Minecraft RTX-Patch: Klötzchengrafik trifft auf modernes Pathtracing und DLSS 2.0
Minecraft bekommt RTX-Support: Was seit Monaten bekannt ist, nähert sich nun der Zielgeraden. Nvidia und Microsoft gewährten der Presse einen Ausblick auf Minecraft RTX, während die Finalisierungsarbeiten an der öffentlichen Beta laufen. Minecraft RTX wird am 16. April allen Besitzern von Minecraft Windows 10 Edition kostenlos zur Verfügung gestellt. PCGH verrät, was Sie erwartet - und was Pathtracing eigentlich ist.
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Was ist rund zehn Jahre alt und hat sich insgesamt 176 Millionen Mal verkauft? Minecraft aus dem Hause Mojang respektive Microsoft. Nachdem das Spiel vor einiger Zeit für Windows 10 überarbeitet wurde, eröffnen die Entwickler zusammen mit Nvidia nun das nächste Kapitel des Klötzchen-Spiels: Minecraft RTX. Dahinter steckt ein großes Technik-Update für Minecraft, auch "Raytracing Patch" genannt. Tatsächlich setzen Nvidia und Microsoft auf Pathtracing, eine spezielle Variante des Raytracings, um die komplette Grafik auf Vordermann zu bringen.
Die Minecraft RTX-Beta wird ab dem 16. April allen Käufern von Minecraft in der Windows-10-Edition bereitgestellt. Die alte Java-Version hingegen wird kein Update mit Raytracing-Effekten erhalten. Was Ihnen entgeht und warum Minecraft RTX ein echter Hingucker geworden ist, verrät PCGH in der technischen Vorschau.
Minecraft RTX beschreitet den Pfad, welchen Nvidia mit Quake II RTX eingeschlagen hat: Pathtracing des kompletten Bildes. Die Effekte umfassen path-traced Reflexionen, globale Beleuchtung, volumetrische Effekte wie God-Rays, Schatten sowie den Einbezug neuer, physikbasierter Materialeigenschaften. Der Unterschied zwischen Minecraft "Vanilla" und Minecraft RTX ist tatsächlich in etwa so, als mache man in einem dunklen Raum das Licht an: Details kommen zum Vorschein, Schatten fallen glaubhaft, Ecken verdunkeln sich, Dinge werden indirekt angestrahlt oder spiegeln sich in glatten Oberflächen. All das basiert auf Direct X 12 Raytracing, kurz DXR, und nicht etwa Vulkan, schließlich handelt es sich um ein Spiel aus dem Hause Microsoft. Technisch ist das RTX-Update folglich ein gigantischer Sprung, wenngleich die Grafik unter dem ganzen Make-up gleich bleibt: Noch immer besteht die Spielwelt aus bewusst pixeligen Würfeln.
Minecraft RTX: Pathtracing vs. Raytracing
Verwirrung stiftet womöglich die explizite Nennung von "Pathtracing" anstelle des weltbekannten Schlagworts "Raytracing". Die Tatsache, dass diverse Paper die Begriffe ebenfalls nach Gutdünken synonym verwenden, macht die Sache nicht einfacher. Daher versuchen wir uns hier an einer vereinfachten High-Level-Erklärung.
