Technik-Teil 1: Nvidia ReSTIR als neuer Kombi-Ansatz

Portal RTX - Endlich Futter für die RTX 4090

Hier ist also nun Portal RTX. Ähnlich wie Quake 2 RTX oder Minecraft RTX handelt es sich bei Portal RTX um einen Pathtracing-Port. Der Weg der virtuellen Lichtstrahlen wird also komplett via Raytracing berechnet, inklusive Beleuchtung, Schattenwürfe, Umgebungsverdeckung, Lichtbrechung sowie Reflexion. Die von Nvidias Lightspeed Studios geschaffene Portal-Version bringt allerdings gleich eine ganz Reihe technischer Neuigkeiten mit sich. So kommen neben dem noch recht jungen, für Raytracing-Anwendungen mit eher geringem Raycount optimiertem und etwa in Watch Dogs Legion oder Dying Light 2 genutzten, API-unabhängigen Nvidia Realtime Denoiser (NRD) außerdem zwei neue, auf Effizienz getrimmte Verfahren für die globale, in diesem Sinne auf die gesamte Spielewelt wirkende, Raytracing-Beleuchtung zum Einsatz. Diese neuen Verfahren (RTXDI und ReSTIR GI) sind sehr interessant, denn die sind stark auf Performance, Overhead-Minimierung und Effizienzsteigerung getrimmt. Im Grunde gehören beide Methoden zusammen und basieren auf einem von Nvidia entwickelten Algorithmus namens ReSTIR (Kurzform für: Reservoir Spatio-Temporal Importance Resampling).

Quelle: Nvidia Ohne ReSTIR als frisches, effizienteres Algorithmusbündel, wäre selbst die RTX 3090 Ti wohl überfordert von einem pixelgenauen Lichtspiel. In Portal RTX sorgt ReSTIR für die flüssigere Darstellung mehreren Lichtquellen. Wären die Lichtstrahlen pixelgenau, wäre selbst eine RTX 4090 Ti wahrscheinlich hoffnungslos verloren.

Ansatz I: Komplexität des direkten Lichts

RTX Direct Illumination (Kurzform: RTXDI) ist der Part der Raytracing-Beleuchtung, der das direkte Licht betrifft. Während direktes Licht in vielen Fällen beziehungsweise Spielen bereits recht ansehnlich und komplex ausfällt, ist die Anzahl dieser komplexeren Form von Direkt-Lichtquellen in aktuellen Spielen oft stark beschränkt. So werfen häufig nur sehr wenige Lichtquellen in Spielen tatsächlich Schatten, sind dynamischer Natur, lassen sich also etwa an- und ausschalten, bewegen oder verdecken. Die RTX Direct Illumination soll diese Problemstellen angehen, obendrein Schattenwürfe komplexer und die direkte Beleuchtung, glaubwürdiger, universeller und dynamischer machen. Aufgrund des optimierten Ansatzes respektive Gewichtung, Sortierung, Speicherung und spatio-temporaler Rekonstruktion bleibt die RTX Direct Illumination aber dennoch effizienter als vorherige Methoden. In dieser Nvidia-Demo können Sie RTXDI in Aktion erleben:

Ansatz II: Global Illumination und indirektes Licht

ReSTIR GI (Kurzform für: Nvidia Reservoir Spatio-Temporal Importance Resampling Global Illumination) ist der Teil, der für das indirekte Licht zuständig ist, und im Prinzip eine stark optimierte, auf Reduzierung von Overhead, Rechenleistung sowie für niedrige Raycounts optimierte Raytracing-Global-Illumination. Die genaue Funktionsweise ist nicht ganz einfach nachzuvollziehen, doch wenn Sie Genaueres erfahren wollen, finden Sie hier einen etwa halbstündigen Siggraph-Video-Beitrag von Nvidias Senior Research Scientist Benedikt Bitterli. Eine weitere Abhandlung zu Reservoir Spatio-Temporal Importance Resampling, welches auf Nvidias Technik basiert, finden Sie unter diesem Github-Link, bei dem obendrein das zugehörige Nvidia-Research-Paper verlinkt ist. Der Punkt ist prinzipiell: Die Abtastung ist gröber und nicht wie frühe Raytracing.-Ansätze (wie etwa in der Urversion von Metro Exodus) pixelgenau, im Gegenzug können zusätzliche Lichtquellen - theoretisch unendlich viele - in der Berechnung berücksichtigt werden. Es wird an einer Stelle Präzision geopfert, um an anderer Stelle zusätzliche Informationen verarbeiten zu können. ReSTIR ist also eine geschickte Optimierung.

