Metro Exodus PC Enhanced Edition

Ein Blick in die Raytracing-Zukunft

Metro Exodus war Anfang 2019 eines der ersten Spiele, welches anstatt auf per Raytracing berechnete Reflexionen auf eine möglichst realistische Beleuchtungssimulation setzte. Dem Setting von Metro tat dies sehr gut und die Umsetzung wusste zu überzeugen. 4A Games hat Metro Exodus nun erneut aufgelegt und setzt aus technischer Sicht für die PC Enhanced Edition vor allem Leistungsverbesserungen und stellt die Rendering-Engine mittels verbesserter Raytracing-Effekte neu auf. Wir haben uns genau dies einmal angeschaut.

Die PC Enhanced Edition können alle Besitzer des Originalspiels laden – kostenlos! Für die Ausführung ist allerdings eines Pflicht: Entweder eine GeForce-RTX-Grafikkarte auf Basis der Turing- oder Ampere-Architektur oder eine Karte der Radeon-RX-6000-Serie.

Ray Traced Global Illumination

Die von 4A Games gewählte Ray-Tracing-Umsetzung hört auf den Namen Ray Traced Global Illumination (RTXGI). Die Berechnung von Licht und Schatten ist ohne ein echtes Ray Tracing schwierig bzw. kann immer nur eine Annäherung an das möglichst ideale Resultat sein. Effekte wie die Lichtstreuung werden nicht in Echtzeit berechnet, sondern sind vordefiniert (pre-backed) als Materialeigenschaft hinterlegt. Selbst solche Dinge wie Kernschatten und Sekundärschatten werden über Filter realisiert und sind keinesfalls eine echte Simulation der Lichtverhältnisse.

Techniken wie Ambient Occlusion (AO) beschreiben 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 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, die dann auch noch störend flackern. Mittels HBAO+ werden die Berechnung von Licht und Schatten in voller Auflösung durchgeführt.

Ray Traced Global Illumination, wie in der ersten Fassung von Metro Exodus, verwendete aber bisher nur einen Lichtbounce – im Raytracing-Verfahren wird also nur ein Strahl bis zum ersten Kontakt verfolgt. Aber auch dies kann je nach Effekt und Szene schon sehr aufwendig in der Berechnung sein. Hinzu kommt, dass 4A Games im Vorfeld der Entwicklung das Lichtrendering auf HBAO auslegte und RTXGI später hinzufügte. Man konnte sich in der Gestaltung also nicht vollständig auf eine Technik konzentrieren und wollte dies auch nicht, schließlich sollten auch Grafikkarten, die keine Raytracing-Beschleuniger haben, das Spiel ausführen können.

Für die PC Enhanced Edition hat man diesen Ansatz nun über Bord geworfen und das Spiel vollständig auf eine durch Raytracing unterstützte Berechnung der Beleuchtung umgestellt. Tricks und Fake-Lichtquellen gibt es in Metro Exodus in der PC Enhanced Edition nicht mehr. Jede Lichtquelle, die einen Schatten erzeugen kann, wird nun per Raytracing berechnet. Sorgte eine starke Lichtquelle bislang nur dafür, dass direkt darauf gerichtete Oberflächen erleuchtet wurden, kann die neue Berechnung über mehrere Bounces auch "um die Ecke" strahlen. Das Licht wird dabei je nach Oberfläche anders gestreut und nimmt auch die Farbe der Oberfläche an.

Die Berechnungen der Beleuchtung war in Metro Exodus schon gut, in der PC Enhanced Edition wird sie noch besser. Bereiche, die dunkel sein sollten, bleiben dies auch. Bereiche, die hingegen dem Empfinden des Spielers nach, eine indirekte Beleuchtung erhalten sollten, werden nun etwas heller dargestellt. Die gesamte Beleuchtungsszenarie gewinnt noch weiter an Realismus.

Lichtquellen sind in der PC Enhanced Edition aber nicht nur punktförmig, sondern können auch eine bestimmte Form annehmen und werden in ihrer Ausstrahlung auch als solche berechnet. Diese Technik wird als Ray Traced Emissive Lights bezeichnet. Nehmen wir also Beispiel eine Leuchtstoffröhre, die in Metro Exodus in zahlreichen Indoor-Szenen zum Einsatz kommt. Diese streut ihr Licht nun dank einer Berechnung per Raytracing nicht mehr als Punktquelle, sondern als korrekt simulierte Oberfläche. Entsprechend werden die Lichtemission und der Schattenwurf einer solchen Lichtquelle nun auch berechnet.

Als neuen Raytracing-Effekt hat 4A Games nun auch Reflexionen eingeführt. Bisher hat man sich hier auf reine Screen Space Reflections und Cube Maps verlassen. Nun kann der Spieler zwischen einem Hybrid- und einer reinen Raytracing-Umsetzung für die Reflexionen wählen. Ray Traced Global Illumination ist in seiner Methodik bereits eine Art der Berechnung von Reflexionen, nur eben für Lichtquellen. Die nun neuen Reflexionsberechnungen per Raytracing betreffen die direkten Reflexionen auf entsprechenden Oberflächen: Vor allem metallische Oberflächen und Flüssigkeiten.

