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Shadow of the Tomb Raider im DXR- und DLSS-Test (Update)

Nun endlich ist er erschienen – der DXR- und DLSS-Patch für Shadow of the Tomb Raider. Bereits zum Start der GeForce-RTX-Karten im Sommer wurde Shadow of the Tomb Raider als einer der Titel präsentiert, der recht schnell umgesetzt werden sollte. Es sollte nun aber einige Monate dauern, bis der Patch tatsächlich erschienen ist. Woran dies gelegen hat, dazu wollen sich weder der Entwickler von Shadow of the Tomb Raider, noch NVIDIA äußern.

Schwierig ist die Situation für Spieler auch dahingehend, da Shadow of the Tomb Raider bereits am 14. September 2018 offiziell startete und damit womöglich die meisten Käufer das Spiel auch schon durchgespielt haben. Der Antrieb sich ein zweites Mal durch den Dschungel zu geheimnisvollen Tempeln durchzuschlagen, dürfte nur bei echten Fans der Serie vorhanden sein.

Interessant ist der DXR-Patch für Shadow of the Tomb Raider aber aus Sicht der Technik. Reflexionen und Spiegelungen sind in Battlefield V per Ray Tracing berechnet, im Falle von Metro: Exodus ist es die realistischen Umgebungsbeleuchtung. Shadow of the Tomb Raider wählt noch einmal einen anderen Ansatz und belässt es bei den bisher verwendeten Screenspace-Reflexionen, wenn es um Reflexionen geht und die Beleuchtung wird mittels BTAO oder HBAO ausgeführt.

Bei der Darstellung der Schatten kommt dann aber das Ray Tracing ins Spiel. Natürlich berechnet die Engine die Schatten auch ohne DXR, dann aber basieren diese Berechnungen auf Horizon Based Ambient Occlusion (HBAO) und verwandten Techniken, während das Ray Tracing für einzelne Lichtquellen und in Abhängigkeit zu Abstand echte Halb- und Kernschatten berechnen soll.

Um den Unterschied zu verstehen, wollen wir uns noch einmal anschauen, wie das HBAO funktioniert:

Ambient Occlusion (AO) beschreibt die Erzeugung eines Schattens auf Basis einer oder mehrerer Lichtquellen. In seiner einfachsten Form bildet AO bei einer kleinen Lichtquelle einen harten Schatten. Je größer die Lichtquelle wird, desto weicher muss auch der Übergang zwischen Schatten und restlicher Szenerie werden. Screen Space Ambient Occlusion (SSAO) ist eine Weiterentwicklung des einfachen AO und reduziert den Rechenaufwand auf den sichtbaren Bereich. So müssen keine Schatten berechnet werden, die gar nicht sichtbar sind. Einer der vielen verfügbaren Algorithmen für SSAO ist das von NVIDIA entwickelte Horizon Based Ambient Occlusion (HBAO). Aus Performance-Gründen berechnet HBAO aber nicht die komplette Szene in voller Auflösung (nicht für jeden Pixel wird ein entsprechendes Sample angelegt), sondern in einer niedrigeren. Dies kann dann aber dazu führen, dass es zu Artefakten in der Darstellung der Beleuchtung kommt.

HBAO+ ist wiederum eine Weiterentwicklung von HBAO, die auf modernen GeForce-Karten im Zusammenspiel mit dem Treiber verwendet wird. Die Berechnung von Licht und Schatten wird in voller Auflösung durchgeführt. Doch nicht nur die Performance wurde hier verbessert, sondern auch die Qualität der Samples. Möglich wird dies durch 36 Beleuchtungs-Samples pro AO-Pixel.

Wie genau die Berechnung der Schatten mittels Ray Tracing bzw. DXR nun funktioniert, können wir noch nicht sagen. NVIDIA will zeitnah weitere Informationen liefern. Diese werden wir dann in diesem Artikel ergänzen.

Die Einstellungen

Die Einstellungen für DXR und DLSS in Shadow of the Tomb Raider sehen wie folgt aus:

Die DXR-Schattenqualität kann in den Einstellungen Mittel, Hoch und Ultra eingestellt werden. DLSS lässt sich abhängig von der Hardware in folgenden Auflösungen aktivieren:

Anders als in Battlefield V und Metro: Exodus steht DLSS in vielen Auflösungen zur Verfügung und ist nicht großartig weiter eingeschränkt. Einzig die Auflösung von 1.920 x 1.080 Pixel steht für die GeForce RTX 2080 und GeForce RTX 2080 Ti nicht zur Verfügung.

