Was ist Raytracing eigentlich? Wenn es um die Technik von neuen Spielen geht, wird Raytracing immer öfter erwähnt. Die aktuellen Grafikkarten von Nvidia tragen das RTX sogar im Namen, das für die Raytracing-Technologie steht. Wenn die Grafikkarten danach benannt werden, muss es also eine sehr wichtige Technologie sein. In aktuellen Videos von Nvidia, gibt es übrigens oft den Hinweis „RTX ON“, wenn Raytracing verwendet wird. #RTXon lautet außerdem auch der Hashtag auf Twitter und Instagram.

Wir erklären euch, was Raytracing ist und wo es aktuell überhaupt eingesetzt wird.

Was ist Raytracing – Die Grafiktechnologie erklärt

Im Prinzip handelt es sich beim Raytracing um eine Technologie zur realistischen Berechnung von Lichtstrahlen. Die Berechnung ist nicht nur komplexer, sie bezieht auch Lichtquellen ein, die sich außerhalb des Bildausschnitts befinden, aber in der Welt trotzdem vorhanden sind. Das war vorher nicht direkt möglich.

In erster Linie denkt man bei Lichtberechnung an Schatten. Deren Berechnung verbessert sich natürlich stark durch Raytracing. Licht kann aber auch an Oberflächen abprallen. Der Clou beim Raytracing ist, dass Lichtstrahlen je nach Beschaffenheit auch an mehreren Oberflächen abprallen und die Oberflächen Licht schlucken oder durchlassen. Das ist beispielsweise wichtig, um realistische Spiegelungen in Fenstern, Spiegeln oder Pfützen darzustellen oder zu berechnen, wie Licht durch Vorhänge oder anderen Stoffen durchschimmert.  In nebliger oder raucherfüllter Luft ensteht außerdem auch ein realistischeres, diffuses Licht.

Ganz neu ist das Verfahren aber dennoch nicht. Auch vorher wurde Raytracing verwendet, beispielsweise in Animationsfilmen oder in bereits vorberechneter Form auch in Videospielen. Neu ist, dass es nun in Echtzeit geschieht und dynamisch das aktuelle Spielgeschehen einbezieht. Zuvor konnte in Spielen Raytracing nur an statischen Objekte, die sich nicht bewegen vorberechnet werden. Das sieht auch schon großartig aus – solange es unter kontrollierten Bedingungen stattfindet. Mit der neuen RTX-Technologie muss jedoch nicht mehr so viel getrickst werden, da alles während des Spielens berechnet und umgesetzt wird. Eine gute Erklärung anhand von Beispielen liefert euch dazu ein YouTube-Video der GamingClerks, zu dem auch SambZockt gehört, dessen spannenden Kanal wir bereits vorgestellt haben.

Raytracing steht noch am Anfang

Das Raytracing steckt als Technologie allerdings noch in den Kinderschuhen. Die ersten Karten mit RTX-Unterstützung erschienen Ende 2018 mit der 2000er-Serie von Nvidia. Die neue 3000er-Reihe, der wir uns schon ausführlich in Form der GeForce RTX 3080 gewidmet haben, verbessert den Ansatz und AMD steigt dieses Jahr erst beim Raytracing ein. Das führt zu zwei Gründen, aus denen RTX erst nach und nach in Spielen Einzug erhält.

Noch nicht genug Leistung

Die 2000-Reihe waren die ersten RTX-Modelle auf dem Markt. Raytracing braucht enorm viel Power zur Berechnung und erhöht die Leistungsanforderungen an Spiele nochmal immens. Die ersten Karten sind teils nicht in der Lage, Spiele mit Raytracing überhaupt völlig flüssig laufen zu lassen. Entwickler müssen sich außerdem selbst erst in die Technologie einarbeiten und probieren, wofür sie es einsetzen und wie sie es hinbekommen, ohne dass die Performance den Bach runter geht.

