Ambient Occlusion ist eine Grafikrendering-Technik, die die Auswirkungen von Umgebungslicht auf 3D-Objekte simuliert. Dabei werden Bereiche abgedunkelt, in denen Licht von anderen Objekten blockiert oder reflektiert wird, wodurch weiche Schatten und realistische Kontraste entstehen.

Ambient Occlusion ist wichtig für den Realismus von 3D-Videospielen, da sie der Szene Tiefe und Relief verleiht und dabei die Geometrie und Ausrichtung von Objekten berücksichtigt.

Es gibt verschiedene Arten der Umgebungsverdeckung, die auf unterschiedlichen Algorithmen und Parametern basieren und mehr oder weniger getreue und effektive Ergebnisse liefern.

Warum ist Umgebungsverdeckung für 3D-Videospiele wichtig?

Umgebungsverdeckung ist für 3D-Videospiele wichtig Tiefe und Dimension verleiht . Sie ermöglicht es Spielern, Objekte anhand ihrer Form und Ausrichtung zu unterscheiden. Außerdem lässt sie Farben natürlicher wirken und verhindert, dass sie zu hell oder zu dunkel erscheinen. Umgebungsverdeckung macht 3D-Videospiele daher optisch ansprechender und immersiver .

Welche verschiedenen Arten von Umgebungsverdeckung gibt es?

Es gibt verschiedene Arten der Umgebungsverdeckung, die jeweils auf unterschiedlichen Methoden und Parametern basieren. Diese Arten haben komplizierte Namen wie SSAO, HBAO, HDAO oder VXAO. Aber keine Sorge, wir erklären Ihnen, was sie bedeuten und wie sie funktionieren.

SSAO: Screen Space Ambient Occlusion

SSAO einfachste und gebräuchlichste Art der Umgebungsverdeckung . Sie basiert auf einer simplen Idee: Je näher zwei Objekte beieinander sind , desto mehr Schatten werfen sie aufeinander . SSAO misst daher den Abstand zwischen Objekten auf dem Bildschirm mithilfe eines Bildes, dem sogenannten Z-Puffer .

Der Z-Puffer ist wie eine Karte, die den Abstand zwischen jedem Punkt auf dem Bildschirm und der Kamera anzeigt. SSAO vergleicht dann den Abstand zwischen benachbarten Punkten, um festzustellen, ob sie Schatten werfen. Falls ja, wird der Punkt entsprechend der Schattenstärke abgedunkelt.

• Vorteile : Es ist schnell und einfach durchzuführen, es passt sich Kamera- und Objektbewegungen an und es funktioniert mit allen 3D-Spielen.
• Nachteile : Es berücksichtigt weder Richtung noch Farbe von Objekten, unterscheidet nicht zwischen nahen und fernen Objekten und stellt Kanten und Transparenzen nicht optimal dar. Daher können Schatten zu dunkel, zu unscharf oder ungünstig platziert sein und wirken unrealistisch.

HBAO: Horizontbasierte Umgebungsverdeckung

HBAO ist eine fortschrittlichere Form der Umgebungsverdeckung als SSAO . Sie basiert auf einem komplexeren Prinzip: Je höher der Horizont eines Objekts liegt , desto mehr Umgebungslicht empfängt es . Der Horizont eines Objekts entspricht seiner Sichtlinie zum Himmel.

Zum Beispiel :

• Wenn man sich auf einem Berggipfel befindet, hat man einen sehr hohen Horizont, weil man sehr viel Himmel sehen kann.
• Wenn man sich in einem Tal befindet, hat man einen niedrigeren Horizont, weil man weniger Himmel sieht.

Der HBAO misst den Horizont jedes Punktes auf dem Bildschirm mithilfe eines Bildes, dem sogenannten Normalenpuffer . Der Normalenpuffer ist wie eine Karte , die die Richtung der Oberfläche jedes Punktes anzeigt . Anschließend vergleicht der HBAO den Horizont benachbarter Punkte, um festzustellen, ob diese Schatten werfen. Falls ja, wird der Punkt entsprechend der Schattenstärke abgedunkelt.

