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Wie viel CPU-Leistung kostet Raytracing? Prozessor-Raytracing


PC Games Hardware Magazin - epaper ⋅ Ausgabe 2/2020 vom 02.01.2020

Nicht nur die Grafikkarte wird bei der Berechnung von Raytracing gefordert. Wir testen die Auswirkungen der hübschen Lichtsimulation auf die CPU mit Intel-und AMD-Prozessoren in vier Spielen.


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Bildquelle: PC Games Hardware Magazin, Ausgabe 2/2020

Bild: www.pixabay.com

Nvidia hat Raytracing mit dem Launch der RTX-Grafikkarten im Herbst 2018 salonfähig gemacht. Raytracing ist ein auf der Aussendung von Strahlen basierender Algorithmus zur Verdeckungsberechnung, also zur Ermittlung der Sichtbarkeit von dreidimensionalen Objekten von einem bestimmten Punkt im Raum aus. Ebenfalls bezeichnet man damit mehrere Erweiterungen dieses grundlegenden Verfahrens, die den ...

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... weiteren Weg von Strahlen nach dem Auftreffen auf Oberflächen berechnen. Die Technik existiert bereits seit 1963 und wurde schon oft für einfache Lichtberechnungen, auch Raycasting genannt, in frühen 3D-Spielen genutzt. Im Grunde besteht eine 3D-Szene aus Polygonen, den Parametern für die lokalen Be-leuchtungsmodelle und den Lichtquellen selbst. Daneben wird beim Raytracing auch die Position eines Augpunktes sowie einer Bildebene angegeben, die zusammen die Perspektive angeben, aus der die Szene betrachtet wird. Der Augpunkt ist ein Punkt im Raum, der der Position einer virtuellen Kamera oder eines allgemeinen Beobachters entspricht. Die Bildebene ist ein virtuelles Rechteck, das sich in einiger Entfernung zum Augpunkt befindet. Sie ist die dreidimensionale Entsprechung des zu rendernden Rasterbildes im Raum. Rasterförmig verteilte Punkte auf der Bildebene entsprechen den Pixeln des zu erzeugenden Rasterbildes. Vom Augpunkt wird nun ein Strahl ausgesendet. Es wird für jedes Pixel die Richtung des Strahls berechnet, der vom Augpunkt aus zum entsprechenden Pixel der Bildebene weist. Das Prinzip ähnelt dem einer Lochkamera, nur das Bildebene und Augpunkt vertauscht sind. Da die Strahlen nicht wie in der Natur von den Lichtquellen, sondern vom Augpunkt ausgehen, spricht man auch von „Backward Ray Tracing“.

Fotorealismus in Echtzeit

Durch Raytracing können im Spiel indirektes Licht, das über Ecken reflektiert wird, halb-transparente Objekte, durch die Licht scheint, sowie realistische Schatteneffekte dargestellt werden. Damit wird eine nahezu fotorealistische Optik erzeugt, und die hat ihren Preis. Da die Erzeugung (Casting) und Nachverfolgung (Tracing) virtueller Lichtstrahlen (Rays), welche mehrfach an Objekten abprallen (Bounces), extrem rechenaufwendig sind, scheiterte bisher jeder Versuch der Echtzeitanwendung. Nvidia wagte dann mit Turing den Sprung ins kalte Nass. Eine ausgeklügelte Mischung aus Hard-und Software ermöglicht Raytracing mit echtzeittauglichen Bildraten. Der Haupttrick dabei ist, dass nicht die komplette Bildberechnung mittels Raytracing erfolgt: Hybrides Rendering mit Rasterisierung und anschließender Raytracing-Aufwertung ist das Stichwort. Man kombiniert die Raster-Effizienz moderner GPUs mit einem selektiven Qualitätssprung durch Raytracing. Doch das ist nicht der einzige Kniff, um die enorme „Strahlenbelastung“ zu reduzieren. Nvidia kratzte bezüglich der Details nur an der Oberfläche, diverse Paper von Raytracing-affinen Entwicklern und Forschern offenbaren jedoch die Herausforderungen.