Raytracing und Pathtracing sind verwandte Techniken, bei beiden handelt es sich um Ansätze der Strahlverfolgung. Bei beiden Ansätzen wird ein Strahl von der Kamera (beziehungsweise genauer: Von der Kamera aus für jeden Pixel auf dem Bildschirm mindestens ein Strahl) ausgesandt. Dann wird geprüft, ob und wo sich ein Ray mit einem 3D-Objekt (beziehungsweise eines Polygons oder Primitives) in der Szene schneidet und anschließend ein Fühler zur Lichtquelle ausgesandt, der prüft, ob diese von dem Primitive verdeckt wird (dann wird ein Schatten gezeichnet). Nun kann obendrein erörtert werden, ob der Strahl von dem Primitive abprallt (also reflektiert wird), ob er es durchdringt und dabei eventuell gebrochen wird (zum Beispiel durch eine transparente Wasseroberfläche oder einen Glaskörper) oder welche Anteile des Spektrums von der Oberfläche absorbiert und welche abgestrahlt werden und danach eine andere Oberfläche mit diesen Anteilen des Lichts erhellen können (indirektes Licht oder auch Globale Beleuchtung). Ray- und Pathtracing funktionieren prinzipiell nach den gleichen, hier genannten Umständen, sie unterscheiden sich jedoch in einem gravierenden Punkt, und dieser betrifft die Art und Weise, wie ein Strahl verfolgt wird:
Bei Raytracing wird ein Ray von einem Bildpunkt entsandt, dann wird geprüft, ob er auf ein Objekt in der Szene trifft. Nun wird erörtert, ob der Ray von der Oberfläche reflektiert wird (nicht nötig etwa bei Schatten, die aufgrunddessen zu den simpelsten Raytracing-Effekten zählen) und eventuell ein weiterer Ray (Secondary Ray) von dieser Oberfläche verschossen, bei dem ebenfalls geprüft wird, ob und wo er im Raum auf ein Primitive stößt. Anschließend wird ein Prüfstrahl (Shadow-Ray) zu jeder Lichtquelle in der Szene gesendet, um zu ermitteln, ob das Objekt verdeckt wird, also im Schatten liegt oder nicht. Anschließend wird der Ursprungspixel mit einem Mittelwert der aufgegriffenen Berechnungen gefärbt.
Beim Pathtracing unterscheidet sich der Ansatz, nachdem der erste Abpraller geschehen ist. Im Gegensatz zum immer noch nicht realistischen, denn bei der Herangehensweise bei der Strahlverfolgung im Vergleich zur optischen Physik noch immer sehr abstraktem Raytracing ist Pathtracing eine deutlich stärker physikbasierte Technik. Pathtracing simuliert einen physikalisch realistischen Weg eines Lichtstrahls durch die gesamte Szene (nur umgekehrt, von der Kamera ausgehend). Trifft ein Strahl auf ein Objekt, so wird geprüft, ob und wie stark er absorbiert und ob er reflektiert wird. Statt nun wie beim Raytracing unter Umständen einen Secondary Ray und zu casten und schlussendlich den Weg zu jeder Lichtquelle auf Verdeckung überprüfen, wird der Ray beim Pathtracing nach jedem Abprallen weiter verfolgt. Dabei wird rigoros auf mathematische Verfahren der Stochastik gesetzt, ein in diese Rendergleichung (der Umstand einer korrekten, Globalen Beleuchtung einer Szene, s. "The Rendering Equasion" James T. Kajiya, 1986) einfließender Algorithmus ist die sogenannte Monte-Carlo-Integration. Diese Monte-Carlo-Algorithmen enthalten einen randomisierten, also zufallsbestimmten Faktor und erörtern, in welche Richtung der zweite Ray (Pathtracing nutzt für alle Berechnungen zu allermindest einen Secondary Ray) abprallt. Diese Form von Pathtracing ist aufgrund der verwendeten Algorithmen auch als Stochastic- oder Monte-Carlo-Path-Tracing bekannt.
Wenn der Strahl also auf eine Oberfläche trifft, wird nicht wie beim Raytracing ein Pfad zu jeder Lichtquelle geprüft und dann der Ursprungspixel auf dem Monitor entsprechend eingefärbt, sondern der Strahl springt (zufällig bestimmt) weiter zur nächsten Oberfläche und von dort aus weiter und weiter, bis er komplett absorbiert wurde, die (vorgegebende, in der Realität nicht zutreffende) Maximalzahl Bounces erreicht wurde oder bis der Strahl auf eine Lichtquelle trifft. Dann wird der komplette Pfad zurückverfolgt und jeder der Abpraller berücksichtigt, all das abgegebene oder aufgenommene Licht und dessen Farbanteile evaluiert und schlussendlich aus einem Mittelwert all dieser Anteile der Farbwert des für den Spieler sichtbaren Pixels berechnet, von dem der Ray seine Reise begann. Nach dem Verschicken von genügend Rays wird so die gesamte Szene durch Pathtracing erfasst.
