Was ist Ray­tra­cing? Die Grafik-Technik erklärt!

Ray­tra­cing steht für eine Grafik-Tech­no­lo­gie, die sichtbare und nicht sichtbare Licht­strah­len rea­lis­tisch berechnet. Sie er­mög­licht eine le­bens­ech­te Be­leuch­tung in Com­pu­ter­spie­len und ani­mier­ten 3D-Grafiken und kommt zunehmend als hard­ware­sei­ti­ges Feature in Form von Echtzeit-Ray­tra­cing zum Einsatz. Doch was ist Ray­tra­cing genau?

Die Funktion von Ray­tra­cing ist im Prinzip simpel: Eine 3D-Grafik samt 3D-Objekten wird zunächst mittels 3D-Modellier-Software (z. B. Blender oder Cinema 4D) gestaltet und als Szene animiert. Um in rea­lis­ti­schen 3D-Land­schaf­ten le­bens­ech­te Be­leuch­tung zu si­mu­lie­ren, werden Licht­quel­len darin platziert, um 3D-Objekte „sichtbar“ zu machen. An diesem Punkt kommt Ray­tra­cing ins Spiel. Wie in jeder 3D-Animation dient eine virtuelle Kamera als Auge des Be­trach­ters. Mithilfe der Ray­tra­cing-Tech­no­lo­gie zieht der Al­go­rith­mus Strahlen bzw. Linien zwischen Objekten und Kamera und berechnet, ob diese für die Kamera sichtbar sind und wie viele Pixel je Linie benötigt werden.

Zudem erkennt Ray­tra­cing, ob Licht­strah­len aus ori­gi­na­len Licht­quel­len oder von re­flek­tie­ren­den Objekten im Blickfeld der Kamera herrühren. Der Al­go­rith­mus definiert daraufhin Pi­xel­far­ben anhand nach­ver­folg­ter Strahlen, Re­fle­xio­nen, Licht­ein­fall und Ober­flä­chen­tex­tu­ren. Selbst nicht sichtbare Objekte und Licht­quel­len fließen beim Rendern mit ein. Das Ergebnis ist ein rea­lis­ti­sches Be­leuch­tungs­mo­dell mit komplexen Licht- und Schat­ten­ef­fek­ten in Echtzeit. Zu­sätz­lich arbeitet Nvidias RTX-Tech­no­lo­gie mit einer künst­li­chen In­tel­li­genz namens „Deep Learning Super Sampling“, um eine optimale Auflösung und Bildrate abzurufen.

Wie umfassend sich Ray­tra­cing auf den Realismus einer 3D-Grafik auswirkt, hängt vom je­wei­li­gen Ray­tra­cing-Verfahren ab. Hier un­ter­schei­den sich folgende Ray­tra­cing-Methoden auf­stei­gend nach er­for­der­li­cher Re­chen­leis­tung und his­to­ri­scher Ent­wick­lung:

1. Ver­de­ckungs­be­rech­nung: In diesem ru­di­men­tä­ren Be­rech­nungs­ver­fah­ren fließen weder Schatten- noch Licht­ef­fek­te in die Animation mit ein.
2. Schat­ten­si­mu­la­ti­on: Direkte Licht­quel­len und harte Schatten kommen zum Einsatz, Re­fle­xi­ons­ef­fek­te werden jedoch nicht berechnet.
3. Re­kur­si­ves Ray­tra­cing: Zu­sätz­lich zu direkten Licht­quel­len und harten Schatten kommt Ray­tra­cing für Spie­gel­re­fle­xe bei durch­sich­ti­gen oder re­flek­tie­ren­den Objekten zum Einsatz.
4. Diffuses Ray­tra­cing: Neben direkter Be­leuch­tung und Licht­bre­chung werden für rea­lis­ti­sche Schat­ten­si­mu­la­tio­nen auch Kern-/Halb­schat­ten und weiche Schat­ten­gren­zen gerendert.
5. Path Ray­tra­cing: Das Be­leuch­tungs­mo­dell umfasst und erfasst nun sichtbare und nicht sichtbare Licht­quel­len, Re­fle­xio­nen und Licht­bre­chun­gen durch an­ge­strahl­te Objekte. So entstehen rea­lis­ti­sche Schat­ten­si­mu­la­tio­nen ent­spre­chend dem Licht­spiel.

