Was ist ambient occlusion

Zuletzt aktualisiert am von Nicholas Frost

In den frühen Tagen der Videospiele, in denen wir nur unsichtbare zweidimensionale Pixel- oder Sprite-Grafiken hatten, war vieles der Fantasie überlassen. Damals bestanden Computergrafiken aus kaum erkennbaren Formen, die als ihre Pendants aus der realen Welt (oder in vielen Fällen aus der Filmwelt) ausgegeben wurden. Sie taten ihr Bestes und konzentrierten sich dann auf ein lustiges, sich wiederholendes Spiel, das eine großartige Möglichkeit darstellt, sich jeden Samstag Nachmittag die Zeit zu vertreiben. Das ging sehr lange so, wobei der Atari 2600 die Hauptkonsole für zu Hause war, die diese Aufgabe erledigte.

Nach dem Videospiel-Crash der 80er Jahre erhoben sich Nintendo und Sega aus der Asche und bauten neue Konsolen: das Nintendo Entertainment System bzw. die Sega Genesis. Diese Konsolen wiesen eine viel bessere Grafik auf, bei der man wirklich erkennen konnte, was jedes einzelne Element ist. Sicher, es ist noch einiges für die Fantasie übrig, aber man müsste sich definitiv nicht mehr so anstrengen wie früher. Während dieser 8-Bit- und der nachfolgenden 16-Bit-Ära wurden die Sprite-Grafiken bis an die absolute Grenze der damaligen Technologie gebracht. Aber es war immer noch das Reich der 2D- oder Zweidimensionalität. Die meisten Spiele wurden seitlich oder von oben nach unten gescrollt, und jedes “3D”-Spiel, das herauskam, benutzte immer noch Sprite-Grafiken. Es war eine großartige Möglichkeit, Spiele zu erstellen, und viele klassische Spiele galten immer noch als einige der besten in ihrem jeweiligen Genre. Als jedoch die Sony Playstation auf den Markt kam, wurde die Spielindustrie nie mehr dieselbe sein. Sie würde in den Bereich der drei Dimensionen, oder 3d, vorstoßen.

Mit der Ankunft der 3D-Grafiken kam eine neue Grenze im Bereich der Videospiele. Plötzlich gehörten zweidimensionale Sprites der Vergangenheit an, und die Spieleentwickler gingen schnell an die Grenzen des Machbaren, um immer bessere 3D-Grafiken zu entwickeln, die das Eintauchen in die Welt der Spiele so gut wie technisch möglich machen würden. Wenn während der 8- und 16-Bit-Ära nur sehr wenig der Fantasie überlassen wurde, so blieb mit dem Aufkommen der 3D-Grafiken fast nichts mehr übrig. Spieleentwickler konnten praktisch alles erstellen, was sie modellieren und im Spiel verwenden konnten. Und mit der Zeit wurde die Qualität dieser 3D-Grafiken immer besser.

Heute ist die Qualität von 3D-Grafiken in Videospielen, insbesondere in Triple-A-Videospielen, so hoch, dass die Linien der Realität verschwimmen. Das liegt daran, dass im Laufe der Jahre viele Funktionen entwickelt wurden, um den Realismus, den 3D-Grafiken bieten können, deutlich zu verbessern. Von der Hardwarebeschleunigung bis hin zur Softwareanpassung sind die 3D-Spiele von heute um Lichtjahre weiter, als die Spielehersteller in den 60er und 70er Jahren sich jemals erträumt haben.

Es gibt viele Elemente in 3D-Grafiken, die alle dazu beitragen, ein fantastisches Bild zu erzeugen. Die Beleuchtung ist natürlich eines der wichtigsten. Die Fähigkeit, die Auswirkungen von Licht in einem Bereich und die dadurch verursachten Schattierungen zu berücksichtigen, könnte den Unterschied zwischen qualitativ hochwertigen Bildern ausmachen. Und genau hier kommt die Umgebungsbedeckung ins Spiel.

Was ist Umgebungsokklusion?

