Ray­tra­cing: So macht die Tech­nik Spie­le schöner

Durch Ray­tra­cing bekom­men Spie­le eine star­ke opti­sche Auf­wer­tung. Die Tech­no­lo­gie berech­net Schat­ten und Spie­ge­lun­gen in Echt­zeit. Das gab es so zuvor noch nicht – zumin­dest nicht in die­ser Qua­li­tät. Doch wie sieht das in der Pra­xis aus, wie funk­tio­niert es und was brauchst du dafür? Hier bekommst du die Ant­wor­ten auf die Fra­gen und eini­ge anschau­li­che Beispiele.

Bei Ray­tra­cing geht es in ers­ter Linie um Schat­ten und Refle­xio­nen. Akti­vierst du die Opti­on, sehen die­se opti­schen Aspek­te deut­lich bes­ser aus als zuvor. Genau­er kannst du in spie­geln­den Ober­flä­chen Details erken­nen, die du ohne Ray­tra­cing nicht sehen kannst. Lodert etwa ein Feu­er hin­ter einem Auto, spie­gelt sich das voll­stän­dig in des­sen Lack wider. So sieht es auch bei Spie­geln und Pfüt­zen aus. Hier sind Gebäu­de, Gegen­stän­de und Lich­ter aus der Spiel­welt zu sehen – rea­lis­tisch berechnet.

Bei Schat­ten ver­hält es sich ähn­lich. Sie fol­gen nicht nur Bewe­gun­gen der Licht­quel­le oder des Objekts, son­dern ver­än­dern auch ihre Schär­fe je nach Abstand zur Ober­flä­che. Schal­test du eine Taschen­lam­pe ein und hältst dei­ne Hand davor, zeich­net sich der Schat­ten je nach Win­kel unter­schied­lich an der Wand dahin­ter. Ray­tra­cing simu­liert die­sen Effekt phy­si­ka­lisch kor­rekt auch in Spielen.

Dafür greift die Tech­nik auf eine beson­de­re Art der Berech­nung zurück. Wie der Name schon ver­mu­ten lässt, geht es dabei um Strah­len. Ray­tra­cing bedeu­tet näm­lich „Strah­len­ver­fol­gung“. Die Gra­fik­kar­te berech­net die Strah­len einer Licht­quel­le so, wie sie sich auch im ech­ten Leben ver­hal­ten. Genau die­ses Vor­ge­hen ist aller­dings sehr kom­plex, und somit ist eine beson­ders hohe Rechen­leis­tung not­wen­dig. Die Fol­ge ist, dass Echt­zeit-Ray­tra­cing nur eine gewis­se Zahl die­ser Strah­len berech­nen und schließ­lich ren­dern kann. Alles ande­re wür­de die Gra­fik­kar­te (also die GPU) überfordern.

Ein gro­ßer Vor­teil von Ray­tra­cing ist, dass Umge­bungs­ver­de­ckung kei­ne Rol­le spielt. Ist also ein Gegen­stand hin­ter einer Mau­er, kann sei­ne Refle­xi­on den­noch in einer Ober­flä­che zu sehen und sogar kor­rekt ger­en­dert sein. Glei­ches gilt für Licht­quel­len wie Lam­pen und Feu­er. Das schafft einen beson­ders rea­lis­ti­schen Ein­druck. Die Tech­nik kal­ku­liert auch die Beschaf­fen­heit von Ober­flä­chen mit ein. Licht ver­hält sich auf rau­em Stahl schließ­lich anders als auf polier­tem. Obwohl die Tech­nik bereits ver­sucht, Res­sour­cen zu spa­ren, errei­chen selbst Top-Gra­fik­kar­ten bei akti­vier­ter Opti­on kei­ne sehr hohen Bild­wie­der­hol­ra­ten (Frame­ra­tes). Manch­mal kann es sogar sein, dass ein Spiel nur mit 30 Frames pro Sekun­de (fps) oder weni­ger läuft, wenn Ray­tra­cing ein­ge­schal­tet ist.