Ray­tra­cing kommt vorrangig in 3D-Com­pu­ter­gra­fi­ken zum Einsatz und gewann seit Nvidias RTX-Gra­fi­kar­ten-Ge­ne­ra­ti­on aus dem Jahr 2018 zunehmend an Be­rühmt­heit unter Com­pu­ter­spie­lern. Mit hard­ware­sei­tig ak­ti­vier­ter bzw. un­ter­stütz­ter Ray­tra­cing-Tech­no­lo­gie ist es möglich, Be­leuch­tungs­ef­fek­te im Spielen noch rea­lis­ti­scher dar­zu­stel­len. So fließen in die Gra­fik­ef­fek­te nicht nur im Blickfeld sichtbare Licht­ef­fek­te (so­ge­nann­ten Screen­space-Effekte) in die Dar­stel­lung mit ein, sondern auch Re­fle­xio­nen sowie Licht und Schatten außerhalb des Sicht­felds – inklusive einer globalen vir­tu­el­len Sonne. Da dies selbst von Hardware mit Ray­tra­cing eine enorme Re­chen­leis­tung erfordert, kommt das Feature bisher nur in wenigen Spielen zur Anwendung.

Ray­tra­cing befindet sich als Grafik-Tech­no­lo­gie derzeit noch am Anfang. Aktuell stellt Nvidias RTX 3000-Serie (die 2. Nvidia RTX-Gra­fik­kar­ten-Ge­ne­ra­ti­on) den nächsten Schritt im Ray­tra­cing dar, da sie noch mehr Ray­tra­cing-Re­chen­ein­hei­ten bietet. Aufgrund der un­ter­schied­li­chen Aus­stat­tung von PCs und der enormen Leis­tungs­an­for­de­run­gen wird die im Ansatz re­vo­lu­tio­nä­re Tech­no­lo­gie vorerst noch eine Grafik-Nische bleiben. Erste Schritte in globale Ray­tra­cing-Un­ter­stüt­zung machen neue Kon­so­len­ge­ne­ra­tio­nen mit ein­heit­li­cher Aus­stat­tung wie die Xbox Series X oder die Play­sta­ti­on 5.

Bisher un­ter­stüt­zen nur wenige Hardware- und Software-Systeme die Ray­tra­cing-Tech­no­lo­gie. Um Spiele und Ani­ma­tio­nen mit flüssigen Ray­tra­cing dar­zu­stel­len, ist ein schneller, leis­tungs­fä­hi­ger Computer und eine RTX-Gra­fik­kar­te un­er­läss­lich. Es lässt sich kaum vermeiden, den PC kost­spie­lig auf­zu­sto­cken, um überhaupt die nötige Re­chen­leis­tung abrufen zu können. Gra­fik­kar­ten, die Ray­tra­cing-Un­ter­stüt­zung bieten, sind unter anderem Gra­fik­kar­ten der ersten und zweiten Nvidia RTX-Ge­ne­ra­ti­on (z. B. GeForce RTX 2070 und GeForce RTX 3070). Auch ver­ein­zel­te AMD-Gra­fik­kar­ten aus der Radeon-RX-6000-Ge­ne­ra­ti­on wie die RX 6800 und RX 6900 XT un­ter­stüt­zen bereits Ray­tra­cing.

Ver­schie­dens­te PC- und Kon­so­len­spie­le bieten bereits eine Ray­tra­cing-Un­ter­stüt­zung an.

• Minecraft RTX
• Shadow oft he Tomb Raider
• The Witcher 3: Complete Edition
• Call of Duty: Black Ops Cold War
• Control
• F1 2021

• Gran Turismo 7
• Halo Infinite
• Watch Dogs: Legion
• Gears 5