Besonders lehrreich ist die Präsentation der EA-Forschungsgruppe „Seed“. Diese beschreibt Lösungsansätze für effiziente Reflexionen, Schattierung, Lichtbrechung und mehr. Unterm Strich geht es immer um die Frage, wie sich ein bestimmter Effekt in wenigen Millisekunden und somit flüssigen Bildraten umsetzen lässt. So erfordern flächendeckende Raytracing-Reflexionen eines Metallbodens beispielsweise 16 Rays pro Pixel, andernfalls sehen diese bröselig und hart aus. Das macht bei den gut zwei Millionen Pixeln der Full-HD-Auflösung bereits 32 Millionen Strahlen – pro Bild! Das mal 60 für eine entsprechende Bildrate ist … unmöglich. Seed hat sich daher für eine Lösung bei effektiv halber Auflösung entschieden – 1/4 Ray pro Pixel für Reflexionen, 1/4 Ray für reflektierte Schatten, die zufällig Strahlen schießen, um einen Streu-Effekt zu erzielen. Das ist um Größenordnungen schneller als die n-fache Strahlenzahl pro Pixel, allerdings sehr ungenau.

Nvidias Lösung dafür heißt Deep Learning Super Sampling (DLSS): Ein neuronales Netz wird solange mit hochauflösenden respektive bestmöglich geglätteten Bildern gefüttert, bis es „weiß“, wie gute Grafik aussieht. Die mit enormer Rechenleistung ausgestatteten Tensor-Kerne der RTX-Karten sollen Supersample-AA in Echtzeit an ihrem PC berechnen und somit ein glattes und, SSAA-typisch, knackscharfes Bild erreichen. Nvidia gibt auf Nachfrage an, dass bei DLSS eine nicht in Stein gemeißelte Auflösung unterhalb der eingestellten verwendet wird, welche mithilfe des Deep-Learning-Trainings durch Supersamples mit temporaler Komponente ergänzt wird. Da die CPU die Grafikkarte mit Daten füttert, spielt diese ebenfalls eine große Rolle bei der Berechnung von Raytracing. Für 3D-Filme kommen sogar ausschließlich CPUs zum Einsatz. Diese werden allerdings nur einmal gerendert, während Spiele in Echtzeit berechnet werden müssen, was auf Grafikkarten wesentlich besser funktioniert.

Prozessor in der Hauptrolle

Für unsere Benchmarks nutzen wir eine übertaktete RTX 2080 Ti und die gängigen CPU-lastigen Optionen wie beispielsweise eine Auflösung von 1.280 × 720 Pixeln und eine Mischung aus verschiedenen Grafikoptionen. Für die Benchmarks verzichten wir auf DLSS. Die einzelnen Optionen entnehmen Sie bitte den Benchmarks. Die Auswahl der Spiele beschränkt sich mangels einer großen Auswahl auf vier aktuelle Titel, darunter Battlefield 5, Metro Exodus, Control und Shadow of the Tomb Raider, die verschiedene Raytracing-Verfahren nutzen. Generell ist die Auslegung von Raytracing in Spielen nur als unterstützende Komponente zu verstehen, nicht als Alleinstellungsmerkmal. In Battlefield 5 wird die Technik daher beispielsweise nur für realistischere Reflexionen genutzt. Das spiegelt sich (im wahrsten Sinne des Wortes) auch in den Benchmarks wider: Mit Raytracing wird die Grafikkarte stärker gefordert und die CPU muss mehr Daten bereitstellen, da jetzt auch Dinge außerhalb des Sichtfeldes des Spielers berechnet werden müssen. Die Leistung bricht massiv ein und der kleine Quadcore in Form des Intel Core i7-5775c ist nicht mehr in der Lage ein flüssiges Bild zu liefern. Die Szenen bleiben CPU-limitiert, die Prozessoren unterscheiden sich durch den größeren Einfluss der Grafikkarte aber nicht mehr so stark voneinander.

