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  • Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt: Teil 2 - Spiegelungen und Reflexionen
    Quelle: CD Projekt

    Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt: Teil 2 - Spiegelungen und Reflexionen

    Was bedeuten Grafikbegriffe wie Reflexionen, Spiegelungen, HBAO+ oder VXAO in Spielen? In unserem mehrteiligen Special zeigen wir euch auf verständliche Art, welche Effekte und Rendering-Techniken in aktuellen Spielen zum Einsatz kommen. Teil 2 ist jetzt online: Spiegelungen und Reflexionen. In den nächsten Wochen werden wir den Artikel um viele weitere Begriffe aus der Welt der Hardware- und Grafikeffekte erweitern.

    Moderne Spiele nutzen eine Vielzahl an Render-Techniken und Grafiktricks, um die virtuellen Welten immer opulenter und glaubwürdiger darstellen zu können. Für diese neue Artikelreihe holen wir uns Philipp Reuther, Spiele-Experte bei unserer Schwesterzeitschrift der PC Games Hardware, an Bord. Anhand aktueller Beispiele erklärt dieser euch Funktionsweise, Auffälligkeiten und Nebeneffekte der Render-Techniken. Dabei steht die Verständlichkeit im Vordergrund, weshalb wir das Fachlatein auf ein Minimum reduzieren. Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt.

    Wir planen, dieses Format als Reihe auszubauen und über die kommenden Wochen und Monate mit einer Vielzahl weiterer Techniken und Effekte zu ergänzen. Für den Anfang haben wir uns drei Themen herausgesucht. Darunter findet sich neben Umgebungsverdeckung und Reflexionen auch die wohl wichtigste Neuerung der vergangenen Jahre: Zum Start der aktuellen Konsolengeneration begannen Entwickler im großen Stil, die Textur- und Rendermodelle auf Physically Based Rendering (PBR) umzustellen.

    Lesetipp: Hardware für Gaming-PCs: Kaufberatung für den idealen Spiele-PC

    Umgebungsverdeckung

          

    Die Umgebungsverdeckung ist einer der optisch wichtigsten Post-Processing-Effekte.

    Die Umgebungsverdeckung ist seit geraumer Zeit ein fester Bestandteil moderner Spiele. Einer der ersten Titel, der diese Technik auf dem PC salonfähig machte, ist das altehrwürdige Crysis von 2007. Dabei hätte eine Umgebungsverdeckung in einem wirklich präzisen Renderbild eigentlich nichts zu suchen, denn die Ambient Occlusion ist ein recht unpräziser Rendertrick, der eingesetzt wird, um Rechenzeit zu sparen.

    Pseudo-Schatten

          

    Die dynamische Umsetzung von Licht und Schatten gehört zu den aufwendigsten Berechnungen in Computerspielen oder Computer Generated Imagery (CGI) generell. Bei Renderfilmen oder -bildern kann aufgrund des weniger kritischen Zeitfaktors auf sehr komplexe Methoden inklusive Raytracing-Verfahren zurückgegriffen werden. Eine längere Berechnungszeit erhöht prinzipiell nur die Kosten eines solchen Projekts. In Spielen sieht das allerdings anders aus: Aktuelle Grafikkarten sind viel zu schwach, um diese Techniken in Echtzeit zu berechnen.

    Stattdessen werden Annäherungsverfahren genutzt. Einer dieser Rendertricks ist die Umgebungsverdeckung. Dieser Post-Processing-Effekt simuliert den Umstand, dass in der Realität weniger Licht in Ecken und enge Spalten gelangt, da ein Teil der eintreffenden Strahlen zuvor von umliegenden Oberflächen reflektiert wird und diese daher nicht bis an alle Stellen vordringen. Ecken und Kanten wirken deshalb dunkler. Diese Lichtstrahlen (Rays), deren Wege (Traces) und Abpraller (Bounces) tatsächlich in Echtzeit zu berechnen, würde aktuelle GPUs komplett überfordern.