RTX-Grafikkarten sind noch kein Standard

Das Problem von PC-Spielen war schon immer, dass jeder PC im Gegensatz zu Konsolen anders ausgestattet ist. Und auch wenn eine oft sehr laute Minderheit schon RTX-Karten besitzt, wird es noch lange dauern, bis die Mehrheit RTX nutzen kann. Aktuell ist Raytracing eine Nischentechnologie – wenn auch eine mit großer Wichtigkeit für die Zukunft. Bis RTX-Karten vorausgesetzt werden können, müssen Spiele also auch funktionieren, wenn man die RTX-Effekte nicht nutzen kann. Entwickler müssen also noch immer die Tricks einsetzen, um beispielsweise Beleuchtung durch vorheriges rendern der Umgebung in mehreren Beleuchtungszuständen echt wirken zu lassen. Ohnehin kann man die Berechnung aber auch mit neuen Grafikkarten nicht vollständig der Echtzeitsimulation überlassen. Dafür reicht die aktuelle Technologie dann doch nicht aus. Es ist eher ein geschicktes Kombinieren der alten Methoden mit der neuen Echtzeitberechnung, um ein möglichst realistisches Ergebnis zu erhalten.

DLSS 2.0 als Durchbruch für mehr Performance

Was Leistung angeht, kommt mit DLSS, bzw. dem aktuellen DLSS 2.1 eine weitere Technologie ins Spiel. Dass „Deep Learning Super Sampling“ ist eine Rendering-Technologie, die mittels Künstlicher Intelligenz massig Ressourcen einspart. Beim DLSS wird das Spiel intern in niedrigerer Auflösung dargestellt und über KI auf eine höhere Auflösung berechnet. Die KI wurde anhand von Bildern in 16K Auflösung trainiert. So wurde ihr beigebracht, wie hochauflösende Bilder auszusehen haben. Aus den Informationen des niedriger aufgelösten Bildes berechnet die KI das höher aufgelöst Bild. Das sorgt bei gleicher Auflösung für bis zu doppelt so viele Bilder pro Sekunde. Während die erste DLSS-Version noch einige Details schluckte, sieht das DLSS 2-4K stellenweise sogar besser aus als natives 4K – und das wie gesagt: Bei bis zu doppelt so guter Performance!

DLSS ist damit ein regelrechter Durchbruch für anspruchsvolle Grafik. Mit ihr wird nicht nur Raytracing, sondern auch 4K-Auflösung mit deutlich geringeren Hardware-Anforderungen möglich. Da Bilder mehr als tausend Worte sagen, zeigt dieses Video von The Tech Chap äußerst gut, welchen Unterschied DLSS macht und wie beeindruckend es sich von seiner ersten Version ausgehend gesteigert hat.

PlayStation 5 und Xbox Series X können Raytracing in die Masse bringen

Neben DLSS ist aber auch die neue Konsolengeneration entscheidend für die Zukunft vom Raytracing. Sowohl die Xbox Series X, als auch die PlayStation 5 unterstützen nämlich Raytracing, auch wenn viele Entwickler bislang noch nicht ganz so heiß darauf scheinen. Dennoch ergibt sich damit eine deutlich bessere Voraussetzung. Denn während PC-Spieler nur zum kleinen Teil in der Lage sind, Raytracing überhaupt zu nutzen, sind es sämtliche Besitzer der neuen Konsolen. Das ist auch allgemein der Grund, aus dem die Konsolen schon seit mehreren Generationen den grafischen Standard vorgeben.

Beispiele für Raytracing-Effekte

Diffuse Beleuchtung mit Raytracing

Beleuchtung in Spielen ist mittlerweile selbst ohne Raytracing genial. Dafür muss man nur mal durch die Weiten von Red Dead Redemption 2 reiten, die einen gefühlt von einem Postkartenmotiv ins nächste schickt. Dennoch hat diese klassische Art der Beleuchtung ihre Grenzen. Das kommende Cyberpunk 2077 profitiert beispielsweise mit seinen vielen Neonreklamen besonders von einer diffusen Beleuchtung, die auch stark zur Athmosphäre des Settings beiträgt.

Ray-Traced Reflections

Reflektionen sind ebenfalls eine Herausforderung im Spieldesign. Zwar werden sie immer öfter simuliert, spiegeln aber oft nur einen beschränkten Teil der Welt und diesen nicht ganz realistisch. Ray-Traced Reflections sind aktuell einer der beliebtesten Raytracing-Effekte. Dadurch wirken unter anderem Spiegelungen in Pfützen völlig realistisch. Aber auch verschiedene Oberflächen reflektieren damit unterschiedlich viel Licht und Fenster wirken erstmals täuschend echt in ihrem Verhalten von Spiegelung und Durchblick je nach Beleuchtung. 

Umgebungsverdeckung

Die Umgebungsverdeckung (Ambient Occlusion) ist zwar noch eine relativ neue, aber etablierte Methode zur Schattenberechnung. Unter Berücksichtigung mehrerer Lichtquellen und Objekte zueinander werden Bereiche berechnet, in denen generell weniger Licht ankommt. Das sorgt für mehr Tiefe im Bild. Auch hier hilft Raytracing, Licht und Hindernisse realistischer zu simulieren.

