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Globale Beleuchtung: Hardware- und Grafikeffekte Glossar

Globale Beleuchtung: Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt

Eine Globale Beleuchtung sorgt für glaubhaftes und dynamisches Licht in modernen Spielen.

Die Globale Beleuchtung oder Global Illumination (GI) ist in den letzten Jahren immer wichtiger geworden. Das liegt auch daran, dass sich das Textur- und Rendermodell gewandelt hat und nun physikalische Attribute nutzt, um eintreffendes Licht realistisch anzunehmen (siehe Physically Based Rendering). Auch die gestiegene Dynamik insbesondere in Open-World-Titeln mit wechselnden Licht- und Witterungsszenarien setzt aufwendige Lighting-Modelle voraus. Doch was kann man sich eigentlich unter einer "globalen" Beleuchtung vorstellen?


43 Bilder Globale Beleuchtung mit gut sichtbarer Farbübertragung in Mirror's Edge Catalyst. Globale Beleuchtung mit gut sichtbarer Farbübertragung in Mirror's Edge Catalyst. [Quelle: PC Games]
Nun, es handelt sich im Grunde um die Kombination aus direktem und indirektem, also reflektiertem, Licht. Ziel ist die Simulation von folgendem Umstand in der Realität: Ein Lichtstrahl trifft auf eine Fläche. Dort wird ein Teil des direkten Lichts absorbiert, der Rest reflektiert. Dies bestimmt die Helligkeit und Färbung der Oberfläche, wie das menschliche Auge sie wahrnimmt. Der reflektierte Strahl trifft nun indirekt auf weitere Oberflächen, die wiederum einen Teil absorbieren und den Rest reflektieren. Da nur ein bestimmter Teil des Spektrums dort eintrifft, findet neben dem Lichttransfer außerdem eine Farbübertragung statt.

In der Realität passiert dies so oft, bis das Licht restlos absorbiert wurde. Die Beleuchtung wirkt auf die gesamte Umgebung daher "global". Für solch komplexe Berechnungen ist indes die Hardware zu schwach, es muss getrickst werden: Aktuell ist die Globale Beleuchtung eine weitere Raytracing-Annäherung. Die Hauptaufgabe ist die realitätsnahe und "globale" Ausleuchtung komplexer Spieleszenen. Der Effekt ist häufig subtil (weil glaubhaft) und nicht immer einfach aufzuzeigen, da sich die Globale Beleuchtung normalerweise nicht deaktivieren lässt.

Philipps Tipp: Es gibt Dutzende verschiedener Ansätze für den gleichen Effekt. Streng genommen übernimmt eine Globale Beleuchtung auch die Aufgaben von Umgebungsverdeckung oder Reflexionen. Sie simuliert abprallendes Licht (Reflexion) und jene Stellen, an die sie nicht oder nur partiell dringen kann, sind dunkler (Umgebungsverdeckung). Doch ist sie nicht genau und nicht dramatisch genug, um diese Effekte überflüssig zu machen. Außerdem muss mit der Globalen Beleuchtung viel getrickst werden, sonst ist sie viel zu teuer.


Schnelle und zumeist überzeugende GI in Battlefield 1 und Overwatch

      

Ebenso wie sehr viele aktuelle Titel nutzen sowohl Battlefield 1 als auch Overwatch eine Globale Beleuchtung auf Basis der Middleware Enlighten.

Bereits Battlefield 3 nutzte eine Globale Beleuchtung via Enlighten-Middleware. Diese Technik kann außerdem in vielen Spielen auf Basis der Unity- oder Unreal Engine 4 beobachtet werden. Enlighten unterstützt eine Echtzeit-Berechnung und wirkt zumeist sehr überzeugend auf das Auge. Die Lichtübergänge sind realistisch weich und auch bei dynamischen Szenen, beispielsweise nach Zerstörung der Umgebung, passt sich das Licht glaubhaft den neuen Umständen an. Die Färbung an der Decke geht indes zu weiten Teilen auf dort platzierte Screen-Space-Reflections zurück; deaktivieren wir sie, entfällt ein Großteil der Färbung (1).