Bevor wir auf die ersten DXR-Screenshots schauen, werfen wir einen Blick auf die klassische Schattendarstellung in Shadow of the Tomb Raider:

Ohne jegliche Schatten kann heutzutage natürlich kein Spiel mehr optisch überzeugen. Nachfolgend die weiteren Qualitätsoptionen:

Selbst in den niedrigsten Einstellungen helfen die Schatten schon den Eindruck einer solchen Szene zu verbessern. Die weiteren Qualitätseinstellungen verbessern die Qualität der Schatten – fügen weiche Kanten hinzu oder schärfen Schatten in Abhängigkeit von der Distanz und Größe der Beleuchtungsquelle. 

Shadow of the Tomb Raider? mit DXR-Schattenberechnung

Für drei Szenen haben wir die Darstellung der Schatten mittels DXR in Screenshots festgehalten:

Ohne die Berechnung der Schatten mittels Ray Tracing werden diese auf klassischem Wege und in unserem Fall in den Ultra-Qualitätseinstellungen (erster Screenshot) berechnet. Zwischen "DXR aus / Ultra" und "DXR ein / Mittel" ist eigentlich kein Unterschied festzustellen. Erst mit "DXR ein / Hoch" bilden sich die Halb- und Kernschatten dann deutlich sichtbar aus. "DXR ein / Ultra" scheint noch weiter entfernte Lichtquellen einzubeziehen, was im Falle von "DXR ein / Hoch" noch nicht der Fall ist.

Ähnlich sieht dies auch in den weiteren Szenen aus:

In dieser Szene fehlen offenbar Lichtquellen, die weiter entfernt sind. Daher gibt es keinerlei Unterschied zwischen "DXR ein / Hoch" und "DXR ein / Ultra".

Den größten Sprung in der Optik macht Shadow of the Tomb Raider im Wechsel zwischen "DXR ein / Hoch" und "DXR ein / Ultra". Ein Laubdach wirft in der Entfernung der Sonne nun einmal keine harten Schatten, wie dies in Spielen oft der Fall ist. Stattdessen sollten diese deutlich diffuser sein, was durch die per Ray Tracing berechneten Schatten der Fall ist.

Benchmarks

Beginnen willen wir mit dem Test der vier GeForce-RTX-Karten in den drei Auflösungen von 1.920 x 1.080, 2.560 x 1.440 und 3.840 x 2.160 Pixel.

Für eine Auflösung von 1.920 x 1.080 Pixel sind alle Karten ab einer GeForce RTX 2070 in der Lage mit DXR auf Hoch auch ausreichend FPS zu liefern. Für die GeForce RTX 2060 sollten die Qualitätseinstellungen auf Mittel gesetzt werden. Für 2.560 x 1.440 Pixel würden wir diese Grenze bei der GeForce RTX 2080 festlegen. Langsamere Karten sollten wieder die Qualitätseinstellungen reduzieren. Für 3.840 x 2.160 Pixel sehen wir eigentlich nur noch die GeForce RTX 2080 Ti in der Lage ausreichende Frames zu liefern.

Anschließend schauen wir uns an, wie groß der Einfluss der verschiedenen Qualitätseinstellungen bei den vier Karten sind:

Die DXR-Qualitätseinstellungen zeigen im Grunde zwei Ebenen, in denen die Leistung einzuordnen ist. DXR auf Aus und Mittel bieten eine recht ähnliche Leistung. Gleiches gilt für Hoch und Ultra.

Auch das Deep Learning Super Sampling haben wir uns hinsichtlich der Leistung angeschaut. Auf die Bildqualität gehen wir später noch genauer ein.

Je höher die Auflösung und damit je höher die Anforderungen an die Hardware, desto größer ist der Effekt auf die Leistung durch DLSS. In 3.840 x 2.160 Pixel sprechen wir von einem Plus von bis zu 50 %. In den kleineren Auflösungen sind es 20 bis 25 %.

Bildqualität von DLSS

Die Bildqualität war bei den bisherigen Umsetzungen von DLSS ein großes Thema. Daher haben wir auch einige Vergleichs-Screenshots erstellt.

Durch das DLSS gehen natürlich einige Details verloren, da intern in einer niedrigeren Auflösung gerendet wird. Dies fällt vor allem in den Details des Seiles auf, ist aber auch an der Oberfläche des Fallschirms zu erkennen. Die Kanten der Blätter fallen durch gröbere Artefakte auf. Zudem wird die Darstellung der Schatten weichgezeichnet.

Auffällig sind vor allem flackernde und flimmernde Blätter in einer gewissen Entfernung. Auf Screenshots ist dies natürlich nicht zu erkennen. Wir werden im Verlaufe des Abends noch ein Video dazu erstellen, auf dem dies sichtbar sein dürfte.