    Bei der Umgebungsverdeckung handelt es sich im Prinzip um ein Graustufenbild, welches erst nach dem eigentlichen Berechnen des Bildes über dieses gelegt wird (Post-Processing). Dabei gibt es eine ganze Reihe verschiedener Ansätze; bei fast allen (eine Ausnahme wäre VXAO) handelt es sich um sogenannte Screen-Space-Effekte, die zu einigen Nebeneffekten führen. Neben dem klassischen SSAO (ScreenSpace-Ambient-Occlusion) ist auch Nvidias HBAO+ ein solcher Bildbereichseffekt. Außerdem sorgt der Umstand, dass es sich bei dem Effekt um keine "echte" dreidimensionale Berechnung handelt, sondern um eine aus 2D-Daten kreierte Textur, für einige Unstimmigkeiten.
    Hier seht ihr die Umgebungsverdeckung als Textur; diese wird nach dem Rendern über das Bild gelegt. Hier seht ihr die Umgebungsverdeckung als Textur; diese wird nach dem Rendern über das Bild gelegt. Quelle: PC Games


    Umgebungsverdeckung in Mass Effect: Andromeda

          

    Mass Effect Andromeda ist ein gutes Demonstrationsbeispiel, die Umgebungsverdeckung "HBAO Voll" fällt sehr auffällig aus.

    Mass Effect Andromeda nutzt wie andere Frostbite-Titel auch eine von Nvidias HBAO (nicht dessen Plus-Variante) abstammende Umgebungsverdeckung. Die in Mass Effect anwählbare Variante "HBAO Voll" wird dabei offenbar in der nativen Renderauflösung berechnet und wirkt gegenüber der Standard-Variante außerdem deutlich dunkler. Wird die Umgebungsverdeckung deaktiviert (siehe Bild, 1), verliert das Bild sehr viel Tiefe sowie feine Details und wirkt auch auf das menschliche Auge deutlich unglaubwürdiger. Da es sich um einen Screen-Space- sowie einen Post-Processing-Effekt handelt, gibt es einige Auffälligkeiten. So ist der Schatten, den das Bein unserer Spielfigur wirft, in der Realität unmöglich (2). Ein anderer Nebeneffekt zeigt sich unter der Achsel: Obwohl unsere Heldin keinen Einfluss auf den Schatten unter der Kiste haben sollte, wird dieser dort unterbrochen. (3)
    Mass Effect Andromeda mit 'HBAO Voll' - Nebeneffekte einer Umgebungsverdeckung. Mass Effect Andromeda mit "HBAO Voll" - Nebeneffekte einer Umgebungsverdeckung. Quelle: PC Games


    Nvidias HBAO+ und VXAO in Rise of the Tomb Raider

          

    Rise of the Tomb Raider ist der erste Titel, der auf Nvidias voxelbasierte Umgebungsverdeckung VXAO und World- anstatt Screen-Space setzt.

    Voxelbasierte Effekte werden wohl in näherer Zukunft an Bedeutung gewinnen, aktuell sind diese aber noch relativ teuer. VXAO ist zudem Nvidia-exklusiv, was der Verbreitung wohl nicht helfen wird. Im Vergleich zum deutlich günstigeren HBAO+ arbeitet VXAO sichtbar präziser (siehe Bild, 1) und greift auch feinere Details auf (2). Vor allem fallen aber die Probleme durch den Screen- Space weg. VXAO wird auf die gesamte Szene angewandt, nicht nur auf den Bildausschnitt. HBAO+ blendet schon früh aus, weil der Screen-Space ausgeht (3).

    Philipps Tipp: VXAO ist cool, kostet gemessen am optischen Gewinn aber viel Leistung und ist außerdem Nvidia-exklusiv. Doch Voxel-Effekte werden wir in Zukunft häufiger sehen.
    Rise of the Tomb Raider mit HBAO+ und VXAO - Screen-Space und World-Space. Rise of the Tomb Raider mit HBAO+ und VXAO - Screen-Space und World-Space. Quelle: PC Games


    Spiegelungen und Reflexionen

          

    Screen-Space-Reflections bringen viel Atmosphäre, sind aber etwas problematisch.

