Raytracing – die Grafik-Technologie im Fokus

Raytracing ist eine revolutionäre Grafik-Technologie, die die Darstellung von Licht in der digitalen Welt neu definiert. Durch die realistische Berechnung von sichtbaren und unsichtbaren Lichtstrahlen können Computerspiele und animierte 3D-Grafiken mit einer beispiellosen Lebensechtheit dargestellt werden. In Zeiten, in denen Echtzeit-Raytracing immer häufiger in Hardware integriert wird, lohnt es sich nicht nur für Gamer, einen genaueren Blick darauf zu werfen, was diese Technologie so besonders macht.

Was ist Raytracing?

Der englische Ausdruck „Ray tracing“ kann im Deutschen als „Verfolgung von Lichtstrahlen“ übersetzt werden. Es handelt sich hierbei um eine Technik in der Computergrafik, die lebensechte Lichteffekte simuliert. Dabei werden durch einen Algorithmus in einem 3D-Grafikumfeld Strahlen ausgesendet, deren Wege nachverfolgt und darauf basierend ein realistisches Lichtmodell berechnet. Wer in der Welt der Videospiele und Grafikkarten zu Hause ist, stolpert unweigerlich über Raytracing, da es insbesondere in diesem Bereich genutzt wird.

Die zentrale Idee hinter Raytracing ist die Imitation der Art und Weise, wie Licht in der realen Welt interagiert. Wenn ein Strahl auf eine Oberfläche trifft, kann er reflektieren, brechen oder absorbieren, abhängig von der Beschaffenheit und dem Material der Oberfläche. Raytracing simuliert diese Interaktionen in der digitalen Umgebung, um diverse optische Phänomene darzustellen.

Die grundsätzliche Funktionsweise

Grundsätzlich funktioniert Raytracing so: Zuerst wird eine 3D-Grafik mit dazugehörigen 3D-Objekten durch Software erstellt und animiert. Um realistische Beleuchtung in diesen 3D-Umgebungen zu erzeugen, positioniert man Lichtquellen, die den 3D-Objekten Beleuchtung verleihen. Hier greift Raytracing ein. Wie in allen 3D-Animationen stellt eine virtuelle Kamera den Blickpunkt des Zuschauers dar. Dank Raytracing zieht ein Algorithmus Verbindungslinien zwischen den Objekten und dieser Kamera und kalkuliert, welche davon sichtbar sind und wie viele Bildpunkte für jede Linie nötig sind.

Des Weiteren unterscheidet Raytracing zwischen Lichtstrahlen, die direkt von Lichtquellen stammen, und solchen, die von reflektierenden Objekten kommen. Basierend auf den verfolgten Strahlen, Reflexionen, Lichtquellen und Texturen legt der Algorithmus die Farbwerte der Pixel fest. Beim Erzeugen des Bildes werden sogar unsichtbare Objekte und Lichtquellen berücksichtigt. Das Endprodukt ist ein realistisches Lichtmodell mit detaillierten Licht- und Schattenspielen in Echtzeit.

Raytracing – die verschiedenen Verfahren

Die Auswirkungen von Raytracing auf den Realismus einer 3D-Grafik variieren je nachdem, welches Raytracing-Verfahren verwendet wird. Bei der Verdeckungsberechnung handelt es sich um ein rudimentäres Berechnungsverfahren, in dem weder Schatten- noch Lichteffekte in die Animation integriert werden.

Ein Fortschritt in der Entwicklung stellt die Schattensimulation dar, bei der direkte Lichtquellen und harte Schatten zum Tragen kommen, wobei Reflexionseffekte nicht berücksichtigt werden.

Rekursives Raytracing geht einen Schritt weiter, indem es zusätzlich zu den direkten Lichtquellen und harten Schatten auch Raytracing für Spiegelreflexionen bei durchsichtigen oder reflektierenden Objekten verwendet.

Diffuses Raytracing erweitert das Spektrum, indem es neben der direkten Beleuchtung und Lichtbrechung auch realistische Schattensimulationen mit Kern-/Halbschatten und weichen Schattengrenzen rendert.

Schließlich bietet Path Raytracing ein umfassendes Beleuchtungsmodell, das sowohl sichtbare als auch unsichtbare Lichtquellen, Reflexionen und Lichtbrechungen durch beleuchtete Objekte berücksichtigt. Dadurch entstehen äußerst realistische Schattensimulationen, die dem natürlichen Lichtspiel sehr nahekommen.

Die Einsatzbereiche im Überblick

Raytracing wird hauptsächlich in der 3D-Computergrafik verwendet und hat seit der Einführung von Nvidias RTX-Grafikkartenserie im Jahr 2018 bei Videospiel-Enthusiasten an Popularität gewonnen. Dank der hardwaregestützten Raytracing-Funktion können Spiele Beleuchtungseffekte authentischer rendern. Dies beinhaltet nicht nur sichtbare Lichteffekte im Bildschirmbereich, sondern auch Reflexionen, Licht und Schatten jenseits des Sichtfelds, einschließlich einer globalen virtuellen Lichtquelle wie der Sonne. Da die Technologie eine intensive Rechenkraft benötigt, wird sie bisher nur in einer begrenzten Anzahl von Spielen eingesetzt.

Doch nicht nur in Spielen findet Raytracing Anwendung. Bei der Produktion von animierten Filmen oder Werbespots kommt diese Art der Lichtberechnung bereits seit längerem zum Einsatz, unterstützt durch die massive Rechenkapazität großer Serverparks.

Architekten greifen ebenfalls auf Raytracing zurück, um in ihren Design-Softwareanwendungen realitätsnahe Darstellungen von Reflexionen, Texturen und Schatten zu erzeugen, wenn sie Gebäude oder Innenräume planen.

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