Nvidia auf der GDC 2019: Raytracing und die Zukunft der Spielegrafik

In Sachen Timing hatte Nvidia dieses Jahr kein so gutes Händchen: Die hauseigene GPU Technology Conference fand dieses Jahr parallel zur Game Developers Conference statt. Medienvertreter können sich nicht klonen und mussten so die eine oder die andere Veranstaltung besuchen. Doch gottlob fanden auch auf der GDC 2019 in San Francisco einige Nvidia-Sessions statt. So gab Director of Engineering Martin Stich, Absolvent der Universität Ulm und seit zehn Jahren bei Nvidia, ein Update über die Raytracing-Aktivitäten aus Santa Clara.

PC-Grafikkarte statt Workstation

Mini-Rückblick: "Vor einem Jahr lief die Star-Wars-Sturmtruppler-Demo auf der GDC noch auf einer 60.000 US-Dollar teuren DGX-Workstation, ein Jahr später reicht dafür ein Gaming-Laptop mit RTX-Grafikkarte", sagt Martin Stich. Und setzt nach: "Der kostet etwa 1.000 US-Dollar - wann hatten wir in unserer Industrie jemals in zwölf Monaten eine Kostensenkung um den Faktor 60?"

Die neue Technologie ist nicht nur für High-End-Filmemacher oder Werbeschaffende der Hit: Auch Spieler sollen von dem realistischen Lichtfall profitieren. "Bei der bis heute eingesetzten Rasterisierung, in der eine Spielszene als Produkt zahlreicher Shader und Geometrien entsteht, sehen wir nur eine Annäherung an die reale Welt", sagt Stich. "Pixel Shader greifen nur auf begrenzte Datenmengen zu, was dann zu Problemen wie etwa Anti-Aliasing führt. Mit Raytracing lassen sich all diese Probleme lösen."

Mehr Licht durch Treiber-Updates

Zwar verkündigte Nvidia-Chef Jensen Huang auf der GTC, dass per Treiber-Update jetzt auch Grafikkarten ohne fest verdrahtete RTX-Pipeline für Rendergrafik "freigeschaltet" werden, doch auch Martin Stich weiß: "Das wird deutlich langsamer laufen, weil die dedizierte Hardware fehlt." Ein Spiel, das Raytracing einsetzt, mag mit normalen Einstellungen bis zu mehreren Malen langsamer oder auf niedrigen Qualitätsstufen passabel laufen. Deswegen lautet der Rat des Experten an die Entwickler: "Nutzt Raytracing selektiv, bevor ihr ein Spiel komplett damit entwickelt."

Immerhin unterstützen alle gängigen Low-Level-APIs wie DirectX 12 oder Vulkan Raytracing - letzteres per Nvidia-Extension, die in einer zukünftigen Version implementiert werden soll. Die Treiberentwicklungen laufen ebenfalls auf Hochtouren: Über 25 Compiler-Optimierungen sorgten für einen geringeren Befehlsspeicherbedarf, verbesserte Async-Compute-Überlappungen und die Möglichkeit, auf der Turing-Plattform Compute- und Grafikberechnungen im gleichen Shader laufen zu lassen.

Denoising stoppt das Bildrauschen

Wenn Grafikprogrammierer mit nur wenigen Lichtstrahlen pro Pixel ans Werk gehen, um Rechenzeit zu sparen, "rauscht" das fertige Bild kräftig. Denn in der Realität sehen wir quasi unbegrenzt viele, miteinander oder mit der Umwelt reagierende Lichtstrahlen aus einer Fülle von direkten und indirekten Lichtquellen. Die Lösung: clevere Denoising-Routinen, die die fehlenden Informationen berechnen und das Bild so "glätten".

Das zeigt Martin Stich anhand einiger Bildschirmfotos. Im ersten kommt gerade einmal ein Lichtstrahl pro Pixel zum Einsatz, im zweiten hat ein Denoiser die unruhigen Stellen beseitigt. Im dritten Bild vergleicht Stich die Denoiser-Ergebnisse mit denen eines komplett in Raytracing berechneten Bilds, während das vierte Bild die klassische Rasterisierung mit Shadow Mapping und damit scharfkantigen Schlagschatten darstellt, die wir aus der Spielewelt kennen.