Pathtracing bildet sämtliche Raytracing-Effekte, darunter also Spiegelungen, eine Globale Beleuchtung, Refraktionen sowie korrekte, weiche Schatten "automatisch" und auf einmal ab, es ist also eigentlich um vielmehr "Raytracing-Grafik", als die bisherigen in Spielen eingesetzten hybriden Raytracing-Effekte. Pathtracing kommt allerdings auch mit dem Umstand daher, dass es wesentlich anspruchsvoller zu berechnen ist. Und Pathtracing enthält noch eine kritische Komponente: Die Monte-Carlo-Intregration. Diese ist aufgrund ihres non-deterministischen, da zufallsgenerierten Algorithmus gegenüber klassischen deterministischen Formeln effizienter, allerdings können dabei auch falsche Ergebnisse entstehen, welche damit kompensiert werden müssen, indem mehrere Wiederholungen der jeweiligen Berechnung vorgenommen werden. Da dies sehr anspruchsvoll ist und ab dem ersten Sekundärstrahl pro Pixel eine Vielzahl solcher Berechnungen vorgenommen werden müssen (achten Sie dabei einmal auf die Tabelle mit den Renderzeiten) - es müssen also eine Vielzahl Rays pro Pixel verschossen und verfolgt werden -, um ein stimmiges Gesamtbild zu schaffen, ist Pathtracing aktuell nur mit Kniffen in Echtzeit umzusetzen, etwa durch temporale Berechnungen über die Zeit und den Einsatz eines aggressiven Denoisers (Noise entsteht in Form von Rauschen indes allein schon wegen des Zufallsfaktors des Algorithmus). Pathtracing funktioniert im Gegensatz zu Raytracing auch nicht mit Punktlichtquellen, da diese einen unendlich kleinen, virtuellen Punkt im Raum beschreiben, sondern benötigt Volumetric Lights, deren Licht ein Strahl auch aufnehmen kann, wenn er durch diese hindruch dringt (Volumetric Light wird wie ein transparentes Objekt behandelt) und nicht wie beim Raytracing genau dorthin geleitet wird.
Falls Sie's noch genauer wissen möchten, legen wir Ihnen das passende Video von der Game Technology Conference ans Herz. Entwickler von Nvidia erläutern hier die Herausforderungen und Lösungen, um einen Echtzeit-Pathtracer in Minecraft zu implementieren. Besonders interessant sind hier die Äußerungen und Kompromisse zur Performance, darunter die Tatsache, dass der Tracer die Rekursion nach dem ersten Sekundärstrahl beendet. Weitere Informationen ergeben sich temporal, das heißt über Zeit - mehrere Frames.
Physically Based Material Rendering
Bereits angerissen und ein wichtiger Schritt für korrekte Beleuchtung ist der ebenfalls neue Einbezug von Materialien, die physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Minecraft ist im Originalzustand flach und wenig plastisch. Minecraft RTX kann nun Oberflächen wie glattes Metall oder raues Gestein lebensnah wiedergeben - ein wichtiger Faktor für hübsche Reflexionen und lebensnahe Lichtstreuung.
Quelle: Nvidia
Physically Based Materials
Drei Denoiser brauchen 45 Prozent der Renderzeit
Dem oben verlinkten GTC-Talk zu entnehmen ist auch eine besonders spannende Information: Insgesamt 45 Prozent der pro Frame aufgewendeten Rechenzeit werden für das Denoising ("Spatiotemporal Variance Filters") aufgewendet. Diese sind aufgrund der stochastischen Berechnung der einzelnen Sekundärstrahlen elementar, um Rauschen herauszufiltern. Dafür kommen gleich drei Algorithmen zum Einsatz: einer für diffuse Oberflächen, einer für glänzende und einer für die Sonnenschatten. Ein jeder ist maßgeschneidert für seine spezielle Aufgabe und mit sinnvollen Performance-Kompromissen ausgestattet. Die Denoiser arbeiten nicht nur spatial (räumlich), sondern auch temporal (zeitlich), ergo mit Informationen vorangegangener Frames (Akkumulation). Alle genannten und weitere Bild-Teile werden am Ende, im Combine Pass, zusammengesetzt.
Quelle: Nvidia
Minecraft RTX: Beinahe die Hälfte der Renderzeit wird für das Denoising aufgwendet - hätten Sie's gedacht?