Auch eine Umgebungsverdeckung kommt zum Einsatz, obwohl die GI selbst ein wenig verdunkelt, was man beobachten kann, wenn die Ambient Occlusion abschaltet (2). Am auffälligsten ist jedoch der Umstand, dass nur das Level wirklich komplett ausgeleuchtet wird. (Dynamische) Objekte wie der Soldat im Bild nutzen sogenannte Light Probes. Diese unsichtbaren "Sonden" werden im Level verteilt und greifen dort Beleuchtungsinformationen auf. Tritt nun ein Spieler an eine dieser Stellen, sendet die Light Probe diese Informationen an die Figur; diese wiederum nimmt nun die Daten der Beleuchtung an. Diesen Umstand kann man in Battlefield 1 gut beobachten, der Soldat bei (3) hat noch keine Light Probe im Innenraum getroffen, sondern trägt noch die Beleuchtungsdaten von Draußen, weshalb er sich nur unglaubwürdig in die Szene einfügt.


43 Bilder Battlefield 1 nutzt eine dynamische Beleuchtung samt mehreren 'Abprallern' für die Levelgeometrie sowie Light Probes für die Figuren und Objekte. Battlefield 1 nutzt eine dynamische Beleuchtung samt mehreren "Abprallern" für die Levelgeometrie sowie Light Probes für die Figuren und Objekte. [Quelle: PC Games]
Bei Overwatch lässt sich die Farbübertragung der GI bei (1),(2) und (3) erkennen, bei (4) und (5) seht ihr die Verdunklung durch die Globale Beleuchtung.

43 Bilder Sogar das optisch eher schlicht gehaltene und recht statische Overwatch nutzt eine Globale Beleuchtung samt Farbübertragungen. Sogar das optisch eher schlicht gehaltene und recht statische Overwatch nutzt eine Globale Beleuchtung samt Farbübertragungen. [Quelle: PC Games]


Vorberechnung in Assassin's Creed, Dynamik in Quantum Break

      

Eine detaillierte, dynamische Globale Beleuchtung ist teuer. Jene von Quantum Break ist dynamisch, muss aber grob tricksen, in Assassin's Creed Unity ist die GI vorberechnet.

Assassin's Creed Unity war einer der ersten wirklich beeindruckenden "Next-Gen"-Titel, der erstmals die neue Konsolen-Technik ausschöpfte und außerdem gleich mal reichlich überforderte. Neben PBR kommt zudem eine Globale Beleuchtung zum Einsatz, allerdings ist diese vorberechnet und liegt in großen Datenpaketen auf dem Laufwerk (in Unity sind 16,8 von 40,4 GByte die vorgebackene GI). Die Engine tauscht diese Daten bei Bedarf aus, was man durchaus beim Spielen anhand der begrenzten, grob wechselnden und häufig wiederkehrenden Beleuchtungsszenarien bemerken kann. Die GI ist außerdem auf die Levelarchitektur begrenzt, für Figuren kommen wie in Battlefield 1 oder anderen Titeln Light Probes zum Einsatz. Auch das optisch etwas weniger ambitionierte Syndicate setzt auf eine vorberechnete Beleuchtung. In späteren Anvil-Titeln wie Wildlands ist dies nicht mehr der Fall - augenscheinlich auch nicht im kommenden Assassin's Creed.


