Grafikkarten: Raytracing versus Rasterisierung
PCGH Plus: Die beiden Verfahren Raytracing und Rasterisierung sind in der Computergrafik führend. Wir erklären die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der beiden Ansätze - auch im Hinblick auf Spiele. Der Artikel stammt aus PC Games Hardware 06/2018.
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Mit den Vorstellungen von DXR und RTX haben Microsoft und Nvidia das Thema Raytracing in Spielen wieder ins Gespräch gebracht. Wir erklären die Unterschiede zur klassischen Rasterisierung und zeigen einige Limitierungen auf.
RTX, DXR und der Standpunkt von AMD
Grundlage für das Aufkommen der Frage, wo die Stärken und Schwächen der beiden Rendering- Techniken Raytracing und Rasterisierung liegen, sind die Präsentationen von Microsoft und Nvidia auf der GDC (Game Developers Conference) 2018: Die Direct-X-Raytracing-API DXR und Nvidias passendes Backend RTX sollen Raytracing in aktuelle Spiele bringen. Zuerst soll die Technik die bisher genutzte Rasterisierung ergänzen, später vielleicht ganz ersetzen.
Zu Beginn soll die Technik in den Bereichen eingesetzt werden, in denen sie den größten Effekt hat: Bei der Berechnung von Schatten und Spiegelungen.
Mit namhaften Studios wie DICE (Battlefield, Star Wars Battlefront) und 4A Games (Metro) sowie Engine-Entwicklern wie Epic Games (Unreal-Engine) und Unity Technologies (Unity-Engine) gibt es bereits wichtige Interessenten für die Technik. Auch abseits von Spielen stößt sie auf Anklang: Mit Allegorithmic, die Programme zum Erstellen und Aufbringen von Texturen anbieten, hat auch ein erster Software-Entwickler für den produktiven Einsatz eine Unterstützung von Raytracing im Viewport angekündigt.
Von AMD gab es zum Stand der letzten Ausgabe nur eine lose Ankündigung, dass ein Treiber erscheinen werde, der eine Unterstützung für DXR bieten wird. Von einer partiellen Hardware-Beschleunigung, wie sie möglicherweise ab Volta durch Nvidias Tensor-Kerne gewährleistet werden soll, war bislang keine Rede. Doch unabhängig davon hat auch AMD auf der GDC etwas zum Thema Raytracing vorgestellt: Die hauseigene Open-Source-Raytracing-Engine, Radeon ProRender, erhält den exakt gegenteiligen Ansatz von Microsoft und Nvidia: Statt einen Rasterizer um einen Raytracer zu ergänzen, um eine höhere Qualität zu erhalten, soll ein Raytracer Teile mit Rasterisierung auf Vulkan-Basis rendern, um Zeit zu sparen. Außerdem soll AMDs Radeon Rays Raytracer in Unity integriert werden - allerdings nur, um das Erstellen von statischen Beleuchtungsmodellen zu beschleunigen.
Raytracing + Rasterisierung - Die Einsatzzwecke
Auch wenn im Rahmen der GDC natürlich Spiele im Fokus standen, kämpfen AMD und Nvidia auch bei Raytracern und Software zum produktiven Einsatz um Unterstützung und Marktanteile. Aus diesem Grund entwickeln die beiden Unternehmen auch eigene Lösungen: Bei AMD beispielsweise Radeon ProRender, bei Nvidia Iray.
Der parallele Einsatz von Raytracing und Rasterisierung ist für diese Geschäftsfelder ebenso interessant wie für Spiele. Auch wenn per Raytracing gerenderte Bilder oder Filme nicht in Echtzeit präsentiert werden müssen, ist eine möglichst schnelle und leistungssparende Berechnung trotzdem von großem Interesse - um Zeit und Kosten zu sparen.
Für Spieler relevanter, wenn auch indirekt, ist der Einsatz derartiger Methoden in Programmen für Spieleentwickler - wie jene des bereits genannten Entwicklers Allegorithmic. Für Spiele werden oft zuerst hochauflösende Objekte erstellt, die anschließend auf leistungssparsamere Versionen heruntergerechnet werden. Das Erstellen von den komplexeren Modellen ist für die darstellenden Programme eine Herausforderung: Schnell kommt es zu Framedrops und Ladezeiten im Viewport, was die maximale Qualität und somit auch das Endergebnis limitiert.
Zudem ermöglicht eine flüssigere Darstellung auch ein schnelleres Arbeiten - man hat mehr Zeit, die man dem Objekt und damit dem Endergebnis widmen kann. Die Kombination der beiden Techniken kann also Spielen auch dann helfen, wenn sie gar nicht direkt eingesetzt wird.
Per Raytracing berechnetes Bild in verschiedenen Qualitätsstufen
In dieser Szene wird der vom Schirm geworfene Schatten erst mit vielen Lichtstrahlen deutlich sichtbar, vorher wird er vom Rauschen überlagert.
Grundlegende Begriffe
Teile der nachfolgenden Erklärungen bauen auf dem Artikel "Grundlagen der 3D-Grafik" aus PCGH 05/2018 auf. Zur besseren Übersicht werden wichtige Grundsätze im Folgenden zusammengefasst. In jeder computergenerierten 3D-Welt, die fortan Szene genannt wird, gibt es eine Kamera, die später den Blickwinkel des Nutzers darstellt. In der Szene sind Objekte verteilt, welche die Form der Welt definieren. Diese Objekte bestehen aus einer Ansammlung von dreieckigen Flächen (Polygonen), die zumeist die gesamte Oberfläche bedecken. Was innerhalb des Objekts ist, ist sowohl für die Rasterisierung als auch für das Raytracing irrelevant: Es kommt ausschließlich auf die Oberfläche an. Davon ausgenommen sind spezielle Effekte wie etwa volumetrische Rauchberechnung, die einen Sonderfall darstellen.
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Das finden Sie im Artikel mit 18.500 Zeichen:
- RTX, DXR und der Standpunkt von AMD
- Raytracing + Rasterisierung - Die Einsatzzwecke
- Grundlegende Begriffe
- Rasterisierung, wie funktioniert das eigentlich?
- Und was ist mit Raytracing?
- Beide Techniken sind nicht perfekt
- Was haben wir Spieler davon?
- Fazit: Raytracing ist kein Wundermittel
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