• Vorteile : Es ist präziser und realistischer als SSAO. Es berücksichtigt Richtung und Farbe von Objekten, unterscheidet zwischen nahen und fernen Objekten und verarbeitet Kanten und Transparenzen besser. Dadurch erzeugt es dünnere, schärfere und besser platzierte Schatten, was den Realismus der Szene erhöht.
• Nachteile : Es ist teurer und komplexer als SSAO. Es erfordert die Horizontmessung an jedem Punkt, was mehr Ressourcen benötigt. Außerdem hängt es von der Qualität des Normalenpuffers ab, der ungenau oder verrauscht sein kann. Es funktioniert nicht mit allen 3D-Spielen; diese müssen den Normalenpuffer bereitstellen oder eine kompatible Grafik-Engine verwenden.

HDAO: Hochauflösende Umgebungsverdeckung

HDAO ist eine effektivere Form der Umgebungsverdeckung als HBAO . Es basiert auf einem adaptiveren Konzept: Je mehr Abtastwerte ein Punkt benötigt , desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass er von umgebenden Objekten verdeckt wird . Die Abtastwerte entsprechen Ansichten um einen Punkt herum, um festzustellen, ob er beleuchtet ist oder nicht.

Zum Beispiel :

• Wenn Sie sich in einem dunklen Raum befinden, benötigen Sie viele Farbmuster, um festzustellen, ob Sie durch ein Möbelstück oder eine Wand abgeschirmt werden.
• Wenn Sie sich in einem hellen Raum befinden, benötigen Sie weniger Proben, um festzustellen, ob Sie durch ein Fenster oder eine Lampe abgeschirmt sind.

HDAO berechnet die Anzahl der Abtastwerte für jeden Punkt auf dem Bildschirm . Die Methode variiert die Anzahl der Abtastwerte abhängig von Abstand und Winkel der Punkte. Anschließend vergleicht sie die Anzahl der Abtastwerte mit benachbarten Punkten, um festzustellen, ob diese Schatten werfen. Falls ja, wird der Punkt entsprechend der Schattenintensität abgedunkelt.

Vorteile : Es ist hochwertig und effizient. Es verwendet eine optimale Anzahl von Abtastwerten pro Punkt, wodurch Qualitätsverluste und Ressourcenverschwendung vermieden werden. Dies führt zu detaillierteren und tieferen Schatten und verbessert die Gesamtqualität der Szene.

Nachteile : Es ist inkompatibel und schwierig zu konfigurieren. Es funktioniert nicht mit allen 3D-Spielen; diese müssen eine bestimmte Grafik-Engine verwenden, beispielsweise die von AMD oder Ubisoft. Es hängt außerdem von den Spielereinstellungen ab, da die minimale und maximale Anzahl an Samples sowie Radius und Intensität der Verdeckung festgelegt werden müssen.

VXAO: Voxelbeschleunigte Umgebungsverdeckung

VXAO ist eine fortschrittlichere Form der Umgebungsverdeckung als HDAO . Sie basiert auf einem umfassenderen Prinzip: Je genauer die Voxeldarstellung eines Punktes in der Szene ist , desto wahrscheinlicher wird er von umgebenden Objekten verdeckt . Die Voxeldarstellung ist wie ein 3D-Modell, das die Szene mit kleinen Würfeln, sogenannten Voxeln, abbildet.

Wenn man beispielsweise ein Haus in Voxelform hat, kann man alle Details seiner Struktur und Beleuchtung sehen.

VXAO erzeugt daher eine voxelbasierte Darstellung der Szene auf dem Bildschirm mithilfe einer Methode namens Voxel-Cone-Tracing . Voxel-Cone-Tracing funktioniert ähnlich wie das Aussenden virtueller Kegel in alle Richtungen von jedem Punkt aus, um zu ermitteln, welche Voxel das Licht blockieren.

Anschließend vergleicht es die Voxeldarstellung benachbarter Punkte, um festzustellen, ob diese Schatten werfen oder nicht. Falls ja, wird der Punkt entsprechend der Schattenstärke abgedunkelt.

Vorteile : Es ist detailreich und tiefgründig. Es verwendet eine vollständige und präzise Voxel-Darstellung der Szene, wodurch alle möglichen Verdeckungseffekte erfasst werden, einschließlich derer, die durch bewegte Objekte oder mehrere Lichtquellen verursacht werden. Dadurch entstehen sehr feine und tiefe Schatten, die die Tiefenwirkung der Szene verstärken.

Nachteile : Es ist ressourcenintensiv und eingeschränkt. Es erfordert die Erstellung einer voxelbasierten Darstellung der Szene, was erhebliche Ressourcen, insbesondere Videospeicher, beansprucht. Es ist nicht mit allen 3D-Spielen kompatibel; diese müssen eine bestimmte Grafik-Engine verwenden, beispielsweise die von Nvidia oder Square Enix.

