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Wie funktioniert Raytracing? Ein Blick hinter den Vorhang

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"Red Dead Redemption 2" mit der Reshade-Mod Raytracing GI. Bild: © YouTube / Digital Dreams 2020

Immer mehr Games beherrschen Raytracing. Die neuen Spielekonsolen PS5 und Xbox Series X/S sowie Grafikkarten der Nvidia-RTX-Serie und der AMD-Radeon-RX-6000-Serie können die eindrucksvollen Effekte darstellen. Wir werfen einen Blick hinter den Vorhang und erklären, wie Raytracing funktioniert.

Was ist Raytracing?

Raytracing sorgt in der 3D-Computergrafik für eine realistische Echtzeitbeleuchtung von Objekten und der Spielwelt. Die Methode ermittelt, wie ein von Licht angestrahltes Objekt beleuchtet werden muss, welchen Schatten es zu werfen hat und welche Farbe es haben soll, wenn der Spieler es betrachtet. Läuft der Spieler in einem Level herum, ändert sich der Effekt des Lichteinfalls auf Objekte entsprechend seiner Perspektive. Die Spiegelung, der Schatten, der Farbton sehen anders aus – genau wie im echten Leben.

Raytracing erfordert eine hohe Rechenleistung und wird daher meist selektiv eingesetzt – etwa nur für Schatten oder ausschließlich für Spiegelungen. Der Effekt trägt dazu bei, dass Spielwelten realistischer aussehen. Da die Beleuchtung eine maßgebliche Rolle für den Look von Spielwelten einnimmt, kann Raytracing das Aussehen von Games grundlegend verändern.

So funktioniert Raytracing

Raytracing bedient sich bei geometrischen Strahlen (Englisch "rays"), um den Effekt des Lichteinfalls zu ermitteln. Ein Strahl ist eine Halbgerade – also eine gerade Linie, die auf einer Seite begrenzt ist und sich auf der anderen ins Unendliche erstreckt. Der Spieler kann die Raytracing-Strahlen nicht sehen, sie sind nur eine mathematische Rechenoperation. Von der Perspektive der virtuellen Kamera aus werden Strahlen in die Spielwelt gesendet und treffen auf Objekte.

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Raytracing sendet von der virtuellen Kamera Strahlen aus. Bild: © YouTube / Walt Disney Animation Studios 2020

Von den Objekten gehen die Strahlen dann weiter zur Lichtquelle wie einer Lampe. Mit den Strahlen lässt sich quasi umgekehrt nachvollziehen, wie sich Licht im virtuellen Raum verbreitet. Die Grafikkarte berechnet auf Grundlage der Informationen, die durch die Strahlen gewonnen werden, welche Farbe die vom Licht angestrahlten Pixel eines Objekts haben müssen und wie dessen Beleuchtung und Schattenwurf aussehen sollen. Das Ergebnis ist ein realistisch beleuchtetes Objekt, etwa eine Vase, eine Kiste oder ein Gewehr.

Im Vergleich zu den meisten anderen Berechnungsverfahren wie Screen Space Reflections erlaubt Raytracing auch die Berechnung des Effekts, den eine vom Spieler aktuell nicht sichtbare Lichtquelle auf die Szene hat. So spiegeln sich auch Lampen auf dem Boden, wenn Du sie nicht ansiehst, und Du erkennst in einem Fenster die Spiegelung von Gegnern, die um die Ecke lauern. Auf den folgenden Screenshots siehst Du Raytracing im Vergleich zu Screen Space Reflections aus dem Test von "Crysis Remastered".

In "Crysis Remastered" wird der Schriftzug "80" via Raytracing auf dem Boden gespiegelt. fullscreen
In "Crysis Remastered" wird der Schriftzug "80" via Raytracing auf dem Boden gespiegelt. Bild: © Crytek / Screenshot: TURN ON 2020
Der "Raytracing-Schnelltest": Die Spiegelung ist auch noch zu sehen, wenn sich das Objekt außerhalb der virtuellen Kamera befindet. fullscreen
Der "Raytracing-Schnelltest": Die Spiegelung ist auch noch zu sehen, wenn sich das Objekt außerhalb der virtuellen Kamera befindet. Bild: © Crytek / Screenshot: TURN ON 2020
Diese Lampe hingegen spiegelt sich mit Screen Space Reflections auf dem Boden. fullscreen
Diese Lampe hingegen spiegelt sich mit Screen Space Reflections auf dem Boden. Bild: © Crytek / Screenshot: TURN ON 2020
Die Spiegelung verschwindet, wenn der Spieler die Lampe nicht mehr ansieht. fullscreen
Die Spiegelung verschwindet, wenn der Spieler die Lampe nicht mehr ansieht. Bild: © Crytek / Screenshot: TURN ON 2020
In "Crysis Remastered" wird der Schriftzug "80" via Raytracing auf dem Boden gespiegelt.
Der "Raytracing-Schnelltest": Die Spiegelung ist auch noch zu sehen, wenn sich das Objekt außerhalb der virtuellen Kamera befindet.
Diese Lampe hingegen spiegelt sich mit Screen Space Reflections auf dem Boden.
Die Spiegelung verschwindet, wenn der Spieler die Lampe nicht mehr ansieht.