Auf den ersten Blick sieht der Begriff sehr technisch aus und klingt auch so. Und wenn Sie ihn definieren, indem Sie herausfinden, was die Begriffe “Ambient” und “Okklusion” getrennt voneinander bedeuten, erhalten Sie eine vage Vorstellung davon, was es ist. Online-Wörterbücher definieren “ambient” als “sich auf die unmittelbare Umgebung von etwas beziehen”. Klingt einfach genug. Aber “Okklusion” bedeutet ein paar leicht unterschiedliche Dinge, die alle drei Dinge gemeinsam haben: eine Blockade, einen momentanen Verschluss und die Positionierung.

Kombiniert erhalten Sie etwas in der Art von “Dingen um diese Blockierung herum”. Klingt immer noch verwirrend? Keine Sorge, es ist eigentlich nicht mehr weit weg. Sehen Sie, die Ambient Occlusion ist die Schattierungs- und Rendering-Methode, um herauszufinden, wie viel von einem bestimmten Punkt in einer gerenderten Szene das Umgebungslicht erhält. Es ist die Methode, um zu sehen, wie “zugänglich” jeder Punkt in der Szene für das Umgebungslicht ist, um einen Effekt zu erzeugen, der so viel näher an der Funktionsweise der realen Beleuchtung liegt. Sie unterscheidet sich vom Schattenwurf (dazu kommen wir später), erzeugt aber einen Schattierungseffekt. Geschlossene oder schwer zugängliche Bereiche werden verdunkelt und belichtete Bereiche aufgehellt, wodurch der Realismus einer Szene erhöht wird.

Immer noch verwirrt? Betrachten Sie es so. Nehmen Sie eine Pappröhre aus Toilettenpapier und stellen Sie sie auf einen regelmäßig beleuchteten Tisch. Werfen Sie einen Blick in das Innere der Röhre und dann einen Blick nach draußen. Da das Innere der Röhre nicht leicht von der Umgebungsbeleuchtung erreicht werden kann, erscheint sie dunkler als die Außenseite der Röhre. Das ist es, was die Umgebungsbeleuchtung bewirkt. Wenn es in der realen Welt Grafikeinstellungen gäbe und wir die Umgebungsbedeckung ausschalten würden, wäre es nicht so einfach, das Innere der Röhre von der Außenseite zu unterscheiden. Es sei denn, die Texturen (dazu kommen wir später auch noch) der Pappröhre haben bereits Schatten aufgemalt.

Ambient Occlusion, wenn sie korrekt ausgeführt wird, ergibt eine Szene, die so viel realistischer aussieht, als wenn sie ohne Ambient Occlusion gerendert wird. Aber es gab eine Zeit, in der Umgebungsokklusion in Videospielen nicht verwendet wurde. Im Jahr 2001 wurde in dem Film Pearl Harbor mit Ben Affleck und Kate Beckinsale in den Hauptrollen die Ambient-Okklusion verwendet. Im Jahr 2007 jedoch enthüllte Cryteks Spiel “Crysis” den Screen Space Ambient Occlusion, der zum ersten Mal in einem Videospiel verwendet wurde. Die Ergebnisse waren verblüffend, und damals wurde Crysis als ein wunderschön gemachtes Sci-Fi-Epos gefeiert. Nicht nur wegen der Story und des Gameplays, sondern auch wegen der damals hochmodernen Grafik. Aber eine solche Spitzentechnologie bedeutete, dass Crysis bei der Veröffentlichung eine der höchsten Hardware-Anforderungen aller Spiele hatte. Dennoch setzte es die Messlatte, die andere Triple-A-Titel, die eine eindringliche und realistische Grafik erreichen oder überschreiten müssen, erreichen oder überschreiten.

Wie funktioniert die Umgebungsbedeckung?

Wir wissen jetzt, was Umgebungsokklusion ist. Aber wie erfüllt sie ihre Aufgabe, indem sie der Videospielszene in Form von Schattierungen Tiefe verleiht?

Die von Crytek, insbesondere von Vladimir Kajalin, entwickelte Methode funktioniert als Algorithmus eines Pixel-Shaders. Pixel-Shader sind im Wesentlichen die Berechnung verschiedener Attribute und Einstellungen eines Bereichs einer Szene oder eines Objekts in einer Szene und erzeugen ein Ergebnis auf der Grundlage dieser Berechnungen. Dabei kann es sich um ein einfaches Ergebnis wie eine einfache Farbe oder, in diesem Fall, um eine Lichtmenge handeln. Dies geschieht für jedes Pixel, das auf dem Bildschirm vorhanden ist.