Minecraft RTX: DLSS 2.0 on top
Allen Tricks zum Trotz ist Pathtracing eine rechenaufwendige Angelegenheit, bei der jedes hinzukommende Pixel den Grafikprozessor belastet. Nvidia hat daher bereits bei der Turing-Vorstellung im Spätsommer 2018 eine Möglichkeit präsentiert, um die Last bei gleichwertiger (nicht identischer) Qualität deutlich zu senken: das Bildglättungsverfahren Deep-Learning Super-Sampling. Dieses wurde just auf Version 2.0 aktualisiert und zeigt in ersten Spielen beeindruckende Ergebnisse. Allen DLSS-Modi gemein ist, dass sie intern die Render-Auflösung reduzieren und stattdessen auf clevere Art und Weise Details rekonstruieren. Wie das genau funktioniert, entnehmen Sie den verlinkten PCGH-Artikeln. Ergänzend dazu empfehlen wir Ihnen diese Lektüre: So nutzen Sie DLSS mit DSR-Supersampling für fantastische Bildqualität.
Minecraft RTX bietet ebenfalls DLSS 2.0, um die Pathtracing-geplagte GPU zu entlasten. Im spieleigenen Grafikmenü steckt das Verfahren unverblümt hinter der Option "Upscaling". Eine Information, um welchen der drei DLSS-Modi (Quality, Balanced, Performance) es sich handelt, verrät das Spiel nicht, laut Nvidia handelt es sich jedoch um Quality-DLSS, das die Auflösung deutlich reduziert (Achsenfaktor 0,67), jedoch das bestmögliche DLSS-Ergebnis erzielt. PCGH-Messungen der Performance müssen bis zum Release von Minecraft RTX (Beta) am 16. April warten, bis dahin seien jedoch das Wort "signifikant" und der von Nvidia genannte Faktor "1,7X+" genannt. Wie Sie dem oben verlinkten Leistungstest unter Control entnehmen, ist diese Angabe im Kontext von Q-DLSS keineswegs überzogen, zumindest in den Auflösungen WQHD und Ultra HD. Bei geringeren Pixelmengen neigen andere GPU-Teile und/oder der Hauptprozessor dazu, das Geschehen einzubremsen.
Quelle: Nvidia
DLSS 2.0
Minecraft RTX: Vergleichsbilder
Was all diese Kniffe bringen, demonstriert Nvidia gekonnt mithilfe von zahlreichen Vergleichsbildern und Videos. Wir haben die markantesten Vergleiche für Sie zusammengestellt. Währenddessen arbeiten wir an weiteren Eindrücken und bereiten Leistungsmessungen vor.
Neben den beinahe omnipräsenten Spiegelungen innerhalb der RTX-Maps (siehe unten) verdient vor allem die großartige Beleuchtung Erwähnung. Minecraft RTX ist so viel plastischer und lebhafter als das Original, dass es einfach Spaß macht, die Welten zu erkunden. Neben atmosphärischen Lichteffekten besonders erwähnenswert ist die indirekte Beleuchtung. Lava taucht eine dunkle Szenerie beispielsweise in schummrig-orangenes gestreutes Licht, bei dem umliegende Flächen realistisch umgefärbt werden. Das ist im echten Leben ganz selbstverständlich, in Spielen jedoch keineswegs. Dazu zählen auch die (weniger auffälligen) Soft-Shadows, deren Erzeugung ebenfalls im GTC-Talk erwähnt wird.
Minecraft RTX: Sechs neue Welten zum Download
Nvidia hat bekannte Minecraft-Künstler dazu aufgerufen, spezielle "RTX-Welten" zu erschaffen, welche die neuen Möglichkeiten und Materialien bestmöglich zur Geltung bringen. Herausgekommen sind sechs neue Karten, die von allen Minecraft-Spielern kostenlos im spieleigenen Marktplatz heruntergeladen werden können.
Quelle: Nvidia
Minecraft RTX: 6 neue Welten laden zum Wandeln auf dem Tracing Path ein.
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Jop. Die ist dann beim Insider-Hub unter Minecraft für Windows 10 Beta verwalten gelistet.