Ent­ge­gen­wir­ken soll die­sem Leis­tungs­ab­fall eine wei­te­re Tech­nik: DLSS. Das steht für „Deep Lear­ning Super Sam­pling“. Dahin­ter ver­birgt sich eine von Nvi­dia ent­wi­ckel­te Tech­nik, um eine bes­se­re Bild­qua­li­tät und höhe­re Frame­ra­tes aus der Hard­ware zu holen – auch bei Ray­tra­cing. Dafür greift das Sys­tem auf ein neu­r­a­les Netz­werk zurück. Im Prin­zip steckt dahin­ter ein Super­com­pu­ter, der im Hin­ter­grund die gan­ze Zeit über die Kan­ten­glät­tung opti­miert. Eine künst­li­che Intel­li­genz greift also ins Ren­de­ring ein.

Das eigent­li­che Ziel dahin­ter: Durch die intel­li­gen­te Kan­ten­glät­tung kann die Kar­te die aus­ge­ge­be­ne Ren­der­auf­lö­sung ver­rin­gern. Das Bild ist noch immer scharf, die Kar­te muss aber weni­ger Pixel berech­nen. Weil die Auf­lö­sung sinkt, gehen auch die zu berech­nen­den Strah­len beim Ray­tra­cing her­un­ter. Die Bild­qua­li­tät bleibt also auf einem hohen Niveau, dafür schnel­len die Bil­der pro Sekun­de in die Höhe. Hast du bei­spiels­wei­se bei 4K-Auf­lö­sung mit akti­vier­tem Ray­tra­cing in einem Spiel 30 fps erreicht, kannst du dank DLSS in Full HD 60 fps und mehr errei­chen, ohne eine deut­lich schlech­te­re Bildqualität.

Mitt­ler­wei­le gibt es DLSS in meh­re­ren Ver­sio­nen, da Nvi­dia die Tech­nik ste­tig wei­ter­ent­wi­ckelt. Im August 2023 stell­te das Unter­neh­men die neu­es­te Ite­ra­ti­on vor: DLSS 3.5. Sie bringt eine gro­ße Ver­bes­se­rung für Ray­tra­cing mit. So soll mit der Ver­si­on das soge­nann­te Denoi­sing mit KI‑Unter­stüt­zung funk­tio­nie­ren. In der Fol­ge gewin­nen Beleuch­tungs- und Spie­ge­lungs-Details deut­lich an Qua­li­tät. Aller­dings müs­sen die Deve­lo­per die Tech­nik auch inte­grie­ren. Übri­gens: DLSS 3.5 soll auf allen RTX-Kar­ten zur Ver­fü­gung stehen.

Schat­ten und Refle­xio­nen sind in Spie­len kei­ne Neu­heit. Bereits seit lan­ger Zeit sor­gen sie für mehr Rea­lis­mus und eine stim­mi­ge­re Atmo­sphä­re. Doch bis­her kam eine etwas ande­re Tech­nik zum Ein­satz, um die­se opti­schen Ele­men­te zu berech­nen. Die­se hört auf den Namen „Ras­te­ri­sie­rung“ und ist weni­ger kom­pli­ziert, als sie klingt.

In einem moder­nen Spiel sind Objek­te drei­di­men­sio­nal berech­net. Um einen Schat­ten oder eine Refle­xi­on dar­zu­stel­len, über­trägt die Gra­fik­kar­te ein sol­ches 3D-Objekt auf ein zwei­di­men­sio­na­les Ras­ter. Ein Wür­fel ist so ein Vier­eck, ein Qua­der ein Recht­eck oder eine Kugel ein Kreis. Genau die­ses 2D-Objekt ist dann die Spie­ge­lung oder der Schat­ten. Natür­lich ver­än­dert sich das je nach dem Betrach­tungs­win­kel des Cha­rak­ters. Eines bleibt aber immer gleich: Schat­ten wir­ken sehr mas­siv und scharf­kan­tig. Ray­tra­cing macht sie hin­ge­gen wei­cher, trans­pa­ren­ter und lässt sie kor­rekt verblassen.