Das klingt nach einer Menge Arbeit, und das ist es auch. Das ist wohl auch der Grund, warum es so lange gedauert hat, es in Videospielen zu implementieren. Denn vorher war es sehr schwierig, die Umgebungsokklusion über das Echtzeit-Rendering durchzuführen. Aber die von Crytek entwickelte Lösung, bei der eine bestimmte Anzahl von Pixeln anstelle jedes einzelnen Pixels abgetastet wird, hat den Zeit- und Verarbeitungsaufwand erheblich reduziert. Und mit der parallel dazu entwickelten Technologie konnte ein qualitativ hochwertiges Bild erzeugt werden, das für die Weiterentwicklung von Videospielgrafiken akzeptabel ist.

Heutzutage gibt es viele Arten von Umgebungsverschlüssen oder AO, wie die Industrie sie nennt, und sie funktionieren etwas anders als die anderen.

Arten von Umgebungsokklusion

Die verschiedenen Arten von Umgebungsokklusion haben ähnliche, aber leicht unterschiedliche Ergebnisse, je nachdem, wie ein Spieleentwickler sie eingesetzt hat. Hier sind einige der häufigsten und ihre Vor- und Nachteile aufgeführt.

SSAO oder Screen-Space Ambient Occlusion – der Großvater der Ambient-Okklusionstechnologie für Videospiele. SSAO wurde 2007 von Crytek entwickelt und setzte den Standard, wenn es um die Umgebungsokklusion geht, und ist bis heute die Standardoption für die meisten veröffentlichten Videospiele.

Schlüsselmerkmale:

    1. Wenig bis keine CPU-Ressourcen – aufgrund des verwendeten Algorithmus ist es praktisch nicht notwendig, die CPU zu benutzen. SSAO kann von der Grafikverarbeitungseinheit oder der GPU durchgeführt werden.
    2. Schnell und ressourcenschonend – da keine Vorverarbeitung erforderlich ist, hat SSAO praktisch keine Ladezeit und keine Speicherzuweisungen. SSAO kann speziell in der GPU durchgeführt werden
    3. Konsistent und zuverlässig – der Algorithmus wird jedes Mal gleich angewendet.
    4. Anpassungsfähig – kann von Videospielentwicklern und GPU-Herstellern auf vielfältige Weise angewendet werden.

SSDO oder Screen Space Directional Occlusion – kann als eine Weiterentwicklung der SSAO im Hinblick auf den technologischen Fortschritt betrachtet werden. SSDO verwendet nicht nur die Pixel einer Szene oder eines Objekts. Es nutzt auch die Richtung des auf das Objekt auftreffenden Lichts und der Lichter, die von dahinter liegenden Objekten abprallen. Dies gibt dem Spieler die Möglichkeit, Objekte zu unterscheiden, indem er den Unterschied in der Menge von Schatten und Licht zwischen ihnen sieht.

Dies gibt mehr Tiefe und Realismus als das, was SSAO bereits bringt, und bringt Videospiele immer näher an die immer schwerer zu erreichende Fotorealismus-Einstellung heran.

Schlüsselmerkmale:

    1. realistischere Beleuchtung – durch die Berücksichtigung der Lichtrichtung von Lichtquellen wird die Tiefe der Beleuchtung viel stärker hervorgehoben.
    2. Nicht so weit von den Ressourcenanforderungen von SSAO entfernt – selbst wenn SSDO der Nachfolger von SSAO ist und mehr Funktionen hat, bleiben die Ressourcenanforderungen sehr ähnlich und das ist für moderne GPUs keine so große Belastung.

HBAO/HDAO oder Horizon-Based Ambient Occlusion und High-Definition Ambient Occlusion – dies sind Varianten von SSAO, die zwei GPU-Entwicklern gehören. Nvidia besitzt HBAO, und AMD besitzt HDAO. Sie unterscheiden sich nicht so sehr von SSAO, aber sie erzeugen eine bessere Umgebungsabdeckung, insbesondere wenn sie mit ihren jeweiligen Grafikkarten verwendet werden. Dies geht jedoch auf Kosten eines höheren Ressourcenbedarfs und eines Leistungsabfalls, es sei denn, der verwendete Grafikprozessor ist sehr aktuell.

