Leitfaden zur Global Illumination (GI).

Was ist Global Illumination (GI)?

GI simuliert die Wechselwirkungen zwischen Licht und realen Flächen in einem digitalen Raum. Im Gamedesign mussten Objekte früher mithilfe von direktem Licht aus direkten Quellen beleuchtet werden. Der daraus resultierende Schattenwurf wirkte nicht sehr echt.

GI-Techniken ermöglichen den Einsatz von indirekter Beleuchtung, bei der das Licht gestreut wird, sobald es auf eine Oberfläche trifft. Dabei entstehen vielschichtige Wechselwirkungen, die deutlich komplexer und damit auch realistischer sind. Deshalb wirken Games mit GI natürlicher und immersiver.

Mit GI kannst du z. B. folgende Effekte erzielen:

• Licht, das durch ein Fenster in ein Zimmer fällt
• Licht, das durch ein Laubdach dringt und den Waldboden sprenkelt
• Licht, das von der Oberfläche eines Sees reflektiert wird

Techniken zur globalen Beleuchtung.

Zu den GI-Techniken beim Rendering zählen:

• Radiosität: Bei dieser Technik werden Oberflächen in kleinere Bereiche unterteilt und das Licht darauf verteilt. So entstehen weichere Übergänge zwischen den Objekten, auf die das Licht in der Szene gestreut wird.
• Photon-Mapping: Photonen werden aus einer Lichtquelle geschossen und ihre Bewegungsbahnen durch die Szene auf einer Karte gespeichert. Diese Methode ist sehr rechenintensiv, erzeugt aber realistische Reflektionen.
• Vorberechnete GI: Bei diesem Ansatz wird die globale Beleuchtung vorberechnet und als Lightmap gespeichert. Anschließend wird die Lightmap beim Echtzeit-Rendering über die Struktur gelegt. Die Methode ist schnell beim Gameplay, stößt aber an ihre Grenzen, wenn sich Objekte bewegen.
• Dynamische GI: Bei der dynamischen GI wird Licht in Echtzeit berechnet. Damit eignet sie sich ideal für realistische Umgebungen mit beweglichen Objekten.

Unterschiede zwischen GI und Raytracing.

GI und Raytracing erzeugen beide realistische Lichtverhältnisse. Sie unterscheiden sich aber auch in bestimmten Punkten:

• Methodik: GI streut Licht mithilfe von Radiosität und Photon-Mapping auf Oberflächen. Beim Raytracing werden Lichtstrahlen aus einer Kamera geschossen und ihre Ziele erfasst.
• Performance: GI erfordert viel Rechenleistung, vor allem bei Echtzeitszenen. Die meisten Designteams greifen deshalb lieber auf vorberechnete GI zurück. Auch Raytracing ist sehr ressourcenaufwendig und wird eher für CGI im Film- und TV-Bereich eingesetzt.

GI simuliert indirekte Beleuchtung, die Modelle realistischer wirken lässt. Die Technik ist aber sehr ressourcenintensiv und deshalb für Echtzeit-Games nicht unbedingt praktikabel.

Auch Raytracing erzeugt mithilfe von simulierten Spiegelungen und weichen Schatten realistische Szenen. Früher wurden für Raytracing sehr viele Ressourcen benötigt. Neue Technologien ermöglichen nun aber den Einsatz beim Echtzeit-Rendering.

Die beiden Techniken klingen ähnlich und überschneiden sich auch oft. Beispielsweise wird GI häufig mittels Raytracing berechnet. Es ist also durchaus denkbar, dass künftig weitere Designtools auf den Markt kommen, die GI und Raytracing kombinieren.

GI im Gamedesign.

GI eröffnet neue Möglichkeiten im Gamedesign. Damit lassen sich:

• realistische Umgebungen mit direkten und indirekten Lichtquellen gestalten
• Figuren unter Anpassung des Umgebungslichts natürlich in Szenen einfügen
• dynamische Lichtquellen in Echtzeit generieren

Moderne Spiele wie The Witcher 3: Wild Hunt, Red Dead Redemption 2 oder Uncharted 4 zeigen mit ihren lebensechten virtuellen Welten eindrucksvoll, was mit GI möglich ist. Allerdings erfordert die Technik viel Rechenleistung und wird nicht von jeder Hardware unterstützt.

Nutze die Power des Lichts: GI mit Adobe Substance 3D.

GI erweckt virtuelle Umgebungen zum Leben und lässt Fans mithilfe von raffinierten indirekten Lichtquellen sofort in die Story eintauchen.

Das Verfahren hat durchaus seine Herausforderungen, eignet sich aber hervorragend für 3D- und Gamedesign. Probiere GI mit Adobe Substance 3D Stager an deinen eigenen Projekten aus.