Was die Filmindustrie für Spezialeffekte oder komplett im Computer erstellte Filme schon lange benutzt, findet nun seinen Weg in immer mehr Spiele. Für die aufwendige Lichtberechnung gab es vor Erscheinen der GeForce RTX 4090 schlicht keine Grafikkarte, die Pathtracing-Beleuchtung in Echtzeit stemmen konnte und selbst eine RTX 5090 kommt dabei ins Schwitzen.
Dagegen ist das vergleichsweise einfache Rasterizing, die bis heute am weitesten verbreitete Technik, um 3D-Spiele darzustellen. Doch die Tage dieser Technik sind gezählt. Mittlerweile erscheinen erste Spiele, die Raytracing-fähige Grafikkarten für ihre Beleuchtung zwingend voraussetzen, während erste Vorreiter, wie Cyberpunk 2077, Indiana Jones und der große Kreis und bald auch Doom: The Dark Ages, euch sogar Pathtracing-Beleuchtung anbieten. Aber was macht Pathtracing anders als Raytracing? Wieso ist es so viel rechenintensiver, als das bisher in Spielen verwendete Rasterizing? Und was haben alle Techniken gemein?
Schnellnavigation:
- Was ist Rasterizing?
- Wieso ist Raytracing so rechenintensiv?
- Was macht Pathtracing anders?
- Gaming-PCs für Pathtracing
- Tl;dr
Rasterizing, Raytracing und Pathtracing erklärt
Beim Rasterizing wird geprüft, was sichtbar ist und den Pixeln eures Monitors, die entsprechenden Farben zugewiesen.
Alle drei Technologien basieren auf »Strahlen« in mehr oder weniger komplexen Ausführungen. Die einfachste Form – das Rasterizing – beherrschen Grafikkarten mit Bravour. Es ist die einfachste Methode, um 3D-Grafiken auf euren Bildschirmen darzustellen und Grafikkarten wurden im Laufe der Jahre immer besser und effizienter bei den dafür notwendigen Berechnungen.
Was ist Rasterizing?
Rasterizing ist die Art der Bildberechnung, die auch heute noch am weitesten verbreitet ist und seit jeher dafür verantwortlich ist, dass eure Spiele überhaupt dargestellt werden. Stark vereinfacht, wird dabei erst einmal geprüft, welche Polygone überhaupt für euch zu sehen sind, bevor dann jeder einzelne Pixel eures Monitors seine Farbe zugewiesen bekommt.
Dadurch, dass das Licht hier nicht weiterverfolgt wird, sind echte Spiegelungen oder realistische Echtzeit-Beleuchtung mit bloßem Rasterizing unmöglich. Um diese Dinge nachzuahmen, benutzen moderne Spiele zahlreiche weitere »Tricks«, wie beispielsweise Screenspace Reflections (Reflexionen innerhalb des Sichtkegels des Spielers) oder Screen Space Ambient Occlusion (Umgebungsverdeckung) an, um das finale Bild noch echter wirken zu lassen.
Screenspace Reflections können ein Bild zwar schon deutlich aufwerten, können aber nur kopieren, was sich bereits auf dem Bild befindet. Das kann auch zu Darstellungsfehlern führen, wie das Schwert auf dem Bild aus dem Oblivion 4 Remaster, das die Reflexion der Berge im Wasser verdeckt. Raytracing hat dieses Problem nicht.
Mit dem GameStar PC NEON Z Ray- und Pathtracing erlebenWie funktioniert Raytracing und warum ist es so rechenintensiv?
Am Cauldron Lake in Alan Wake 2 gut zu sehen: mit Raytracing-Reflexionen sieht das Wasser wesentlich realistischer aus und spiegelt deutlich mehr Details wider, die sich auch außerhalb des sichtbaren Bildes befinden.
Raytracing ist physikbasierte Lichtberechnung in Echtzeit. Das heisst, Licht und Schatten werden während ihr spielt getreu den Naturgesetzen berechnet und dargestellt. Bei der herkömmlichen Darstellung von Licht in Spielen, wurden die Informationen über die Beleuchtung im Level selbst gespeichert (Baked Lighting). Beim Raytracing werden zahlreiche Strahlen (daher der Name) von der Kamera ausgehend in die Tiefe »geschossen«. Anders als beim Rasterizing, prallen die Strahlen beim Raytracing von den Oberflächen ab (Bounces genannt) und sammeln so zusätzliche Informationen zur Darstellung von Licht, Schatten und Reflexionen.
Bei den Screenspace Reflections gut zu sehen: das Neon-Schild des Diners aus Alan Wake 2 wird von der eigentlich dahinter liegenden Straße reflektiert, was physikalisch inkorrekt ist. Raytracing behebt das Problem und sorgt dafür, dass die Scheiben des Kombis vor dem Diner nicht unnatürlich leuchten.