VXAO oder Voxel Ambient Occlusion – dies ist der nächste Schritt für HBAO und wurde ebenfalls von Nvidia entwickelt. Es bietet eine höhere Qualität der Umgebungsokklusion als HBAO, allerdings auf Kosten der Ressourcenbelastung, selbst unter Berücksichtigung der heutigen durchschnittlichen GPUs. Um diese Art der Umgebungsbedeckung voll auszunutzen, benötigen Sie die besten verfügbaren GPUs. Wenn sie aktiviert sind, werden Sie den Unterschied jedoch auf jeden Fall sehen.

GI oder Global Illumination – diese Art von AO wurde bisher noch nicht in Videospielen verwendet. Aber wenn wir wissen, wie die Technologie voranschreitet, werden wir das mit Sicherheit noch zu unseren Lebzeiten sehen. So wird fotorealistische Beleuchtung gemacht. GI berücksichtigt alle in der Szene vorhandenen Lichtquellen und wie jede einzelne die vielen dort vorhandenen Objekte beeinflusst. Aus diesem Grund ist die Beleuchtung fast, wenn nicht schon genau so wie in der realen Welt. Realistische Lichter und Schatten, die alles in der Szene genauso aussehen lassen wie in der realen Welt. Es sei denn natürlich, sie sind eindeutig unrealistisch modelliert oder hergestellt.

Macht die Umgebungsbedeckung bei Videospielen wirklich einen Unterschied?

Bei der Art und Weise, wie die Umgebungsbedeckung beschrieben wird, scheint AO die Schlüsselkomponente zu sein, um Videospiele sehr realistisch zu machen. Und in vielen Fällen ist das auch der Fall. Wenn Sie jedoch in den letzten Jahren viele Videospiele gespielt haben, werden Sie feststellen, dass außer bei Triple-A-Titeln nicht viele Spiele AO oder seine Varianten enthalten. Warum Sie vielleicht fragen?

Die Sache ist die, dass selbst wenn AO keine CPU-Verarbeitungsleistung benötigt und ressourcenschonend ist, die Umgebungsabdeckung die GPU sehr stark belastet. Jetzt denken Sie vielleicht: “Mein PC kann alles verarbeiten, sicherlich kann das auch der PC von jedem anderen”. Aber nicht jeder wird die gleichen GPUs haben, die modernste Technik und die neueste Software. Und Videospielfirmen werden über das Endergebnis nachdenken, auch bekannt als der Verkauf ihrer Spiele an so viele Menschen wie möglich.

Wenn ein Spiel zu schwer für die Hardware ist, wird es sich vielleicht nicht so gut verkaufen. Und dies ist tatsächlich eine der Hauptbeschwerden, die Kritiker und Spieler gleichermaßen über Crysis vorgebracht haben. Zum Zeitpunkt seiner Veröffentlichung konnte der durchschnittliche PC-Spieler es nicht einmal ohne Frameratenverlust oder Qualitätsverlust oder etwas in dieser Richtung betreiben.

Nehmen wir an, Sie können die Umgebungsabdeckung ohne negative Nebenwirkungen einschalten. Sind die Auswirkungen wirklich spürbar? Nun, die kurze Antwort lautet: Es kommt darauf an.

Dies hängt auch davon ab, wie der Spieleentwickler die Umgebungsokklusion in seinem Spiel implementiert hat. Richtig gemacht, ist der Effekt fast sofort spürbar, wenn man die Einstellungen einschaltet. Sie werden dies besonders dann bemerken, wenn Objekte nahe beieinander platziert werden, wie z.B. Gras- und Vegetationselemente, oder wenn sich Objekte in der Nähe von Wänden, Decken oder Böden befinden. Wenn Sie ein sehr visueller Spieler sind, dann ist dies etwas, das Sie sehr schätzen werden.

Falsch gemacht, aber Sie werden den visuellen Unterschied kaum bemerken. Aber Sie werden den Leistungsabfall definitiv in Form von niedrigeren fps oder Verzögerungen spüren. Und wenn das der Fall ist, was bringt es dann, es eingeschaltet zu lassen, oder?

