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Umgebungsverdeckung: Hardware- und Grafikeffekte Glossar

Umgebungsverdeckung: Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt

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.


43 Bilder 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)


43 Bilder 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.


43 Bilder 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]

Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt - Zeitplan

7. Mai 2017 - Teil 1 - Umgebungsverdeckung
20. Mai 2017 - Teil 2 - Spiegelungen und Reflexionen
3. Juni 2017 - Teil 3 - Die moderne Texturdarstellung
25. Juni 2017 - Teil 4 - Depth of Field oder Tiefenschärfe
9. Juli 2017 - Teil 5 - Moderne Kantenglättungsverfahren
30. Juli 2017 - Teil 6 - Globale Beleuchtung
13. August 2017 - Teil 7 - Voxel und Voxel-basierte Grafik in Spielen
27. August 2017 - Teil 8 - Schattendarstellung in Spielen
...Viele weitere Teile folgen!

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