Umgebungsverdeckung in aktuellen Videospielen

Ambient Occlusion ist eine Grafikrendering-Technik, die in vielen aktuellen Videospielen zum Einsatz kommt. Sie verbessert Realismus und Spielerlebnis durch Schatten- und Kontrasteffekte , die 3D-Szenen Tiefe und Dimension verleihen. Hier einige Beispiele für Spiele, die Ambient Occlusion nutzen:

• Red Dead Redemption 2 : Dieses Open-World-Action-Adventure-Spiel von Rockstar Games nutzt HDAO, um weiche, realistische Schatten in natürlichen und urbanen Umgebungen zu erzeugen. Das Spiel bietet außerdem einen Fotomodus, mit dem Spieler Bilder mit verschiedenen Umgebungsverdeckungseinstellungen aufnehmen können.
• Metro Exodus : Dieser von 4A Games entwickelte Ego-Shooter nutzt VXAO, um in postapokalyptischen Umgebungen subtile, tiefe Schatten zu erzeugen. Das Spiel verwendet außerdem eine Technik namens Global Illumination , die Umgebungsverdeckung mit Lichtstreuung kombiniert, um dynamische Farb- und Lichteffekte zu erzeugen.
• Assassin's Creed Valhalla : Dieses Open-World-Action-Rollenspiel von Ubisoft nutzt HBAO+ für gestochen scharfe, präzise Schatten in historischen und mythologischen Umgebungen. Das Spiel verwendet außerdem die Technik der Screen Space Reflections , die Umgebungsverdeckung mit Lichtreflexionen kombiniert, um realistische Spiegel- und Wassereffekte zu erzeugen.

Um die Umgebungsverdeckung in den Grafikeinstellungen eines Spiels zu aktivieren und anzupassen, müssen Sie in der Regel das Menü „Erweiterte Optionen“ aufrufen. Dort können Sie Art und Intensität der Umgebungsverdeckung auswählen. Beachten Sie dabei die Auswirkungen der Umgebungsverdeckung auf die Systemleistung und den Stromverbrauch. Je höher die Umgebungsverdeckung, desto mehr Ressourcen werden von der Grafikeinheit (GPU) und der Grafikkarte benötigt, was zu einer geringeren Bildrate oder einer höheren Systemtemperatur führen kann.

Umgebungsverdeckung in der Zukunft von Videospielen

Ambient Occlusion ist eine Grafikrendering-Technik, die nach wie vor Einschränkungen und Herausforderungen aufweist. Sie hängt von der Qualität und Präzision der verwendeten Algorithmen sowie von der Leistungsfähigkeit und Kompatibilität der beteiligten Systeme ab. Hier sind einige mögliche Wege zur Verbesserung von Ambient Occlusion:

Die Verwendung von Raytracing

Raytracing ist eine Grafikrendering- , die den Verlauf von Lichtstrahlen in einer 3D-Szene simuliert und dabei deren Wechselwirkungen mit Objekten und Materialien berücksichtigt. Raytracing ermöglicht eine realistischere und präzisere Berechnung der Umgebungsverdeckung als bisherige Verfahren, benötigt aber auch deutlich mehr Ressourcen.

Daher müssen spezielle Grafikkarten, beispielsweise von Nvidia oder AMD, verwendet werden, die über Einheiten verfügen, die dem Raytracing gewidmet sind.

Der Einsatz künstlicher Intelligenz

Künstliche Intelligenz (KI) ist eine Technik, die Algorithmen nutzt , die anhand der bereitgestellten Daten lernen und sich weiterentwickeln können. KI kann daher zur Optimierung von Umgebungsverdeckungsberechnungen , indem die Anzahl der Abtastwerte oder der Verdeckungsradius an die Szene oder die Bewegung angepasst wird.

kann auch zur Korrektur von Fehlern oder Ungenauigkeiten , die durch aktuelle Verfahren entstehen, indem neuronale Netze oder vortrainierte Modelle verwendet werden. Doch dieser Einsatz von KI wirft auch soziale und wirtschaftliche Fragen auf. Allein in Frankreich gehen durch den Einsatz von KI 217 Arbeitsplätze verloren .

