Metro: Exodus mit RTX und DLSS im Technik-Check

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metro-exodusHeute ist es nun soweit und das erste Spiel mit der Unterstützung von RTX und DLSS startet. Auf die spielerischen Aspekte von Metro Exodus wollen wir nicht genauer eingehen. Stattdessen konzentrieren wir uns auf die Technik. Per RTX soll die Beleuchtung in Metro: Exodus realistischer denn je sein, DLSS kann für ausreichende FPS sorgen.

Bisher kennen wir die Implementierung der Ray-Tracing-Effekte mittels RTX bzw. DXR nur von Battlefield V. Hier wird allerdings keine Umgebungslichtsimulation duchgeführt, sondern per Ray Tracing werden Spiegelungen und Reflexionen berechnet. Metro: Exodus hingegen simuliert eine möglichst realistische Beleuchtung mittels Ray Tracing. Damit sehen wir ein zweites Anwendungsfeld für Berechnungen mittels dieser Technik. Warum wir bisher keine Kombination aus vielen Berechnungen, basierend auf Ray Tracing gesehen haben, ist vermutlich schnell erklärt, denn die Rechenleistung der aktuellen Hardware reicht noch nicht aus. Im Falle der Reflexionen in Battlefield V werden maximal 40 % der Pixel mittels Ray Tracing berechnet. Eine Kombination aus vielen Ray-Tracing-Effekten ist also durch die aktuell vorhandene Rechenleistung begrenzt.

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Bevor wir zu den Benchmarks und den Erläuterungen der Ray-Tracing-Effekte kommen, noch ein paar Worte zur technischen Umsetzung der Version, die wir getestet haben. Es handelte sich um eine Pre-Release-Version. In solchen kann es immer wieder zur Fehlern kommen. 

Metro: Exodus soll das erste Spiel sein, welches ab Start die Unterstützung für DXR und DLSS bietet.Während der Tests sind wir aber auf zahlreiche Probleme gestoßen. So sorgt der Wechsel der DXR-Einstellungen reproduzierbar dafür, dass das Spiel beim nächsten Start abstürzt und erneut ausgeführt werden muss. NVIDIA weist daraufhin, dass nicht der aktuellste GeForce 418.81 verwendet werden sollte, sondern der etwas ältere GeForce 417.17, was allerdings auch keine Besserung brachte.

Ray Traced Global Illumination

Die von 4A Games gewählte Ray-Tracing-Umsetzung hört auf den Namen Ray Traced Global Illumination. 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.

In Metro: Exodus wird die Beleuchtung mittels Ray Traced Global Illumination durchgeführt. Da hier ein Ray Tracing zum Einsatz kommt, läuft dies über die DXR-API von DirectX 12. NVIDIA hat in der Turing-Architektur eine Hardwarebeschleunigung für die dazugehörigen Effekte eingebaut, was es den Grafikkarten mit Turing-GPU möglich machen soll, die Berechnungen schneller auszuführen.

Auswirkungen des Ray Traced Global Illumination

Den Effekt der Berechnung der Beleuchtung mittels Ray Tracing lässt sich in Screenshots und Videos sicherlich am besten darstellen.

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Auf den Screenshots sind die Unterschiede kaum wahrzunehmen, etwas besser aber im Video sichtbar.

Die Berechnungen der Ray Traced Global Illumination sind weniger an einzelnen Effekten auszumachen, als dies für die Reflexionen in Battlefield V der Fall ist. Im direkten Vergleicht fällt allerdings auf, dass sich die Beleuchtung insgesamt deutlich näher an der Realität orientiert. Bereiche, die dunkler sein müssten, sind auch entsprechend dunkel und werden nicht durch eine Pre-Backed-Beleuchtung verfälscht. Im Video ist dies ganz gut zu sehen.


Kommen wir nun zu den Benchmarks. Dazu haben wir den integrierten Benchmark von Metro: Exodus verwendet. Getestet haben wir jeweils mit den folgenden Einstellungen:

Getestet haben wir in den Auflösungen von 3.840 x 2.160, 2.560 x 1.440 und 1.920 x 1.080 Pixel. Um die Unterschiede aufzuzeigen, haben wir zudem die Qualitätseinstellungen sowie die der DXR-Qualität verändert. An Hardware zum Einsatz kamen die GeForce RTX 2060, GeForce RTX 2070, GeForce RTX 2080 und GeForce RTX 2080 Ti von NVIDIA. Auf Seiten des roten Lagers waren es die Radeon RX 590, Radeon RX Vega 64 und Radeon VII.

