Battlefield V: Echtzeit-Raytracing

DICE ist bekannt für außerordentliche Gameplay-Erlebnisse, die fest in der Realität verwurzelt sind. Jetzt wurde erstmals Echtzeit-Raytracing in einen Battlefield-Titel integriert. Christian Holmquist, Technical Director bei DICE, erklärt, wie dadurch wirklich realistische und dynamische Reflexionen in Battlefield™ V auf PC möglich sind.

Licht, Schatten und Reflexionen sind visuelle Effekte, die im Designprozess jedes Videospiels eine entscheidende Rolle spielen. Sie verstärken die Atmosphäre der Umgebung, in der die Spieler sich befinden, und geben wichtige visuelle Hinweise über Form und Material von 3D-Objekten.

In der gesamten Battlefield-Reihe haben diese Komponenten dem Gameplay stets einen zusätzlichen ungeschönten Realismus verliehen. Erinnert euch nur daran, welche Dramatik sie den zerstörten Landschaften und den Ruinen von Passendale in Battlefield 1 gegeben haben.

Die Grafik von Battlefield war zwar schon immer beeindruckend, aber trotzdem wollte DICE die kreativen Grenzen durch die Abkehr von traditionellen Rasterungstechniken erweitern.

"Rasterung ist die Konvertierung eines Gitters von Dreiecken, das ein 3D-Modell eines Objektes repräsentiert, in Pixel auf dem Bildschirm", erläutert Christian Holmquist, Technical Director bei DICE.

Diese Dreiecke haben Ecken, die man Schnittpunkte nennt, und die mit den anderen Schnittpunkten auf diesem Gitter interagieren. Der Rasterizer legt fest, welche Pixel jedes Dreieck bei der aktuellen Ansicht verdeckt, und berechnet dann die Farbe jedes Pixels, wenn es auf dem Bildschirm dargestellt wird.

Allerdings, führt Christian aus, "kann die Rasterung die Interaktion von Objekten sehr erschweren, weil jedes Dreieck die Szene komplett kennen muss, um sich selbst korrekt darstellen zu können."

Mit Echtzeit-Raytracing wurde nun ein neuer Ansatz entwickelt, um realistische Grafikeffekte zu erzeugen. Diese Technik, die man üblicherweise mit Computeranimationen in Filmen assoziiert ermöglicht, jetzt auch im Gameplay eine bislang ungekannte grafische Realitätstreue.

Christian spricht dabei ganz aufgeregt von "etwas, das wir immer angestrebt haben, schon seit Langem. Bisher ist es uns zwar wunderbar gelungen, ein Objekt isoliert zu entwerfen und nahezu perfekt zu gestalten, aber bei der Interaktion zwischen Objekten ermöglicht erst Raytracing einwandfreie Reflexionen, Schatten und Gesamtausleuchtung."

Außerdem verschiebt Raytracing die bisherigen Grenzen von Reflexionen, indirekter Beleuchtung, Umgebungsverdeckung und Fresnel, der unterschiedlichen Intensität der Lichtreflexion je nach Einfallswinkel.

"Als wir Echtzeit-Raytracing erstmals in unsere Karten Arktischer Fjord und Rotterdam implementiert haben, waren wir hin und weg", erinnert sich Christian begeistert.

Im Prinzip verfolgt ein Algorithmus den Weg des Lichts aus vielen verschiedenen Perspektiven und simuliert seine Interaktion mit den 3D-Objekten in der Szene. Bei der Bewegung des Strahls durch die Szene sammelt er Informationen über Farbe und Licht von allen Objekten, auf die er trifft. Alle Interaktionen werden kombiniert und ergeben die endgültige Farbe eines Pixels, das dann auf dem Bildschirm angezeigt wird.

Durch das Tracing von Oberflächen wie Fenster, Autos, Panzer, Lampenmasten, Kacheln, Pfützen und Waffen werden alle Elemente der Umgebung korrekt reflektiert.

Das funktioniert sogar bei 3D-Objekten mit Mikro- oder Substrukturen sowie rauen, konkaven oder transparenten Oberflächen. Genau wie in der Realität, "sind die Reflexionen vorhanden, egal, ob und wie ein Spieler sich in ihrer Umgebung bewegt", fügt Christian hinzu. "Es ist unerheblich, wie komplex die Szene oder Oberfläche ist, mit Raytracing ist das Resultat immer korrekt.

Die Reflexionen sind nicht immer komplett scharf, aber Spieler können zum Beispiel Explosionen hinter sich an den Reflexionen der Detonationspartikel auf der Oberfläche eines Fahrzeugs vor sich bemerken."

Rasterung ermöglicht keine effizienten Reflexionen von Objekten außerhalb des Bildschirmbereichs – eine Einschränkung der standardmäßig genutzten Screen Space Reflection (SSR). Dabei werden Pixeldaten des Bildschirmraums erneut benutzt, um Reflexionen zu berechnen, zum Beispiel für subtile Reflexionen auf nassem Boden oder in Pfützen – erinnere dich zum Beispiel an das feuchte Flugdeck in Battlefield™ 3, wenn Lt. Jennifer Hawkins in "Auf der Jagd" an Bord ihrer F18 geht.

Durch das Rendern der Reflexionen des Spiels in Echtzeit, die sich perfekt in andere Bereiche der Spielwelt einfügen, die beleuchtet werden oder Licht abgeben, wird das Gameplay als Ganzes viel realistischer und glaubwürdiger. Oder wie Christian es formuliert: "Die Welt von Battlefield V soll sich real anfühlen – Punkt."

Natürlich gab es auch Herausforderungen, erklärt Christian: "Durchsichtigkeit und Lichtdurchlässigkeit sind beim Rendering immer kompliziert, und das wurde durch Raytracing sogar noch verstärkt. Explosionen sind auch kniffelig, weil für ein korrektes visuelles Gesamtergebnis sehr viele Partikel berechnet werden müssen." Sobald der Effekt platziert ist, kann der Strahl die korrekte Farbberechnung durchführen, und bis das funktioniert hat, musste das Rendering-Team bei DICE sehr viel Arbeit investieren.

Schließlich hat es aber geklappt, und Christian vergleicht diese Fortschritte beim Echtzeit-Raytracing mit "einer dieser Sachen, wie sie nur einmal alle 10 Jahre passieren, wie der gewaltige Sprung bei der Grafik in den 1990ern durch die Einführung der Hardware-Beschleunigung bei der 3D-Grafik."

Nach seiner Meinung zur Zukunft des Raytracing befragt, antwortet Christian: "Die Spieler werden bei Interaktionen eine enorme Qualitätssteigerung erleben." Dynamische Szenen werden bessere Reflexionen haben, detaillierter sein, und Raytracing wird umfassender für Schatten, Umgebungsverdeckung und Anpassung der Gesamtausleuchtung eingesetzt werden.

Modernste Raytracing-Architektur in Verbindung mit der engagierten Arbeit des Rendering-Teams von DICE macht Battlefield V für PC zu einem der innovativsten Battlefield-Titel, die es je gab. "Echtzeit-Raytracing ermöglicht enorm intensive, immersive und optisch atemberaubende Erlebnisse, und wir freuen uns sehr, dass Battlefield V das erste Spiel ist, das diese Technologie nutzt. Wir haben eng mit NVIDIA zusammengearbeitet, um unseren Fans Raytracing bieten zu können, und natürlich werden wir DXR ständig verbessern und optimieren."

Spieler können eine erste Version von DXR Echtzeit-Raytracing unmittelbar mit den Grafikkarten der GeForce RTX 20-Serie von NVIDIA in Battlefield V erleben.

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