Echtzeit-Raytracing, ein auf der Aussendung von Strahlen basierender Algorithmus zur Ermittlung der Sichtbarkeit von dreidimensionalen Objekten von einem bestimmten Punkt im Raum aus, ist derzeit insbesondere im Bereich der Videospiele in aller Munde.
Während Raytracing die bereits betagte Rendergrafik aktuell als neuer Standard für die Grafik in Videospielen ablöst, steht mit Pathtracing (oder auch Path Tracing) schon ein nochmals deutlich leistungsstärkerer Nachfolger in den Startlöchern, welcher im düsteren und dystopischen Action-Rollenspiel Cyberpunk 2077 seine Premiere gefeiert hat.
Was ist Pathtracing?
Anders als Raytracing, ist Pathtracing ein Algorithmus zur Bildsynthese, welcher die grafisch korrekte Simulation der globalen Beleuchtung ermöglichen soll.
Die Pfadnachverfolgung mittels Pathtracing basiert auf der Erkenntnis, dass eine korrekte und möglichst „realistische“ Simulation der globalen Beleuchtung der Lösung der sogenannten Rendergleichung entspricht, welche die Strahlungsdichte eines beliebigen, von einem bestimmten Punkt ausgehenden Lichtstrahls angibt.
Um das zu ermöglichen, verwendet Pathtracing rigorose mathematische Verfahren, die aus dem Bereich der mathematischen Statistik stammen.
Der Algorithmus von Pathtracing verwendet eine sogenannte Monte-Carlo-Integration, um die Rendergleichung näherungsweise zu lösen. Daher wird Pathtracing auch als Monte-Carlo-Raytracing bezeichnet.
Strahlen vs. Pfade
Während beim Raytracing einzelne Lichtstrahlen simuliert und diese von einem Ausgangspunkt zu einem Zielpunkt verfolgt werden, werden diese Strahlen beim Pathtracing vervielfältigt. Das Ergebnis ist eine Simulation des Lichtes in einer gesamten Szene.
Der Unterschied zum diffusen Raytracing liegt darin, dass beim Pathtracing die vollständige Rendergleichung mittels zufällig generierten Strahlen auf allen – auch auf diffusen – Oberflächen gelöst und somit die globale Beleuchtung („Global Illumination“) simuliert wird. Pathtracing ist ein vollständiges Raytracing-Verfahren, das im Gegensatz zum klassischen Raytracing auch die globale Beleuchtung simuliert.
Durch die erweiterten technischen Möglichkeiten von Pathtracing können weitaus realistischere Bilder erzeugt werden. Pathtracing ist auch in der Lage, komplexe Phänomene wie Reflexionen und Schattenwürfe physikalisch korrekt zu simulieren, was in dieser Form mit „einfachem“ Raytracing nicht möglich ist.
Da Pathtracing aktuell aber noch unverhältnismäßig viel Leistung, insbesondere von der Grafikkarte, abverlangt, ist eine vollständige Umsetzung der zurzeit größtenteils in Rendergrafik mit optionalem Raytracing umgesetzten Spiele noch Zukunftsmusik.
Deswegen behilft sich Nvidia mit der Technologie Deep Learning Super Sampling (DLSS 3), um mithilfe von KI Zwischenbilder zu generieren. Damit lässt sich Cyberpunk 2077 im Overdrive-Mode etwa mit der RTX 4090 auch in UHD-Auflösung genießen.
Zukunftsmusik
Auch wenn Pathtracing in Videospielen noch in den Kinderschuhen steckt, so sind bereits einige sehr sehenswerte Implementierungen verfügbar.
Insbesondere das düstere und dystopische Action-Rollenspiel Cyberpunk 2077 und der Third-Person-Shooter Control wissen mit der opulenten Grafik der Zukunft bereits heute zu überzeugen.
Am besten kommt Pathtracing im neuen Overdrive-Mode von Cyberpunk 2077 zur Geltung, den die Entwickler von CD Projekt Red gemeinsam mit Nvidia und dessen NVIDIA RTX Path Tracing Software Development Kit (SDK) realisiert haben.
In den kommenden Jahren wird erst einmal Raytracing mehr und mehr die klassische Rendergrafik ablösen, bevor dann Pathtracing Stück für Stück die heute optionale Position von Raytracing einnehmen wird.
Für den flächendeckenden Einsatz der Pfadverfolgung ist es noch zu früh, da Mainstream-Hardware noch nicht in der Lage ist, eine auf diesem Weg erstellte Grafik entsprechend schnell zu beschleunigen. Hier werden noch einige Jahre ins Land ziehen.
Das Beispiel Cyberpunk 2077 mit Pathtracing macht es deutlich: Hier wird eine Nvidia GeForce RTX 4090 für mehr als 1.600 Euro benötigt, damit das Spiel mit 50 bis 60 Bildern pro Sekunde flüssig läuft.
Nvidia Geforce RTX 4090 im Test: Viel schneller und effizienter als gedacht
Autor: Sven Bauduin, Autor
Sven Bauduin konzipiert und realisiert bereits seit rund 20 Jahren Computersysteme und berichtet über fast alle relevanten IT-Themen. Aktuelle Hardware wie Prozessoren, Mainboards, Arbeitsspeicher und Grafikkarten aber auch Betriebssysteme und Anwendungssoftware sowie Linux und Open Source sind seine Themenschwerpunkte.