    The Division zeigt insbesondere nachts einige sehr schicke Reflexionen und nur wenige Artefakte. The Division zeigt insbesondere nachts einige sehr schicke Reflexionen und nur wenige Artefakte. Quelle: PC Games Nass glänzender Asphalt, spiegelnde Pfützen, Wasseroberflächen oder funkelndes Metall - ohne reflektiertes Licht beziehungsweise dessen näherungsweiser Simulation würden Szenen in Spielen viel von ihrer Glaubwürdigkeit verlieren. Zudem dienen Reflexionen als stilistisches Mittel: Ein Film wie Blade Runner würde ohne sich auf dem nassen Asphalt widerspiegelnde Neonreklame einen großen Teil des charakteristischen Looks einbüßen. Doch realitätsnahe Reflexionen wären sehr aufwendig zu berechnen. Im Grunde müsste die gesamte Szene inklusive Licht und Schatten nochmals berechnet werden, was in Anbetracht der Komplexität moderner Spiele nicht realistisch ist.

    Also greifen die Entwickler zu Tricks. Einer der simpelsten und am häufigsten genutzten Render-Kniffe basiert auf Cube-Maps. Das Ganze funktioniert ein wenig wie eine Skybox: Aus mehreren statischen und meist recht niedrig aufgelösten Texturen wird ein virtueller Würfel generiert. Dieser bewegt sich blickwinkelabhängig synchron mit der Kamera beziehungsweise Perspektive des Spielers. Der Inhalt dieses Würfels wird dann auf die spiegelnde Oberfläche gelegt. Dies erzeugt eine ansatzweise glaubhafte Illusion einer Reflexion. Doch niedrige Auflösung, die zu weiten Teilen fehlende Dynamik und Perspektivenprobleme stören das Bild.

    Noch eine Raytracing-Annäherung

          

    An dieser Stelle kommen die Screen-Space-Reflections ins Spiel. Prinzipiell ist diese Art Reflexion schon recht nahe dem Raytracing, doch das Verfahren ist stark vereinfacht. So suggeriert der Präfix "Screen-Space", dass einzig der Bildschirminhalt berücksichtigt wird: Alles außerhalb des für den Spieler sichtbaren Bildes kann nicht gespiegelt werden. Das gilt beispielsweise auch für die eigene Spielfigur, weshalb ihr in First-Person-Shootern nicht euer alter Ego zu Gesicht bekommt, solltet ihr in einen Spiegel blicken. Es gibt seltene Ausnahmen, dann kommt jedoch auch eine andere Technik zum Einsatz. Oder das Charaktermodell wird für spezielle Spiegelungen gesondert berechnet - bei Mirror's Edge Catalyst und der Heldin Faith zum Beispiel. Bei ScreenSpace-Reflections werden zudem häufig temporale Verrechnungen genutzt, um Leistung zu sparen, Artefaktbildung zu kaschierern und Flimmern zu unterdrücken.

    Schwachstellen der Technik

          

    Ihr könnt in einer Bildbereichsreflexion also im Grunde nur das sehen, was gerade auf dem Bildschirm zu sehen ist. Alles andere wird vom Shader ausgeblendet, was zu einigen sehr auffälligen und befremdlich wirkenden Nebeneffekten führt. Zu weiteren Problemen kommt es, wenn sich vor der Spiegelung ein Objekt befindet, beispielsweise das Waffenmodell in einem Ego-Shooter. Denn zum einen befindet sich das Objekt im Weg: Bei der Berechnung der Reflexion wird ein unsichtbarer Strahl von dem virtuellen Auge des Spielers auf die spiegelnde Oberfläche geschickt. Das Waffenmodell würde diesen Strahl aufhalten. Es muss außerdem in fast allen Fällen ein großzügiger Bereich um das betreffende Objekt herum ausgeschnitten werden, damit dieses nicht optisch inkorrekt selbst in die Spiegelung gelangt.

