Eine kurze Liste der Rendering-Techniken moderner AAA-Spiele

Von Oleg Sidorkin, CTO und Mitgründer von Cinevva

Wenn man die Rendering-Pipeline eines AAA-Spiels aus dem Jahr 2026 genauer untersucht, lässt sich das meiste darin auf eine kleine Gruppe von Techniken zurückführen, die studioübergreifend eingesetzt werden. Die Namen unterscheiden sich von Engine zu Engine, doch die grundlegenden Ideen sind dieselben. Hier ist eine kurze Liste der Techniken, die tatsächlich für das Bildschirmbild sorgen – jeweils mit einer Abbildung und einigen ausführlichen technischen Referenzen.

1. Physikalisch basiertes Rendering (PBR)

Materialien werden durch Texturen für Albedo, Rauheit, Metallizität, Normalen und Umgebungsverdeckung beschrieben und mit energieerhaltenden Shadern beleuchtet (Cook-Torrance für spiegelnde Reflexionen, Lambert oder Disney für diffuse Reflexionen). Das ist die Grundlage, von der jede moderne AAA-Engine ausgeht. Wenn eine Oberfläche bei Sonnenlicht, Lampenlicht und im Schein einer Taschenlampe konsistent aussieht, liegt das an PBR.

Vertiefende Quellen:

• Burley, Physikalisch basiertes Shading bei Disney (die ursprünglichen Kursunterlagen zur „Disney BRDF“, SIGGRAPH 2012).
• Karis, Realistisches Shading in Unreal Engine 4 (SIGGRAPH 2013, der maßgebliche Vortrag zu PBR in UE4).
• Lagarde und de Rousiers, Umstellung von Frostbite auf Physically Based Rendering 3.0 (SIGGRAPH 2014, die vollständige Frostbite-Pipeline).
• Real-Time Rendering, 4. Auflage, Kapitel 9 (das Standardlehrbuch).

2. Deferred Shading und Visibility-Buffer-Shading

Die Geometrie schreibt zunächst Attribute wie Normalen, Material-IDs und Tiefe in einen G-Buffer oder Visibility Buffer. Die Beleuchtung wird anschließend als Vollbild-Pass berechnet, der diese Buffer ausliest und jedes Pixel einmal schattiert. Visibility Buffer, wie sie von Nanite und ähnlichen Systemen verwendet werden, gehen noch weiter: Sie speichern nur Dreiecks-IDs und ermitteln die Materialparameter erst später pro Pixel. Dadurch bleibt Overdraw auch bei dichter Geometrie kostengünstig.

Vertiefende Quellen:

• Engel, Deferred Shading (NVIDIA, der grundlegende Vortrag).
• Burns und Hunt, Der Visibility Buffer: Ein cachefreundlicher Ansatz für Deferred Shading (JCGT 2013, die ursprüngliche Veröffentlichung zum Visibility Buffer).
• Wihlidal, „Optimierung der Grafik-Pipeline mit Compute“ (GDC 2016, Frostbites Compute-basierter Deferred-Pfad).
• Karis, Stubbe, Wihlidal, Ein tiefer Einblick in virtualisierte Nanite-Geometrie (SIGGRAPH 2021, einschließlich einer ausführlichen Erläuterung des Nanite Visibility Buffer).

3. Virtualisierte Geometrie nach dem Nanite-Prinzip

Meshes werden im Voraus als Hierarchie aus Clustern aufgebaut. Zur Laufzeit streamt und wählt die GPU die Cluster in der Auflösung aus, die zu den jeweiligen Pixeln passt. So erhält man bis unter die Pixelgröße genaue Details, ohne LOD-Stufen manuell erstellen zu müssen. Nanite von Unreal ist das bekannteste Beispiel. Andere Engines bringen inzwischen eigene Varianten mit. Das praktische Ergebnis sind Assets in Filmqualität, die in Echtzeit dargestellt werden können, ohne dass LODs manuell erstellt werden müssen.

Vertiefende Quellen:

• Karis, Stubbe, Wihlidal, Ein tiefer Einblick in virtualisierte Nanite-Geometrie (SIGGRAPH 2021).
• Brian Karis, Vortrag zu Nanite auf der GDC 2021 (eine gut zugängliche Einführung als Video).
• Liktor, Architektur der Geometrie-Rendering-Pipeline bei Activision (clusterbasiertes Rendering, 2021).
• Schied et al., Raumzeitliche varianzgesteuerte Filterung (verwandte Techniken zur Cluster-Auswahl).

