Schattendarstellung in Spielen: 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.

Schattendarstellung in Spielen

Wo schicke Beleuchtung ist, muss auch eine glaubhafte Darstellung von Schatten sein.

Quelle: PC Games Eine hochauflösende, gefilterte und saubere Shadow Map in Ghost Recon: Wildlands. Doom 3 setzte 2004 so etwas wie den Anfangspunkt der modernen Schattendarstellung. Dabei unterscheiden sich die damals zum Einsatz kommenden Stencil Shadows recht stark von dem heute gängigen Shadow Mapping. "Stencil" bedeutet auf deutsch "Schablone" und die von Entwicklerlegende John Carmack für Doom 3 erdachten Schatten werden mithilfe des Stencil-Buffers aus der Levelbeleuchtung sozusagen herausgeschnitten. Der Stencil-Buffer dient im Grunde dazu, bestimmte Bildschirmelemente vor dem Rendern auszusparen, HUD-Elemente etwa.

Die auf der Projektion der 3D-Modelle basierenden Stencil Shadows haben daher quasi scharfe "Schnittkanten", weiche Schatten und die Berücksichtigung von Alpha-Texturen sind mit dieser Technik nicht möglich. Auch weitere Spiele setzten auf Stencil Shadows, die bekanntesten darunter FEAR und das erste Far Cry. Heute kommen in praktisch allen Spielen Shadow Maps zum Einsatz. Diese basieren auf einer oder mehreren Texturen. Im Grunde könnt ihr euch das so vorstellen: Zu Füßen eurer Spielfigur beziehungsweise unterhalb der Kamera wird eine transparente, von den Ausmaßen recht begrenzte Textur gelegt. Bewegt ihr euch durch die Spielewelt, bewegt sich diese Textur mit euch. Auf diese werden die Schatten projiziert. Beim Rendering wird entschieden, ob und wie stark jeder Pixel dieser Textur verdunkelt wird. Dabei können auch Alpha-Texturen berücksichtigt werden, die beispielsweise für Blätter der Vegetation Verwendung finden. Je größer und feiner die Schattentextur ausfällt, desto mehr Werte müssen berechnet werden, der Leistungsanspruch steigt. Zudem benötigen die Shadow Maps viel Grafikspeicher, vor allem, wenn sie aufwendig gefiltert werden.

Philipps Tipp: Ich kann mich noch gut daran erinnern, wie eindrücklich die Schatten sowohl in Doom 3 als auch FEAR wirkten. Und wie viel Leistung sie kosteten. Und obwohl in heutigen Spielen zu weiten Teilen eine andere Technik zum Einsatz kommt, gehören Schatten auch heute zu den leistungsfressendsten Optionen im Grafikmenü. Neben der Schattenauflösung und Sichtweite sind vor allem "Extras" wie eine hochqualitative Filterung sehr teuer. Es lohnt sich zumeist, bei diesen Einstellungen ein wenig Zurückhaltung zu üben.

Stencil Shadows in Doom 3 und Fear

Stencil Shadows sorgten in Doom 3 für Staunen und machten ein weiteres Mal von Entwicklerlegende John Carmack reden, der eine eigene Variante erdachte, die im späteren Verlauf als "Carmacks Reverse" bekannt wurde. Die Schattendarstellung mittels des Stencil-Buffers hat einige spezifische Vor- und Nachteile gegenüber Shadow Mapping, wie es in aktuellen Spielen zum Einsatz kommt. Ein Vorteil der Stencil Shadows ist, dass sie pixelgenau und in voller Auflösung berechnet werden, sie neigen daher nicht zum Flimmern und sind scharf. Sie benötigen außerdem nicht viel Grafikspeicher.

Auch andere Spiele nutzen Stencil Shadows, darunter auch der Horror-Shooter FEAR. Dort versuchte man, mit einem Trick eine Art Schattenfilterung zu nutzen, obwohl dies mit der Technik im Grunde nicht möglich ist: Mehrere Stencil Shadows wurden übereinandergelegt, um so eine Illusion von "soften" Schatten zu erzeugen. Dies ließ die Hardware-Anforderungen des sowieso schon sehr anspruchsvollen Spiels jedoch massiv in die Höhe schnellen und war damit nur wenig praktikabel. Neben id Software (Doom 3) und Monolith (FEAR), versuchte sich außerdem Crytek an Stencil Shadows und nutzte diese im ersten Far Cry.
Quelle: PC Games Stencil Shadows sind anders als Shadow Maps immer scharf, flimmerarm und pixelgenau. Diese Schattendarstellung verzückte unzählige Spieler Anno 2004 in Doom 3.
Neben den angenehm hochauflösenden, aber unrealistisch scharfen Schatten gibt es weitere Probleme: So kann es zu Fehldarstellungen kommen, wenn sich die Kamera komplett im verschatteten Bereich befindet, die Schatten wirken häufig perspektivisch inkorrekt und es können Löcher bei der Projektion der 3D-Modellen entstehen. Zudem können Transparenztexturen nicht berücksichtigt werden. Alpha-Texturen sind heutzutage allgegenwärtig und kommen für Vegetation, feine Strukturen wie Zäune oder Gitter, aber auch Haar oder andere Details zum Einsatz, für die komplexe Polygonmodelle nicht zweckdienlich sind.
Quelle: PC Games Stencil Shadows in FEAR – der Shooter stellt optional weiche Schatten zur Verfügung. Allerdings ist es nur ein Trick: Mehrere Schatten werden versetzt übereinandergelegt.