Allerdings bedienen sich die Entwickler hier einiger Tricks. So werden auf Glasoberfläche weiterhin Screen Space Reflections verwendet. Per Raytracing berechnete Reflexionen gibt es auch nur, wenn die Blickrichtung des Spielers diese voraussetzt. Im peripheren Sichtfeld kommen ebenfalls weiterhin Screen Space Reflections und Cube Maps zum Einsatz.

Nachteile und Herausforderungen

Das Raytracing ist extrem herausfordernd für die Hardware. Entsprecht sieht 4A Games drei Einstellungen für die Qualitätsstufen vor. In "Normal" werden alle Raytracing-Effekte mit einem Viertel der nativen Auflösung berechnet. Für 3.840 x 2.160 Pixel Ausgangsauflösung entsprechend mit 1.920 x 1.080 Pixeln. "High" verwendet ein Schachbrettmuster für die Raytracing-Berechnungen. Nur auf "Ultra" werden die RT-Effekte in nativer Auflösung berechnet.

Das Rauschen ist der Faktor für die niedrigsten Einstellungen. In der Berechnung der Raytracing-Effekte ist dies deutlich erkennbar. Wir würden daher immer empfehlen auf "High" zu spielen. Zu "Ultra" sind die Unterschiede in der Darstellung nur noch sehr gering.

Auch wenn von einem Echtzeit-Raytracing die Rede ist, so ganz in Echtzeit werden nicht alle Effekte berechnet. Wir haben bereits erwähnt, dass die Umgebungsbeleuchtung bisher auf einen Bounce beschränkt war und nun mehrere beinhaltet. In den nächsten Frame mit einberechnet, wird allerdings weiterhin nur ein Bounce. Ändert sich die Beleuchtungssituation also relativ schnell, benötigen die weiteren Bounces etwas Zeit, bis sie sich auswirken können.

DLSS 2.1

Die PC Enhanced Edition von Metro Exodus bekommt zudem noch eine neue Umsetzung von DLSS spendiert. DLSS 2.1 bietet eine deutlich Verbesserung in der Darstellungsqualität. An dieser Stelle wollen wir auf ein Video der Kollegen von Digital Foundry verweisen, die sich den Effekten und der Darstellungsqualität genauer angekommen haben:

Wir konzentrieren uns nun auf die Benchmarks. Ausgeführt haben wir die Benchmarks im Grafikkarten-Testsystem mit einem Core i9-10900K, 32 GB an Arbeitsspeicher (DDR4-2933) und mit den aktuellen Treibern (GeForce 466.27 und Adrenalin 21.4.1).

Grafik-Presets im Vergleich

Zunächst einmal wollen wir uns die verschiedenen Presets anschauen, die das Spiel anbietet. 

Eine GeForce RTX 3080 liefert selbst im "Hoch"-Preset noch mehr FPS, als dies einer Radeon RX 6900 XT möglich ist. Wie gesagt, die Raytracing-Effekte sind in ihrer niedrigsten Stufe immer aktiv, egal welche Voreinstellung gewählt wird.

Über die Raytracing-Presets ist ein gewisser Einfluss auf die Leistung möglich. Für die PC Enhanced Edition sehen wir "Hoch"-Preset als Mindestvoraussetzung an.

Für die Reflexionen gibt es eine eigene Einstellung. Natürlich gibt es für den Hybrid-Ansatz im Vergleich zum Raytracing ebenfalls Unterschiede in der Leistung. Durch die Bank kann man sagen, dass NVIDIA hier die Nase vorne hat und selbst im höheren Preset meist schneller ist, als AMD in einem Preset, welches darunter angesiedelt ist.

Gestaffelt nach den Presets sehen wir für die verschiedenen DLSS-Einstellungen natürlich auch Unterschiede in den FPS. Die Darstellungsqualität haben wir bereits in Screenshots verglichen und hier muss jeder für sich selbst entscheiden, welchen Kompromiss er eingehen möchte.

AMD vs. NVIDIA in 1080p, 1440p und 2160p

Zum Abschluss haben wir uns noch angeschaut, wie sich die PC Enhanced Edition gegen die erste Version aus 2019 hinsichtlich der Leistung schlägt. 1:1 zu vergleichen sind die beiden Versionen natürlich nicht mehr.

Trotz der deutlich aufwendigeren Raytracing-Berechnungen konnte 4A Games das Spiel in der Form optimieren, dass im Ultra-Preset mit den Raytracing-Effekten auf Hoch und Ultra es keinerlei negativen Einfluss auf die Leistung gibt – hier und da berechnet die Hardware die PC Enhanced Edition sogar mit mehr FPS.