Liegt ein Objekt außer­halb des Sicht­be­reichs, erfolgt kei­ne Ras­te­ri­sie­rung. Objek­te, die du im Spiel also nicht anschaust oder die hin­ter einem ande­ren Objekt lie­gen, wer­fen kei­nen Schat­ten oder sind nicht in Refle­xio­nen zu sehen. Ent­wick­ler müs­sen sich hier mit gewis­sen Tricks behel­fen, um die­sen Umstand aus­zu­glei­chen. Schließ­lich sollst du ja den Schat­ten eines Gebäu­des sehen, wenn die­ses gera­de nicht in dei­nem Sicht­feld steht. Auch hier geht Ray­tra­cing bei der Berech­nung einen ande­ren Weg und schafft mit rea­lis­ti­schen Schat­ten und Refle­xio­nen von Objek­ten außer­halb des Sicht­fel­des deut­lich mehr Realismus.

Den Begriff Ray­tra­cing hörst du meist im Zusam­men­hang mit Nvi­dia. Das liegt nicht dar­an, dass das Unter­neh­men die Tech­nik erfun­den hat. Viel­mehr hat sich der Her­stel­ler auf Chip­sät­ze spe­zia­li­siert, die auf Ray­tra­cing zuge­schnit­ten sind. Genau­er ist das seit dem Start der aktu­el­len Turing-Mikro­ar­chi­tek­tur der Kar­ten der Fall. Die­se kommt mit Ker­nen, deren ein­zi­ge Auf­ga­be die Ray­tra­cing-Berech­nung ist. Echt­zeit-Ray­tra­cing gibt es also in ers­ter Linie bei die­sen mit dem Kür­zel „RTX“ ver­se­he­nen Kar­ten. Im Detail sind das die fol­gen­den Model­le:

• • GeForce RTX 2060 und 2060 Super
  • GeForce RTX 2070 und 2070 Super
  • GeForce RTX 2080, 2080 Super und 2080 Ti
  • GeForce RTX 3060 und 3060 Ti
  • GeForce RTX 3070
  • GeForce RTX 3080
  • GeForce RTX 3090
  • GeForce Titan RTX
  • GeForce RTX 4060 und 4060 Ti
  • GeForce RTX 4070, 4070 Ti, 4070 Super und 4070 Ti Super
  • GeForce RTX 4080 und 4080 Super
  • GeForce RTX 4090

Per Update mach­te Nvi­dia auch bei älte­ren GPUs die Nut­zung von Ray­tra­cing mög­lich. Aller­dings musst du hier mit noch grö­ße­ren Ein­bu­ßen bei der Per­for­mance rech­nen. Bei den Kar­ten feh­len schließ­lich die eigens dafür ver­bau­ten Ker­ne. Hast du eine der fol­gen­den Kar­ten, kannst du Ray­tra­cing jetzt eben­falls nut­zen:

• GeForce GTX 1660 und 1660 Ti 
• GeForce GTX 1060 (6 GB) 
• GeForce GTX 1070 und 1070 Ti 
• GeForce GTX 1080 und 1080 Ti 
• GeForce Titan V, Titan XP und Titan X

AMD steigt erst jetzt lang­sam auf den Ray­tra­cing-Zug auf und bie­tet lang­sam ers­te Kar­ten mit ent­spre­chen­der Unter­stüt­zung an. In Zukunft sol­len aber noch eini­ge wei­te­re Model­le fol­gen. Aktu­ell sind das die kom­pa­ti­blen Grafikkarten:

• RX 6600 XT
• RX 6700 XT
• RX 6800 und 6800 XT
• RX 6900 XT
• RX 7600
• RX 7900, 7900 XT und 7900 XTX

Aller­dings ist hier Vor­sicht gebo­ten, denn auf den Kar­ten lau­fen nicht alle Ray­tra­cing-Games. Bei man­chen Titeln funk­tio­niert die Tech­nik nur mit den Gra­fik­kar­ten von Nvidia.