Shadow Mapping in aktuellen Spielen

In dieser Szene aus Star Wars: Battlefront kommen hunderte Alpha-Texturen zum Einsatz. Die vom Blätterdach geworfenen Schatten wären mit der Stencil-Technik aus Doom 3 so nicht möglich. Beim Shadow Mapping werden auch die Transparenztexturen abgetastet, zudem können selbst Halbtransparenzen wie beispielsweise Partikelrauch berüchsichtigt werden. Die Schatten können außerdem mit weichen Kanten versehen und aufwendig gefiltert werden, was einen insgesamt deutlich realistischeren Look erlaubt. Aus diesem Grund hat sich in aktuellen Spielen diese Technik durchgesetzt. Doch auch das Shadow Mapping hat handfeste Nachteile.

Die Darstellung von Shadow Maps ist sehr rechenaufwendig, denn im Grunde muss für jeden Pixel der zum Einsatz kommenden Schattentexturen einzeln berechnet werden, ob an dieser Stelle ein Schatten vorliegt und wie dunkel er ausfällt. Auch muss die Schattentextur im Speicher der Grafikkarte abgelegt werden. Je größer die Schattentextur, desto mehr muss die Hardware rechnen und desto mehr Speicher wird benötigt. Deshalb sind die Ausmaße dieser Texturen häufig stark begrenzt. In großen Spielewelten muss die Textur daher über einen weiten Raum gestreckt werden, was zu einer niedrigen Pixeldichte und damit Flimmern und Verzerrungen führt. Shadow Maps neigen daher zum Flimmern, was wiederum eine Filterung nötig macht, die ebenfalls viel Leistung kosten kann.
Quelle: PC Games Shadow Mapping wirkt aufgrund weicher und häufig aufwendig gefilterten Schatten glaubhafter für das Auge. Allerdings neigen Shadow Maps beispielsweise zum Flimmern.
Deshalb nutzen Spiele abgestufte (cascaded) Shadow Maps. Das heißt: In der unmittelbaren Umgebung kommt eine kleine, aber hochauflösende Schattentextur zum Einsatz. In mittlerer Distanz dann eine größere, aber mit insgesamt niedrigerer Pixeldichte. In der Ferne wird eine weitere Textur dann schließlich weit gestreckt und nur in niedriger Auflösung berechnet. Diese Abstufung lässt sich in praktisch allen Spielen beobachten.
Quelle: PC Games In Stranded Deep lassen sich die Abstufungen der einzelnen Shadow Maps gut erkennen. Mit dieser Technik können Schatten über große Flächen angezeigt werden.

Tricksereien bei den Schattenwürfen am Beispiel The Division

Neben den abgestuften Schattentexturen, die ihr hier in The Division ein weiteres Mal an der Wand des Gebäudes im Hintergrund beobachten könnt, kommen auch noch weitere Tricksereien und Vereinfachungen zum Einsatz. Ein besonders ausgeprägtes Hindernis bei der Entwicklung ist die maximale Anzahl gleichzeitig nutzbarer Lichtquellen, die überhaupt einen Schatten werfen können. Denn für jede einzelne Lichtquelle ist mindestens ein Renderdurchlauf der Grafikkarte pro Frame nötig, zudem erhöht sich mit jeder zusätzlichen Lichtquelle die Anzahl Renderanweisungen (Draw Calls), welche der Prozessor an die Grafikkarte versenden muss. Dies kann dazu führen, dass Schatten nicht nur die Grafikkarte belasten, sondern die komplette Kommunikation zwischen den Hardware-Komponenten blockieren.
Quelle: PC Games Dies sind hochaufgelöste und schick gefilterte Schatten, die von der Sonne geworfen werden. An der Hauswand hinten links ist eine niedriger aufgelöste Kaskade zu erkennen.

Daher gibt es in Spielen häufig Einstellungen für mehrere Schattenarten. Häufig finden sich "Sonnen-" und "Punkt-"Schatten unter den Optionen. Im Grunde unterscheiden sich diese nicht allzu sehr. In The Division ist die Sonne (und auch der Mond, gleiches Prinzip) einfach eine besonders aufwendige und hochqualitative Schatten werfende Lichtquelle. Schatten, die "künstliche" Lichter wie Straßenlaternen oder Lampen im Inneren von Gebäuden werfen, sind von deutlich schlechterer Qualität, werden weniger aufwendig gefiltert und flimmern wesentlich stärker. Nachts könnt ihr an Laternen beide Schattenarten gleichzeitig im Einsatz sehen und so direkt vergleichen. Detail am Rande: Für feine Schatten wie jener, der von diesem Kabel geworfen wird [1], kommt nochmals eine andere Technik zum Einsatz. Diese arbeitet offenbar nach Frustum-Prinzip und ähnelt damit Screen-Space-Berechnungen. Schatten dieser Art lassen sich mit dem Ändern des Blickfeldes "aus dem Bild wischen".
Quelle: PC Games Die gleichen Grafikeinstellungen – aber die von künstlichen Lichtquellen wie Lampen im Innenraum geworfenen Schatten sind von wesentlich niedrigerer Qualität.

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!