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Microsoft
Jason Ronald von Xbox
Ray Tracing war schon immer der "heilige Gral" der Computergrafik, sagt Jason Ronald, Leiter der Programmverwaltung für die Spielekonsole Xbox.
Die Technik simuliert ein dreidimensionales Bild durch Berechnung jedes Lichtstrahls und verspricht atemberaubende Lichteffekte mit realistischen Reflexionen und Schatten.
Die Methode findet, wo sie abprallt, sammelt Informationen über diese Objekte und verwendet sie dann, um ein Pixel abzulegen und eine Szene zu erstellen.
Während es die Techniken schon lange gibt, "hatten wir einfach keine Rechenleistung, um all das in Echtzeit zu liefern", sagt Ronald.
In Hollywood verwenden Spezialeffekte seit einem Jahrzehnt Raytracing. Für eine wichtige Sequenz könnten Computer über Nacht für einen einzelnen Frame abwandern.
Um dies für Spiele in Echtzeit zu tun, müssen Sie dies auf 1/60 Sekunde reduzieren. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit hat die Aufgabe nun eingeholt.
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Nvidia
Raytracing erzeugt realistischeres Licht und Schatten
Das Technologieunternehmen Nvidia gab im vergangenen Jahr bekannt, dass seine neuesten Grafikprozessoren (GPUs) Raytracing in Echtzeit übernehmen werden.
In Zusammenarbeit mit Nvidia hat Microsoft ein Raytracing-Update für Windows 10 entwickelt.
Microsoft und Sony haben angekündigt, dass ihre kommenden Konsolen, die Xbox Series X und die PlayStation 5, über Raytracing-Funktionen verfügen werden. Beide Systeme basieren auf AMD-Hardware (Advanced Micro Devices).
Und jetzt wird die Technologie in einige der beliebtesten Spiele der Welt integriert.
Mit Minecraft, das erstmals 2009 erschien, können Spieler riesige, komplizierte Strukturen aufbauen. Es wurde vom schwedischen Spielestudio Mojang entwickelt und ist derzeit das meistverkaufte Videospiel der Geschichte.
Die Macher von Minecraft haben am 16. April eine frühe Raytracing-Version ihres Spiels veröffentlicht. Eine allgemeine Veröffentlichung wird gegen Ende des Jahres folgen.
"Es sieht ganz anders aus als der herkömmliche Rendering-Modus und sieht besser aus", sagt Jarred Walton, Hardware-Editor bei PC Gamer.
Das große Problem, sagt er, werden vorerst Preisbarrieren sein. "Die einzige Möglichkeit, es zu spielen, ist ein PC mit einer Grafikkarte, die mindestens 300 US-Dollar kostet", sagt er.
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Nvidia
Raytracing erfordert teure Prozessorchips
Bisher verwendeten Entwickler eine andere Technik namens Rasterisierung.
Es erschien erstmals Mitte der 1990er Jahre, ist extrem schnell und repräsentiert 3D-Formen in Dreiecken und Polygonen. Derjenige, der dem Betrachter am nächsten ist, bestimmt das Pixel.
Dann müssen Programmierer Tricks anwenden, um zu simulieren, wie Beleuchtung aussieht. Dazu gehören Lightmaps, die die Helligkeit von Oberflächen im Voraus berechnen, sagt Ronald.
Diese Hacks haben jedoch Einschränkungen. Sie sind statisch, fallen also auseinander, wenn Sie sich bewegen. Sie können beispielsweise einen Spiegel vergrößern und feststellen, dass Ihr Spiegelbild verschwunden ist.
Mehr Technologie des Geschäfts
Programmierbare Shader tauchten ab 2001 auf. Sie haben bei 3D-Beleuchtungsaufgaben viel bessere Arbeit geleistet, benötigten jedoch viel mehr Rechenleistung.
"Wenn wir das alles in einem Spiel zusammenfassen würden, wäre der erstaunlichste Prozessor der Welt einfach nein geworden, es ist zu viel", sagt Ben Archard, leitender Rendering-Programmierer bei 4A Games in Malta, Entwickler einer postapokalyptischen Entwicklung im Jahr 2019 Spiel namens Metro Exodus.
Es gab Wege, das zu umgehen. Wenn ein Programmierer das durch Nebel kommende dunstige Licht simulieren wollte, anstatt alle Punkte zu berechnen, konnte er einfach eine Stichprobe davon berechnen. (Diese werden als stochastische, statistische oder Monte-Carlo-Ansätze bezeichnet.)
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Mojang
Unterwasserszenen sind Kasia Swicas bevorzugte Verwendung von Raytracing
Aber mit diesen Problemumgehungen "verliert man ziemlich schnell diesen Realismus in einer Szene", bemerkt Kasia Swica, Minecrafts Senior Program Manager in Seattle.
Raytracing funktioniert besser mit realistischen Schatten in Echtzeit oder Reflexionen, die in Wasser oder Glas lauern.
"Meine Lieblingsbeschäftigung mit Raytracing ist es, unter Wasser zu gehen", sagt Miss Swica.
"Man bekommt wirklich realistische Reflexionen und Brechungen und auch ordentliche Lichtstrahlen", sagt sie.
Rev Lebaredian, Vizepräsident für Simulationstechnologie bei Nvidia in San Francisco, sagt, dass die Notwendigkeit, dass sich die Menschen nahe fühlen, während sie isoliert sind, den technologischen Fortschritt beschleunigen wird, da weltweit aufgrund der Coronavirus-Pandemie Sperren auftreten.
"Mit virtueller und erweiterter Realität fühlen wir uns allmählich am selben Ort", sagt er.
Coronavirus wird also die Nachfrage und den Fortschritt steigern, stimmt Frank Azor, Chefarchitekt für Gaming-Lösungen bei AMD, zu.
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Unwirklich
Beeindruckende Beleuchtung ist auch ohne Raytracing möglich
Ein "teuflisches Problem" bei der Raytracing-Funktion bestand darin, wie Shader andere Shader aufrufen können, wenn zwei Strahlen interagieren, sagt Andrew Goossen, ein technischer Mitarbeiter bei Microsoft, der an der Xbox Series X arbeitet.
GPUs bearbeiten Probleme wie Strahlen parallel: Es ist komplex, parallele Prozesse miteinander zu kommunizieren.
Die Erarbeitung technischer Probleme zur Verbesserung der Raytracing-Funktion wird die Hauptaufgabe "zumindest in den nächsten fünf bis sieben Jahren der Computergrafik" sein, sagt Ronald.
In der Zwischenzeit werden Spielefirmen andere Techniken verwenden, um Spiele schlanker aussehen zu lassen.
Anfang dieses Monats veröffentlichten Epic Games, die Macher von Fortnite, ihre neueste Spielearchitektur, die Unreal Engine 5.
Es verwendet eine Kombination von Techniken, einschließlich einer Bibliothek von Objekten, die als Hunderte von Millionen Polygonen in Spiele importiert werden können, und einer Hierarchie von Details, die große und kleine Objekte unterschiedlich behandeln, um die Anforderungen an die Prozessorressourcen zu senken.
Für die meisten Spielehersteller sind solche "Hacks und Tricks" gut genug, sagt Walton.