Treffen sie auf eine Lichtquelle, nehmen sie die Farbinformation dieser auf, und wenden sie auf den Punkt an, von dem sie abgeprallt sind. Dadurch entsteht indirekte Beleuchtung durch dynamische Lichtquellen und ein insgesamt realistischeres Bild, das die Lichtstreuung, beispielsweise innerhalb von Räumen, besser abbilden kann. Etwas, das die herkömmlichen Techniken nicht beherrschen, oder nur durch aufwendige Tricks seitens der Spielentwickler annähernd nachahmen können.
Mit der RTX 5080 im GameStar PC TITAN X Spiele, wie Alan Wake 2, in 4K erlebenErsetzt Raytracing die gesamte Beleuchtung?
Mit Raytracing wirft die Jalousie perfekte Schatten und die Fensterbänke leuchten nicht, obwohl sie im Schatten sein sollten. Obendrein ist der Schattenwurf am Ursprung gestochen scharf.
Nein. Die Art, wie Raytracing in der Regel genutzt wird, ist eigentlich eine Mischung aus dem altbekannten Rasterizing und einzelner Bildelemente, die per Raytracing berechnet werden. Um Leistung zu sparen, wird Raytracing oftmals nur dort eingesetzt, wo es den größten visuellen Unterschied macht, während der Rest des Bildes per Rasterizing dargestellt wird. Statische Objekte und Lichtquellen werden zumeist per Rasterizing berechnet, während Reflexionen oder dynamische Lichter, wie Taschenlampen, oder die Sonne (Stichwort Global Illumination) per Raytracing dargestellt werden.
»Raytracing« im Selbstexperiment
Ihr könnt daheim auch ganz einfach ein kleines Experiment machen, um besser zu verstehen, was ich zu beschreiben versuche: nehmt euch einen bunten Gegenstand zur Hand, etwa ein Buch mit buntem Cover und haltet ihn in einem dunklen Raum an eine möglichst weiße Wand. Wenn ihr jetzt mit der Handytaschenlampe auf den Gegenstand leuchtet, seht ihr, dass das Licht in der Farbe des Gegenstands reflektiert wird und die weiße Wand »einfärbt«. Raytracing funktioniert genau so!
Schaut euch unseren günstigsten 4K-Gaming-PC mit RTX 5080 anWas macht Pathtracing anders?
Mit Pathtracing sieht der Obduktionsraum aus Alan Wake 2 noch realistischer aus. Die Metallschalen haben realistische Reflexionen und auch das Opfer wird durch die Lichtreflexe des metallenen Obduktionstischs von unten beleuchtet.
Die grundlegende Funktionsweise von Pathtracing ist ähnlich, wie beim Raytracing: Strahlen werden in den virtuellen Raum »geschossen«, prallen ab und wenden die so gesammelten Licht- und Schatteninformationen auf die Spielwelt an. So weit, so identisch. Der große Unterschied ist, dass beim Pathtracing ausnahmslos jede Lichtquelle, Spiegelung oder Lichtbrechung physikalisch korrekt berechnet wird und eure Spiele nicht mehr auf Hilfsmittel, wie beim Rasterizing setzen.
Ohne Pathtracing sind in Cyberpunk 2077 die Fächer in Claire's Bar – das Afterlife – hell erleuchtet. Mit Pathtracing sind sie so dunkel, wie sie sein sollten. Auch die restliche Szene gewinnt an Tiefe und wirkt dank der realistischen Beleuchtung lebhafter und weniger flach.
Ein weiterer Unterschied zum Raytracing ist die Anzahl der Bounces (abprallen der Lichtstrahlen von Oberflächen), die jeder einzelne Strahl vollziehen kann. Während Raytracing in der Regel nur einen Bounce berechnet, ist die Anzahl der Bounces beim Pathtracing theoretisch unendlich groß. Aus Performance-Gründen begrenzen die Spieleentwickler jedoch die Anzahl möglicher Bounces, um eine gute Balance aus realistischem Bild und der dafür nötigen Rechenpower zu finden.
Trotz der Begrenzung der Bounces ist Pathtracing weiterhin eine enorme Herausforderung an eure Hardware. Selbst eine GeForce RTX 5090 kommt mit Pathtracing in 4K-Auflösung nur mit Mühe in die Nähe von 60 FPS. Für mehr Performance hilft es, in einer niedrigeren Auflösung, wie WQHD zu spielen, oder die Multi Frame Generation aus DLSS 4 zu nutzen. Wer auf einer Radeon RX 9070 XT spielt, sollte FSR 4 und Fluid Motion Frames nutzen, um flüssig zu spielen.
