Was ist Raytracing?

Was ist Raytracing: Definition und Bedeutung fürs Gaming

raytracing demo

Seitdem die Turing-Reihe im Jahr 2018 vom Hersteller NVIDIA angekündigt wurde, ist der Begriff "Raytracing" in aller Munde. Diese Rendering-Methode galt lange Zeit als unerreichbar, aber mit den aktuell besten Grafikkarten aus der GeForce RTX-Serie könnt ihr diese Technologie bereits in den neuesten PC-Spielen in Aktion sehen.

Ray Tracing ist möglicherweise eines der bedeutendsten Grafik-Upgrades, die wir seit Jahren in der Spielelandschaft gesehen haben. Oder zumindest sobald wir sehen, dass es in aktuelleren PC-Spielen implementiert ist.

In diesem Artikel erklären wir euch ganz genau, was Raytracing ist, wie es funktioniert und warum es genial fürs Gaming ist.


Was genau ist Raytracing?

Nun, worum handelt es sich denn jetzt bei dieser scheinbar omnipotenten technischen Errungenschaft?

Im Grunde ist Raytracing eine neue und weitaus realistischere Methode zum Rendern von Licht und Schatten, als die bisher in Games übliche Rasterung-Technik (englisch: „Rasterization“). Naja, zumindest teilweise neu.

Auch wenn diese Technik vor allem im Gaming-Bereich gerade einen medialen Boom erlebt – wirklich neu ist das Ganze keineswegs. Denn in der Filmindustrie wird die Technik schon seit mehreren Jahrzehnten verwendet. Animationsfilme, wie „Toy Story“ (1995), „Die Monster AG“ (2001), oder „Findet Nemo“ (2003) setzten bereits auf Raytracing.

Aber weshalb ist dann so viel Zeit verstrichen, bis sich die Gamingszene an das Thema gewagt hat?

Der große Unterschied zwischen Film und Gaming ist hier ist der Faktor Zeit. Für das Rendern eines Frames (einzelnes Bild) in Animationsfilmen kann man sich theoretisch ewig Zeit lassen. Oder zumindest bis den Produzenten das Budget ausgeht.

Eine "raygetracte" Szene aus der NVIDIA-Demo

Bei Videospielen ist das etwas anders. Denn in (nicht geskripteten) Games verändern sich Verlauf und Spielumgebung einzig- und schlagartig. Genaugenommen sogar mit jedem Frame. Denn hier muss Echtzeitberechnung ran, was die Simulation sehr viel aufwendiger und vor allem ressourcenintensiver macht.

Aber wie funktioniert diese Wundertechnik eigentlich genau? Dazu muss man im Prinzip nur das Licht in der realen Welt beobachten und auf seinem Weg folgen.


Wie funktioniert Raytracing?

Raytracing ist im Prinzip nichts anderes, als der Name schon sagt: Das Licht – und damit gemeint sind hier sämtliche Lichtstrahlen („Rays“), die permanent durch die Luft schießen – wird entlang seinem individuellen Weg „verfolgt“ („Tracing“).

Diese Photonen (Lichtteilchen) treffen jedoch früher oder später auf diverse Objekte. Beispielsweise eine Wand, ein Glas oder einen Spiegel. Sie treffen aber nicht einfach nur auf, und das wars. Nein, ganz im Gegenteil: Bei jedem Auftreffen verändern die Photonen ihre Eigenschaften. Hierbei spielen vor allem die Farbe, der Auftrittswinkel und die Stärke der Reflexion eine Rolle.

Klingt alles so kompliziert? Ist es aber eigentlich gar nicht: Trifft ein Lichtstrahl zum Beispiel auf ein grünes Glas, so wird sich die Wand dahinter auch grün färben – für uns ist das so normal, dass man sich kaum Gedanken darüber macht. Obwohl dieses Licht fast 150 Mio. km gereist ist, um als Farbfleck an deiner Wand zu verenden. So wie alles Licht, das uns umgibt.

Wir haben also festgestellt, dass Licht nicht nur die Farben, sondern alle Eigenschaften der Umgebung absorbiert. Das Licht dringt durch das Fenster ein, trifft auf die Wand, einen Spiegel und schlussendlich auf deine Netzhaut. Was wir als völlig normal wahrnehmen, ist in Wirklichkeit eine nahezu unendlich große Anzahl an Photonen, die sich auf ihrem weiten Weg bei jeder Berührung mit einem Objekt verändert haben.

