FidelityFX Super Resolution 1.0 im Test: Kommt AMDs FSR an Nvidias DLSS heran?

Spiele werden immer hübscher und anspruchsvoller, vor allem durch den Einsatz von Raytracing. Doch der Markt ist leergefegt, Grafikkarten kosten derzeit ein kleines Vermögen. Maßnahmen, die Leistung einsparen und dabei trotzdem ein hübsches Bild erzeugen, sind daher gefragter denn je. Das Feature, welches AMD heute in Kooperation mit seinen Software-Partnern auf die Gaming-Welt loslässt, ist eine direkte Antwort auf die Probleme und somit für alle Leser spannend. Vorhang auf für FidelityFX Super Resolution, kurz FSR.

Pixel, überall Pixel!

Das Kernproblem ist uralt: Je mehr Bildpunkte berechnet werden müssen, also je höher die Auflösung, desto härter muss die Grafikkarte schuften. Pixel sind allein ihr Fachgebiet, der Prozessor befiehlt ihr lediglich, was sie zu tun hat, aber nicht, wie fein das Bild am Ende aufgelöst ist. Mit dem Aufkommen von Raytracing hat der Grafikchip eine weitere pixelbasierte Aufgabe zu schultern - und kollabiert in vielen Fällen unter der Last. Wenn Pixel die Wurzel allen Übels (für die GPU) sind, liegt es nahe, daran zu sparen. Das wird bereits seit Jahrzehnten getan, Echtzeitgrafik ist ein einziger Kompromiss. Neuartig sind hingegen Verfahren, die intern zwar kräftig Pixel sparen, dank smarter Ideen aber dennoch Bilder ausgeben, die ansatzweise "nativ" aussehen. Was der Lebensmittelindustrie die künstlichen Geschmacksverstärker sind, wird am Computer alles mithilfe von Algorithmen und Heuristiken erledigt - manche gehen gar so weit, es künstliche Intelligenz zu nennen.

Nvidia präsentierte bereits im Spätsommer 2018 ein entsprechendes Verfahren, das sich des Problems annehmen soll: Deep Learning Super-Sampling, kurz DLSS. Der Start verlief mehr als holprig und die Ergebnisse von DLSS 1.0 ließen zu wünschen übrig, die Grundidee darf jedoch als visionär bezeichnet werden. Zuerst füttert man einen Supercomputer tagelang mit hochauflösenden Bildern eines Spiels, bis dieser "weiß", wie erstrebenswerte Grafik aussieht (Training). Dieses Wissen wird als Vorlage bzw. Berechnungsvorschrift abgespeichert und auf die Rechner der Spieler transferiert. Dort, so der Plan, wendet eine RTX-Grafikkarte mit neuartigen, speziell für diese Aufgabe geschaffenen Rechenkernen das Wissen an - bei stark reduzierter Auflösung, aber dafür kompensierenden Aufwertungen, um am Ende mehr Fps bei ähnlicher Qualität zu erhalten. Es dauerte rund 1,5 Jahre und erforderte invasive Änderungen am Verfahren, bis Nvidias Versprechen mit der Realität mithalten konnten, doch mit DLSS 2.0 war es schließlich geschafft. Das Verfahren verrechnet und rekonstruiert die Bilddaten räumlich (spatial) und zeitlich (temporal) derart clever, dass nicht nur ein riesiges Fps-Plus zu verzeichnen ist. Teile der Bilder werden sogar besser und stabiler wiedergegeben als bei höherer, in der Regel nativer Auflösung. Die neueste Iteration DLSS 2.2 widmet sich durchaus erfolgreich den bisher bestehenden Nebenwirkungen in Gestalt von Schlieren.
Quelle: Nvidia (Screenshot: PCGH) DLSS vs. Traditional Upscaling

FidelityFX Super Resolution 1.0: Überblick

Die Messlatte hängt folglich hoch, doch DLSS hat mehrere konzeptionelle Schwächen. Erstens handelt es sich um einen proprietären, ergo herstellerspezifischen Ansatz. Nvidia hütet die Innereien wie seinen Augapfel, der Quellcode ist nicht öffentlich und auch Entwickler bekommen nur zu sehen, was sie sehen dürfen. Zweitens lässt sich DLSS nicht ohne Weiteres in Spiele implementieren, die Einstiegshürde ist trotz der Vereinfachungen mit Version 2.0 nach wie vor hoch: Der Renderer des aufzuwertenden Spiels muss zumindest irgendeine Form von Temporal-AA beherrschen und DLSS benötigt Zugriff auf dafür eingerichtete Buffer. Drittens ist DLSS auf die Tensor-Kerne der RTX-Grafikkarten zugeschnitten. Das stellt zwar eine hohe Effektivität sicher, sperrt jedoch alle anderen Grafikkarten aus. Hier kommt AMDs Gegenentwurf ins Spiel.

