich, unglaublich realistische Computergrafiken zu erzeugen, die von realen Aufnahmen kaum zu unterscheiden sind. Aber das war bislang das Problem: Selbst ein gut ausgestatteter Gaming-PC hat nicht ausreichend GPU-Leistung, geschweige denn eine moderne Spielkonsole.

Was ist das Besondere an Raytracing für aktuelle Computergrafik?

Raytracing wird häufig bei der Entwicklung von Computergrafiken für Filme und Fernsehsendungen eingesetzt. Dies liegt daran, dass Studios die Leistung einer ganzen Serverfarm (oder Cloud Computing) nutzen können, um die Arbeit zu erledigen. Und selbst dann kann es ein langer, mühsamer Prozess sein. Raytracing on the fly zu berechnen, war viel zu aufwendig für bestehende 3D-Beschleuniger im Endkundenmarkt.

Stattdessen verwenden Videospiele die Rasterung, die eine viel schnellere Art der Darstellung von Computergrafiken ermöglicht. Sie wandelt die 3D-Grafik in 2D-Pixel um, um sie auf dem Bildschirm darzustellen. Jedoch erfordert die Rasterung dann Shader, um realistische Lichteffekte darzustellen. Die Ergebnisse sehen einfach nicht ganz so natürlich oder realistisch aus wie beim Raytracing. Die Vorteile dieser Technologie könnten das Erscheinungsbild interaktiver Spielwelten deutlich erhöhen – und realistischer machen.

Ein Beispiel:

Einsatzgebiete/Fazit

Mit der DirectX 12 API wird DirectX Raytracing (DXR) auch auf dem Desktop-PC möglich sein. Die Entwickler haben die Struktur für die Einführung und Berechnung von Strahlen in der Welt geschaffen. Nun liegt es an den Softwareherstellern, mit der Technologie zu experimentieren und sie in ihre Game-Engines einzubauen.

Geplant ist, das Raytracing in PC-Spielen einzuführen. Dank des jetzt verfügbaren experimentellen DXR-SDKs können die Entwickler sofort loslegen. Um jedoch Raytracing in Spielen zum Leben zu erwecken, benötigt man eine unglaubliche GPU-Leistung. Die großen Hersteller von Grafikkarten arbeiten eng mit der DXR-API und es ist zu erwarten, dass neue Modelle diese bereits unterstützen – trotzdem wird die Technik auf absehbare Zeit absoluten High-End Chipsätzen und/oder GPU-Clustern vorbehalten sein.
Die Hersteller versprechen “Algorithmen in Filmqualität” und Updates, die Beleuchtung, Reflexionen, Schatten und verwandte Effekte mit einem bisher unerreichten Detailgrad liefern.

Noch sind die Marketingmaschinen ruhig und sprechen davon, dass DirectX Raytracing “aktuelle Rendering-Techniken ergänzen” wird. Mit anderen Worten, es wird einige Verbesserungen gegenüber der Rasterung vornehmen, aber es wird sie nicht vollständig ersetzen. Selbst die GPUs von morgen sind dieser Aufgabe wahrscheinlich nicht gewachsen. Raytracing wird ein weiteres Werkzeug in den Toolkits der Spieleentwickler sein, und eines, das mit der Zeit immer wichtiger wird. Noch kann das Raytracing die Rasterung als Standardalgorithmus für das Rendern von 3-D-Szenen nicht vollständig ersetzen.

Raytracing ist eine potentielle, aber entfernte Möglichkeit. Die neuen Demos der Grafikkartenhersteller zeigen, dass die Unternehmen bereits die Besonderheiten des Raytracing kennen und glänzende Ergebnisse liefern.
Es scheint möglich zu sein, dass Raytracing in naher Zukunft in Spielen auf High-End-Grafikprozessoren eingeführt wird, vielleicht sogar noch im Jahr 2018. Konkret ist aber noch nichts.

Im Moment ist es jedoch gut zu wissen, dass diese lang erwartete Fähigkeit endlich am Horizont zu erkennen ist und sie helfen wird, die Lücke in der grafischen Abbildung zwischen interaktiven Welten und der Art von unglaublichen Computergrafiken, die auf der großen Leinwand zu sehen ist, zu schließen. Die Grenzen zwischen Computergrafiken und der Realität werden wieder ein Stück weiter verschwimmen.