Spiegelungen und Reflexionen: Hardware- und Grafikeffekte Glossar

Special 27.08.2017 um 10:30 Uhr Philipp Reuther

Quelle: CD Projekt

Was bedeuten Grafikbegriffe wie Reflexionen, Spiegelungen, HBAO+ oder VXAO in Spielen? Im Artikel erfahrt ihr, was sich dahinter versteckt.

Spiegelungen und Reflexionen: Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt

Screen-Space-Reflections bringen viel Atmosphäre, sind aber etwas problematisch.

Quelle: PC Games The Division zeigt insbesondere nachts einige sehr schicke Reflexionen und nur wenige Artefakte. Nass glänzender Asphalt, spiegelnde Pfützen, Wasseroberflächen oder funkelndes Metall - ohne reflektiertes Licht beziehungsweise dessen näherungsweiser Simulation würden Szenen in Spielen viel von ihrer Glaubwürdigkeit verlieren. Zudem dienen Reflexionen als stilistisches Mittel: Ein Film wie Blade Runner würde ohne sich auf dem nassen Asphalt widerspiegelnde Neonreklame einen großen Teil des charakteristischen Looks einbüßen. Doch realitätsnahe Reflexionen wären sehr aufwendig zu berechnen. Im Grunde müsste die gesamte Szene inklusive Licht und Schatten nochmals berechnet werden, was in Anbetracht der Komplexität moderner Spiele nicht realistisch ist.

Also greifen die Entwickler zu Tricks. Einer der simpelsten und am häufigsten genutzten Render-Kniffe basiert auf Cube-Maps. Das Ganze funktioniert ein wenig wie eine Skybox: Aus mehreren statischen und meist recht niedrig aufgelösten Texturen wird ein virtueller Würfel generiert. Dieser bewegt sich blickwinkelabhängig synchron mit der Kamera beziehungsweise Perspektive des Spielers. Der Inhalt dieses Würfels wird dann auf die spiegelnde Oberfläche gelegt. Dies erzeugt eine ansatzweise glaubhafte Illusion einer Reflexion. Doch niedrige Auflösung, die zu weiten Teilen fehlende Dynamik und Perspektivenprobleme stören das Bild.

Noch eine Raytracing-Annäherung

An dieser Stelle kommen die Screen-Space-Reflections ins Spiel. Prinzipiell ist diese Art Reflexion schon recht nahe dem Raytracing, doch das Verfahren ist stark vereinfacht. So suggeriert der Präfix "Screen-Space", dass einzig der Bildschirminhalt berücksichtigt wird: Alles außerhalb des für den Spieler sichtbaren Bildes kann nicht gespiegelt werden. Das gilt beispielsweise auch für die eigene Spielfigur, weshalb ihr in First-Person-Shootern nicht euer alter Ego zu Gesicht bekommt, solltet ihr in einen Spiegel blicken. Es gibt seltene Ausnahmen, dann kommt jedoch auch eine andere Technik zum Einsatz. Oder das Charaktermodell wird für spezielle Spiegelungen gesondert berechnet - bei Mirror's Edge Catalyst und der Heldin Faith zum Beispiel. Bei ScreenSpace-Reflections werden zudem häufig temporale Verrechnungen genutzt, um Leistung zu sparen, Artefaktbildung zu kaschierern und Flimmern zu unterdrücken.

Schwachstellen der Technik

Ihr könnt in einer Bildbereichsreflexion also im Grunde nur das sehen, was gerade auf dem Bildschirm zu sehen ist. Alles andere wird vom Shader ausgeblendet, was zu einigen sehr auffälligen und befremdlich wirkenden Nebeneffekten führt. Zu weiteren Problemen kommt es, wenn sich vor der Spiegelung ein Objekt befindet, beispielsweise das Waffenmodell in einem Ego-Shooter. Denn zum einen befindet sich das Objekt im Weg: Bei der Berechnung der Reflexion wird ein unsichtbarer Strahl von dem virtuellen Auge des Spielers auf die spiegelnde Oberfläche geschickt. Das Waffenmodell würde diesen Strahl aufhalten. Es muss außerdem in fast allen Fällen ein großzügiger Bereich um das betreffende Objekt herum ausgeschnitten werden, damit dieses nicht optisch inkorrekt selbst in die Spiegelung gelangt.

Ein ziemlich abenteuerliches Beispiel findet ihr nachfolgend. Der Stacheldrahtzaun vor der mit Screen-Space-Reflections verzierten Wasseroberfläche in Battlefield 1 torpediert deren Darstellung stark. Es handelt sich jedoch um keinen Grafikfehler, an dieser Stelle limitiert die Technik. Um solcherlei Auffälligkeiten zu kaschieren, werden häufig Cube-Maps an den Stellen eingeblendet, an denen die Screen-Space-Reflections aussetzen. In The Division funktioniert dies beispielsweise sehr überzeugend: Der Open-World-Shooter aktualisiert alle paar Frames die Cube-Maps mit neuen, aus der Umgebung und der vorherrschenden Lichtsituation gewonnenen Daten. Außerdem filtert der Ubisoft-Titel die Reflexionen sehr geschickt und vermischt sie temporal mit den Cube-Maps. Probleme mit Spiegelungen der Charaktere sind außerdem kaschiert und eher unauffällig.

Philipps Tipp: Screen-Space-Reflections sind schick, aber sie zeigen praktisch immer irgendwelche unschönen Nebeneffekte und Artefakte. Sie kosten außerdem häufig viel Leistung, obwohl nur der Screen-Space in die Berechnung einbezogen wird. Ich würde persönlich aber nur recht ungern auf sie verzichten, denn sie können durchaus den gesamten Look einer Szene beeinflussen.

