Battlefield 3 im Technik-Test: Die Frostbite-2.0-Engine erklärt - Jetzt mit HD-Videos [Videos des Tages]

Im Laufe dieser Woche erscheint Battlefield 3, PC Games Hardware lieferte bereits den Test der Singleplayer-Kampagne von Battlefield 3 sowie Grafikkarten-Benchmarks des DICE-Shooters. Bereits vor einigen Monaten beschäftigten wir uns mit der Technik der Schweden in Form des Technik-Dossiers zur Frostbite-2.0-Engine, heute folgt ein umfangreicherer Bericht über den Technikmotor.

Mit Battlefield 3 respektive der Frostbite-2.0-Engine wagen die schwedischen Entwickler von DICE (Digital Illusions Creative Entertainment) nach Crytek erstmals wieder den Schritt hin zu einem grafischen Feuerwerk, welches Highend-PCs in die Knie zwingt, aber auch zum Niederknien aussieht. Im Rahmen der Geforce-LAN auf der USS-Hornet referierte DICEs Rendering Architekt Johan Andersson ausführlich über die Engine, was wir zum Anlass nehmen, die rund einstündige Präsentation in Wort und Bild sowie in Form eines Mitschnittes aufzuarbeiten. Die Slides wie auch die das Videomaterial finden Sie am Ende dieses Artikels.

Quelle: DICE Battlefield 3 im Technik-Test: Die Frostbite-2.0-Engine erklärt (13) DirectX 11 auf dem Schlachtfeld, Streaming an die Front
DICE betont, dass die Engine mit Fokus auf den PC entwickelt wurde: Das technische Fundament fußt hierbei auf einem Deferred Renderer samt exzessivem Einsatz von DirectX 11 - welches abwärtskompatibel zu DX10/10.1 ist - und verschiedenen Middlewares wie die Havok-Physik der gleichnamigen Intel-Tochter. Die Komposition aus Objekten, Beleuchtung, Effekten, dem Terrain und den Nachbearbeitungseffekten führt zum fertigen Bild, welches in nahezu 20 Schritten entsteht. So bietet die Frostbite 2.0 laut DICE teils mehr als 10.000 Objekte pro Map, welche parallel auf Basis der Kamera-Position (also des Spielers) gestreamt werden - DirectX 11 verhindert CPU-Lastspitzen, da das Streaming in einem eigenen Thread läuft. Instancing sorgt dank DX11/DX10 für eine flottere Abarbeitung und verhindert Verzögerungen ("stalls") beim Rendering, via sogenanntem "Culling" werden Daten verworfen, die der Spieler ohnehin nicht sieht - das spart Leistung. Diese ist auch nötig, denn pro Multiplayer-Map sind bis zu 250 MiByte an zu streamenden Objekt-Meshes und bis zu satten 1.500 MiByte an Texturen vorhanden. Die Ultra-Detailstufe ist laut DICE übrigens für Grafikkarten mit 1,5 oder 2 GiByte gedacht.

Quelle: DICE Battlefield 3 im Technik-Test: Die Frostbite-2.0-Engine erklärt (28) Gimme The Light!
Ein wichtiger Teil der Frostbite-2.0-Engine ist die Beleuchtung mit hohem Kontrastumfang (HDR-Rendering): Diese nutzt unter DirectX 11 die Compute Shader um das sogenannte Tile-based Lighting drastisch zu beschleunigen. So sind sehr viele (zerstörbare) Lichtquellen samt dynamischen weichen Schatten möglich und insbesondere beim von Multisampling-Kantenglättung ist DX11 laut DICE klar schneller als DX10 - dies bestätigen unsere Benchmarks, in denen eine Raden HD 5770 die sonst ähnlich flotte HD 4870 um über ein Drittel abhängt. Ein Highlight ist die indirekte Beleuchtung (Radiosität), welche in Form der Middleware Enlighten von Geometrics eingesetzt wird, sorgt dafür, dass Licht von bestimmten Objekten auf andere geworfen wird.

Quelle: DICE Battlefield 3 im Technik-Test: Die Frostbite-2.0-Engine erklärt (51) Die Beleuchtung wird durch zwei Arten von Umgebungsverdeckung unterstützt: Diese Technik simuliert die Verschattung von Objekten untereinander, was rechenintensiv und subtil ist, das Bild aber weitaus glaubwürdiger wirken lässt. DICE nutzt die flottere Variante Screen-Space Ambient Occlusion (SSAO) für Konsolen sowie als Option für schwächere Systeme bei mittlerer Detailstufe und die Nvidia-Version Horizon-based Ambient Occlusion (HBAO) für potente Rechner. Um das fertige Bild weiter zu verbessern, packt DICE Tonnen an Nachbearbeitungseffekten hinzu: Diese reichen von Bloom (Überstrahlung), Bewegungs- und Tiefenunschärfe, eine Farbkorrektur (Color Grading), eine Film-Körnung und Vignettierung bis hin zu einer speziellen Shader-Kantenglättung - dazu später mehr.