In einigen Detailaufnahmen ist der Unterschied zwischen einem nativen Rendering und der Nutzung von DLSS gut zu erkennen:

Wir haben noch einmal versucht die Bildqualität von DLSS im Video festzuhalten:

Fazit

Die Berechnung der Schatten per Ray Tracing ist sicherlich kein Grund Shadow of the Tomb Raider erneut durchzuspielen. Eine realistischere Berechnung der Schatten hilft aber dabei die gesamte Stimmung der Darstellung zu verbessern. Unser Gehirn erkennt Fehler in einer virtuellen Simulation recht schnell und manch einer stört sich mehr daran als ein anderer. Der Aha-Effekt der Reflexionen und Spiegelungen von Battlefield V bleibt vielleicht aus und aufgrund des Umfangs der Berechnungen stellt sich auch nicht eine derart tiefe Veränderung der Atmosphäre wie in Metro: Exodus ein. Es ist aber eine deutliche Verbesserung in der Darstellung zu erkennen.

Hinsicht des Ressourcenbedarfs sehen wir für die empfohlene Einstellung von DXR auf Hoch (um den Effekt der Schatten auch deutlich sichtbar auskosten zu können) einen Einbruch der FPS auf etwa 60 % der Leistung ohne DXR. Mittels DLSS kann ein Teil dieser Leistung wieder zurückgewonnen werden. DLSS zeigt im Bewegtbild keine bis kaum Unterschiede, wenn man aber einmal weiß, worauf man zu achten hat, ist die Bildqualität deutlich sichtbar geringer.

Am Ende muss der Spieler wieder abwägen, ob ihm die realistischere Berechnung der Schatten den Bedarf nach einer stärkeren Hardware auch wert ist. Gleiches gilt für den Einsatz von DLSS – auch ist eine Abwägung zwischen Leistungsgewinn und Verlust an Darstellungsqualität notwendig.

Update: Informationen zu den DXR-Effekten

Inzwischen haben wir von NVIDIA einige Informationen erhalten, die genauere Auskunft über die verwendeten Effekte geben. Zudem ist nun klar, welche Effekte mit welcher DXR-Qualitätsstufe freigeschaltet werden.

Folgende Effekte sind in Shadow of the Tomb Raider per DXR eingebaut:

• Point Light Shadows: Einzelne Lichtpunkte strahlen ihr Licht aus und nahe Objekte bilden daran einen Schatten aus. In den normalen Shadow Maps werden diese einzelnen Lichtpunkte häufig nicht beachtet, werden hier nun aber berechnet.
• Rectangular Spot Light Shadows: Fällt beispielsweise Tageslicht durch ein Fenster, ist dies ein Rectangular Spot Light, welches auch die entsprechenden Schatten wirft. Allerdings sorgt die Breite der emittierenden Fläche dafür, dass um schmale Objekte ein entsprechend schmaler Kernschatten gebildet wird. Per Shadow Map wird der Schatten ohne den Einfluss der breiten Lichtfläche berechnet.
• Spot Light Shadows: Lichtquellen, die einen Lichtkegel emittieren, sorgen bei Objekten im Zentrum des Lichtstrahls für scharfe Schatten, in den Randbreichen werden diese aber zunehmend weicher. Klassische Shadow Maps berechnen die Schatten immer scharf bzw. nur den Kernschatten, Spot Light Shadows können dies mit Hilfe von DXR entsprechend differenzieren.
• Sunlight Shadows: Die Sonne strahlt aufgrund ihrer Entfernen parallele Strahlen aus, die sich im Grunde recht einfach berechnen lassen. Da die Sonnenstrahlen aber die Hauptquelle für Schatten sind, müssen auch die Shadow Maps entsprechend detailreich sein, um alle Objekte mit einzubeziehen. Da dies einen größeren Aufwand bedeutet, verzichten viele Entwickler und Engine auf gewisse Details, die mit den Sunlight Shadows nun wieder mit einbezogen werden. Zudem können per DXR berechnete Schatten Effekte wie einen weicheren Schatten um schmale Objekte mit einbeziehen.
• Translucent Shadows: Nicht nur Glas ist transparent oder halbtransparent, sondern auch andere Objekte. So können dünne Blätter, ein Stoff und andere Objekte einen gewissen Anteil des Lichts durchlassen und dennoch einen Schatten werfen. Per Translucent Shadows können drei Stufen der Durchlässigkeit festgelegt werden, die bei der Berechnung mittels DXR mit einbezogen werden.

Die Unterschiede der einzelnen Schattenberechnungen erkannt man am besten in einigen Screenshots:

Um die Anforderungen an die Hardware zu begrenzen ist der Einsatz der einzelnen Effekte zur Berechnung der Schatten an die DXR-Qualitätseinstellungen gekoppelt. Dies sieht wie folgt aus:

Damit konnten wir nun auch einige der technischen Hintergründe der DXR-Anwendung in Shadow of the Tomb Raider klären.