Das neue Upscaling-Verfahren FidelityFX Super Resolution, im Folgenden meist FSR genannt, ist konzeptionell das genaue Gegenteil von DLSS: Es ist open-source, funktioniert prinzipiell mit jeder Grafikkarte, APU, Notebook-GPU sowie auf den neuen Konsolen (!) und lässt sich vergleichsweise einfach in Spiele implementieren - auch in solche, die längst erschienen sind. FSR funktioniert sowohl mit den Lower-Level-APIs DirectX 12 und Vulkan, als auch mit dem weitverbreiteten DirectX 11. AMD bleibt somit seiner Linie treu, offene Standards zu erschaffen und voranzutreiben. Die Plattform dafür findet sich auf www.gpuopen.com, auf der Entwickler alle Informationen und Code-Bausteine vorfinden. FSR ist das neueste Mitglied im FidelityFX-Toolset, dessen wohl bekannteste Zutat Contrast Adaptive Sharpening (CAS) ist, und wird ab Mitte Juli dort öffentlich zur Verfügung stehen. In der Zwischenzeit haben die AMD-Partner bereits Zugriff und breite Unterstützung für und von FSR zugesagt. Das deutet einen gewissen Nutzen an, den wir im Folgenden beleuchten.

Noch ein paar Worte zur Kompatibilität: AMD verspricht die Funktion auf allen Grafikkarten bis hinunter zur Radeon-RX-400- und Geforce-GTX-10-Serie. Das ist jedoch nur der offizielle Teil, technisch sollten auch noch ältere Grafikkarten funktionieren. Die Grundvoraussetzung ist, dass die GPU mit dem FP16-Format umgehen kann, was für jede Grafikkarte der letzten zehn Jahre gilt. Inwiefern FSR eine steinalte GPU beschleunigen kann, steht auf einem anderen Blatt, denn der Algorithmus ist ausdrücklich für RDNA-GPUs optimiert.
Quelle: AMD AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) läuft auf allen GPUs der letzten fünf Jahre.

FSR 1.0: Das geht, das geht nicht

AMD bewirbt FSR in Version 1.0 als effektive Beschleunigungsmaßnahme für höhere Bildraten, geringere Latenz und somit größeren Nutzen reaktionsschneller Bildschirme. All das soll bei "nahezu nativer" Qualität vonstattengehen - markige Worte, die frappierend an DLSS erinnern. Die bereits angerissenen Unterschiede liegen im Detail und lassen erahnen, was mit FSR möglich ist, und was nicht. AMD bezeichnet FSR offiziell als Compute-Shader-basierte "spatial upscaling solution", ergo einen Algorithmus, der Details räumlich rekonstruieren kann. Temporal, also zeitlich, erfolgt keinerlei Eingriff und auch ein KI-Training findet nicht im Vorfeld statt, was zwei Seiten hat: Einerseits macht der Verzicht auf temporale Berechnungen die Implementierung wesentlich einfacher, andererseits sind den damit möglichen Qualitätssprüngen deutliche Grenzen gesetzt. DLSS erzielt seine verblüffende Wirkung vor allem durch das effiziente "Recycling" von Bilddaten, was nur in Kombination mit Bewegungsinformationen (Motion Vectors) über Frames und Zeit halbwegs artefaktfrei funktioniert.

Quelle: AMD AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) im Vergleich mit anderen Upscaling-Verfahren
Da FSR (wie DLSS) in erster Linie die Bildrate steigern soll, wird auch hier mit reduzierter Auflösung gearbeitet - immer. Wie stark diese gesenkt wird, hängt vom gewählten FSR-Modus ab, von denen stets vier zur Wahl stehen: Ultra Quality, Quality, Balanced und Performance. Diese Pixelmenge wird auf die gewünschte Ausgabe-Auflösung hochgerechnet, wobei es für Entwickler ein paar Dinge zu beachten gibt. FSR kommt in der Render-Pipeline relativ spät zum Einsatz: Erst nachdem das Anti-Aliasing und Tone Mapping vollzogen wurden, erfolgt die Rekonstruktionsphase, abgerundet durch einen Sharpening Pass. Die Intensität von Letzterem können die Entwickler feintunen. Erst danach folgen kritische Effekte wie Filmkörnung oder eine Farbverschiebung. Würde man diese hingegen direkt auftragen und anschließend hochskalieren, würde dies Rauschen verstärken - ein wichtiger Unterschied gegenüber der klassischen Herangehensweise, Spiele via Treiber-Sharpening aufzuwerten. Das grafische User-Interface wird ganz am Ende aufgetragen und stets in der Zielauflösung dargestellt.