Rasterung vs. Raytracing

Rendern bedeutet im Kern die Erstellung eines fertigen Bildes aus Rohdaten. Für Computerspiele werden virtuelle räumliche Modelle erzeugt, die bekannten Drahtgittermodelle. Außerdem liefern die Entwickler zusätzliche Informationen mit. Die Grafikkarte übernimmt dann das "Rendern", die Erstellung von 2D-Bildern aus solchen 3D-Rohdaten. Auf dem Monitor sehen wir beim Zocken nämlich schnell nacheinander dargestellte 2D-Bilder, die – ähnlich wie beim Daumenkino – Bewegung simulieren. Die "FPS", die "Frames per Second" beschreiben, wie viele Bilder pro Sekunde angezeigt werden.

Beim Rendern wird ermittelt, welche Objekte der virtuelle Betrachter sehen kann, wie Oberflächen aufgrund ihrer Materialeigenschaften und des direkten Lichteinfalls aussehen ("Shading") und wie sich Licht in einer Szene verteilt und sich indirekt auswirkt. Es gibt zwei grundlegend verschiedene Render-Methoden: Rasterung und Raytracing.

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Bei der Rasterung wird berechnet, wie jedes Dreieck von 3D-Polygonen auf dem 2D-Display dargestellt werden soll. Bild: © YouTube / Andrey Lebrov 2020

Die Objekte und Oberflächen in Spielwelten bestehen aus winzigen Polygonen, also Vielecken, die sich aus Dreiecken zusammensetzen. Bei der Rasterung berechnet die Grafikkarte, wie jedes Dreieck von jedem Polygon auf dem Monitor oder TV angezeigt werden soll. So entsteht eine 2D-Repräsentation von 3D-Objekten.

Schatten und Spiegelungen – indirektes Licht – können bei der Rasterung nur mit Tricks simuliert werden. Der wichtigste Trick sind Shadow Maps. Hierbei wird die Szene von der Lichtquelle aus betrachtet und bestimmt, ob ein Pixel von dieser aus sichtbar ist. Ist er nicht sichtbar, wird der Pixel dunkel gefärbt – er ist schattiert.

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Bei Raytracing (hier in der Variante Pathtracing) prallen die Strahlen von mehreren Oberflächen und Objekten ab. Bild: © YouTube / Andrey Lobrov 2020

Bei Raytracing hingegen werden Strahlen von der virtuellen Kamera aus in den Raum geschossen und prallen an verschiedenen Objekten und Oberflächen ab, bis sie die Lichtquelle erreichen. Dabei sammeln sie Informationen über die Auswirkung des Lichts. In der Realität prallt Licht ebenso von verschiedenen Oberflächen und Objekten ab. Welchen Effekt dies auf die Wahrnehmung hat, hängt auch von der Position des Betrachters im Raum ab. Das macht Raytracing zu einer viel präziseren Methode, um Schatten und Spiegelungen zu simulieren.

Raytracing in Filmen: Mythos und Wahrheit

Raytracing ist schon in den computeranimierten Passagen von einigen Filmen zum Einsatz gekommen – aber entgegen dem Mythos ist der Effekt eher die Ausnahme als die Regel. Filme werden für gewöhnlich mit 3D-Computergrafik des REYES-Bildsynthese-Algorithmus versehen, der sogar gezielt darauf ausgelegt ist, das rechenaufwendige Raytracing zu vermeiden.

Filme greifen zu denselben Tricks wie Computerspiele, um Licht, Schatten und Spiegelungen möglichst ohne Raytracing zu berechnen. Es stimmt zwar, dass mehr Zeit für die Berechnung der 3D-Grafik von Filmen da ist als von Spielen, da Games teils in Echtzeit Grafik berechnen müssen. Aber wenn die Special-Effects-Macher von Filmen ein ähnlich gutes Ergebnis ohne Raytracing erzeugen können, dann verzichten sie gern auf den Effekt. Rechenzeit ist Geld.

