Warum Path Tracing für Gaming-Visuals besser ist als Ray Tracing

Echtzeit-Raytracing in Spielen hat Wellen geschlagen, seit Nvidia 2018 seine Karten der RTX-20-Serie auf den Markt brachte. Was zunächst kaum mehr als eine Spielerei war, entwickelte sich nach und nach zu einer Funktion, nach der Gamer in ihren Lieblingsspielen immer suchen. In jüngerer Zeit hat die Debatte zwischen Path Tracing und Raytracing hohe Wellen geschlagen, wobei ersteres fortschrittlichere und realistischere visuelle Darstellungen bietet als letzteres. In ein paar weiteren Jahren und GPU-Generationen könnte Path Tracing endlich zum Mainstream werden.

Rasterisierung, Raytracing und Path Tracing

Lassen Sie uns Path Tracing vs. Raytracing aufschlüsseln, um zu sehen, warum sie in Gaming-Grafiken benötigt werden.

Traditionell verwenden Entwickler eine Technik namens Rasterisierung, um Spielgrafiken zu rendern. Rasterisierung ist die Übersetzung mathematischer Vektorformen in Pixel, sodass sie auf Computermonitoren und anderen pixelbasierten Displays angezeigt werden können (im Gegensatz zu älteren CRT-Displays).

Zugegebenermaßen hat sich die Rasterung durch die Verwendung „vorgerenderter“ Beleuchtung mit statischen Lichtquellen als recht effektiv erwiesen, um das Verhalten von Licht in der realen Welt anzunähern. Doch als die Nachfrage nach fotorealistischen Gaming-Visuals – zusammen mit der Technologie, die sie unterstützt – zunahm, wurde Echtzeit-Raytracing endlich für Gamer verfügbar.

Im Gegensatz zur Rasterung versucht Raytracing, das reale Verhalten von Licht in jedem Frame eines Spiels oder einer Anwendung zu simulieren. Da Licht in der Realität nach der Interaktion mit mehreren Objekten reflektiert, gebrochen oder absorbiert werden kann, wird für jedes einzelne Pixel eines Frames das gleiche Verhalten von Lichtstrahlen berechnet. Dies läuft darauf hinaus, das Verhalten von Millionen simulierter Strahlen für nur ein Bild zu berechnen. Aus diesem Grund ist Raytracing so rechenintensiv.

Raytracing selbst ist nichts Neues. Raytracing wurde 1969 entwickelt und wird seit den 1970er Jahren in unterschiedlichem Umfang von Filmstudios eingesetzt. Aber Hollywood hat den Luxus, jeden Frame eines Films mithilfe von „Renderfarmen“ vorab zu rendern, was manchmal Wochen dauern kann, um eine einzelne Raytracing-Szene zu rendern.

Echtzeit-Raytracing in Spielen ist anders, da diese komplexe Berechnung für jeden einzelnen Frame in einer sich dynamisch ändernden Umgebung durchgeführt werden muss. Dies ist auch ein Grund dafür, dass die meisten Raytracing-Spiele – selbst wenn Hardwarebeschleunigung moderner GPUs verwendet wird – nur ein oder zwei Elemente von Raytracing in Kombination mit verwenden Rasterung, wie z. B. Raytracing-Reflexionen oder Schatten.

Nun kommen wir zur Pfadverfolgung. Im Kern ist Path Tracing nur eine modifizierte Version von Raytracing. Anstatt den Weg jedes einzelnen Lichtstrahls zu verfolgen – ob primärer oder reflektierter (sekundärer) Strahl – berechnet die Pfadverfolgung nur den wahrscheinlichsten Weg, den das Licht nehmen würde, wenn es durch eine Szene geschossen würde.

Die in den 1980er Jahren konzipierte Pfadverfolgung erfordert eine komplexere Mathematik mit mehreren Strahlen für jedes einzelne Pixel, führt jedoch letztendlich zu einem geringeren Overhead für die Rendering-Hardware, d. h. Ihre GPU. Path Tracing ist eine Annäherung an Raytracing unter Verwendung von Monte-Carlo-Simulationen – Wahrscheinlichkeitsmodellen, die helfen, die wahrscheinlichsten Ergebnisse in Situationen vorherzusagen, in denen eine genaue Vorhersage unmöglich ist.

Es gibt andere Variationen der Strahlverfolgung, beispielsweise das Photon Mapping (entwickelt im Jahr 2001), eine zweistufige globale Beleuchtungstechnik. Im ersten Schritt werden Lichtstrahlen in einer Szene verwendet, um eine Photonenkarte mit Farb- und Beleuchtungsdaten zu erstellen. Im zweiten Schritt wird die Szene mithilfe der vorverarbeiteten Photonenkarte in Echtzeit gerendert. Photon Mapping kann den Rendering-Aufwand technisch noch weiter reduzieren, ist jedoch recht komplex und anfällig für einige Artefakte, wenn leistungsschwächere Hardware vorhanden ist.

Path Tracing sieht besser aus als Ray Tracing

Wenn Path Tracing nur annähernd den Effekt von Raytracing hat, warum ist es dann besser? Sollte das Ergebnis dem Raytracing nicht unterlegen sein?