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1 Ray/Pixel + Denoising Vergleich Komplett Raytracing Vergleich klassisches Shadow Mapping

Vollbild-Vergleich

Natürlich ist es eine Herausforderung, Denoising-Routinen zu schreiben, die schnell genug für ein Spiel sind. Nvidia will den Entwicklern mit einer neuen Komponente ihrer Gameworks-Sammlung unter die Arme greifen: "Wir testen das RTX Denoiser SDK gerade intern und wollen es dann im Mai mit allen Entwicklern teilen", sagt Martin Stich. Darin sollen dann Routinen für Schatten, Reflektionen und Ambient Occlusion enthalten sein, die unabhängig von der eingesetzten Grafik-API funktionieren sollen.
Quelle: PC Games Hardware Nvidia auf der GDC 2019: Raytracing und die Zukunft der Spielegrafik (23)

Raytracing im heutigen Spieleeinsatz

Nichtsdestotrotz kommt Raytracing schon heute in Spielen zum Einsatz. Etwa in Battlefield 5, dem ersten DXR- beziehungsweise RTX-Titel überhaupt. "DICE verdient eine Menge Lob, das ans Laufen bekommen zu haben", sagt Martin Stich. "Sie haben die fertige Hardware erst sehr spät im Entwicklungszyklus bekommen und auch die Treiber waren noch 'Work in Progress'." Beachtlich: Dank Treiberverbesserungen stieg die Framerate von Battlefield 5 im Ultra-Modus (1440p) auf einer RTX 2080 Ti in nur drei Monaten von 44 auf 75 Bilder pro Sekunde.

Metro Exodus nutzt Raytracing sogar für Global-Illumination-Effekte, indem es die Lichtstrahlen zu den Ergebnissen der Raster-Engine "addiert". "Das war auch nicht gerade einfach", kommentiert Martin Stich. "Schließlich hatten die Designer die meisten Spielumgebungen fertig, bevor sie ans Raytracing denken konnten - und sie können ja nicht das Gameplay ändern, weil es neue Lichteffekte gibt." Eindrucksvolle Vorher-Nachher-Bilder belegen, wie gut die Entwickler diese Herausforderung gelöst haben.

Als nächster großer Raytracing-Titel steht übrigens Control von Remedy Entertainment in den Startlöchern. Hier hatte Martin Stich zwar noch keine spielbare Version für die Konferenzteilnehmer im Gepäck, doch ein kurzes Video zeigte, wie die Skandinavier auf Raytracing und dabei auf Schatten, Reflexionen und Global Illumination setzen.

Schnellere Grafik dank schlauer KI

Mit einem Blick in die Zukunft beendete Martin Stich seinen Vortrag. In nicht allzu weiter Ferne soll Deep Learning Super Sampling - kurz: DLSS - vermehrt dazu eingesetzt werden, die zum Rendern der Spielgrafik benötigte Zeit und Leistung zu senken. So soll ein PC eine Szene in 1440p berechnen und dann an die KI weiterreichen, die daraus ein 4K-Bild erstellt - in Echtzeit. Das funktioniert in der Nvidia-Versuchsküche ganz gut, allerdings muss die KI auf jedes einzelne Spiel trainiert werden. Das läuft derzeit auf einem hauseigenen Saturn-V-KI-System, für das man einen sechsstelligen Betrag hinblättern muss.
Quelle: PC Games Hardware Nvidia auf der GDC 2019: Raytracing und die Zukunft der Spielegrafik (32)

Die DLSS-Ergebnisse sollen anschließend aber für jeden Spieler sichtbar beziehungsweise spürbar sein - auch, wenn es laut Martin Stich noch "große Herausforderungen" zu lösen gibt. Ein natives und ein per DLSS generiertes 4K-Bild aus Battlefield 5 sahen sich jedenfalls sehr ähnlich - doch in Bewegung konnte oder wollte Stich uns diese Technik wohlweislich noch nicht zeigen. "Manchmal gewinnt Temporal Anti-Aliasing, manchmal gewinnt DLSS", sagt Martin Stich. Metro Exodus läuft beispielsweise dank aktivem DLSS auf allen Auflösungen konstant mit 60 Bildern pro Sekunde. "Wir gehen spannenden Zeiten entgegen", resümiert Stich. Dem können wir nicht wiedersprechen.

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Nvidia auf der GDC 2019: Raytracing und die Zukunft der Spielegrafik Zwar lief Nvidias Hauskonferenz GTC parallel zur Game Developers Conference 2019, doch der Grafikriese ließ es sich nicht nehmen, den deutschstämmigen Entwicklungschef Martin Stich nach San Francisco zu schicken. Dort gab er einen Über- und Ausblick über den Einsatz von Raytracing - nicht nur - in Spiele-Engines.

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