Quelle: DICE Battlefield 3 im Technik-Test: Die Frostbite-2.0-Engine erklärt (38) Nahe Partikel und weite Ferne
In Sachen Effekten verlässt sich DICE auf die Havok-Physik und bietet Tausende von Partikeln, die überdies in die Beleuchtung integriert sind - Sperrfeuer im Rauch etwa erhellt diesen, was sehr realistisch und beeindruckend aussieht. Partikel werfen dementsprechend Schatten und sind weich (Z-Test!) sowie alpha-tested um volumetrisch zu wirken. Bestimmte Partikel, etwa Funkenflug, sind zudem in der Lage ihrerseits die Umgebung zu beleuchten, was sichtlich atmosphärischer wirkt. Ein weiterer wichtiger Punkt der Frostbite-2.0-Engine ist die Distanzdarstellung: Diese nutzt unter DirectX 10 bekanntes Shader-basiertes Normal Mapping für die per-Pixel beleuchteten Berge, unter DirectX 11 dagegen werden dank Tessellation und Displacement Mapping zusätzliche Polygone sowie echte Geometrie eingefügt - die Silhouetten wirken deutlich glaubwürdiger, allerdings nur, wenn Sie die High- oder Ultra-Detailstufe einsetzen (923.000 statt 101.000 Polygone!). Um Platz zu sparen, berechnet DICE zur Laufzeit Texturen und ergänzt damit die hochauflösenden Pixeltapeten, die klassisch gestreamt werden. Die Landschaft wird zusätzlich mit Gras, Büschen, kleinen Felsen und Co. geschmückt - diese sind übrigens nicht abschaltbar um im Multiplayer die Chancengleichheit zu erhalten.

Quelle: DICE Battlefield 3 im Technik-Test: Die Frostbite-2.0-Engine erklärt (83) Eine glatte Sache und sogar in 3D
Abseits der Beleuchtung ist vor allem ein geglättetes Bild essenziell für eine glaubwürdige Optik. Da seit DirectX 10 die klassische Multisampling-Kantenglättung weniger Probleme mit Deferred Lighting bereitet [nicht aber einwandfrei zusammenarbeitet], packt DICE eine zwei- wie vierfache Stufe ins Spiel - 8x MSAA fehlt aus verständlichen Gründen, denn mehr Samples "bügeln" kaum besser, der Performance-Verlust lässt sich an anderer Stelle sinnvoller umsetzen. Eine gute Glättung ist überdies auch im Multiplayer wichtig, denn sich bewegende Pixel lenken vom eigentlichen Spielgeschehen ab. Das bereits angesprochene Shader-Kantenglättung nennt sich FXAA, das sogenannte Fast Approximate Anti-Aliasing von Nvidias Timothy Lottes - der arbeitete früher übrigens bei Human Head, den Entwicklern von Prey (2). MSAA glättet Polygone und Geometrie, während FXAA das finale Bild nachbearbeitet und Texturen (also auch die Vegetation), Shader etc "bügelt". Bestimmte Stellen in Battlefield 3 werden gar mit Supersampling-Kantenglättung versehen, was vor allem in Bewegung exzellent aussieht.

Wie viele andere Spiele auch, bietet Battlefield 3 einen Stereo-3D-Modus: Dieser funktioniert nur auf Nvidia-Grafikkarten und arbeitet laut DICE problemlos mit Transparenz-Effekten zusammen - kostet aber wie üblich sehr viel Performance (da jeder Frame doppelt berechnet wird). In der Release-Version ist der 3D-Betrieb noch nicht möglich, wird aber laut DICE "bald" nachgeliefert.

Quelle: DICE Battlefield 3 im Technik-Test: Die Frostbite-2.0-Engine erklärt (82) Die vier Detailstufen von Battlefield 3
Der DICE-Shooter bietet vier Grafikvoreinstellungen: Die niedrigste entspricht der Konsolenoptik und benötigte laut den Entwicklern mindestens eine Geforce 8800 GT mit 512 MiByte Speicher. Die wichtigsten visuellen Aspekte sind aber aktiv um wie bereits erähnt im Multiplayer keine unfairen Situationen aufkommen zu lassen. Die mittlere Detailstufe bietet bereits viele Grafiktoptionen wie Screen-Space Ambient Occlusion und fokussiert DiectX-10-Grafikkarten wie eine Geforce GTX 260-216. Für die hohe Voreinstellung samt HBAO und 16:1 AF empfiehlt DICE mindestens eine Geforce GTX 560 Ti, dafür sind alle wichtigen Optionen aktiv - abseits von Kantenglättung. Die Ultra-Stufe reizt die Engine dank 4x MSAA voll aus und setzt ein potentes Multi-GPU-Gespann für 60 Fps und mehr voraus; auch dies zeigen unsere Benchmarks.

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Die Frostbite-2.0-Engine ist der Technikmotor hinter Battlefield 3 und wird auch für Need for Speed: The Run sowie Medal of Honor 2 eingesetzt. Im Rahmen der Geforce-LAN auf der USS-Hornet referierte DICEs Rendering Architekt Johan Andersson ausführlich über die Frostbite-2.0-Engine und Battlefield 3 - PC Games Hardware fasst zusammen.

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