Hochauflösende Screen-Space-Reflections in Mass Effect Andromeda

Mass Effect Andromeda zeigt einige sehr schicke Reflexionen, die auf höchster Qualität in voller Auflösung berechnet werden.

Die Screen-Space-Reflections in Mass Effect Andromeda sehen sehr schick aus und erzeugen insbesondere auf Schiffen und Stationen oder Umgebungen mit feuchtglänzenden Oberflächen sehr viel Atmosphäre. Die Spiegelungen sind auf dem PC und bei höchster Effektqualität sehr hochauflösend (1) und zieren viele Oberflächen. Werden sie deaktiviert, verliert die Szene viel von ihrer Atmosphäre (2). Zudem kommen eine feine temporale Filterung, eine Kontaktverhärtung sowie weitere Rendertricks zum Einsatz. Einige Nebeneffekte sind zu bemerken, zu den auffälligsten zählt das Verwischen bei Kamerabewegungen. Dies geht auf die temporale Verrechnung über mehrere Frames zurück und ist insbesondere bei relativ niedrigen Bildraten zu beobachten. Um Spielfiguren oder Objekte herum treten indes einige charakteristische Problemstellen auf, diese sind aber recht unauffällig (3).
Quelle: PC Games Mass Effect Andromeda: Fast jede Oberfläche zeigt eine Reflexion.

Die Reflexionen in Deus Ex: Mankind Divided

Die in Mankind Divided erstmals genutzte Dawn-Engine zeigt prinzipiell sehr schicke Screen-Space-Reflections, doch es gibt auch hier einige Auffälligkeiten.

Technisch fährt der neue, auf der Glacier-2-Engine (Hitman) basierende Grafikmotor von Deus Ex einiges auf. Die schicken Spiegelungen werden in Mankind Divided freizügig eingesetzt und verstärken in dem Titel - ähnlich wie die Reflexionen in Mirror's Edge - den "cleanen" Sci-Fi-Look. Die qualitativ hochwertigen Screen-Space-Reflections werden mit Cube-Maps ergänzt, letztere sind allerdings recht niedrig aufgelöst. Zudem sind sie statisch und bilden nur unbewegte Objekte ab (1). Die Spiegelungen zieren zudem auch vertikale Flächen, wir können an solch einer Wand einmal gut die typischen Probleme mit der Charakter-Darstellung demonstrieren. In Ego-Perspektive würde Jensen gar keine Spiegelung zeigen, weil die Figur nicht im Bildbereich zu sehen ist. In der Third-Person-Ansicht kann ebenfalls nur der Teil gespiegelt werden, der sich gerade sichtbar im Bild befindet (2).
Quelle: PC Games Die Reflexionen in Deus Ex: Mankind Divided.

Artefaktbildung bei Screen-Space- und temporalen Effekten

Generell sind die hochauflösenden Reflexionen in Battlefield 1 sehr gefällig. Es gibt jedoch einige Situationen, bei denen sie sehr befremdlich wirken.

Battlefield 1 nutzt prinzipiell sehr überzeugende Stochastic-Screen-Space-Reflections samt aufwendiger temporaler Filterung. An dieser

spezifischen Stelle kommt es jedoch zu einem kleinen Debakel. Der vor der spiegelnden Wasseroberfläche positionierte Stacheldrahtzaun sorgt für Fehldarstellungen. Hier hätte der Designer besser andere Objekte platziert, die weniger Probleme mit Reflexionen verursachen. Allerdings hatte der DICE-Mitarbeiter eventuell überhaupt keine Kenntnis darüber, das der Effekt dort platziert werden sollte, denn dieser ist auf PS4 und Xbox One nicht vorhanden und wurde eventuell erst nach dem eigentlichen Leveldesign bei der PC-Version hinzugefügt. Wir haben für dieses Bild außerdem die Bildrate auf 20 Fps begrenzt, um die Auswirkungen der temporalen Verrechnung zu demonstrieren. Bei niedrigen Bildraten neigen temporale Effekte zum Verwischen.
Quelle: PC Games Screen-Space-Unfall in Battlefield 1.

Die Arbeitsweise einer Screen-Space-Reflection

Auch Resident Evil 7 nutzt sehr auffällige Screen- Space-Reflections, die wir an dieser Stelle einmal heranziehen, um deren Arbeitsweise zu erklären.

Im ersten Bild ist die Tür noch komplett im Screen- Space, kann also in der Pfütze gespiegelt werden. Dazu wird ein virtueller Strahl (Ray) von der Spielerper spektive zur Pfütze entsandt, dann ein Pfad (Tracer) von dort zur Tür gezeichnet. Trifft er dort auf, wird der Farbwert des Punktes aufgegriffen. Nun nimmt wiederum der Punkt in der Pfütze diesen Farbwert an. Das geschieht mehrfach, aus den einzelnen Elementen setzt sich schlussendlich das Bild der Spiegelung zusammen. Ist der Winkel aber zu steil und trifft der entsandte Tracer auf einen Punkt außerhalb des Bildes, ist dieser also nicht mehr im Screen-Space, kann dort auch kein Farbwert aufgegriffen werden. Daher können wir die Spiegelung mit einem Ändern unserer Perspektive "aus dem Bild wischen". Dies ist ein recht eindeutiges Indiz für einen Screen-Space-Effekt und funktioniert beispielsweise auch mit einer Umgebungsverdeckung.
Quelle: PC Games Die Arbeitsweise einer Screen-Space-Reflection.

In diesem Artikel

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!