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?

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Raytracing: Definition erklärt

Auf Deutsch bezeichnet der englische Begriff „Ray tracing“ das „Nachverfolgen von Strahlen“. Genauer gesagt: Lichtstrahlen. Als Grafik-Technologie ermöglicht Raytracing die flüssige Simulierung von Lichteffekten. Ein Algorithmus sendet hierzu Strahlen in einer 3D-Grafik aus, verfolgt die Strahlenpfade und berechnet ein realistisches Beleuchtungsmodell. Wer sich mit Computerspielen und Grafikkarten beschäftigen, kennt Raytracing zwangsläufig, da es vor allem hier Anwendung findet. Jüngstes und berühmtestes Beispiel ist die Grafikkarten-Generation „GeForce RTX“ von Nvidia. RTX-Grafikkarten (RTX als Abkürzung für Raytracing) unterstützen seit 2018 Echtzeit-Raytracing als Hardware-Feature.

Welche Funktion erfüllt Raytracing?

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.

Welche verschiedenen Raytracing-Verfahren gibt es?

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.

Wo kommt Raytracing zum Einsatz?

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.

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Welche technischen Voraussetzungen gibt es für Raytracing?

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.

Diese Computerspiele nutzen Raytracing

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

PC-Spiele mit Raytracing

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

Konsolenspiele mit Raytracing:

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

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