In manchen Fällen ist es ein Mittelweg zwischen den beiden. Sicherlich können Sie -einen- Unterschied erkennen, aber er könnte auf lange Sicht nicht signifikant genug sein, um den möglichen Leistungsabfall zu rechtfertigen. Wenn das passiert, dann ist es nur ein Fall zwischen visueller Qualität und Leistung. Und wenn Sie ein ernsthafter Spieler sind, stehen die Chancen gut, dass Sie sich für die Leistung entscheiden werden.

Aber es gibt noch einen weiteren Grund, warum die Umgebungsokklusion in vielen Spielen nicht so weit verbreitet ist oder nicht inbegriffen ist. Und zwar deshalb, weil es Alternativen gibt, die sehr ähnliche Ergebnisse ohne die Leistungsnebeneffekte erzielen.

Alternative zur Umgebungsokklusion

Eine der beliebtesten Alternativen zur Umgebungsokklusion ist die Blütenbeleuchtung, die von beliebten Spielen wie Skyrim verwendet wird. Vereinfacht ausgedrückt ist die Blütenbeleuchtung eine künstlich erzeugte Reproduktion eines visuellen Artefakts, das Kameras in der realen Welt bei Lichteinfall erzeugen. Es ist wie ein weiches Glühen (daher eine “Blüte”), das helle Bereiche einer Szene erzeugen. Dies nimmt die Kamera ein und ist in Filmen, Fernsehsendungen und sogar in mit Videokameras oder Handykameras aufgezeichneten Videos zu sehen. Bei Videospielen hat es bereits 2004 an Zugkraft gewonnen und ist seitdem in vielen Videospielen präsent.

Der Blüteneffekt bewirkt, dass das Licht eines hellen Teils einer Szene aus der Sicht der Kamera in andere sichtbare Elemente in der Szene “hineinblitzt”. Das menschliche Auge erkennt dies als einen realistischen Effekt, den wir schon einmal gesehen und erlebt haben, und verarbeitet ihn als realistische Beleuchtung in unserem Gehirn. Selbst wenn also die Schattierung, die durch die Verdunkelung der Umgebung entsteht, in einer Szene nicht vorhanden ist, kompensiert der Blüheffekt den “immersiven” realistischen Effekt.

Der beste Teil? Die Bloom-Beleuchtung nimmt nur sehr wenig GPU-Verarbeitungsleistung in Anspruch oder ist höchstens nicht annähernd so hoch wie die Anforderungen, die die Umgebungsbedeckung an eine Grafikkarte stellt. Aus diesem Grund wurde es seit 2004 zu einem beliebten visuellen Effekt für viele Spiele, darunter Triple-A-Titel wie Elder Scrolls IV: Oblivion und Elder Scrolls V: Skyrim sowie die Fallout-Serie und mehr.

Wenn die Umgebungsbedeckung nicht die Mühe wert ist oder sehr wenig bewirkt, sollten Sie dann überhaupt in Betracht ziehen, sie beim Spielen einzuschalten?

Sollten Sie die Umgebungsokklusion in meinem Spiel einschalten?

Nachdem wir weiter darüber gesprochen haben, scheint es, als gäbe es mehr Nachteile als Vorteile, wenn es um die Umgebungsokklusion in Videospielen geht, richtig? Wenn das also der Fall ist, sollten Sie dann überhaupt die Ambient-Okklusion einschalten? Wenn Sie nur eine minimale visuelle Verbesserung für viele Ressourcen erhalten, dann lohnt sich das nicht, richtig?

Die kurze Antwort ist wieder einmal, es kommt darauf an. Wenn Ihre GPU mit minimalen oder gar keinen Leistungseinbußen zurechtkommt, dann ist das Einschalten der Umgebungsokklusion definitiv eine Option, insbesondere wenn Sie Ihre visuelle Qualität verbessern wollen. Es hängt auch davon ab, ob das Spiel das gut macht oder nicht. Wenn dies der Fall ist, dann lohnt es sich, möglicherweise ein wenig Leistung für die visuelle Qualität zu verlieren. Und wenn es nicht gut funktioniert, dann ist es am besten, es einfach ausgeschaltet zu lassen. Die einzige Möglichkeit, das herauszufinden, ist, die Funktion einzuschalten und selbst zu überprüfen.

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