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Valley of the Ancient mit Lumen und Nanite: Ein Blick in die Unreal Engine 5

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unreal-engineVor etwa einem Jahr stellte Epic Games die Unreal Engine 5 vor. Ab Ende 2021 soll die finale Fassung des 3D-Editors bereitstehen und bereits jetzt fangen die ersten Entwickler an, ihre Spiele darauf anzupassen. Möglich wird dies durch die Veröffentlichung der Open-Beta der Unreal Engine 5. Ab dem kommenden Jahr werden dann die ersten Spiele erscheinen, welche die Unreal Engine 5 dann auch verwenden.

Im Zusammenspiel mit der Open-Beta hat Epic auch eine dazugehörige Techdemo veröffentlicht, die wir in einigen Teilbereichen bereits kennen. Natürlich dreht sich alles um die zentralen neuen Technologien Nanite und Lumen. Bei erstgenannter handelt es sich um eine Tessellation-Technologie, um ein nahezu unendliches Level an Objektdetails zu erreichen. Lumen ist eine Beleuchtungssimulation, die mit und ohne hardwareunterstützter Raytracing-Berechnung funktionieren soll. Neben der PlayStation 5 und Xbox Series X als aktuelle Konsolen-Generation ist die Unreal Engine 5 natürlich auch auf den PC hin ausgerichtet.

Wir haben ein kurzes Video erstellt, welches sowohl die Techdemo als auch einige Editor-Elemente zeigt:

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Im Video zeigen wir nach der spielerisch angelegten Techdemo einige Details zu Nanite und Lumen. Entsprechend wird in einer Bauchbinde darauf hingewiesen.

Nanite

Bei Nanite handelt es sich um ein Micro Polygone Rendering. In Spielen müssen hunderte, wenn nicht tausende 3D-Objekte dargestellt werden. Allesamt verfügen diese Objekte über ein mehr oder weniger detailliertes 3D-Modell. Um die Anzahl der zu berechnenden Objekte und Details besser ausbalancieren zu können, gibt es verschiedene Techniken. Die wohl bekannteste ist die Abstufung des Detailgrads über den Abstand des Betrachters. Über unterschiedliche Tessellation-Techniken können geometrische Details in komprimierter Form gespeichert und letztendlich wiedergegeben werden.

Die diversen Tessellation-Techniken haben allerdings auch einige Nachteile. So erzeugt ein zu- oder abnehmender Abstand zu solchen Objekten eine Art Popups, in denen deutlich zu erkennen ist, wie Objekte aufpoppen oder plötzlich in einem höheren Detailgrad berechnet werden. Es gibt wiederum Techniken, diesen Effekt zu minimieren, meist aber bleibt er erkennbar.

Das Micro Polygone Rendering kommt bisher im Echtzeit-Rendering nicht zum Einsatz und wird nur im Offline-Rendering verwendet. Einfach gesprochen stellt das Micro Polygone Rendering Objekte in einer Auflösung von einem Polygon pro Pixel dar. Diese Details werden durch eine hoch aufgelöste Height-Map hinzugefügt. Die vielen Details werden aber erst mit einer korrekten Berechnung der Beleuchtung sichtbar. Dazu kommen wir bei der Lumen getauften Technik dann später. Es ist erstaunlich, wie in der recht großen Techdemo die vielen Megascans dennoch flüssig dargestellt werden und die Steine und Felsen ein nahezu unendliches Detaillevel vorzuweisen haben.

Noch ein paar Fragezeichen gibt es hinsichtlich der Eignung für unterschiedliche Oberflächen. Steine und Oberflächen scheinen dem Micro Polygone Rendering entgegen zu kommen. Wie es aber um feine Details die Haare oder Vegetation bestellt ist, ist derzeit unklar. Auch wie sich Nanite mit eher flachen Geometrien, wie sie in einer modernen Spielwelt (Cyberpunk, Weltraum, etc. pp.) vorkommen, verhält, wird sich noch zeigen müssen. Zudem benötigt das Micro Polygone Rendering eine hohe Streaming-Leistung der Geometrie-Daten – also entweder viel Grafikspeicher oder eine schnell angebundene GPU. Sony stellte besonders die schnelle SSD als einen der Pluspunkte der eigenen Konsole heraus. Dies dürfte auch für das Micro Polygone Rendering eine Rolle spielen.

