Virtuelle Lichtstrahlen Computerspiel-Grafik in Kinoqualität

In riesigen Rechenzentren lassen Hollywoods Filmstudios Spezialeffekte und sogar ganze Filme in Kino-Qualität von Computern berechnen. Forscher der Universität des Saarlandes haben einen Weg gefunden, diese Technologie für PC-Spiele nutzbar zu machen.

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Auch wenn Sie nicht wissen, was Raytracing ist, haben Sie seine Ergebnisse bestimmt schon einmal gesehen. In Filmen wie "Der Herr der Ringe" und "Findet Nemo" zum Beispiel. Oder auf dem Werbeplakat für einen neuen Sportwagen. Das besondere an Raytracing ist nämlich, dass man damit verblüffend realistische Bilder am Computer erschaffen kann.

Neu ist diese Technik nicht. Schon seit etlichen Jahren wird sie zur Berechnung von Computergrafiken benutzt. Allerdings ist das Verfahren sehr aufwendig und verschlingt enorme Rechenleistung. Um beispielsweise den Film "The Incredibles" zu berechnen, waren beim Filmstudio Pixar 1024 Intel-Server monatelang beschäftigt. Von Interaktivität keine Spur. Vielmehr kann man selbst auf sehr schnellen Rechnern noch zusehen, wie Raytracing-Bilder Bildzeile für Bildzeile aufgebaut werden.

Der enorme Aufwand erklärt sich daraus, dass Farbe und Helligkeit jedes einzelnen Bildpunktes anhand virtueller Lichtstrahlen berechnet wird. In diese Berechnung gehen neben Intensität und Farbe der Lichtquelle auch die Materialeigenschaften des angestrahlten Objekts ein. Ein glänzender metallischer Gegenstand reflektiert Licht eben ganz anders als ein Holzklotz.

Forschungsobjekt Computerspiel

An der Universität des Saarlandes wird nun schon seit einigen Jahren an Möglichkeiten geforscht, Raytracing für Computerspiele zu verwenden. Die ersten Schritte in dieser Richtung waren auch durchaus viel versprechend. Für besonderes Aufsehen sorgten dabei die Arbeiten des Studenten Daniel Pohl. Im Rahmen seiner Studien- und Diplomarbeiten schrieb er Teil 3 und 4 des First-Person-Shooters "Quake" so um, dass deren Grafik im Raytracing-Verfahren berechnet wurde.

Die Ergebnisse sind durchaus beeindruckend. Spielbar hingegen sind sie auf einem einzelnen PC nicht. Selbst ein Highend-Rechner im Münchener Intel-Testlabor, ausgestattet mit dem neuesten Vierkern-Prozessor, brachte gerade mal knapp 17 Bilder pro Sekunde zustande - zu wenig für ruckelfreies Spielen. Und das, obwohl die Bildschirmauflösung auf magere 256 mal 256 Bildpunkte beschränkt wurde. Um zu zeigen, wie das Spiel mit Raytracing-Grafik und spielbaren Bildraten aussehen würde, müsste Pohl 20 Standard-PCs zusammenschalten.

Doch jetzt scheint es, als hätten die Studenten um den Grafikprofessor Philipp Slusallek eine Lösung gefunden, die Raytracing-Technik für Computerspiele massenfähig machen könnte. Statt nämlich weiterhin die gesamte Rechenarbeit auf den Hauptprozessor auszulagern, ist es ihnen gelungen, die Raytracing-Technik auf PC-Grafikkarten lauffähig zu machen.

30-fache Beschleunigung

Damit können sich die Wissenschaftler nun die extrem hohe Rechenleistung von Grafikprozessoren zunutze machen. Bis zu 50 Millionen Strahlen pro Sekunden seien damit bei einfachen Szenen zu berechnen, geben die Wissenschaftler an. Damit sei ihr System um den Faktor 30 leistungsfähiger als die bisher verwendeten Technologien, sagen die Computergrafiker. Für die Zukunft erwarten sie noch weitere Geschwindigkeitssteigerungen, da bisher noch nicht alle Möglichkeiten zur Optimierung des Verfahrens genutzt werden.

Grafikexperte Slusallek in einer seiner virtuellen Welten: Mittels Raytracing sollen Computerspiele eines Tages so realistisch werden wie Hollywood-Filme.
Uwe Bellhaeuser - das bilderwerk

Grafikexperte Slusallek in einer seiner virtuellen Welten: Mittels Raytracing sollen Computerspiele eines Tages so realistisch werden wie Hollywood-Filme.

Als einen großen Vorteil ihres Raytracing-Verfahrens sehen es die Saarländer an, dass man damit komplexe optische Effekte in Spielen exakt simulieren kann, ohne dafür aufwendige Programme schreiben zu müssen. Bisher mussten die Programmierer für solche Effekte viele Tricks einsetzen. Vor allem aber sollen die per Raytracing berechneten Szenen weit natürlicher wirken als alles, was man bisher von PC-Spielen gewohnt war.

Spiele-Programmierern wird zudem in Aussicht gestellt, dass ihnen die neue Technologie Arbeit abnehmen wird. Statt sich um die grafische Ausgestaltung kümmern zu müssen, sollen die sich künftig voll auf das eigentliche Spielgeschehen konzentrieren können. Um das noch einfacher zu machen, arbeiten die Forscher derzeit an einem Grafik-Chip der speziell auf die Anforderungen des Raytracing zugeschnitten ist.

Im Einsatz bei der Industrie

Konkrete Anwendungen für die an der Uni des Saarlandes entwickelten Raytracing-Technologien gibt es aber schon jetzt. Ein Spin-Off des Lehrstuhls für Computergrafik vermarktet bereits seit 2003 Raytracing-Software. Zu den Kunden des Unternehmens zählt neben Automobil-Herstellern wie Volkswagen, BMW und Skoda auch der Flugzeugbauer Airbus.

"Bis die Grafik in Computerspielen wie in den 'Herr der Ringe'-Kinofilmen aussieht", wird es aber noch eine Weile dauern, glaubt Daniel Pohl. Wer sich jetzt schon einen Eindruck davon verschaffen möchte, wie PC-Games in einigen Jahren aussehen könnten, kann das ab 15 März am Cebit-Messestand der Universität des Saarlandes in Halle 9, Stand B65, tun.



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