Die wichtigste CGI-Software für Kinofilme ist Pixars RenderMan, sie wurde erst 2006 für den Film "Cars" mit Raytracing-Fähigkeiten ausgestattet. Das schreiben die Macher selbst in einer Forschungsarbeit. "Früher haben wir normalerweise kein Raytracing verwendet", bestätigte Chris Horne, der als Technical Director bei Pixar tätig war, gegenüber This Animated Life im Jahr 2013.

"Toy Story" von 1995 wird oft als ein Film mit frühem Raytracing-Einsatz angeführt. Laut Chris Horne war dies aber "kein herkömmliches Raytracing", und ansonsten hat Pixar die Technologie allenfalls gelegentlich für Kontaktschatten genutzt. Erst für "Die Monster Uni" von 2013 wurde Raytracing umfassend eingesetzt.

An unerwarteter Stelle kommt Raytracing hingegen standardmäßig zum Einsatz: in IKEA-Katalogen. Das schreibt Jacco Bikker, Dozent für Advanced Computer Graphics bei der Utrecht-Universität, auf Quora. IKEA geht auf Architizer näher auf die Produktion der 3D-Modelle ein. Die Räume in den Katalogen, die mit IKEA-Möbeln ausgestattet sind, existieren tatsächlich nicht, es handelt sich um 3D-Grafiken.

Raytracing ist dafür zuständig, die Raumbeleuchtung in IKEA-Katalogen möglichst natürlich wirken zu lassen. Mit der jüngst verkündeten Einstellung der Kataloge, von der tagesschau.de berichtet, ändert sich das Prinzip nicht. Die hübschen Computergrafik-Bilder von Wohnungen dürfen weiterhin auf der IKEA-Website zum Kauf anregen.

Die Raytracing-Effekte

Raytracing dreht sich immer um Beleuchtung, Spiegelungen und Schatten. Das Sci-Fi-Rollenspiel "Cyberpunk 2077" und das Actionspiel "Control" beispielsweise setzen gleich mehrere Raytracing-Effekte ein.

"Cyberpunk 2077" nutzt etwa diffuse Beleuchtung mit Raytracing: Es simuliert Umgebungslicht aus verschiedenen Lichtquellen wie dem Mond und Neon-Werbetafeln, die etwa die Straßen beleuchten. Raytracing-Spiegelungen sorgen dafür, dass sich auch Lichtquellen spiegeln, die der Spieler gerade nicht sieht – etwa eine entfernte Leuchtreklame auf dem Boden.

Raytracing-Umgebungsverdeckung meint, dass Objekte und Oberflächen im Raum differenziert abgedunkelt werden können – je nachdem, wie stark sie dem Umgebungslicht ausgesetzt sind. Dadurch fügen sie sich organischer in die Umgebung ein und wirken nicht wie Fremdkörper.

Schließlich setzt "Cyberpunk 2077" noch auf Raytracing-Schatten, die Faktoren wie Lichtstärke, Streuung und Materialbeschaffenheit einbeziehen.

Das Actionspiel "Control" der "Alan Wake"-Macher von Remedy nutzt diese Raytracing-Effekte:

  • Raytracing-Spiegelungen: Spiegelungen auf nicht transparenten Oberflächen wie dem Fußboden.
  • Transparente Raytracing-Spiegelungen: Die Umgebung spiegelt sich in Fenstern, die zugleich durchsichtig sind.
  • Indirekte Raytracing-Beleuchtungen: Realistische Beleuchtung der Umgebung in passenden Farben.
  • Raytracing-Kontaktschatten: Schatten von kleinen und dünnen Objekten wie Stiften und Zäunen.
  • Raytracing-Schutt: Der Schutt wirft Schatten und wird auf Oberflächen gespiegelt.

Das brauchst Du für Raytracing

Um Raytracing nutzen zu können, benötigst Du zwei Dinge: die richtige Hardware und kompatible Games. Theoretisch kannst Du Raytracing schon mit Nvidias GTX-Grafikkarten ausprobieren, für eine brauchbare Performance empfehlen wir aber die neueren RTX-Grafikkarten der 20er- und 30er-Generation.

Die AMD-Grafikkarten der RX-6000-Generation bieten eine Raytracing-Leistung, die ungefähr auf dem Niveau der RTX-20-Serie liegt. Die leistungsstärkste Karte ist die Radeon RX 6900 XT, gefolgt von der RX 6800 XT und der RX 6800. Leider hat AMD noch kein Gegenstück zu Nvidias Upscaler DLSS, der den Performance-Verlust durch Raytracing erheblich mildern könnte. Dieser soll sich in Entwicklung befinden.