Metro: Exodus

1.920 x 1.080 Pixel - Ultra (Avg/Min)

82.9 XX


26 XX
66.3 XX


25 XX
61.0 XX


19 XX
55.8 XX


19 XX
55.7 XX


24 XX
53.1 XX


19 XX
48.3 XX


18 XX
48.1 XX


15 XX
39.2 XX


15 XX
35.1 XX


17 XX
Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

Metro: Exodus

2.560 x 1.440 Pixel - Ultra (Avg/Min)

68.9 XX


26 XX
55.2 XX


23 XX
52.2 XX


19 XX
46.2 XX


18 XX
43.6 XX


13 XX
42.6 XX


16 XX
38.3 XX


15 XX
36.9 XX


15 XX
29.0 XX


12 XX
28.8 XX


13 XX
Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

Metro: Exodus

3.840 x 2.160 Pixel - Ultra (Avg/Min)

45.9 XX


17 XX
36.1 XX


15 XX
35.9 XX


17 XX
30.7 XX


16 XX
28.9 XX


12 XX
25.2 XX


10 XX
24.5 XX


13 XX
22.0 XX


9 XX
18.6 XX


9 XX
16.5 XX


7 XX
Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

In den ersten drei Benchmarks haben wir uns die Leistung der Karten in den verschiedenen Auflösungen angeschaut. Außerdem haben wir die GeForce-RTX-Karten mit aktivierten DXR-Effekten in der Qualitätsstufe "Hoch" getestet. Das Duell zwischen der Radeon VII und der GeForce RTX 2080 geht (wenn auch knapp) zumeist an das Modell von NVIDIA. An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass die Speicherauslastung von Metro: Exodus kaum Werte von 6 GB erreicht. Die 16 GB der Radeon VII spielen also selbst bei den höchsten Einstellungen keine Rolle.

Kommen wir nun zu den Tests der einzelnen Qualitätsstufen. Hier vergleichen wir die Radeon VII mit der GeForce RTX 2080:

Metro: Exodus

2.560 x 1.440 Pixel (Avg/Min)

Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

Für die Qualitätsstufen "Extrem" und "Ultra" geht der Punkt an die GeForce RTX 2080. Im Falle von "Niedrig", "Mittel" und "Hoch" hat dann die Radeon VII die Nase vorne.

Metro: Exodus

2.560 x 1.440 Pixel - DXR-Qualität (Avg/Min)

Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

Abschließend haben wir auch noch die drei DXR-Einstellungen ("Aus", "Hoch" und "Ultra") auf den vier Turing-Karten getestet.


Da es hier immer wieder Verständnisprobleme gibt, noch einmal eine Erläuterung zum Deep Learning Super Sampling:

Um DLSS anbieten zu können, hat NVIDIA auf seinem eigenen SATURN V Supercomputer bereits ein Deep-Learning-Netzwerk trainiert. Diesem werden die Spiele zugeführt, darauf Frames aus den verschiedenen Spielszenen erstellt und anhand derer das Netzwerk immer weiter ausgebaut.

Über einen sogenannten Temporal Stable Convolutional Autoencoder wird dazu die Rechenleistung von 500 Milliarden FP16-Operationen pro Sekunde verwendet und daraus 64 Samples, also fertig gerenderte Frames, erstellt. Diese werden als “ideale Darstellung” herangezogen und mittels eines 64x Supersampling (64xAA) weiter optimiert. Ein 64-fach Anti-Aliasing wäre auf einem Desktop-PC undenkbar und würde selbst für einen Frame viel zu lange dauern. Daher setzt NVIDIA hier auch den SATURN V ein. Anstatt jeden Pixel einmal durch den Shader zu schicken, geschieht dies 64-mal und stets mit einem leichten Offset.

Die vorliegenden Ergebnisse einer idealen Darstellung werden in Form des trainierten Netzwerks auf dem System mit GeForce-RTX-Grafikkarte hinterlegt. Der Vergleich findet über die ausgegebenen Frames der Grafikkarte über das NGX-Framework und mithilfe der Tensor Cores statt. Im ersten Schritt hat NVIDIA ein DLSS 1X implementiert, bei dem die Zielauflösung verkleinert wird. Die Grafikkarte berechnet die Frames also mit einer geringeren Darstellungsauflösung und wendet darauf das trainierte Netzwerk mit der gewünschten Zielauflösung an. Ein Spiel, welches mit 3.840 x 2.160 Pixeln ausgegeben werden soll, wird also mit beispielsweise 2.560 x 1.440 Pixeln berechnet und dann mit einem Ziel abgeglichen, welches 3.840 x 2.160 Pixeln entspricht. Die letztendliche Auflösung beträgt also 3.840 x 2.160 Pixel, die Grafikkarte muss aber nur in 2.560 x 1.440 Pixeln rendern, was sie natürlich mit deutlich mehr Bildern pro Sekunde tun kann. Im letzten Schritt findet ein Abgleich durch das Deep-Learning-Netzwerk mit der gewünschten Zielauflösung statt – der Frame wird komplett neu zusammengesetzt. DLSS soll ein flüssiges Spielen in höheren ermöglichen, ohne dass darunter die Darstellungsqualität leidet.