Eine erste Einschätzung

Es ist nur eine Frage der Zeit, bis weitere Spiele erscheinen, die eine Hardware voraussetzen, welche wiederum eine hardwarebeschleunigte Berechnung der Raytracing-Effekte ermöglicht. Bis zu diesem Schritt müssen aber noch jede Menge alter Zöpfe abgeschnitten werden. Sowohl auf der PC- als auch der Konsolen-Plattform ist aber noch viel zu viel Hardware unterwegs, die nicht auf der Turing- und Ampere-Architektur von NVIDIA bzw. der RDNA-2-Architektur von AMD basiert. So lange dies der Fall ist, wird kein Entwickler den Schritt gehen sein Spiel ausschließlich auf ein Raytracing auszulegen.

Aber Metro Exodus in der PC Enhanced Edition zeigt sehr schön, wohin der Weg gehen könnte. Die Version aus 2019 war über Ray Traced Global Illumination ein Blick in die Zukunft. Die PC Enhanced Edition mit den mehrfachen Bounces im Raytracing-Effekt für die globale Beleuchtungssituation öffnet wieder ein Fenster in die Zukunft. Wie bei vielen Spielen mit Raytracing-Effekten kann man sich darüber unterhalten, ob nicht auch die alten Methoden zur Berechnung ausreichend sind. An dieser Stelle muss der Autor ein wenig seine objektive Schiene verlassen, denn jeder Spieler schaut anders auf die ihm gebotene 3D-Welt. Als GPU-Redakteur und durch die zahlreichen GPU-Benchmarks ist das Auge geschult, genauer hinzuschauen. Hat man sich erst einmal an die Darstellung mittels Ray Traced Global Illumination gewöhnt, will man eigentlich nicht mehr zurück. Ähnliches gilt für die Reflexionen, wenngleich Techniken wie optimierte Screen Space Reflections hier schon sehr gut sind. Aber auch diese Techniken machen Fehler und dieser sind per Raytracing eben nicht mehr möglich, da es sich um eine physikalisch korrekte Berechnung handelt.

Metro Exodus profitiert in vielen Szenen von der mehrfachen Lichtstreuung der optimierten Ray Traced Global Illumination. Auf den ersten Blick verlieren viele Szene ihren dunklen Charakter, aber wenn man sich diese dann genauer anschaut und darüber nachdenkt, wie sich die Beleuchtung tatsächlich darstellen würde, dann wäre es eben gar nicht so dunkel und bereits eine Taschenlampe plus mehrfacher Reflexionen reicht eben aus, um auch die Seiten und Rückseite eines Raumes auszuleuchten, wenn man in eine Richtung des Raumes leuchtet.

Wie auch schon 2019 lautet unser Fazit zur Berechnung der Beleuchtung in Metro Exodus also: Besser geht es momentan nicht!

Weniger gut finden wir die Umsetzung der Reflexionen, zumal sie nicht auf alle Oberflächen angewendet werden. Vor allem auf Glas scheinen noch immer Screen Space Reflections eingesetzt zu werden. Außerdem werden Objekte mit Alpha-Komponenten gar nicht in der Berechnung bedacht. Hier ist 4A Games sicherlich einen Kompromiss aus Qualitäts-Zugewinn und Leistungs-Verlust eingegangen.

Das DLSS ist in Version 2.1 eingebaut und enthält damit auch die temporäre Komponente in der Art und Weise wie das DLSS funktioniert. Damit gewinnt die AI-Upscaling-Methode an "Stabilität", denn Objekte, die sich bewegen und von Frame zu Frame anders aussehen können, werden ohne (oder mit reduziertem) ein Flackern dargestellt. So seine Probleme hat das DLSS, wenn die Raytracing-Effekte nur auf Normal und damit einem Viertel der nativen Auflösung ausgeführt werden. Hier wird eine künstliche Rekonstruktion versucht, aber aufgrund der fehlenden Daten fällt es dem Algorithmus schwer die richtigen Datenpunkte zu finden. Dies äußert sich dann in einem "Schwimmen" der Darstellung in Bereichen, wo die Beleuchtung berechnet werden soll.

Hinsichtlich der Leistung zeigt sich das übliche Bild. Eine GeForce RTX 3080 kann in den höchsten zwei Qualitätsstufen noch schneller sein, als eine Radeon RX 6800. Die GeForce RTX 3070 setzt sich zwischen die Radeon RX 6800 XT und Radeon RX 6800. Die Radeon RX 6700 XT verliert zwar gegen die GeForce RTX 3060 Ti, bleibt aber noch vor der GeForce RTX 3060. Auch mit Karten der GeForce-RTX-20-Serie lässt sich Metreo Exodus in der PC Enhanced Edition noch sehr gut spielen. Die aufwendigeren Raytracing-Effekte haben im direkten Vergleich kaum Einfluss auf die Leistung. Hier hat 4A Games offenbar gut gearbeitet.

Besitzer von Metro Exodus bekommen die PC Enhanced Edition kostenlos. So kann jeder mit Raytracing-Hardware einen Blick wagen und wer das Spiel noch gar nicht gespielt hat, bekommt einen aus 2019 optisch frisch aufbereiteten Top-Titel.