Ray-Tracing wird im Grafikdesign verwendet. Hierbei wird der Pfad verwendet, den das Licht durch Pixel nimmt, um Bilder zu erstellen, um die Auswirkungen von Lichtstrahlen auf die Objekte zu simulieren, auf die sie treffen. Bilder, die mit Ray Tracing erstellt wurden, sind in der Regel von besserer Qualität und haben einen höheren Realitätsgrad, benötigen jedoch mehr Zeit für die Fertigstellung und erfordern mehr Rechenleistung. Daher wird Raytracing normalerweise zum Erstellen von Standbildern verwendet.

Beispielsweise kann Raytracing in Filmen verwendet werden, da die Bilder in der Postproduktion erstellt werden können und somit viel Zeit zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu erfordern Videospiele eine schnellere Bildwiedergabe. Raytracing ist also nicht die beste Option.

Eine als Ray Tracer bezeichnete Software simuliert die Bewegung einzelner Lichtstrahlen von einer virtuellen Lichtquelle zu einer virtuellen Kamera. Der virtuelle Lichtstrahl kann volumetrische Atmosphären wie Nebel oder Rauch durchdringen und mit Materialoberflächen wie Metall, Glas oder Wasser interagieren. Jedes dieser Objekte wurde von Künstlern und Ingenieuren entworfen und modelliert, um das Erscheinungsbild der Szene, wie sie vom Ray Tracer dargestellt wird, zu beeinflussen. Fortgeschrittene Strahlentracer können zusätzliche Berechnungen wie Interreflektion, Radiosität und Kaustik anwenden, um komplexe Lichtverhalten zu simulieren.

Wie lange dauert es?

Raytracing kann sehr realistische Bilder erzeugen, ist jedoch rechenaufwendig und daher sehr langsam. Zum Beispiel benötigte jedes Standbild des computeranimierten Films Monsters University, das 2013 von Pixar veröffentlicht wurde, 29 Stunden zum Rendern. Bei 24 Bildern pro Sekunde hat der 110-minütige Film ungefähr 160.000 Bilder. Pixar nutzte eine riesige Renderfarm, um die Berechnung zu verteilen und in wenigen Monaten abzuschließen. Auf einem einzigen Computer hätte der Film viereinhalb Millionen Stunden (524 Jahre) benötigt, um das Rendern abzuschließen.

Nicht alle Renderer sind Strahlentracer

Da die Berechnung sehr lange dauert, wird für das abschließende Rendern häufig Raytracing verwendet. Zwischen- oder Vorschaubilder werden oft mit "billigeren" Renderern ausgeführt, die schnell ein Bild von geringerer Qualität erzeugen. Zum Beispiel verwendet Blender den Cycles-Renderer zum Ausführen von Ray-Tracing oder den internen Blender-Renderer zum schnellen Rendern von nicht fotorealistischen Bildern.

Raytracing auf der GPU

Üblicherweise wird die Strahlverfolgung von der CPU und nicht von der GPU durchgeführt. Die Hardware einer GPU ist so ausgelegt, dass so viele FPS (Frames pro Sekunde) wie möglich ausgepumpt werden, um Echtzeit-Grafikanwendungen wie Videospiele zu verbessern. Im Gegensatz dazu ist Raytracing normalerweise ein langsamer Prozess, der die Echtzeitgeschwindigkeit für die fotorealistische Qualität einschränkt. Daher wurde Ray-Tracing-Software nicht für die Verwendung mit GPU-Hardware entwickelt, und GPU-Hardware wurde nicht für Ray-Tracing entwickelt.

Am 13. August 2018 gab NVidia jedoch seine neue Turing-Grafikverarbeitungsarchitektur bekannt, die in der Lage ist, Ray-Tracing in Echtzeit durchzuführen. Die ersten GPUs für die Turing-Architektur, der Quadro RTX, sollen Ende 2018 erscheinen.

Ray-Tracing-Software

Im Folgenden finden Sie Beispiele für Raytracing-Software, die zum Download oder Kauf angeboten wird.

• Autodesk 3ds max - Eine proprietäre 3D-Modellierungs-, Animations- und Rendering-Anwendung, die sich in erster Linie an CAD-Benutzer wie Architekten richtet.
• Autodesk Maya - Ähnlich wie 3ds max, jedoch mit Schwerpunkt auf der Charakteranimation.
• Blender - Eine kostenlose Open Source 3D-Anwendung zur Modellierung, Animation und zum Rendern.
• Bryce - Ein fraktaler Landschaftsgenerator, der 1994 eingeführt wurde.
• Cinema 4D - Eine Anwendung zum 3D-Modellieren, Animieren und Rendern mit prozeduralen Effekten für Filmemacher und Grafiker, die als leicht erlernbar beworben werden.
• Houdini - Eine voll funktionsfähige 3D-Animationsanwendung mit simulierter Physik, Strömungsdynamik und volumetrischen Simulationen. Eine eingeschränkte Version namens Houdini Apprentice steht Studenten und Enthusiasten kostenlos zur Verfügung.
• Lightwave - Eine 3D-CGI-Anwendung, mit der Grafikanimationen, Spezialeffekte und Videospiele erstellt wurden.
• LuxCoreRender ist ein kostenloser Open Source Renderer für Windows, Mac OS und Linux.
• POV-Ray (The Persistence of Vision Raytracer) ist ein kostenloser Open-Source-Renderer, der Bilder aus SDL (Scene Description Language) erstellt, einer Turing-vollständigen Sprache mit Makrounterstützung.
• RenderMan - Ein von Pixar entwickelter Renderer in Filmqualität, der in Filmen wie Incredibles 2 und Avengers: Infinity War verwendet wird .
• Visionaray - Eine plattformübergreifende Open-Source-Ray-Tracing-Bibliothek.
• YafaRay - Ein kostenloser Open-Source-Monte-Carlo-Raytracer.

Zusätzliche Ressourcen

3D-Animation, CAD, Radiosity, Simulation, Softwarebegriffe, TurboSquid