Nvidia-RTX-Grafikkarten nach Raytracing-Leistung
  • GeForce RTX 3090
  • GeForce RTX 3080
  • GeForce RTX 3070
  • GeForce RTX 3060 Ti
  • GeForce RTX 2080 Ti
  • GeForce RTX 2080 Super
  • GeForce RTX 2080
  • GeForce RTX 2070 Super
  • GeForce RTX 2070
  • GeForce RTX 2060 Super
  • GeForce RTX 2060
  • Gaming-Laptops mit RTX-GPUs

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Die Spielekonsolen Xbox Series X und PS5 können Raytracing ebenfalls darstellen, wenn auch mit größeren Kompromissen als die neuen Nvidia-Grafikkarten. Sie werden aber sicher dabei helfen, die Verbreitung des Features voranzutreiben.

PC-Games mit Raytracing (Auswahl)
  • "Cyberpunk 2077"
  • "Control"
  • "Call of Duty: Black Ops Cold War"
  • "Fortnite"
  • "Metro Exodus"
  • "Minecraft"
  • "Shadow of the Tomb Raider"

Ansonsten brauchst Du nichts weiter für Raytracing, also keine speziellen Monitore oder Kabel.

Exkurs: Raytracing in der Antike

In der Antike haben viele Denker geglaubt, dass das menschliche Sehvermögen in dieselbe Richtung funktionieren würde wie Raytracing: vom Auge zur Umgebung. Empedokles (495 - 435 v. Chr.), Platon (428 - 348 v. Chr.), Euklid (3. Jahrhundert v. Chr.),  Ptolemäus (100 - 160 n. Chr.) und der Arzt Galen (128 - 216 n. Chr.) waren der Meinung, dass das Auge einen Sehstrahl aussendet. Unser wichtigstes Sinnesorgan wäre demnach eine Art Scanner, der die Umwelt abtastet. Tatsächlich klappt das mit dem Sehen natürlich genau umgekehrt: Von Objekten reflektiertes Licht trifft auf unser Auge.

Der antiken Auffassung nach sendet das Auge heiße Sehstrahlen aus. Diese treffen auf kalte Objekte und werden von ihnen zurückgedrängt. Aber keine Sorge: Die Sehstrahlen hat man sich nicht so gefährlich vorgestellt wie Supermans Laserblick. Laut dem griechischen Philosophen Empedokles handelt es sich bei den Sehstrahlen um magisches Feuer der Liebesgöttin Aphrodite, das keine Verletzungen auslöse. Das Licht greife um sich wie Tentakel – und was es berühre, könne man sehen.

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So illustriert der YouTube-Kanal Tech Quickie Raytracing – das erinnert nicht zufällig an die Sehstrahlen. Bild: © YouTube / Tech Quickie 2020

Heute noch beeinflusst die antike Auffassung unsere Wahrnehmung, wie das Sehen funktioniert – wenn auch eher psychologisch als physikalisch. So sagen wir, jemand würde "einen Blick auf etwas werfen", als ginge der Blick von dieser Person aus. Freunde würden "einen Blick austauschen". Wir "gucken durch das Fenster", obwohl das Licht von der anderen Seite auf unsere Augen trifft und keineswegs unser Sehstrahl das Fenster durchdringt. Oder, noch eindeutiger, wenn wir mit einem "stechenden Blick" betrachtet werden – und nicht zuletzt, wenn uns jemand mit einem "heißen Blick" ansieht. Mit dem könnte die Liebesgöttin Aphrodite dann doch etwas zu tun haben.

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"Assassin's Creed Odyssey" mit via Mod ergänztem Raytracing ( Bild: © YouTube / Digital Dreams 2020

Platon fiel auf, dass es nicht so einfach sein kann. Er glaubte, dass auch von wahrnehmbaren Objekten Lichtstrahlen ausgehen – sonst könnten wir mit unseren Sehstrahlen auch im Dunkeln sehen. Doch erst der arabische Forscher Alhazen (965-1040 n. Chr.) widerlegte die Sehstrahlen-Theorie mit Hilfe von optischen Experimenten und bewies, dass das Sehen mit dem Licht zusammenhängt, das ins Auge strahlt. Das moderne Verständnis des menschlichen Sehens entwickelte Johannes Kepler dann im 17. Jahrhundert. Er verband anatomische Erkenntnisse mit optischen Gesetzen.

Mit Raytracing kehrt der Sehstrahl heute zurück – ganz umsonst war die Idee insofern nicht.

Quellen zur antiken Sehstrahlen-Theorie
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