Neue Wasser-Engine in Far Cry 5: FP16-Berechnungen auf AMD-Grafikkarten

Wasser spielt in jedem Far Cry eine große Rolle. Das erste, noch von Crytek entwickelte Action-Adventure versetzte uns auf eine vom feuchten Nass umgebene tropische Insel. Auch in den Nachfolgern ging's immer wieder ins Wasser, das von den Programmierern immer weiter verbessert wurde.

Doch für Far Cry 5 wollten die Entwickler etwas tiefer in die Trickkiste greifen. "In Montana, dem Schauplatz unseres Spiels, gibt es jede Menge Flüsse und Stromschnellen - die hätten wir mit unseren alten Shadern nicht so elegant anlegen können", sagt Branislav Grujic, 3D Team Lead Programmer bei Ubisoft Toronto. "Dazu kommen über 50 Wasserfälle, die wir früher von Hand angefertigt hätten, was enorme Zeit gekostet hätte. Und Schwefelgruben, die mit den alten Routinen nicht möglich gewesen wären."

Eine Spielwelt aus 4.096 Sektoren

Quelle: PC Games Hardware 23 Christian Cutocheras und Branislav Grujic Die Welt von Far Cry 5 ist in Sektoren aufgeteilt, von denen es 64 mal 64, also 4.096 Stück gibt. Einer von vielen Seen beansprucht etwa 20 bis 30 davon. Und weil es im US-Bundesstaat Montana so viele Gewässer gibt, wäre das in Handarbeit eine Heidenarbeit gewesen.

Die Entwickler griffen daher zur prozeduralen Bewässerung: Für einen Fluss werden beispielsweise Randpunkte auf dem Terrain vermerkt, dann mit dem Fluss-Tool automatisch mit Wasser gefüllt. Prozedurale erstellte Wasserfälle rauschen dank Foam Mapping besonders schick in die Tiefe, während ein Hubschrauber über einer Schwefelgrube Partikel aus dieser loslöst und in die Luft hochwirbelt.

Renderpfad und Schaumkronen

Der Renderpfad, der für die realistische Darstellung des Wassers zuständig ist, nutzt einige Kunstgriffe. Durch geschickte Occlusion-Berechnungen und die Unterteilung in Nah- und Fern-Rendering muss nicht jeder Wassertropfen in der höchsten Detailstufe errechnet werden. Bei den bisher von Hand gezeichneten Normal Maps der Wellen auf der Wasseroberfläche setzte das Team in Far Cry 5 auf deren automatische Generierung per Rauschfunktion, der die Brown'sche Molekularbewegung zugrunde liegt.

An Felsen und Küstengebiete bilden sich oft Schaumkronen, die erneut mit Rauschfunktionen automatisch erstellt werden. Hier griffen die Entwickler zu einem Trick: Die Foam Maps der gesamten Spielwelt sind in die Spielwelt "eingebacken", denn deren individuelle Berechnung hätte zu viel Rechenpower von anderen Prozessen und nicht zuletzt dem eigentlichen Spiel abgezogen. Flow Maps werden ebenfalls automatisch erstellt, aber dynamisch berechnet. Sie basieren auf Spline- und Flood-Fill-Routinen, die in der Nähe des Spielers detaillierter dargestellt werden als in größerer Entfernung.

Schneller dank halber Genauigkeit

Bugbereinigende Wasserglättungen, Beleuchtung und Lichtbrechungen erfordern ebenfalls jede Menge Rechenpower. Christian Cutocheras, Member of Technical Staff, AMD, der den Ubisoft-Designern mit Rat und Tat zur Seite stand, erläutert einen Kunstgriff, auf den die Programmierer setzten: "Zur Optimierung der Shader reduzieren wir die Rechengenauigkeit auf Half Precision mit 16 Bit." Das durfte jedoch nicht automatisch passieren: Entwickler und QA-Team mussten die gesamte Spielwelt nach Bereichen durchforsten, in denen die verringerte Genauigkeit den Spielern nicht auffällt.

Wir erinnern uns: Vor allem für die Radeon-RX-Vega-Grafikkarten ist die Nutzung von FP16-Berechnungen mit halber Genauigkeit interessant, da Vega 10 diese mit doppelter Geschwindigkeit ausführen kann ("Rapid Packed Math"). Polaris kann FP16 auch nativ ausführen, aber nicht mit doppeltem FP32-Durchsatz und spart daher nur Ressourcen.

Für weitere Knobelaufgaben sorgten unterschiedlich tiefe, aufeinanderstoßende Gewässer, deren gelegentliche Kanten per Compute Shader etwas unscharf gemacht wurden, um einen sanfteren Übergang zu gewährleisten. Und dann war da noch die Angelschnur, die sowohl im vorderen als auch im hinteren Teil des Bildes zu sehen ist und munter an der Rute auf und ab tanzte ...

Zwei Millisekunden pro Frame

Das Ziel der Entwickler war, die Wasserberechnungen in zwei Millisekunden pro Frame abzuschließen. Mit 1,919 Millisekunden erreichten sie ihr Ziel, durch den Einsatz von Async Compute gelang es ihnen sogar, diese Zeit um 0,582 auf 1,337 Millisekunden zu senken. Die "teuersten" Operationen, die Tesselation und das Zusammenfügen des Gesamtbildes, ließen sich jedoch davon nicht beeindrucken.

Beeindruckend hingegen, dass das Wassersystem nur ein Teil des großen Ganzen ist - dazu kommen im fertigen Spiel dann beispielsweise noch Partikel und die Aktionen von Spieler und NPCs, die ihrerseits der Umwelt ihren Stempel aufdrücken.

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Neue Wasser-Engine in Far Cry 5: FP16-Berechnungen auf AMD-Grafikkarten Kommende Woche erscheint Far Cry 5, Ubisofts neuestes Open-World-Abenteuer. Auf der GDC 2018 in San Francisco stellten die Entwickler eine komplett neue Wasser-Engine vor, die sie für das Spiel entwickelt haben. Und endlich weiß man auch, welche Effekte auf FP16-Berechnungen zurückgreifen und damit AMD-Grafikkarten besonders munden.

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