Ray Tracing perfektioniert die Darstellung von Licht, Schatten und Reflexionen

Raytracing versucht diesen Prozess zu simulieren und funktioniert fast genauso, nur dass sich im Allgemeinen alles in die entgegengesetzte Richtung bewegt. In der Software beginnt das mit Raytracing generierte Licht beim Betrachter (im Wesentlichen vom Kameraobjektiv) und bewegt sich nach außen.

Dabei wird ein Pfad aufgezeichnet, der über mehrere Objekte hinweg springt und manchmal sogar deren Farbe und Reflexionseigenschaften annimmt. Der Prozess geht solange, bis die Software die geeignete Lichtquelle (oder Quellen) ermittelt hat, die diesen bestimmten Strahl beeinflussen würden.

Was hat das alles nun mit realistischeren Pfützen in Battlefield zu tun?

Raytracing setzt genau beim Verhalten des Lichts in der natürlichen Umgebung an. Der einzige Unterschied von der Realität zu einem möglichst realistischen virtuellen Abbild in einem Spiel, ist die notwendige Berechnung. Denn für jeden Frame in Echtzeit berechnet und simuliert deine Grafikkarte – und zwar in nur 16 Millisekunden (bei 60 FPS) ein komplett individuelles Bild. Je nach Lichtfall, je nach Veränderungen in der Umgebung – ziemlich genial, oder?

So funktioniert Raytracing - Quelle: Wikicommons


Welche Auswirkungen hat Raytracing fürs Gaming?

Neuere Games unterstützen Raytracing bereits, auch wenn die Anzahl bisher recht bescheiden ist (dazu weiter unten mehr). Aber hier sind sich die Community und Entwickler sicher: Raytracing wird zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Auch im Konsolenbereich ist das nicht anders. Sony und Microsoft haben bereits angekündigt, dass die PS5 und die Xbox X Reihe dieses bahnbrechende neue Feature verwenden werden. Obwohl von den Konsolenzockern vermutlich die wenigsten bisher etwas von Raytracing gehört haben dürften.

Die qualitativen Unterschiede, die sich vor allem in deutlich realistischeren Reflexionen, Licht- und Schattendarstellungen zeigen, sind enorm. Am klarsten sieht man das bei reflektierenden Oberflächen wie Pfützen, Spiegeln oder Fenstern.

Welche Auswirkungen das neue Feature auf die Gaming-Welt hat, kann man am besten in einem Direktvergleich sehen.

Neu erschienene Titel wie Battlefield V wurden direkt in der Entwicklung für RT optimiert. Hier eine gute Nachricht für alle Gaming-Veteranen unter uns: Raytracing ist auch für ältere Spiele, wie zum Beispiel Skyrim oder Minecraft verfügbar! Größtenteils wurde das von Spieleenthusiasten durch Mods erreicht. 

Oder durch Nvidia selbst: Wie am 16. April 2020, als Nvidia eine RTX Beta-Version des Sandbox-Klassikers Minecraft mit Raytracing veröffentlichte. Immer mehr Spiele können wir jetzt und in Zukunft mit dieser neuen Technik genießen. Also worauf warten wir noch?

Oder gibt es da etwa noch eine Hürde, die zwischen dir und diesen atemberaubenden virtuellen Landschaften steht?

Tja, wie das meistens bei neuen Technologien der Fall ist, sollte auch die Technik mehr oder weniger neu sein. Oder in jedem Fall leistungsstark. Denn wie bereits eingangs erwähnt, ist Echtzeit-Raytracing äußerst ressourcenintensiv.

Wir wollen hier niemandem Angst machen. Aber der Schuss könnte durchaus nach hinten losgehen, wenn du versuchst auf deinem Arbeitslaptop mit der Intel HD 4000 Onboard-Grafikkarte Battlefield V in Full-HD mit Raytracing zu spielen. Aber mit diesem Equipment würde es sogar für Minecraft schwierig werden. Auch ganz ohne Shaders und Texturepacks.

Also, eine leistungsstarke Grafikkarte muss her. Aber wie leistungsstark und teuer muss diese denn sein?


Welche Grafikkarten unterstützen Raytracing?

Als Raytracing erstmals von Nvidia angekündigt wurde, unterstützten nur wenige Karten dieses neue Feature. Nämlich nur die RTX 20er-Baureihe (​RTX 2060 (Super), RTX 2070 (Super), RTX 2080 und 2080Ti).