4. Echtzeit-Raytracing für Schatten, Reflexionen und AO

Hardware-Raytracing (DXR, Vulkan RT) verfolgt Schattenstrahlen, Strahlen für spiegelnde und glänzende Reflexionen sowie Strahlen für Umgebungsverdeckung durch eine BVH, die in jedem Frame aufgebaut wird. Schon wenige Strahlen pro Pixel übertreffen die Möglichkeiten von Screen-Space-Techniken deutlich, insbesondere bei Reflexionen außerhalb des Bildausschnitts und bei Kontaktschatten. Die meisten Spiele setzen Raytracing gezielt ein, nicht für alles.

Vertiefende Quellen:

• Microsoft, Funktionsspezifikation für DirectX Raytracing (DXR) (die API-Referenz).
• Wyman, Einführung in DirectX Raytracing (die sehr zugänglichen SIGGRAPH-Kursunterlagen).
• Boksansky und Marrs, Ray Tracing Gems II, Kapitel 17–19 (kostenloses PDF mit modernen DXR-Techniken).
• Stachowiak, Stochastische Screen-Space-Reflexionen (Frostbite, die Brücke von SSR zu RT).

5. Software-Raytracing nach dem Lumen-Prinzip

Nicht alle Spieler besitzen eine RTX-Grafikkarte. Deshalb bieten Engines auch Fallbacks auf Basis von Distanzfeldern oder Surface Caches. Unreal Lumen verfolgt Strahlen beispielsweise gegen vorzeichenbehaftete Distanzfelder und Surface Caches, um kostengünstige diffuse globale Beleuchtung zu erzeugen, und greift nur bei Bedarf auf Hardware-Raytracing zurück. So erzielen AAA-Spiele auch auf Konsolen einen „Raytracing-Look“.

Vertiefende Quellen:

• Wright et al., Lumen: Globale Echtzeitbeleuchtung in Unreal Engine 5 (SIGGRAPH 2022, die Veröffentlichung zu Lumen).
• Epic Games, Technische Details zu Lumen (offizielle Engine-Dokumentation).
• Wright, Radiance Caching für globale Echtzeitbeleuchtung (SIGGRAPH 2021).
• Wright, Vortrag zu Lumen auf der GDC 2022 (Videofassung).

6. ReSTIR und Reservoir Sampling

Bei direkter und indirekter Beleuchtung mit Tausenden von Lichtquellen verwendet ReSTIR (Reservoir Spatio-Temporal Importance Resampling) Licht-Samples über mehrere Pixel und Frames hinweg erneut. Dadurch können Spiele wie Cyberpunk 2077 mit Pathtracing das Bildrauschen auch bei nur einem oder zwei Strahlen pro Pixel gering halten. Da Pathtracing zunehmend zum Ziel für High-End-Grafik wird, dürfte ReSTIR künftig in mehr Engines auftauchen.

Vertiefende Quellen:

• Bitterli et al., Raumzeitliches Reservoir Resampling für Echtzeit-Raytracing mit dynamischer direkter Beleuchtung (SIGGRAPH 2020, die ursprüngliche Veröffentlichung zu ReSTIR).
• Ouyang et al., ReSTIR GI: Pfad-Resampling für Echtzeit-Pathtracing (HPG 2021, ReSTIR für indirekte Beleuchtung).
• Lin et al., Verallgemeinertes Resampled Importance Sampling (SIGGRAPH 2022, die mathematischen Grundlagen).
• NVIDIA, Technischer Tiefeneinblick in das Pathtracing von Cyberpunk 2077 (Entwicklerblog).

7. Volumetrische Wolken, Nebel und Atmosphäre

Himmel werden per Raymarching durch dreidimensionale Rausch- und Dichtevolumen erzeugt. Für die Atmosphäre kommen vorberechnete Streuungstabellen nach dem Bruneton-Prinzip zum Einsatz, um Übergänge zwischen Sonne und Mond darzustellen. Nebel wird in einem Froxel-Raster berechnet – vergleichbar mit einer am Sichtfrustum ausgerichteten 3D-Textur –, das lokale Beleuchtung erfasst. Zusammen erzeugen diese Techniken „Wetter als System“ statt einer bloßen Skybox.

Vertiefende Quellen:

• Schneider, Die volumetrischen Echtzeit-Wolkenlandschaften von Horizon Zero Dawn (SIGGRAPH 2015, die maßgebliche Referenz für Wolken).
• Hillaire, Eine skalierbare und produktionsreife Technik zum Rendern von Himmel und Atmosphäre (EGSR 2020, der moderne Bruneton-Nachfolger, der in UE5 verwendet wird).
• Wronski, Volumetrischer Nebel: Eine einheitliche Compute-Shader-basierte Lösung für atmosphärische Streuung (SIGGRAPH 2014, Froxel-Nebel in Assassin's Creed 4).
• Hillaire, Physikalisch basiertes und einheitliches volumetrisches Rendering in Frostbite (SIGGRAPH 2015).