In diesem Video können Sie tatsächlich nachvollziehen, wie Nvidias neues ReSTIR GI (Reservoir Spazio-Temporal Importance Resampling) arbeitet. Die GI verwendet zeitliche Informationen, die bereits in vorherigen Frames nach Wichtigkeit vorselektiert wurden und speichert sie in einem Reservoir. Dann wird spatio-temporales Resampling verwendet, um zu rekonstruieren und zu entrauschen. Um auch weniger wichtige als die wichtigsten, vorselektierten Lichtquellen berücksichtigen zu können, werden deren Lichtwürfe von Frame zu Frame zufällig betont. Dies resultiert in einem gewissen Flackern, was Sie insbesondere bei geringeren Auflösungen (und damit einem verringerten Raycount) gut erkennen können.

ReSTIR: Die Kombination machts

Das Wichtigste ist: ReSTIR ist ein für Raytracing-Beleuchtung sowie De-Noising optimierter Algorithmus und nutzt bereits vorhandene Daten, die außerdem zuvor nach ihrer Bedeutung in der Szene vorselektiert wurden (Importance) und in einer Art Zwischenspeicher abgelegt wurden (das Reservoir, daher der erste Part des Namens der Technik) und für eine Art Rekonstruktion (Resampling) genutzt werden können. ReSTIR nutzt das Reservoir obendrein, um komplexe Datenstrukturen, die für klassischere Herangehensweisen bezüglich Raytracing vonnöten waren, zu verringern und so einen Overhead zu vermeiden - letzterer entsteht bei herkömmlicher Raytracing-Beleuchtung insbesondere bei geringen Raycounts, da abseits der eigentlichen Berechnung der Strahlverfolgung der gleiche Verwaltungsaufwand für die Szene nötig ist.

Slider-Vergleich mit Nvidia-Screenshots I

Portal RTX Vollbild-Slider Original

ReSTIR bringt vorwiegend bei sehr vielen Lichtquellen einen Vorteil und berücksichtigt überdies lichtemittierende Texturen, also etwa bunte Leuchtreklamen, LED-Leisten, Feuer oder glühende Lava - oder den Schein eines Computer-Monitors im Spiel. Es gibt zudem einige weitere potenzielle Optimierungskniffe, so kann etwa mittels Shadow-Ray geprüft werden, ob ein Lichtstrahl überhaupt auf einer Oberfläche auftritt, oder (wenn der Shadow-Ray einen Kontakt ermittelt) zuvor von einem Objekt verdeckt wird - und so abermals Rechenzeit eingespart werden kann. ReSTIR ist also eine clevere Optimierung für eine Raytracing-Beleuchtung, die einerseits pixelfeine und für jeden einzelnen Bildpunkt nötige Berechnungen einspart, sie obendrein durch temporale Verrechnungen sowie Wiederverwendung von Daten optimiert und anderseits an anderer Stelle, etwa bei der Anzahl Lichtquellen oder der maximalen Rays pro Pixel (bei den wichtigsten Lichtquellen in einer Szene) den Detailgrad erhöhen kann. Ebenfalls wichtig: Die beiden auf ReSTIR basierenden Nvidia-Technologien sind Hardware-agnostisch, laufen also auch auf älteren Nvidia- und RTX-GPUs sowie mit Grafikkarten von AMD und Intel. Die neue Nvidia-Raytracing-Beleuchtung ist also nicht Nvidia-, RTX- oder Ada-Lovelace-exklusiv.

Slider-Vergleich mit Nvidia-Screenshots II

Portal RTX Vollbild-Slider Original

Die neue Raytracing-Beleuchtung mit ReSTIR ist der eine Teil der Portal-RTX-Version. Damit Raytracing wie angedacht funktioniert, benötigt man allerdings Materialien, die mit der Beleuchtung auf komplexe Art und Weise interagieren können - sprich: PBR-Materialien (Kurzform für: Physically Based Rendering). Und hier kommen Nvidias Lightspeed Studios und Nvidia Remix zum Einsatz.

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Wie gut sieht Portal RTX wirklich aus? Vergleiche, Benchmarks und mehr Hinter Nvidias Nomenklatur schlummern erwähnenswerte Ansätze wie ReSTIR. Wir dröseln auf, was es damit überhaupt auf sich hat.

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1. Seite 1 Portal RTX: Ikonisches Spiel, neues Gewand
2. Seite 2 Technik-Teil 1: Nvidia ReSTIR als neuer Kombi-Ansatz
3. Seite 3 Technik-Teil 2: Nvidia RTX Remix als Fundament
4. Seite 4 Portal RTX: Slider-Bildervergleich Teil 1
5. Seite 5 Portal RTX: Slider-Bildervergleich Teil 2
6. Seite 6 Portal RTX: Benchmarks mit RTX 4090 und Co.
7. Seite 7 Portal RTX: Summa Summarum