3D-Berechnungen

Raytracing erklärt: So funktioniert Nvidias 3D-Grafikrevolution

3D-Grafik per Raytracing flüssig zu rendern war bislang zu rechenintensiv. Nvidias GeForce-RTX-Grafikkarten schaffen das in Echtzeit. Das Verfahren erklärt.

Raytracing erklärt

© Nvidia / Screenshot & Montage: PC Magazin

(oben) Raytracing sorgt für Realitätsnähe. Das Feuer wird vollständig reflektiert, da nun auch Lichtquellen außerhalb des Sichtbereichs berücksichtigt werden. (unten) Ohne Raytracing: Weil das Feuer nur teilweise für den Betrachter zu sehen ist, spiegelt es sich nur sehr unvollständig auf der Oberfläche des Autos wieder.

Nvidia hat seine aktuelle Grafikkarten-Generation GeForce RTX 20xx im September vorgestellt. Sie basiert auf der Turing-Mikroarchitektur, benannt nach dem britischen Mathematiker Alan Turing, und löste nach etwas mehr als zwei Jahren die Pascal-Grafikkarten der GeForce-GTX-10-Generation ab.

Ruckelfrei Spielen in 4K und HDR 

Mit der GeForce RTX 2080 Ti, der GeForce RTX 2080 und der GeForce RTX 2070 sind die ersten Turing-Grafikkarten erhältlich. Einordnen lassen sie sich als direkte Nachfolger der GeForce GTX 1080 Ti, der bisher stärksten GeForce-Grafikkarte für Spieler, sowie der GTX 1080 und der GTX 1070. Leistungsmäßig soll die GeForce-RTX-20-Serie ihren Vorgänger natürlich deutlich in den Schatten stellen. Als Beispiel nennt Nvidia die GeForce RTX 2080, die Games wie Final Fantasy XV, Wolfenstein II oder Shadow of the Tomb Raider in 4K und HDR mit teils deutlich mehr als 60 Bildern pro Sekunde darstellen soll. Das würde sie gegenüber der GTX 1080 Ti um mindestens 50 Prozent schneller machen.

RTX steht für Raytracing 

Weil die Turing-Pixelbeschleuniger auf einer komplett neuen Mikroarchitektur basieren, haben neben dem neuen Speichertyp GDDR6 auch Features Einzug gehalten, die in Summe bislang in keiner anderen Grafikkarten-Generation zu finden waren. Wie beim, für den professionellen Einsatz konzipierten, Ableger Quadro RTX stecken auch in den Turing-Chips sowohl Tensor- Rechenkerne für die KI-Berechnung als auch Raytracing-Kerne (RT-Cores). Sie erlauben es, in Echtzeit realistische Schatten und Reflexionen zu berechnen. Wie wichtig Nvidia dieser Aspekt ist, zeigt die Namensgebung der GeForce-RTX-20-Serie, denn der Buchstabe R soll den Bezug zu den Raytracing-Kernen verdeutlichen.

Geforce RTX 2080 Ti

© Nvidia

Die Geforce RTX 2080 Ti bietet in der Founders Edition einen neuen Kühler mit dem neuen RTX- statt GTX-Schriftzug wie noch zur Pascal-Generation.

Raytracing versus Rasterisierung 

Wie bei anderen Renderverfahren, geht es auch beim Raytracing darum, die dreidimensionale Spielwelt in einem 2D-Bild darzustellen. Der Raytracing-Algorithmus verfolgt dazu alle Lichtstrahlen vom Auge des Betrachters in den virtuellen Raum hinein bis zu einem Objekt zurück (= Strahlenverfolgung = Raytracing). Dort angekommen, analysiert er anhand der Oberflächenbeschaffenheit des Objekts, wie sich der Lichtstrahl verhält. Je nach Material, wie Holz oder Glas, kann der Lichtstrahl dann zum Beispiel reflektiert, absorbiert oder gebeugt werden. Da sich die ausgesendeten Lichtstrahlen so im gesamten virtuellen Raum ausbreiten, erfasst Raytracing auch Objekte, die von anderen Objekten verdeckt sind; deren Oberflächenstruktur aber wiederum weitere Lichteffekte hervorruft. So entsteht ein sehr realitätsnahes Bild der Spielwelt.

Lesetipp: Grafikkarte kaufen - darauf müssen Sie achten

Der Vorteil von Raytracing wird deutlich, wenn man es mit der Rasterisierung vergleicht, dem in aktuellen Spielen fast durchwegs eingesetzten Renderverfahren. Die Rasterisierung zeigt nur Objekte an, die sich direkt im Blickfeld des Betrachters befinden. Das spart zwar Rechenleistung, klammert aber sämtliche Lichtquellen aus, die nur indirekt zu sehen sind. Dass sie sich aber trotzdem bemerkbar machen, zum Beispiel anhand von Reflexionen, Schattenwürfen oder Lichtbrechungen, kann die Rasterisierung nur auf Umwegen berechnen, was lange nicht so gut aussieht. Den Unterschied zwischen Rasterisierung und Raytracing hat Nvidia während der GeForce-RTX-Premiere anschaulich an einem Demovideo von Battlefield V demonstriert. Ihm sind die beiden oben zu sehenden Screenshots entnommen: Weil das Feuer in der Spielszene größtenteils außerhalb des Blickfeldes brennt, wird es ohne Raytracing (unten) auch nicht von der spiegelnden Oberfläche des Autos reflektiert, bei aktivem Raytracing, das quasi um die Ecke schauen kann, hingegen schon (oben).

Raytracing-Trailer: Battlefield 5

Quelle: EA
Der Raytracing-Trailer zu Battlefield 5.

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