Nvidia auf der GDC 2018: Die schöne neue Raytracing-Welt

Geht es nach Nvidia, stehen wir seit der GDC 2018 in San Francisco an der Schwelle eines goldenen Zeitalters. Jedenfalls verkündete Morgan McGuire, dass der Einsatz von Raytracing in Spielen und anderen Anwendungen ein so großes Ereignis wie die Erfindung programmierbarer Shader oder Online-Spiele sei. McGuire ist Distinguished Research Fellow bei Nvidia und glaubt, dass wir in ein paar Jahren mit einem Lächeln auf die bisherigen Grafiktechnologien zurückblicken werden - so, wie heute Titel wie Half-Life (1998) in Sachen Optik als antike Spiele gelten.

Spieleantike und Raster-Helden

Die Spieleantike von 1978 bis 1999 wurde 2000 von der Ära der "Raster-Helden" abgelöst: GPUs zahlreicher Hersteller sorgten und sorgen für den heute bekannten Look von Computer- und Videospielen, die mit Rasterisierung, komplexen Shadern, Occlusion, Shadow Maps und vorberechneten Light Maps und anderen Tricks versuchen, lebensechte Grafik auf den Monitor zu zaubern.

"Dieses Zeitalter endete am Montag", verkündet Morgan McGuire unter dem Geraune der Anwesenden. Dabei ist Raytracing in Echtzeit keine Wunderwaffe, die automatisch alles besser machen wird: "Es geht nicht allein um die Technologie, sondern wie sie die Arbeitsweise von Spielentwicklern verändern wird", sagt McGuire. Zunächst werden Spiele-Engines auf den gleichzeitigen Einsatz von Rasterisierung und behutsam ausgewählten Raytracing-Elementen setzen.

Das Goldene Zeitalter rückt näher

Zukünftig - und natürlich gab es hier keine konkreten Daten oder Modellankündigungen - sollen dann heimische Grafikkarten flink genug sein, um komplett auf Raytracing umzuschwenken. Zur Erinnerung: Der beeindruckende Sturmtruppler-Kurzfilm der Epic-Pressekonferenz wurde zwar komplett live, aber eben auch auf vier Volta-Profikarten des Typs Tesla V100 gleichzeitig berechnet.

Und: Die Rüstungen der Sternenkrieger spiegeln zwar die Umgebung prächtig wieder, doch zeigen sie eben nicht die Gesichter der darunter steckenden Soldaten - das wäre rechnerisch vermutlich noch einen Hauch zu komplex geworden. Immerhin wurden die Szenen wirklich in Echtzeit berechnet, wie wir hinter verschlossenen Türen auf dem Nvidia-Stand zu sehen bekamen: Auf Knopfdruck schaltete die Grafik-Engine in einen Drahtgittermodus um und zeigte, aus wie vielen Polygonen die Szenen zusammengesetzt waren.

Morgan McGuire ist zuversichtlich, dass wir bald schon Grafik vom Schlage des vor 20 Jahren veröffentlichten Pixar-Streifens "A Bug's Life" in Echtzeit auf dem Monitor zu Gesicht bekommen werden. Und das ist noch nicht das Ende vom Lied: "Wir wollen von 'A Bug's Life' hin zu 'Coco', der in diesem Jahr mit hundertprozentigem Raytracing berechnet wurde - mit 64 bis 256 Lichtstrahlen pro Pixel."

Quelle: PC Games Hardware Demo mit der Unreal Engine 4 auf Nvidias GDC-Stand: Die DGX Station links mit vier Tesla-V100-Beschleunigerkarten übernehmen das Rendering

Schnellere Berechnung durch schlaue Denoiser

Entwickler sollten schon jetzt damit beginnen, sich mit der neuen Technik vertraut zu machen. Morgan McGuire schätzt, dass die Lernkurve so ähnlich wie bei den programmierbaren Shadern verlaufen dürfte. Microsoft packte neue Routinen namens DXR - DirectX Raytracing - in die hauseigene Grafikschnittstelle, Nvidia setzt auf die proprietäre RTX-Technologie als Back-End und auch AMD arbeitet daran, Raytracing und DirectX 12 einander nahe zu bringen.

Selbst auf Volta-Karten sind dabei Tricksereien angesagt, weiß Petrik Clarberg, Senior Research Scientist bei Nvidia. So bringe es nichts, alle möglichen Lichtstrahlverläufe einfach oder gar mehrfach zu berechnen: "Selbst bei 1024 Samples pro Pixel bleibt noch immer ein gewisses Bildrauschen übrig." Und bei manchen Objekten, die Schatten werfen, werden diese gerade auf spiegelnden Oberflächen nicht richtig wiedergeben.

Schlauer Einsatz von Denoising-Routinen kann bei inkorrekten Schattenwürfen helfen. Zusätzlich lässt sich die Berechnung komplexer Szenen beschleunigen, indem in Bereichen, in denen lichttechnisch "wenig passiert", weniger Lichtstrahlen verfolgt werden. Das illustriert Petrik Clarberg mit einem Wohnzimmer, das durch einen Erker vom Sonnenlicht erleuchtet wird. Hinter dem Sofa, der Lampe und in einem Regal ist von dem wechselnden Sonnenstand wenig zu sehen - diese Schattengebiete werden mit dem verrauschten Raytracing-Bild kombiniert und dann mit einem Denoiser bearbeitet.

Metro Exodus: Beeindruckende Raytracing-Aussichten

Bei aller Begeisterung hat Morgan McGuire ein paar warnende Worte für die Entwicklergemeinde parat. "Raytracing sollte nicht zum Lens Flare des Jahres 2018 werden", gibt er zu bedenken. "Spiele sehen heute schon toll aus - überlegt lieber, was ihr mit Raytracing anstellen und vielleicht ersetzen könnt, ohne die Rechenkosten dafür aus dem Auge zu verlieren."

Dennoch ist McGuire zuversichtlich, dass Raytracing einen neuen Grafikfrühling einleiten könnte: "Heute besitzen vielleicht 20 Menschen auf diesem Planeten das Wissen, professionelle Spiele-Engines optimieren, um noch mehr Leistung und Effekte aus ihnen herauszukitzeln. Mit Raytracing bekommen Spezialeffekt- und technische Programmierer Zugriff auf mehr Leistungsreserven."

Wie spektakulär sich der Einsatz von Raytracing in Spielen darstellt, konnten wir bei Echtzeit-Kamerafahrt durch "Metro Exodus" sehen: Schon auf herkömmliche Weise berechnet sieht die verschneite Spielwelt prächtig aus, doch mit Raytracing kommt noch ein deutlich höherer Grad an Realismus ins Spiel - insbesondere bei Schattenverläufen etwa von Objekten, die unter einem Tisch stehen. Diese Demo läuft sogar "nur" auf einer einzigen Volta-Karte. Hoffentlich bekommen PC- und Videospieler in nicht zu ferner Zukunft neue und vor allem bezahlbare Grafikkarten, die all dies auch auf dem heimischen System darstellen können.

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Nvidia auf der GDC 2018: Die schöne neue Raytracing-Welt Spiegelnde Sturmtruppler-Helme in Raytracing-Demos sind eine Sache, doch PC- und Videospiele, die auf diese Technik setzen, eine andere. Dennoch sind Nvidia-Forscher sicher: Solche Grafik bekommen wir schon bald in Spielen zu sehen, auch, wenn es auf dem Weg dahin noch das eine oder andere Hindernis gibt.

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