43 Bilder Die Globale Beleuchtung in Assassin's Creed Unity ist vorberechnet. Die Globale Beleuchtung in Assassin's Creed Unity ist vorberechnet. [Quelle: PC Games]
Quantum Break wählt einan anderen Ansatz: Aufgrund der hohen Dymanik der Umgebungen und Beleuchtungsszenarien durch die Zeitmanipulation wünschte sich Remedy einen komplett dynamischen Ansatz für die Globale Beleuchtung. Doch dazu fehlte die Hardware-Power, weshalb das Studio schlussendlich eine Mischung aus klassischer Beleuchtung, volumetrischem Licht sowie Screen-Space-Effekten (z.B. Verdeckung, Reflexionen) und Irradiance Volumes entschied. Letztere funktionieren ein wenig wie Light Probes, sind also virtuelle im Level verteilte "Sonden" und beinhalten Beleuchtungsdaten, die sie an die Umgebung ab-, aber auch untereinander weitergeben.

43 Bilder Die GI in Quantum Break ist zu weiten Teilen dynamisch und wirkt auch auf Objekte und Figuren; es muss jedoch recht viel getrickst werden. Die GI in Quantum Break ist zu weiten Teilen dynamisch und wirkt auch auf Objekte und Figuren; es muss jedoch recht viel getrickst werden. [Quelle: PC Games]


Voxelbasierte Globale Beleuchtung

      

Eine deutliche Verbesserung gegenüber einer vorberechneten, teil- oder halbdynamischen Globalen Beleuchtungen versprechen Voxel-Ansätze.

Bei eine voxelbasierten Globalen Beleuchtung wird die Szene intern in viele kleine (normalerweise unsichtbare) Quader unterteilt. Es entsteht ein grobes, entfernt an Minecraft erinnerndes Abbild (1). Dank diesem sind reichlich dreidimensionale Daten vorhanden, dennoch ist die Szene deutlich weniger komplex als das Original. Durch diese Voxel können nun tausende Strahlen geschickt werden. Es handelt sich also tatsächlich um so etwas wie ein vereinfachtes Raytracing-Verfahren. Eine sehr akurate Voxel-Variante für eine Globale Beleuchtung existiert in Form von Nvidas VXGI - allerdings bislang nur in Techdemos. Denn trotz aller Vereinfachung ist die Technik dermaßen anspruchsvoll, dass selbst eine stark übertaktete GTX 1080 Ti in der hier gezeigten Apollo-11-Demo und schon in Full HD ihre Grenzen aufgezeigt bekommt und deutlich unter 60 Fps einbrechen kann. Wir können jedoch anhand der Demo einmal zeigen, was passiert, wenn eine Globale Beleuchtung deaktiviert wird und keine "künstliche" Lichtquelle aushilft (2).


43 Bilder VXGI (Voxel Base Global Illumination) ist im Vergleich zu anderen Techniken sehr akurat, aber auch extrem teuer und obendrein Nvidia-exklusiv. VXGI (Voxel Base Global Illumination) ist im Vergleich zu anderen Techniken sehr akurat, aber auch extrem teuer und obendrein Nvidia-exklusiv. [Quelle: PC Games]
Crytek's SVOTI ist ein weiterer Vertreter einer Voxel-GI und ist dank einiger Tricks deutlich günstiger. SVOTI nutzt ein Level-of-Detail, die Voxel werden mit zunehmender Entfernung gröber, zudem werden Beleuchtungsdaten über mehrere Frames verrechnet - beides spart Leistung. Trotzdem ist das Ergebnis sehr gut und zumindest auf flotten PCs ist die Technik schon heute nutzbar. Die Farbübertragung (1) basiert zwar auf der Färbung der Texturen, nicht auf der Szene, vieles wirkt relativ großflächig und es sind einige Darstellungsfehler zu beobachten, doch sowohl das Erhellen (1) als auch Verdunkeln (2), (3) ist optisch sehr überzeugend.

43 Bilder Dank SVOTI (Sparse Voxel Total Illumination) wirkt das hier abgebildete Kingdom Come Deliverance optisch sehr glaubwürdig - zudem ist SVOTI verhältnismäßig günstig. Dank SVOTI (Sparse Voxel Total Illumination) wirkt das hier abgebildete Kingdom Come Deliverance optisch sehr glaubwürdig - zudem ist SVOTI verhältnismäßig günstig. [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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