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Screen Space Ambient Occlusion, GPU Ray Tracing und Schattenwürfe

Schattenspiele mit OpenGL


Nachdem wir uns zuletzt in die Grundzüge des Post Processing, Deferred Lighting und HDR Rendering eingearbeitet haben, riskieren wir im Folgenden einen ersten Blick auf die Funktionsweise moderner Beleuchtungsverfahren und finden heraus, was sich hinter solch bekannten Techniken wie Screen Space Ambient Occlusion, GPU Ray Tracing und Shadow Mapping verbirgt.

Es gibt wohl nur sehr wenige Menschen, die sich nicht von einer gut gemachten Zaubershow faszinieren lassen. Doch was genau haben Sinnestäuschungen und magische Tricks mit Computerspielen gemeinsam? Virtuelle 3-D-Welten sind aus modernen Film- und Fernsehproduktionen nicht mehr hinwegzudenken und wirken dank aufwändiger Beleuchtungsroutinen und leistungsfähiger CPUs und GPUs heutzutage nahezu fotorealistisch. Die bei diesen Berechnungen zum Einsatz kommenden Verfahren sind in der Literatur unter der Bezeichnung Globale Beleuchtung (Global Illumination, GI) bekannt und zielen darauf ab, die Bewegung von Lichtstrahlen bzw. Photonen (Lichtteilchen) durch eine 3-D-Szene möglichst physikalisch korrekt zu simulieren. Das grundlegende Konzept, das sich hinter all diesen Berechnungen verbirgt, lässt sich mit wenigen Worten wie folgt veranschaulichen:

Lichtstrahlen/Photonen bewegen sich mit gleichbleibender Richtung durch den Raum, bis sie von einem 3-D-Objekt entweder absorbiert oder reflektiert werden. Wird in diesem Zusammenhang ein Lichtteilchen in Richtung einer virtuellen Kamera abgelenkt, so trägt dieses zur Gesamthelligkeit einer 3-D-Szene bei.

Mit Magie hat das Ganze freilich wenig zu tun, sondern vielmehr mit angewandter Optik. Bei Computerspielen sieht die Sache jedoch völlig anders aus. Wir sind es zwar gewohnt, dass die Ausleuchtung der Spielewelten zunehmend realistischer wird. Dabei übersehen wir jedoch schon einmal, dass selbst die heutigen Grafikkarten nicht über annähernd genügend Rechenleistung verfügen, um das physikalische Verhalten von Lichtstrahlen in Echtzeit zu simulieren. Kurzum, Spieleprogrammierer müssen es den Magiern gleichtun und tief in ihre Trickkiste greifen, um uns eine natürlich wirkende Beleuchtung vorzugaukeln.

Lokale und globale Beleuchtungsmodelle

Während bei der Darstellung von nicht-interaktiven 3-D-Welten (Offline Rendering) physikalisch basierte Beleuchtungsmodelle wie Radiosity oder Photon Mapping zum Einsatz kommen, kombiniert man in Computerspielen mehrere empirische – auf unserer alltäglichen Wahrnehmung basierende – Modelle, die jeweils unterschiedliche Teilasp...

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