8. Cascaded Shadow Maps und Virtual Shadow Maps

Für Sonnenschatten teilen Cascaded Shadow Maps das Frustum in Entfernungsbereiche auf und rendern jeden davon mit einer passenden Auflösung. Virtual Shadow Maps gehen noch weiter: Eine einzige riesige Shadow Map wird in Seiten aufgeteilt, und nur die von der Kamera aus sichtbaren Seiten werden gerendert. So erhalten AAA-Spiele scharfe Schatten in der Nähe des Spielers, ohne dafür enorme Speichermengen zu benötigen.

Vertiefende Quellen:

• Dimitrov, Cascaded Shadow Maps (NVIDIA-Whitepaper, die Standardreferenz).
• Microsoft, Gängige Techniken zur Verbesserung von Shadow-Depth-Maps (DirectX-Dokumentation).
• Wright, Virtual Shadow Maps in Fortnite Battle Royale, Kapitel 4 (SIGGRAPH 2023, der UE5-Vortrag zu VSM).
• Epic Games, Dokumentation zu Virtual Shadow Maps.

9. Screen-Space-Effekte (SSAO, SSR, SSGI, SSSSS)

Durch kostengünstiges Auslesen der Tiefen- und Normalen-Buffer lassen sich Umgebungsverdeckung (SSAO), Reflexionen (SSR), globale Beleuchtung mit einem Licht-Bounce (SSGI) und Subsurface Scattering für Haut (SSSSS) erzeugen. Details außerhalb des Bildausschnitts können diese Verfahren nicht erfassen, weshalb Raytracing sie zunehmend ablöst. Als schnelle Grundlage sind sie jedoch nach wie vor allgegenwärtig.

Vertiefende Quellen:

• Mittring, Die nächste Generation finden: CryENGINE 2 (SIGGRAPH 2007, die ursprüngliche Veröffentlichung zu SSAO).
• McGuire et al., Skalierbare Umgebungsverdeckung (HPG 2012, modernes SSAO).
• Stachowiak und Uludag, Stochastische Screen-Space-Reflexionen (Frostbite, die Referenz zu SSR).
• Jimenez, Separierbares Subsurface Scattering (die in den meisten AAA-Engines für Haut eingesetzte Technik).
• Mara et al., Deep Screen Space (Activision, ein Vorläufer moderner SSGI-Techniken).

10. Temporales Anti-Aliasing und ML-Upscaling (DLSS, FSR, XeSS)

Der Frame wird intern mit einer niedrigeren Auflösung gerendert und anschließend mithilfe von Bewegungsvektoren, Tiefeninformationen und Daten aus vorherigen Frames rekonstruiert. ML-basierte Upscaler (DLSS 3/4, FSR 3, XeSS) ergänzen dies um Frame-Generierung und interpolieren mithilfe des optischen Flusses Zwischenbilder. Die meisten AAA-Titel werden inzwischen unter der Annahme entwickelt, dass ein Upscaler aktiviert ist. Das verändert die Aufteilung des Rechenbudgets für den restlichen Frame.

Vertiefende Einblicke: - Karis, [Hochwertiges temporales Supersampling](http://advances.realtimerendering.com/s2014/index.html#_HIGH-QUALITY_TEMPORAL_SUPERSAMPLING) (SIGGRAPH 2014, der grundlegende Vortrag zu TAA). - Salvi, [Ein Exkurs zum temporalen Supersampling](https://research.nvidia.com/sites/default/files/pubs/2016-03_An-Excursion-in/dlss_DTAA-2-2.pdf) (NVIDIA, auf dem Weg zu DLSS). - Edelsten, [Wirklich Next-Gen: Deep Learning für Spiele und Grafik](https://www.gdcvault.com/play/1026184/) (GDC 2019, DLSS-Architektur). - AMD, [Technische Details zu FidelityFX Super Resolution 3](https://gpuopen.com/fidelityfx-super-resolution-3/) und Intel, [Technisches Whitepaper zu XeSS](https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/technical/intel-xess-technical-paper.html).

11. GPU-gesteuertes Rendering und Mesh-Shader

Culling, LOD-Auswahl und Draw-Übermittlung laufen vollständig auf der GPU. Mesh-Shader ersetzen die Vertex-/Geometrie-/Tessellations-Pipeline durch eine flexiblere, Compute-artige Stufe, die Meshlets ausgibt. In Kombination mit Multi-Draw Indirect bleibt die CPU damit vollständig aus der kritischen Schleife pro Objekt heraus.

Vertiefende Einblicke:

• