Lichtstrahlen und Spiegel - die Achillesferse der Videospiele

Grafik, Story, Gameplay, Technologie – jeder Spieler achtet genau auf diese Merkmale und erwartet, dass sie im Spiel vorhanden sind. Sie sind die grundlegende Eigenschaften eines Videospiels. Inwieweit sie kreativ programmiert sind und wie interessant das Endprodukt ist, hängt vor allem von der Spiel-Engine und dem Entwicklerteam ab. Aber selbst die besten Spieleentwicklungsstudios mit einer langen Geschichte von Spielen, die eine interessante und aufregende Story, gute Handlung und Grafik haben, können kein Videospiel schaffen, das die realistische Illusion der Welt vollständig vermittelt. Wir fragen uns: „Was ist das, was uns unterbewusst wissen lässt, dass es immer noch ein Spiel ist? Was ist das gewisse Etwas?“ So viele Faktoren, die Millionen von Menschen das Spielen genießen lassen, so viele Gamer, die absolut ihrem Lieblingsspiel gewidmet sind, die unzählige Stunden damit verbringen, ein seltenes Sammlerstück zu finden oder einfach nur durch die Welt zu streifen. Doch es gibt immer noch eine Sache, die verbessert werden kann, eine natürlich existierende Eigenschaft, die uns die reale Welt lieben lässt. Ein Grund, warum einige Leute den neuen GTA-Trailer lieben - funktionierende Rückspiegel, Schatten und Beleuchtung. So ein kleines Detail, das jedoch einen großen Unterschied macht und dafür sorgt, dass wir ein Spiel als realistisch empfinden.

Beleuchtung und Licht.

Um zu existieren und entscheidende Vitamine zu produzieren, benötigen wir natürliches Licht. Ohne Sonnenlicht würden Menschen auf einem kalten Planeten leben, der fast unbewohnbar ist. Es gäbe keinen Tag-Nacht-Zyklus, alles würde langsam sterben. Wenn es dunkel ist, schalten wir eine Lampe oder ein Deckenlicht ein. Sind wir draußen, ermöglicht uns eine Taschenlampe das Sehen. Einige Tiere haben die Fähigkeit, im Dunkeln zu sehen, wir Menschen leider nicht. Etwas so wichtiges für den Menschen wie gute Beleuchtung, sollte kein Problem sein, es in den Spielcode einzufügen - dennoch ist es eine der Größten Herausforderungen, denen Spieleentwickler begegnen.

In der klassischen Elektrodynamik wird Licht als eine hochfrequente elektromagnetische Welle aufgefasst. Im engeren Sinne ist Licht nur der für das menschliche Auge sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums – das sichtbare Licht– also Wellenlängen zwischen  380 und 780 nm. Das Licht, was Menschen mit ihren Augen sehen, besteht aus vielen Lichtwellen, und jede Welle hat ihre eigene Eigenschaften, die die Farbe einer Welle ändern. Wenn Licht ein transparentes Medium durchquert, werden die Wellenlängen leicht komprimiert und die Geschwindigkeit des Lichts lässt nach. 

Dennoch stellen bestimmte Objekte auch heute noch eine erhebliche Herausforderung für die Implementierung dar - wie Lichtschatten und Spiegel. Licht und Schatten verbrauchen extrem viel Energie und sind von der Leistungsfähigkeit der Grafikkarten und des Prozessors des Geräts abhängig, was teilweise der Grund ist, warum die meisten Spiele auf dem PC besser aussehen als auf den Konsolen. 

Um Licht und Schatten zu programmieren, müssen Entwickler einige Funktionen verwenden, die einiges an Geschick erfordern, um einen einfachen Schatten korrekt und reibungslos zu rendern. Die Fehler sind oft in Spiel-Spiegeln sichtbar - meistens sind sie einfach in einem statischen Zustand der Kamera (Charakter) fixiert oder entweder schmutzig oder kaputt (als ob das den Spiegel davon abhalten würde, seine Umgebung zu reflektieren!). Es gibt einige Gründe, warum Spiegel in Videospielen oft nicht richtig funktionieren. Da traditionelle Lichtwellen im digitalen Raum nicht existieren, müssen Entwickler alternative Techniken verwenden, um Reflexionen zu simulieren. Die Wirksamkeit der Ansätze kann erheblich variieren.