    Ein ziemlich abenteuerliches Beispiel findet ihr nachfolgend. Der Stacheldrahtzaun vor der mit Screen-Space-Reflections verzierten Wasseroberfläche in Battlefield 1 torpediert deren Darstellung stark. Es handelt sich jedoch um keinen Grafikfehler, an dieser Stelle limitiert die Technik. Um solcherlei Auffälligkeiten zu kaschieren, werden häufig Cube-Maps an den Stellen eingeblendet, an denen die Screen-Space-Reflections aussetzen. In The Division funktioniert dies beispielsweise sehr überzeugend: Der Open-World-Shooter aktualisiert alle paar Frames die Cube-Maps mit neuen, aus der Umgebung und der vorherrschenden Lichtsituation gewonnenen Daten. Außerdem filtert der Ubisoft-Titel die Reflexionen sehr geschickt und vermischt sie temporal mit den Cube-Maps. Probleme mit Spiegelungen der Charaktere sind außerdem kaschiert und eher unauffällig.

    Philipps Tipp: Screen-Space-Reflections sind schick, aber sie zeigen praktisch immer irgendwelche unschönen Nebeneffekte und Artefakte. Sie kosten außerdem häufig viel Leistung, obwohl nur der Screen-Space in die Berechnung einbezogen wird. Ich würde persönlich aber nur recht ungern auf sie verzichten, denn sie können durchaus den gesamten Look einer Szene beeinflussen.


    Hochauflösende Screen-Space-Reflections in Mass Effect Andromeda

          

    Mass Effect Andromeda zeigt einige sehr schicke Reflexionen, die auf höchster Qualität in voller Auflösung berechnet werden.

    Die Screen-Space-Reflections in Mass Effect Andromeda sehen sehr schick aus und erzeugen insbesondere auf Schiffen und Stationen oder Umgebungen mit feuchtglänzenden Oberflächen sehr viel Atmosphäre. Die Spiegelungen sind auf dem PC und bei höchster Effektqualität sehr hochauflösend (1) und zieren viele Oberflächen. Werden sie deaktiviert, verliert die Szene viel von ihrer Atmosphäre (2). Zudem kommen eine feine temporale Filterung, eine Kontaktverhärtung sowie weitere Rendertricks zum Einsatz. Einige Nebeneffekte sind zu bemerken, zu den auffälligsten zählt das Verwischen bei Kamerabewegungen. Dies geht auf die temporale Verrechnung über mehrere Frames zurück und ist insbesondere bei relativ niedrigen Bildraten zu beobachten. Um Spielfiguren oder Objekte herum treten indes einige charakteristische Problemstellen auf, diese sind aber recht unauffällig (3).
    Mass Effect Andromeda: Fast jede Oberfläche zeigt eine Reflexion. Mass Effect Andromeda: Fast jede Oberfläche zeigt eine Reflexion. Quelle: PC Games


    Die Reflexionen in Deus Ex: Mankind Divided

          

    Die in Mankind Divided erstmals genutzte Dawn-Engine zeigt prinzipiell sehr schicke Screen-Space-Reflections, doch es gibt auch hier einige Auffälligkeiten.

    Technisch fährt der neue, auf der Glacier-2-Engine (Hitman) basierende Grafikmotor von Deus Ex einiges auf. Die schicken Spiegelungen werden in Mankind Divided freizügig eingesetzt und verstärken in dem Titel - ähnlich wie die Reflexionen in Mirror's Edge - den "cleanen" Sci-Fi-Look. Die qualitativ hochwertigen Screen-Space-Reflections werden mit Cube-Maps ergänzt, letztere sind allerdings recht niedrig aufgelöst. Zudem sind sie statisch und bilden nur unbewegte Objekte ab (1). Die Spiegelungen zieren zudem auch vertikale Flächen, wir können an solch einer Wand einmal gut die typischen Probleme mit der Charakter-Darstellung demonstrieren. In Ego-Perspektive würde Jensen gar keine Spiegelung zeigen, weil die Figur nicht im Bildbereich zu sehen ist. In der Third-Person-Ansicht kann ebenfalls nur der Teil gespiegelt werden, der sich gerade sichtbar im Bild befindet (2).
    Die Reflexionen in Deus Ex: Mankind Divided. Die Reflexionen in Deus Ex: Mankind Divided. Quelle: PC Games


    Artefaktbildung bei Screen-Space- und temporalen Effekten

          

    Generell sind die hochauflösenden Reflexionen in Battlefield 1 sehr gefällig. Es gibt jedoch einige Situationen, bei denen sie sehr befremdlich wirken.