Später wurde jedoch angekündigt, auch Vorgängermodelle durch neue Treiber für Raytracing fit zu machen. Wenn auch nur eingeschränkt. Nvidia gibt für folgende Grafikkarten nur „Einfache RT Effekte“ und eine „geringe Anzahl an Rays“ an:

  • GeForce GTX 1660 Ti
  • GeForce GTX 1660
  • Nvidia Titan X
  • Nvidia Titan XP
  • Nvidia Titan V
  • GeForce GTX 1080 Ti
  • GeForce GTX 1080
  • GeForce GTX 1070 Ti
  • GeForce GTX 1070
  • GeForce GTX 1060 6GB

Das sind gute Nachrichten für all diejenigen, die eine der obigen Karten bereits verbaut haben. Dennoch muss man hinzufügen, dass zwischen den neuen und älteren Modellen markante Unterschiede in Sachen Performance bestehen:

Bei maximalen Einstellungen tun sich selbst neueste Grafikkarten schwer, ein stabiles Spielvergnügen mit mehr 60 FPS zu leisten.

Beim Betrachten des Benchmarks wird sich der ein oder andere von euch womöglich wundern. Die RTX 2070 schneidet hier deutlich besser ab als die GTX 1080 Ti. Bei einem direkten Leistungsvergleich der beiden Karten ist es aber genau umgekehrt.

Woran liegt das? Ganz einfach: Obwohl die Rohleistung mancher Vorgänger zwar deutlich besser ist, als die der neuen RTX-Modelle, so sind letztere für Raytracing optimiert worden. Demnach hat hier die RTX 2070 die Nase deutlich vorn, wenn man mit eingeschaltetem Raytracing spielt.

Gut zu wissen

Während eine RTX 2080 und eine GTX 1080 Ti bezüglich der Rohleistung für Spiele ohne Raytracing ungefähr vergleichbar sind, kann es bei Anwendung von Raytracing auf eine Szene viel länger dauern, bis eine 1080 Ti ohne die dedizierten RT-Kerne dasselbe erzeugt Bild. Die neuere Turing-Reihe ist für Raytracing optimiert und performt besser.

Wie im Benchmark unschwer zu erkennen ist, wird es wohl noch eine Weile dauern, bis Software und gängige Hardware so abgestimmt sind, dass Raytracing als Standard in der Gaming-Industrie gilt.


Welche Spiele unterstützen aktuell Raytracing?

Bisher ist die Auswahl an Games die RT unterstützen noch recht überschaubar, das wird sich aber in naher Zukunft ändern. Gerade neue Spiele setzen direkt in der Entwicklung auf RT und viele ältere Titel glänzen nun durch Mods mit RT in nie dagewesener Qualität. Bei der folgenden Auflistung beziehen wir uns auf die aktuelle Liste von Kitguru:

•  Atomic Heart

•  Battlefield V

•  Boundary

•  Call of Duty: Modern Warfare (2019)

•  Control

•  Convallaria

•  Cyberpunk 2077

•  Deliver Us The Moon: Fortuna

•  DOOM Eternal

•  Dying Light 2

•  Enlisted

•  F.I.S.T.

•  Justice

•  JX3

•  MechWarrior 5: Mercenaries

•  Metro Exodus

•  Minecraft

•  Project DH

•  Project X

•  Quake II

•  Ring of Elysium

•  Shadow of the Tomb Raider

•  SYNCED: Off-Planet

•  Vampire: The Masquerade – Bloodlines 2

•  Watch Dogs Legion

•  Wolfenstein: Youngblood

•  Xuan-Yuan Sword VII

Hier kommen natürlich ständig neue Titel hinzu und wir dürfen uns zukünftig auf mehr Raytracing-Support freuen.


Was sind Vor- und Nachteile der Technologie?

Jetzt wisst ihr woher das Ganze kommt und wie es funktioniert, aber was genau bringt es dem Gamer? Wo sind die größten Unterschiede, wenn man RTX einschaltet. Und lohnt es sich wirklich dafür Geld in eine neue Grafikkarte zu investieren? Nach dem folgenden Abschnitt könnt ihr das selbst entscheiden.

Licht

Den größten Mehrwert bietet Raytracing definitiv im Bereich der Lichtdarstellung. Und damit hübscht dieses Feature alle Faktoren auf, die damit zusammenhängen. Da der Weg des Lichts der realen Welt nachempfunden wird, wirken Szenerien in Games weicher, farblich ansprechender und alles in allem deutlich realistischer.

Reflexion

Wie ihr nun wisst, liegt der große Nutzen von Raytracing eben im "Nachverfolgen" von Lichtstrahlen. Also der genauen Echtzeit-Darstellung des Verhaltens von Licht. Und wie eingangs erwähnt trifft jeder Lichtstrahl früher oder später auf ein mehr (Spiegel) oder weniger (schwarze Wand) stark reflektierendes Objekt.