Nein. Die Debatte zwischen Path Tracing und Raytracing ist etwas differenzierter. Es hat sich tatsächlich gezeigt, dass Path Tracing – manchmal auch Full Ray Tracing genannt – zu einer realistischeren Beleuchtung in Spielen führt. Aktuelle Spiele wie Cyberpunk 2077 und Alan Wake 2 haben gezeigt, wie vollwertiges Raytracing (mit Hilfe von Path Tracing) aussehen kann.

Path Tracing wurde sogar in älteren Titeln wie Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim und Half-Life implementiert und verwandelt sie von veralteten Grafiken in Technologiedemos.

Die Pfadverfolgung kann aufgrund der größeren Datenstichprobe, auf die sie Zugriff hat, eine realistischere Beleuchtung erzeugen. Im Gegensatz zum Raytracing werden beim Pathtracing mehrere Lichtstrahlen für jedes Pixel in die Szene geschossen und eine Handvoll davon abgetastet, um zum endgültigen Ergebnis zu gelangen. Dies ermöglicht es dem Algorithmus – unterstützt durch Rauschunterdrückung dank Nvidias DLSS –, definiertere Schatten, Reflexionen und globale Beleuchtung zu erzeugen.

Die Pfadverfolgung ist auf GPUs technisch einfacher

Trotz der komplexeren Berechnungen, der Rauschunterdrückung und der KI-Tricks, die mit der Pfadverfolgung verbunden sind, ist es am Ende schonender für GPUs – zumindest theoretisch.

Spiele, die von Grund auf mit Path Tracing entwickelt wurden, würden von diesem geringeren Overhead am meisten profitieren. Das war noch nicht allzu oft der Fall. Path Tracing wurde in verschiedenen Spielen als Update eingeführt, Jahre nach der ursprünglichen Veröffentlichung.

Sogar Alan Wake 2, von dem Nvidia behauptet, dass es sich um ein „vollständig Raytracing-Spiel“ handelt, verwendet Path Tracing nicht überall. Es ist anders, denn es sieht auch ohne atemberaubend aus und ist auch eines der besten Spiele auf der PS5.

So wie die Dinge jetzt sind, ist es lächerlich schwierig, solche Titel selbst mit den hochwertigsten GPUs mit spielbaren Bildraten auszuführen. Die RTX 40-Serie von Nvidia muss eine Reihe von KI-Funktionen nutzen, um diese Spiele mit niedrigeren Auflösungen darzustellen und sie hochzuskalieren, um akzeptable Ergebnisse zu erzielen.

Aber in ein paar Jahren, wenn KI in Spielen die Gaming-Branche revolutioniert, werden Path-Tracing-Implementierungen auf Mainstream-GPUs viel einfacher .

Diese GPUs entsprechen der PS5 oder übertreffen sie.

Pfadverfolgung ist keine neue Technik

Seit den 2000er Jahren wird Path Tracing von Filmstudios wie Disney und Sony verwendet, um Animationsfilme mit vollständiger Pfadverfolgung zu rendern. Die Theorie gilt seit den 1980er Jahren, und mittlerweile ist die Echtzeit-Pfadverfolgung in beliebten, wenn auch unerschwinglichen Spielen angekommen, damit die Leute es vor ihren Augen sehen können.

Path Tracing ist keine völlig neue Technik, deren Durchdringung bei mehr Spielen und erschwinglicherer Hardware lange dauern wird. Da Unternehmen wie Nvidia, AMD und Intel darum konkurrieren, ihre GPUs zu verbessern und in fortschrittliche KI-Algorithmen zu investieren, wird Path Tracing in Spielen und anderen Medien nur noch stärker an Bedeutung gewinnen. Und das wird eher früher als später passieren.

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Raytracing, Path Tracing und Rasterisierung werden zusammenarbeiten

So fortschrittlich und beeindruckend die Pfadverfolgung auch ist, sie kann immer noch nicht alles perfekt. Der größte Vorteil, Zugriff auf mehr Daten zu haben, ist gleichzeitig auch der größte Nachteil.

Raytracing ist immer noch überlegen, wenn die verfügbaren Daten klein sind (z. B. dunkle Kerker) oder bei reflektierenden und brechenden Oberflächen (z. B. Gewässer oder Glas). Aus diesem Grund wird Ray Racing mit der Einführung von Path Tracing in Spielen nicht plötzlich von der Bildfläche verschwinden.

Entwickler werden wie immer wahrscheinlich eine Kombination von Rendering-Techniken verwenden, um in jeder Situation die realistischste Szene zu erstellen. Daher werden sowohl Raytracing als auch Pathtracing zusammen mit der Rasterisierung in naher Zukunft zu Machtspielen werden.

Alle paar Jahre macht eine neue Technologie Schlagzeilen, denn sie verspricht, Spiele fotorealistischer als je zuvor zu machen. Zuerst waren es Shader, dann Tessellation, gefolgt von Raytracing und jetzt Pathtracing. Allerdings beeinträchtigen diese Technologien auch die Spieleleistung erheblich. Wenn Sie das Gefühl haben, dass Ihr aktueller PC nicht in der Lage ist, diese neuen Techniken in Spielen zu nutzen, müssen Sie möglicherweise eine neue GPU kaufen . Ich hoffe nur, dass die GPUs der Zukunft auch für den Durchschnittsspieler zugänglich werden, während wir auf vollständig pfadgesteuerte Spiele der Zukunft warten.

Bildnachweis: Nahaufnahme einer modernen GPU-Karte mit Schaltung von DepositPhotos