Damit du die Effek­te von Ray­tra­cing nut­zen kannst, muss auch das Spiel ent­spre­chend dafür pro­gram­miert sein. Das ist aktu­ell noch bei ver­gleichs­wei­se weni­gen Titeln der Fall. In Zukunft dürf­te sich das aber ändern, denn vie­le bereits erhält­li­che Titel bekom­men ein Ray­tra­cing-Update. Außer­dem kom­men immer mehr Spie­le dazu, die Ray­tra­cing unter­stüt­zen. Aktu­ell sind es fol­gen­de Titel:

• Amid Evil
• Batt­le­field 2042
• Bright Memo­ry: Infinite
• Call of Duty: Modern War­fa­re III
• Con­trol
• Cyber­punk 2077
• Deli­ver Us The Moon
• F1 2023
• Lego Builder´s Journey
• Mech­War­ri­or 5: Mercenaries
• Metro: Exodus
• Mine­craft RTX
• Por­tal with RTX
• Qua­ke 2 RTX
• Shadow of the Tomb Raider
• The Wit­cher 3: Com­ple­te Edition
• Wol­fen­stein: Young Blood

DLSS ist hin­ge­gen nicht zwin­gend an Ray­tra­cing gekop­pelt. Man­che Spie­le unter­stüt­zen also nur bei­des, ande­re eines von bei­den oder nichts davon. Genaue­re Infor­ma­tio­nen dazu bekommst du meist auf den Sei­ten zu den Games.

Im PC-Bereich kon­zen­triert sich bis­her Nvi­dia auf die Tech­nik. Bei den neu­en Kon­so­len kommt aller­dings Hard­ware des Kon­kur­ren­ten AMD zum Ein­satz. Die soll eben­falls bereit für Ray­tra­cing sein. Die RDNA-2-GPUs in PS5 und Xbox Series X/S brin­gen die Tech­nik also erst­mals auf die Kon­so­len. Das mag in eini­gen Fäl­len für eine noch rea­lis­ti­sche­re Dar­stel­lung sor­gen, belas­tet die Hard­ware aller­dings auch. Rech­ne also lie­ber damit, dass die Kon­so­len nicht die vol­len Mög­lich­kei­ten von Ray­tra­cing aus­nut­zen. Ein hoch­ge­züch­te­ter Gam­ing-PC dürf­te hier die Nase deut­lich vor­ne haben. Eine star­ke Ver­bes­se­rung ist es den­noch, gera­de wenn die Frame­ra­te am Ende stimmt.

Unter den Kon­so­len-Games unter­stüt­zen bei­spiels­wei­se fol­gen­de Titel Raytracing:

• For­za Hori­zon 5
• Gears 5
• Gran Turis­mo 7
• Halo Infi­ni­te
• Rat­chet & Clank: Rift Apart
• Spi­der-Man: Miles Morales
• Stray
• Watch Dogs: Legion

Moder­ne Ray­tra­cing-Tech­nik hübscht Spie­le mit rea­lis­ti­schen Spie­ge­lun­gen und Schat­ten deut­lich auf. Noch benö­tigst du aber dafür eine sehr leis­tungs­star­ke Gra­fik­kar­te und musst unter Umstän­den auch Ein­bu­ßen bei der Per­for­mance von Spie­len in Kauf neh­men. Mit der neu­en Gene­ra­ti­on der Spie­le­kon­so­len kommst du aber auch in den Genuss von Ray­tra­cing – wenn auch ver­mut­lich in einer abge­speck­ten Form. Willst du rich­tig tief in die Tech­nik hin­ter Ray­tra­cing ein­tau­chen und viel­leicht sogar selbst ins Pro­gram­mie­ren von Titeln damit ein­stei­gen, dann schau dir doch das kos­ten­lo­se Buch „Ray­tra­cing Gems II“ von Nvi­dia genau­er an. In eng­li­scher Spra­che sind hier selbst die kleins­ten Details beschrieben.