Korrektur von Artefakten oder Ungenauigkeiten verwendet werden, die durch aktuelle Techniken verursacht werden, indem neuronale Netze oder vorab trainierte Modelle zum Einsatz kommen.

Die Nutzung von virtueller Realität

Virtual Reality ist eine Technik, die den Nutzer mithilfe eines Headsets oder einer speziellen Brille dreidimensionale Umgebung . Virtual Reality profitiert daher von Umgebungsverdeckung (Ambient Occlusion), welche den Realismus und die Tiefenwirkung der Szene verstärkt.

Allerdings birgt dies auch Herausforderungen, wie beispielsweise die Notwendigkeit einer hohen und konstanten Bildwiederholrate, um Übelkeit oder Kopfschmerzen zu vermeiden. Daher müssen an die virtuelle Realität angepasste Umgebungsverdeckungstechniken wie Foveated Rendering , welches die Grafikqualität in den Randbereichen des Sichtfelds reduziert.

Die Zukunftsaussichten für Ambient Occlusion sind daher vielfältig und vielversprechend. Sie kann zur Entwicklung schönerer und realistischerer 3D-Videospiele beitragen, muss sich aber auch an neue Technologien und die veränderten Bedürfnisse der Spieler anpassen.

FAQs

Was ist Umgebungslicht?

Umgebungslicht ist Licht, das aus allen Richtungen kommt und die Szene gleichmäßig ausleuchtet. Es hat keine spezifische Quelle; es entsteht durch die Streuung von Licht durch die Atmosphäre, Wolken, Wände usw.

In Videospielen wird häufig Umgebungslicht verwendet, um eine Grundbeleuchtung , die dann durch direkte Lichtquellen wie die Sonne, Lampen, Feuer usw. ergänzt werden kann.

Worin besteht der Unterschied zwischen Umgebungsverdeckung und Schlagschatten?

Schlagschatten sind die Schatten, die Objekte werfen, wenn sie von einer direkten Lichtquelle beleuchtet werden. Sie hängen von der Position und Form des Objekts sowie von Richtung und Entfernung der Lichtquelle ab. Schlagschatten werden häufig in Videospielen eingesetzt, um Kontrast und Tiefe zwischen Objekten und Hintergrund zu erzeugen.

Umgebungsverdeckung bezeichnet den Schattenwurf von Objekten bei Umgebungslicht. Dieser Schattenwurf hängt von der Nähe und Ausrichtung der Objekte zueinander sowie von Radius und Intensität des Umgebungslichts ab. In Videospielen wird Umgebungsverdeckung häufig eingesetzt, um Realismus und feine Details bei Objekten zu erzeugen.

Wie aktiviere oder deaktiviere ich die Umgebungsverdeckung in einem Videospiel?

Um die Umgebungsverdeckung in einem Videospiel zu aktivieren oder zu deaktivieren, müssen Sie in der Regel das Grafikoptionsmenü des Spiels aufrufen . Dort finden Sie eine Einstellung speziell für die Umgebungsverdeckung. Dies kann ein einfacher Ein-/Ausschalter oder ein Schieberegler sein, mit dem Sie den Grad der Umgebungsverdeckung einstellen können.

Lesen Sie auch : Cloud-Gaming – die unerschlossene Zukunft der Videospielindustrie?

Welchen Einfluss hat Umgebungsverdeckung auf die Videospielleistung?

Umgebungsverdeckung wirkt sich auf die Videospielleistung aus, da sie mehr Berechnungen von der Grafikprozessoreinheit ( GPU ) und der Grafikkarte erfordert.

Je höher der Grad oder die Art der Umgebungsverdeckung, desto mehr Ressourcen werden verbraucht . Dies kann zu einem Rückgang der Bilder pro Sekunde (FPS), die die Spielflüssigkeit misst, oder zu einem Anstieg der Systemtemperatur führen, was Überhitzung oder Leistungseinbußen verursachen kann.

Welchen Nutzen hat die Umgebungsverdeckung für den Spieler?

Der Vorteil der Umgebungsverdeckung für den Spieler besteht darin , dass sie das Videospiel optisch aufwertet und ein immersiveres Erlebnis bietet . Sie ermöglicht die Erzeugung von Schatten- und Kontrasteffekten, die 3D-Objekten Relief und Tiefe verleihen.

Es ermöglicht zudem natürlichere und harmonischere Farben. Ambient Occlusion trägt somit zu einer realistischeren Atmosphäre in Videospielen bei.