Schatten mit Raytracing

Hier geht es mehr um die deutlichen Schatten einzelner Objekte. Aber auch diese können besser simuliert werden. Die große Herausforderung sind dabei Schatten, durch mehrere Lichtquellen. Raytracing ermöglicht eine größere Varianz des Schattens je nach Streuung des Lichts, etwa durch Wolken.

Spiele die Raytracing unterstützen  – eine Auswahl

Battlefield V

Der Shooter Battlefield V profitiert von den besseren Reflektionen durch Raytracing. Da sich Battlefield auf nur einen Raytracing-Effekt beschränkt und mit der Zeit diesen auch optimiert hat, liefert das Spiel sogar im Multiplayer mit aktivierten Effekten ein flüssiges Spielerlebnis.

So sieht das Raytracing in Battlefield V übrigens im Vergleich vom Kanal Cycu1 aus:

Shadow of the Tomb Raider

Das Raytracing in Shadow of the Tomb Raider setzt auf Schattengenerierung mittels Raytracing. Ein Video von PC Games Hardware zeigt die Verbesserung der Schatten an mehreren Beispielen und macht dabei auch deutlich, welchen Einfluss das auf die Performance hat. Allerdings lassen sich die Einbußen mittels DLSS wieder reinholen

Control

Aktuell ist Control DAS Spiel, wenn es um Raytracing geht. Es ist eines der ersten Spiele, dass eine Vielzahl von Raytracing-Effekten nutzt. Die Lichtstrahlbasierte Berechnung kommt in Control für Schatten, Reflektionen und Beleuchtung zum Einsatz.

Folgendes Video vom YouTube-Kanal hodilton zeigt hervorragend die Unterschiede, aber auch, dass es Szenen gibt, in denen man Unterschiede mit der Lupe suchen muss.

Minecraft

Minecraft sah schon 2009 nicht „hübsch“ aus und doch erschien das Spiel bislang auf jeder erdenklichen Plattform. Mit der Xbox Series X vor der Tür, bekommt auch Minecraft ein Raytracing-Upgrade. Auch wenn man bei Minecraft an alles, nur nicht modernste Grafiktechnologie denkt, kommt gerade diesem Spiel das Raytracing besonders zu Gute, gerade weil das Spiel zuvor kaum versuchte, überhaupt realistische Licht-Features darzustellen. In diesem Video zeigt Nvidia den Unterschied in der ungemoddeten Vanilla-Version. Doch die Bilder lassen bereits erahnen, was mit Mods noch alles rauszuholen ist.

Fortnite

Auch Fortnite ist nicht unbedingt ein Grafikwunder – will es aber auch gar nicht sein. Das derzeit beliebteste Spiel hätte kaum so viele Spieler, wenn die technischen Anforderungen dafür durch die Decke gingen. Aber kein Spiel eignet sich daher besser, um Werbung für Raytracing zu machen. Zwar machen sich gerade die Spiegelungen sehr schön, doch das Raytracing in Fortnite hat noch einige Baustellen, wie ein Video von PC Games Hardware zeigt. Allerdings hat Fortnite auch gerade erst sein Raytracing gedroppt.

Cyberpunk 2077

Bei allem was bislang bekannt ist, könnte Cyberpunk 2077 ein Vorzeigespiel für Raytracing werden. Während viele Spiele lediglich einen oder zwei Effekte einbauen, sind es bei Cyberpunk 2077 gleich vier verschiedene Effekte und DLSS. Wie bereits zur diffusen Beleuchtung beschrieben, kann die Cyberpunk-Athmosphäre mit den ganzen Neonlichtern von den Features besonders profitieren. Der Trailer vom GeForce RTX Showcase gibt bereits einen Eindruck von der Raytracing-Pracht im Spiel.

 

Dieser Text ist Teil der Netzpiloten Creative Tech Season. In dieser widmen wir uns von Oktober bis Dezember den kreativen Möglichkeiten, die uns Technologien bieten und geben euch Inspiration, Anleitungen, Tipps und Tricks für eigene Projekte! Hier findet ihr mehr Informationen zur Creative Tech Season sowie alle darin enthaltenen Artikel.

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Images by Nvidia

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Schlagwörter: Cyberpunk, Fortnite, Grafikkarten, minecraft, RTX