Eine der verwendeten Methoden wird als Planarreflexionen bezeichnet. Bei Planarreflexionen integrieren Entwickler einen zusätzlichen Rendering-Durchgang für die gesamte Umgebung. Dies beinhaltet im Wesentlichen das Erstellen eines Raumes und die Einführung einer virtuellen Kamera, die als reflektierender Spiegel fungiert. Diese Methodik ist besonders effektiv, wenn es um unkomplizierte, minimalistische Räume geht, die nicht viele komplexe Details aufweisen, da hochkomplexe Szenen weniger kompatibel mit Planarreflexionen sind. 

Eine andere Technik, die ein bisschen altmodisch ist, aber immer noch effektiv genutzt werden kann, ist Cube Maps. Cube Maps sind eine Textur-Mapping-Methode, die in 3D-Computergrafiken und Computerspielen verwendet wird, um die Umgebung eines Objekts oder einer Szene nachzubilden. Sie bestehen aus sechs 2D-Bildern, die jeweils eine Ansicht aus einer bestimmten Richtung darstellen, die den sechs Seiten eines Würfels entspricht. Cube Maps werden häufig verwendet, um reflektierende Oberflächen wie Wasser, Glas oder metallische Objekte zu simulieren. Durch das Sampling der Cube Map kann der Renderer bestimmen, was auf der Oberfläche des Objekts reflektiert werden sollte.

Ein weiterer Ansatz, der eine gute Balance zwischen visueller Qualität und Leistung bietet, sind Screen Space Reflections (SSR). Diese Methode wird verwendet, um die Reflexion von Objekten in Spiegeln, Wasser oder anderen reflektierenden Oberflächen zu simulieren, indem der Inhalt des Bildschirms analysiert und Reflexionen basierend auf dem berechnet werden, was die Kamera derzeit sieht. Da SSR im Bildschirmraum operiert, berücksichtigt es nur, was derzeit auf dem Bildschirm sichtbar ist. Es generiert keine Reflexionen für Objekte, die außerhalb des Bildschirms liegen, was im Vergleich zu anderen Reflexionstechniken eine Einschränkung sein kann. 

Die beste verfügbare Technik ist Raytracing. Als Grafiktechnologie ermöglicht Raytracing die flüssige Simulation von Lichteffekten. Ein Algorithmus sendet hierzu Strahlen in einer 3D-Grafik aus, verfolgt die Strahlenpfade und berechnet ein realistisches Beleuchtungsmodell. Ray Tracing simuliert, wie Licht sich verhält, wenn es auf reflektierende und brechende Oberflächen trifft. Wenn ein Strahl auf eine reflektierende Oberfläche trifft, erzeugt er einen Reflexionsstrahl, der die Simulation von Licht, das von der Oberfläche abprallt, fortsetzt. Ähnlich, wenn ein Strahl auf eine brechende Oberfläche trifft, erzeugt er einen Brechungsstrahl, um die Änderung der Richtung des Strahls zu simulieren, während er durch die Oberfläche hindurchgeht.

Mit Hilfe von RayTracing und anderen Lichtsimulationsverfahren können Spieleentwickler Licht in Spielen, das realistischer aussieht als je zuvor, erzeugen. Richtig funktionierende Spiegel sind auch eine der größeren Errungenschaften in der Welt der Spieleentwickler. Wir haben für mehr als 20 Jahre lang mit einer guten Darstellung der Spiegelung gekämpft. Natürlich ist der Weg, zu einer von der Realität nicht zu unterscheidenden Illusion des Lichts, ziemlich lang. Aber, dank der ständig weiterentwickelnden Programmierung und der Entwicklung noch besserer Spiel-Engines oder Software, scheint die Zukunft des Lichts in Videospielen wirklich gut – oder: wirklich gut beleuchtet - zu sein.