    Battlefield 1 nutzt prinzipiell sehr überzeugende Stochastic-Screen-Space-Reflections samt aufwendiger temporaler Filterung. An dieser

    spezifischen Stelle kommt es jedoch zu einem kleinen Debakel. Der vor der spiegelnden Wasseroberfläche positionierte Stacheldrahtzaun sorgt für Fehldarstellungen. Hier hätte der Designer besser andere Objekte platziert, die weniger Probleme mit Reflexionen verursachen. Allerdings hatte der DICE-Mitarbeiter eventuell überhaupt keine Kenntnis darüber, das der Effekt dort platziert werden sollte, denn dieser ist auf PS4 und Xbox One nicht vorhanden und wurde eventuell erst nach dem eigentlichen Leveldesign bei der PC-Version hinzugefügt. Wir haben für dieses Bild außerdem die Bildrate auf 20 Fps begrenzt, um die Auswirkungen der temporalen Verrechnung zu demonstrieren. Bei niedrigen Bildraten neigen temporale Effekte zum Verwischen.
    Screen-Space-Unfall in Battlefield 1. Screen-Space-Unfall in Battlefield 1. Quelle: PC Games


    Die Arbeitsweise einer Screen-Space-Reflection

          

    Auch Resident Evil 7 nutzt sehr auffällige Screen- Space-Reflections, die wir an dieser Stelle einmal heranziehen, um deren Arbeitsweise zu erklären.

    Im ersten Bild ist die Tür noch komplett im Screen- Space, kann also in der Pfütze gespiegelt werden. Dazu wird ein virtueller Strahl (Ray) von der Spielerper spektive zur Pfütze entsandt, dann ein Pfad (Tracer) von dort zur Tür gezeichnet. Trifft er dort auf, wird der Farbwert des Punktes aufgegriffen. Nun nimmt wiederum der Punkt in der Pfütze diesen Farbwert an. Das geschieht mehrfach, aus den einzelnen Elementen setzt sich schlussendlich das Bild der Spiegelung zusammen. Ist der Winkel aber zu steil und trifft der entsandte Tracer auf einen Punkt außerhalb des Bildes, ist dieser also nicht mehr im Screen-Space, kann dort auch kein Farbwert aufgegriffen werden. Daher können wir die Spiegelung mit einem Ändern unserer Perspektive "aus dem Bild wischen". Dies ist ein recht eindeutiges Indiz für einen Screen-Space-Effekt und funktioniert beispielsweise auch mit einer Umgebungsverdeckung.
    Die Arbeitsweise einer Screen-Space-Reflection. Die Arbeitsweise einer Screen-Space-Reflection. Quelle: PC Games


    Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt - Zeitplan

          

    7. Mai 2017 - Teil 1 - Umgebungsverdeckung
    20. Mai 2017 - Teil 2 - Spiegelungen und Reflexionen
    4. Juni 2017 - Teil 3 - Die moderne Texturdarstellung
    ...Viele weitere Teile folgen!

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Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt: Teil 2 - Spiegelungen und Reflexionen
Was bedeuten Grafikbegriffe wie Reflexionen, Spiegelungen, HBAO+ oder VXAO in Spielen? In unserem mehrteiligen Special zeigen wir euch auf verständliche Art, welche Effekte und Rendering-Techniken in aktuellen Spielen zum Einsatz kommen. Teil 2 ist jetzt online: Spiegelungen und Reflexionen. In den nächsten Wochen werden wir den Artikel um viele weitere Begriffe aus der Welt der Hardware- und Grafikeffekte erweitern.
http://www.pcgames.de/Spiele-Thema-239104/Specials/Hardware-und-Grafikeffekte-erklaert-1227122/
20.05.2017
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