Auch AMD kann auch Ray- und Pathtracing – mit Radeon RX 9070 XT und Ryzen 7 9800X3DPathtracing ist auch ein Segen für die Spieleentwicklung
Für uns Spieler bringt Pathtracing in erster Linie ein noch realistischeres Bild mit physikalisch korrekt berechneter Beleuchtung. Der Vorteil für Spielentwickler ist, dass sie ihre Änderungen im Spiel direkt ohne Wartezeit sehen können. Zuvor mussten sie nach einer Änderung am Licht oder der Architektur einer Map die komplette Beleuchtung neu berechnen lassen und in die Map "backen" lassen (Baked Lighting), bevor sie sehen konnten, wie sich ihre Anpassungen auswirken. Das ist insbesondere bei riesigen Open-Worlds ein sehr zeitintensiver Prozess, der manchmal mehrere Stunden dauern kann.
Große Entwicklerstudios mit dickem Budget, wie im Beispiel von The Division, mussten komplexe Systeme schreiben, um das Problem zu umgehen. Das System kommt bis heute in Assassin's Creed Shadows zum Einsatz und greift, sobald ihr es ohne Raytraced Global Illumination spielt. Mit Ray- und Pathtracing können auch kleine Studios oder Solo-Entwickler ihre Veränderungen in der Spielwelt sehen, während sie noch daran arbeiten und bei der Inszenierung auf realistische Beleuchtung setzen.
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Besonders für Grafik-Enthusiasten und Detailverliebte ist Pathtracing ein wahrer Augenschmaus, dem bloße Bilder oder YouTube-Videos mit ihrer starken Komprimierung nicht ganz gerecht werden können. Wenn ihr ohnehin schon auf der Suche nach einem neuen Gaming-PC seid und bei den Grafikeinstellungen eurer Spiele aus dem Vollen schöpfen wollt, haben wir hier eine kleine, feine Auswahl unserer GameStar-PCs zusammengestellt, mit denen auch ihr Pathtracing live erleben könnt.
Ultimate Ryzen Pro Max
GPU: Nvidia GeForce RTX 5080 16 GB
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NEON X
GPU: Nvidia GeForce RTX 5080 16 GB
RAM: 64 GB DDR5-6000
SSD: 2.000 GB
- RGB-High-End-Gaming-PC mit üppigen 64 GB DDR5-RAM
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ELITE T
GPU: Nvidia GeForce RTX 5080 16 GB
RAM: 64 GB DDR5-6000
SSD: 2.000 GB
- Stylischer High-End-Gaming-PC mit üppigen 64 GB DDR5-RAM
- RTX 5080 für beeindruckendes 4K mit Raytracing
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Ultra Extreme Ex
GPU: Nvidia GeForce RTX 5090 32 GB
RAM: 32 GB DDR5-6000
SSD: 2.000 GB
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NEON Z
GPU: Nvidia GeForce RTX 5090 32 GB
RAM: 96 GB DDR5-6000
SSD: 4.000 GB
- High-End-Performer mit viel RGB-Beleuchtung und RTX 5090
- Massive 96 GB RAM und 4 TB SSD
- Enorm starke X3D-Gaming-CPU
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TITAN Z
GPU: Nvidia GeForce RTX 5090 32 GB
RAM: 96 GB DDR5-6000
SSD: 4.000 GB
- Dicker High-End-Rechner mit Intel-CPU und RTX 5090
- Massive 96 GB RAM und 4 TB SSD
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ELITE Z
GPU: Nvidia GeForce RTX 5090 32 GB
RAM: 96 GB DDR5-6000
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- Unser stärkster High-End-Gaming-PC mit der besten Hardware
- Massive 96 GB RAM und 4 TB SSD
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Warum einen GameStar Gaming-PC von BoostBoxx?
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tl;dr
- Im Gegensatz zu Rasterizing, das einfache Darstellung nutzt, ermöglicht Raytracing die physikbasierte Lichtberechnung mit sichtbaren Reflexionen und dynamischer Beleuchtung.
- Pathtracing geht noch weiter, indem es die gesamte Beleuchtung physikalisch berechnet und theoretisch unendlich viele Light-Bounces analysiert.
- Pathtracing revolutioniert die Spieleindustrie, indem es realistischere Lichtberechnungen in Echtzeit ermöglicht, ähnlich wie in der Filmindustrie.
- Für Spieler bietet Pathtracing realistischere Grafiken, während Entwickler Änderungen in Echtzeit sehen können, was den Entwicklungsprozess erheblich beschleunigt.
- Um Pathtracing in 4K zu erleben braucht es eine GeForce RTX 4090 oder RTX 5090, da dies sehr hohe Anforderungen an die Hardware stellt.