DLSS-Benchmarks

Das Deep Learning Super Sampling funktioniert in Metro: Exodus grundsätzlich nur in Auflösungen von 1.920 x 1.080, 2.560 x 1.440 und 3.840 x 2.160 Pixel. Andere Auflösungen werden nicht unterstützt. Hinzu kommt noch eine Auswahl an Grafikkarten für die bestimmten Auflösungen. Alle drei werden nur von der GeForce RTX 2070 und GeForce RTX 2080 unterstützt. Die GeForce RTX 2060 kann DLSS nur auf 1080p und 1440p anwenden. 1440p und 2160p hingegen werden für die GeForce RTX 2080 Ti angeboten.

Unterstützung für DLSS

1.920 x 1.080 Pixel 2.560 x 1.440 Pixel3.840 x 2.160 Pixel
GeForce RTX 2080 Ti
GeForce RTX 2080
GeForce RTX 2070
GeForce RTX 2060

Metro: Exodus

GeForce RTX 2060 mit DLSS (Avg/Min)

Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

Metro: Exodus

GeForce RTX 2070 mit DLSS (Avg/Min)

Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

Metro: Exodus

GeForce RTX 2080 mit DLSS (Avg/Min)

Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

Metro: Exodus

GeForce RTX 2080 Ti mit DLSS (Avg/Min)

Bilder pro Sekunde
Mehr ist besser

Das Leistungsplus durch das Deep Learning Super Sampling ist ordentlich und liegt je nach Auflösung und Karte zwischen 20 und 50 %. Dies ist sicherlich auch von der jeweiligen Szene abhängig, die gerade dargestellt wird. DLSS ist eine Möglichkeit für eine etwas leistungsschwächere Hardware die notwendige Schwelle für eine bestimmte Auflösung zu erreichen. So liefert eine GeForce RTX 2060 mit DXR in 1440p fast 60 anstatt 45 FPS. Für eine GeForce RTX 2070 wäre eventuell sogar die Darstellung in 2160p möglich. Deutlich höhere Frameraten bieten natürlich die GeForce RTX 2080 und GeForce RTX 2080 Ti.

Darstellungsqualität von DLSS

Für Final Fantasy XV haben wir mit DLSS ein Flimmern senkrechter und waagerechter Kanten (Zäune, Stromleitungen, dünne Masten, etc. pp.) festgestellt. Die geringere Auflösung, in der für DLSS gerechnet wird, macht sich ebenfalls hin und wieder bemerkbar.

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In Metro: Exodus zeigt DLSS ein deutlich verwaschenes Bild. Dieses weichgezeichnete Bild ist in fast allen Szenen sichtbar, vor allem aber natürlich wenn keine größere Bewegungen stattfinden.

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Auch ein Flimmern senkrechter und waagerechter Kanten ist in der Vergrößerung sichtbar. Hat man die Weichzeichung einmal bemerkt, fällt diese auch immer wieder auf. Das Leistungsgewinn durch DLSS ist messbar vorhanden, allerdings auch eine Verschlechterung der Darstellungsqualität.

Im Video hingegen ist die Weichzeichnung kaum zu erkennen, da hier ständig Bewegung im Bild ist.


Metro: Exodus gewinnt durch die Berechnungen des Ray Traced Global Illumination deutlich an Stimmung. Bereiche, die sonst nach einer zu hoch gedrehten Helligkeit aussehen, werden nun korrekt abgedunkelt darstellt. Was in die eine Richtung gilt, gilt auch in die andere. Schaut man zum Beispiel aus einem dunklen Raum auf ein helles Fenster, wird der Fensterbereich deutlich überstrahlt, während der Rest komplett abgedunkelt wird. So kennen wir das auch aus der Realität und entsprechend erfolgt die Darstellung in Metro: Exodus.

Das Ray Traced Global Illumination sorgt insgesamt für eine deutlich realistischere Darstellung der Beleuchtungssituation. Der Aha-Effekt der Reflexionen und Spiegelungen von Battlefield V fehlt allerdings. Metro: Redux lebt eher von der Atmosphäre, die durch Beleuchtung hergestellt wird.

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Deutlich kritischer müssen wir mit der Umsetzung des Deep Learning Super Sampling sein. Sicherlich gewinnen die Karten hier je nach Auflösung deutlich an Leistung. Auf der anderen Seite aber leidet die Darstellungsqualität spürbar. Nach dem Motto "was man einmal gesehen hat, vergisst man auch nicht mehr", fallen die weichgezeichneten Oberflächen und flimmernden Kanten immer wieder deutlich auf.

Dies hat sicherlich auch mit der Tatsache zu tun, dass in einer geringeren Auflösung gerechnet wird, um den Leistungsgewinn zu erzielen. DLSS 1x entspricht in der aktuellen Umsetzung einem Upscaling, denn der Frame wird in einer geringeren Auflösung berechnet und im Anschluss komplett neu zusammengesetzt. DLSS 2x soll auf das Rendering in kleinerer Auflösung verzichten, bietet dann aber natürlich nicht mehr den Leistungsgewinn.

Hinsichtlich der technischen Umsetzung müssen wir einmal abwarten, ob die finale Version des Spiels und ein dazugehöriger Treiber hier Besserung bringt. Der Zustand von Spiel und Treiber, wie wir sie vorliegen hatten, wären für ein finales Spiel nicht tragbar.