In der Techdemo gibt es einen Übergang der virtuellen Welt vom sonnigen Canyon hin zu einer dunklen Steinwelt. Bei einer ersten Ausführung dauert das Laden des Assets 1-2 Minuten, bei einem zweiten Durchlauf sind es nur noch wenige Sekunden – wenn sich die Daten der Demo auf einer SSD befinden. DirectStorage dürfte hier eine sinnvolle Anwendung sein.

Lumen

Bei Lumen handelt es sich um eine Global-Illumination-Technik (GI), also eine Berechnung der kompletten Beleuchtung der dargestellten Szene. Anders als ein Raytracing auf Basis einer Geometrie-Berechnung, wie es es in den RTX-Spielen verwendet wird, berechnet Lumen aber nur eine recht grobflächige Beleuchtung. Zu Lumen sind aber viele technische Details noch unklar und es wird spannend zu beobachten sein, wie sich der Ansatz von Epic zur bisher verwendeten Raytracing-Technik unterscheidet.

Lumen ist im Gegensatz zu traditionellen Umsetzungen mit statischen Lightmaps, die zuvor festgelegt werden (pre-backed), aber dynamischer und ermöglicht es den Entwicklern schon während der Arbeit an den 3D-Szenen die direkten Auswirkungen in Echtzeit zu erkennen. Es muss nicht auf ein Pre-Rendering gewartet werden. Damit kann Lumen als eine Art Hybrid-Lösung zwischen einem vollständigen Raytracing-GI und den statischen Lightmaps bezeichnet werden. Ob Lumen an eine Raytracing-Umsetzung wie die Ray Traced Global Illumination in der PC Enhanced Edition von Metro Exodus heranreichen wird, wird sich noch zeigen müssen.

Diese Kombination zeigt sich auch in der Umsetzung. Für große und weit entfernte Objekte wird eine Art VXGI (Voxel Global Illumination) verwendet. Für kleine und detailreiche Objekte wird der Screen Space verwendet und für dazwischenliegende Objekte eine Art geometrische Repräsentation des eigentlichen Objekts (Signed Distance Fields), auf welcher der direkte und indirekte Lichteinfall berechnet wird. Je nach Objektgröße wird also ein andere Detailgrad angewendet, was die Hardwareanforderungen im Vergleich zu einem Raytracing-GI deutlich reduziert.

Lumen scheint auch eine temporale Komponente zu verwenden. Diese besteht aus einer Feedback-Schleife, welche zuvor berechnet Informationen beibehält, auf die in einer nächsten Berechnung zurückgegriffen werden kann. Da mehrere Iterationen notwendig sind, kommt es in der Berechnung der Beleuchtungssituation allerdings auch zu kleineren Verzögerungen in der Darstellung. Auch dies ist im Video kurz zu sehen.

Lumen soll auf Hardware mit Raytracing-Hardwarebeschleunigung arbeiten, nutzt diese aber auch, wenn sie vorhanden sind. AMDs aktuelle Radeon-RX-Generation und NVIDIAs aktuelle sowie vorherige GeForce-RTX-Generation dürfte davon profitieren – ebenso wie die aktuellen Konsolen von Microsoft und Sony.

Neben Lumen und Nanite wird Epic noch zahlreiche weitere Neuerungen in die Unreal Engine 5 einbauen. Unter anderem soll auch der TAA-Upsampler verbessert werden, was im Besonderen den Konsolen helfen soll das notwendige FPS-Niveau zu erreichen.

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