Bisher wurden Reflexionen mit einer sogenannten „Environment Map“ (Technik zur Simulation und Rendern von spiegelnden Oberflächen) dargestellt. Das ist eine zumindest näherungsweise gute Lösung, für alle Objekte, die weit weg sind. Die Probleme entstehen immer dann, wenn nahe Objekte reflektiert werden. Hier wurde mittels „Dynamic Cube Maps“ (Technik zur Imitation von Reflexionen mittels virtueller Würfel) gegengesteuert, was wiederum die Grafikkartenauslastung deutlich erhöht. Ray Tracing rendert (auch nahe) Reflexionen ganz ohne Umwege oder zusätzliche Tricks.

Battlefield V: Links ohne und rechts mit aktiviertem RTX. Am deutlichsten sind die Reflexionen der Explosion am Auto und in der Pfütze erkennbar.

Schattendarstellung

Schatten wurden bisher über die mit „Rasterization“ übliche Technik des „shadow mapping“ (eine Methode zur Darstellung von Schatten, ausgehend von der fixierten Lichtposition) erzeugt. Dieses Verfahren brachte allerdings Probleme mit sich: Das allseits unbeliebte „Aliasing (ungewollte Muster, häufig bei Kanten oder Rundungen) und eine relativ hohe Auslastung des VRAM. Hier bietet Raytracing die elegante Lösung, ganz ohne aufwendige Algorithmen und ohne zusätzlichen Speicher zu verschwenden. Durch Echtzeitberechnung von Licht und Schatten mit dem jeweiligen Objekt.

Transparenz

Ein weiterer großer Vorteil zeigt sich bei der Darstellung von unterschiedlicher Transparenz. Bisher spielte bei der Berechnung die Rendering-Reihenfolge eine große Rolle. Die Polygone mussten daher erst nach ihrer Distanz vom Betrachter sortiert werden, um anschließend gerendert zu werden. Dies ist ressourcenintensiv und schließt Fehler nicht aus.

Aber auch hier gibt es eine viel elegantere Lösung. Kommt ihr drauf? Richtig. Raytracing!

Rundungen

Last but not least sollten wir auch noch über Rundungen sprechen. Natürliche Rundungen.

Schlechte Wortwahl?

Sorry, gemeint sind natürlicher wirkende Krümmungen bei Oberflächen in der Spielumgebung!

Wo bisher mit „Tesselation“ (wird verwendet, um aus einer Vielzahl Polygone ein 3-dimensionales Objekt zu erzeugen) eine Dreiecksrasterung erzeugt werden musste, kann nun die theoretische Entfernung vom Beobachter zu jedem gewünschten Punkt auf der gekrümmten Oberfläche mathematisch berechnet und simuliert werden.

Hardwarehunger

Wie oben schon kurz erwähnt ist Raytracing sehr ressourcenintensiv. Die Nachteile von Ray Tracing sind seine Geschwindigkeit und die Leistung in Spielen, wenn es in Echtzeit verwendet wird.

Ein Spiel mit aktiviertem Ray Tracing erfordert viel mehr Leistung zum Rendern von Szenen. Daher kann es zu einem erheblichen Rückgang eurer Ingame-FPS (Frames Per Second) kommen, wenn Ray Tracing aktiviert ist.

Ray Tracer sind bis heute eher langsam und Hardware spielt eine sehr große Rolle bei der Rendergeschwindigkeit. Einige Raytracer laufen immer noch seriell und nicht parallel, was eine schnellere CPU umso wichtiger macht. Dementsprechend wird nicht nur eure Grafikkarte, sondern auch CPU gefoltert. Habt ihr also nicht die entsprechend starke Hardware, werdet ihr Raytracing nicht nutzen können.


Fazit: Lohnt sich das Ganze wirklich?

Jetzt bleibt nur noch die Frage: Ist Raytracing nur ein künstlich gepushter Trend, um noch mehr Geld für die ohnehin schon überteuerten Grafikkarten verlangen zu können? Oder ist der Gamingindustrie hier tatsächlich ein Quantensprung in Sachen grafischer Realität gelungen?

Da Raytracing im Gamingbereich noch in Kinderschuhen steckt, lässt sich derzeit schwer sagen, wann sich das Feature zum Standard etablieren wird. Dennoch gehen wir stark davon aus, dass Raytracing früher oder später nicht mehr wegzudenken sein wird, wie das in der Filmindustrie bereits passiert ist.

Denn die optischen Unterschiede sind ebenso deutlich spürbar, wie der Gewichtsverlust im Geldbeutel, wenn man Raytracing voll auskosten möchte.


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