Control nutzt sehr viele Raytracing-Effekte. Vor allem die Reflexionen sind wunderschön anzusehen, da auch Dinge von außerhalb berechnet und reflektiert werden.


Das Grafikmenü von Control: Sie können wahlweise die Spiegelungen, die Beleuchtung, die Schatteneffekte und sogar den Schutt durch Raytracing berechnen lassen.


In den Fenstern in der Mission „Der letzte Tiger“ in Battlefield 5 werden Informationen abgebildet, die nur durch Raytracing von Außen berechnet werden können.


In Shadow of the Tomb Raider werden Raytracing-Effekte ausschließlich für die realistische Verschattung genutzt. Der Effekt ist extrem subtil.


Shadow of the Tomb Raider nutzt Raytracing für eine möglichst realistische Schattenberechnung. Der Effekt ist sehr subtil und selbst auf Vergleichsbildern nur schwer auszumachen. Das erinnert an die Zeiten, als Screen Space Ambient Occlusion (SSAO) zum ersten Mal die Bühne betrat: Die Effekte erhöhen den Grad des Realismus so stark, dass ein Unterschied in Spielen erst bei direktem Hinsehen auffällt, jedoch kaum beim Spielen selbst. Mit den Raytracing-Schatten stoßen wir mit Lara auf ein hartnäckiges GPU-Limit, das sich in den Benchmarks deutlich beim Schritt von Ryzen 9 3900X auf Core i9-9900KS zeigt. Doch auch bei langsameren CPUs zeigt sich ein leichter Rückgang der Frameraten, welcher allerdings zu verschmerzen ist. Setzen Battlefield 5 und Tomb Raider nur auf zwei einfache Varianten zur Berechnung von Reflexionen und Schatten, kommt bei Metro Exodus eine Globale Beleuchtung zum Einsatz, die mittels Raytracing umgesetzt wird. Diese wirkt sich auf das gesamte Bild aus, Licht und Schatten verschmelzen zu einem völlig anderen Look. Je nach Szene fällt dies allerdings entweder gar nicht oder nur leicht auf, während andere Umgebungen mit einer komplett neuen Stimmung aufwarten. Der Einfluss der CPU ist hier minimal. Die meiste Arbeit wird auch hier, wegen der aufwendigen Beleuchtung, auf die Grafikkarte ausgelagert, obwohl wir nicht einmal das höchste Grafik-Preset nutzen.

Control ist ein Raytracing-Feuerwerk: Raytracing-Schatten, -Reflexionen und außerdem die sehr aufwendig zu berechnende Globale Beleuchtung, welche ebenso imposante Bilder zaubert wie in Metro Exodus. Besonders sehenswert ist der realitätsnahe Schattenwurf und die feinen Spiegelungen. Das ist auch beim Spielen von Belang, denn die Areale sind zu weiten Teilen zerstör-und zerlegbar. Dabei hat die veränderliche Umgebung natürlich auch Auswirkungen auf die Beleuchtung, denn diese muss dynamisch ausfallen, um die Veränderungen zu berücksichtigen. Ebenfalls deutlich akkurater fällt die in der globalen Beleuchtung integrierte Umgebungsverdeckung aus. Diese ist nicht nur genauer, sondern zeigt auch keine Nebeneffekte wie die ohne Raytracing genutzte Screen-Space-Ambient-Occlusion, welche aufgrund ihrer Abhängigkeit vom auf dem Bildschirm sichtbaren Bereich nur jene Objekte berücksichtigen kann, welche gerade sichtbar sind. Mit der Raytracing-Verschattung können auch Objekte außerhalb des sichtbaren Bereichs Schatten werfen, während die per Screen-Space dargestellte Verschattung am RT-Bildschirmrand ausblendet. Die Schatten fallen deutlich weicher, organischer und glaubwürdiger aus als die standardmäßigen Shadow-Maps; Letztere zeigen zudem unschöne Pixelartefakte. Die Schatten fallen im Vergleich zu der Globalen Beleuchtung allerdings optisch weniger stark ins Gewicht. Auffälliger sind da schon die ebenfalls per Raytracing aufgewerteten Reflexionen, die viele der glatten Marmorböden und der großen Fensterscheiben zieren. Diese sind hochauflösend und zeigen anders als die Screen-Space-Reflections die gesamte Szene und nicht nur jene Elemente, die sich im Bildbereich befinden. Dies ist besonders auffällig bei der eigenen Spielfigur, wenn sich diesen in Fenstern und anderen glatten, vertikalen Flächen spiegelt, oder aber auf horizontalen Flächen, in deren Spiegelung sich die gesamte Szene reflektiert – also beispielsweise auch die Decken der Räume. Control wendet zwar auf dem gesamten Bild Raytracing-Berechnungen an, um „echtes“ Raytracing, also ausschließlich via RT dargestellte Grafik, handelt es sich jedoch nicht, sondern um einen hybriden Ansatz, bei dem Rasterisierung mithilfe eines Raytracing-Aufsatzes gezielt verbessert wird.