Quelle: AMD AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) innerhalb der Render-Pipeline eines Spiels
Halten wir fest: FSR ist ein klassisches Upscaling, das eine niedrige Auflösung als Input verwendet, diese aufwertet und als Output ein höher auflösendes Bild generiert. FSR kommt erst dann zum Zuge, wenn das Spiel-interne Anti-Aliasing bereits durchgeführt wurde. Das bedeutet, dass temporal keinerlei Verbesserung zu erwarten ist. Spatial hingegen wird versucht, den Verlust an internen Pixeln durch eine schlaue Heuristik wiederherzustellen oder gar zu überbieten. Inwiefern das klappt, sehen wir uns sogleich an.

Vier FSR-Modi: Das Einmaleins der Auflösungen

AMD will in internen Tests eine um bis zu Faktor 2,8 gesteigerte Bildrate (+180 %) gemessen haben. Das geht nur im harten Grafiklimit, wie es meist bei aktivem Raytracing auftritt, in Kombination mit einem niedrigen Qualitäts-Modus - auch darin sind sich DLSS und FSR einig. Was Sie auch einstellen, FSR reduziert die Pixelmenge um einen starren Faktor, wie das Bild und die folgende Tabelle zeigt. Der "Performance"-Modus mit seiner intern geviertelten Auflösung dient nur als Notnagel, wenn die Grafikkarte wirklich am Ende ist. Welche Auflösung Sie dem Algorithmus vorsetzen, ist egal, alles funktioniert - sogar 5K und 8K. AMD gibt an, dass FSR grundsätzlich auch bei dynamischen Auflösungen nutzbar ist. Wir haben die wichtigsten Auflösungen und ihre FSR-Entsprechungen für Sie ausgerechnet. Die Fettung offenbart verbreitete Auflösungen als interne Rechenbasis:

Quelle: AMD AMD FidelityFX Super Resolution (FSR): Die Skalierungsfaktoren und daraus entstehenden internen Auflösungen

Derzeit unterstützte und kommende Spiele

Da FidelityFX Super Resolution eine gezielte Integration in die Render-Pipleline benötigt (im Gegensatz zu Nachschärfung oder Postfilter-AA via Treiber), ist die Unterstützung der Spieleentwickler elementar. AMD verkündet nicht ohne Stolz, dass bereits mehr als 40 Entwickler ihren Support angekündigt oder schon umgesetzt haben. Zum Start am 22. Juni stehen sieben Titel zur Verfügung, im Laufe der kommenden Monate folgen diverse weitere.

FidelityFX Super Resolution gibt sich in den Spielen eindeutig zu erkennen, es handelt sich um eine zusätzliche Option im Grafikmenü:

FSR-Optionen in Spielen: Anno 1800, Terminator, Riftbreaker

Anno 1800 Terminator Resistance The Riftbreaker The Riftbreaker (Launcher)

Vollbild-Vergleich

Auf der folgenden Artikelseite widmen wir uns ganz der Bildqualität und Leistung von FSR. Zum Einsatz kommen dabei drei der FSR-Launch-Spiele: Anno 1800, The Riftbreaker und Terminator Resistance. Achtung, es erwarten Sie viele Bildvergleiche im verlustfrei komprimierten PNG-Format, daher kann es - je nach Internetleitung - etwas dauern, bis alles dargestellt wird. Die Bilder sind allesamt auch in der abschließenden Galerie zu finden.

In den Vollbild-Aufnahmen haben wir außerdem das On-Screen-Display des MSI Afterburner eingeblendet. Dieses liefert nicht nur ergänzende Informationen zur Bildrate für jeden einzelnen FSR-Modus, sondern auch über den benötigten Strom. Sie werden feststellen, dass FSR hier deutliche Einsparungen vornehmen kann - sofern man vom weitgehend CPU-limitierten Anno 1800 absieht.

Randnotiz: Im Begleitmaterial für Tester rät AMD davon ab, Bildvergleiche mit Vergrößerungen anzustellen. Der Eindruck bei normalen Betrachtungsabständen sei maßgeblich. Das ist zwar richtig, da PCGH jedoch zur Fraktion der Pixelzähler gehört, arbeiten wir selbstverständlich auch mit vergrößerten Ausschnitten, um die Rekonstruktionseigenschaften zu bewerten (ohne Resampling).

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FidelityFX Super Resolution 1.0 im Test: Kommt AMDs FSR an Nvidias DLSS heran? Wir alle lieben Pixel - je mehr, desto besser. Unsere Grafikkarten sehen das anders, sie ächzen unter der Pixellast und schreien förmlich um Hilfe, gerade im Sommer. Das wissen auch AMD und Nvidia, mit unterschiedlichen Lösungsansätzen. Der neueste gibt heute sein Stelldichein: FidelityFX Super Resolution soll jede Grafikkarte der vergangenen fünf Jahre wieder fitmachen. PCGH prüft, was AMDs Upscaling-Verfahren auf dem Kasten hat.

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