Da Control sehr viele RT-Effekte vereint, ist auch der Leistungshunger am größten. Können sich die CPUs ohne Raytracing-Berechnungen noch merklich voneinander absetzen, schrumpft der Abstand mit RT-Effekten auf ein Minimum zusammen. Control zeigt sich von vielen CPU-Kernen aber ohnehin unbeeindruckt, die Wahl des Prozessors ist daher nebensächlich.

Wie viel CPU darf es sein?

Bei allen getesten Spielen bricht die Leistung massiv ein, wenn man Echtzeitberechnungen durch Raytracing hinzuschaltet. Den Löwenanteil bekommt dabei die Grafikkarte zu spüren. Doch gera-de Battlefield 5 bescheinigt dem Prozessor auch eine sehr wichtige Rolle, nicht zuletzt deswegen, weil die CPU die Daten für die GPU vorbereitet, sondern vor allem bei Spielen, die durch Raytracing Dinge berechnen lassen, die außerhalb des Sichtfeldes liegen. Wir erwarten zukünftig noch viele weitere Spiele mit RT-Effekten, vor allem da die neue Konsolen-Generation ebenso eine Unterstützung dafür mitbringen möchte. Eine starke CPU kann sich somit für die Zukunft durchaus lohnen. (dn)

Fazit

Schöne neue Welt
Raytracing sieht so realistisch aus, dass man darauf nicht mehr verzichten möchte, nachdem man es einmal gesehen hat. Die Wahl der CPU ist dabei glücklicherweise nicht so wichtig, sodass das Budget zum großen Teil auf die Grafikkarte beschränkt werden kann. Die hat nämlich die meiste Arbeit.

Einige der Raytracing-Verfahren erklärt

Anhand von Beispielbildern möchten wir Ihnen deutlich machen wie verschiedene Verfahren von Raytracing funktionieren.

Das erste Bild zeigt die einfachste Form von Raytracing. Hier gibt es keine Schatten, keine Lichtreflexion, -brechung, -streuung oder Beleuchtung. Es wirkt surreal, da keine echte Tiefe entsteht. Das ändert sich bereits mit nur einer Lichquelle, die Schatten erzeugt, wie auf dem zweiten Bild zu sehen. Die Kugeln wirken jetzt bereits rund und plastisch. Rekursives Raytracing bringt nun erstmalig einfache Spiegelungen ins Spiel, die Verschattung bleibt aber hart und unwirklich. Letzteres wird durch diffuses Raytracing aufgewertet, die Schatten sind weich und wirken echt und das Licht wird zudem diffus reflektiert. Path Tracing schließlich verbindet Licht und Schatten. Die Lichtbrechung wird korrekt berechnet.

Nur Verdeckungsberechnung


Simulation von Schatten


Rekursives Raytracing


Diffuses Raytracing


Path Tracing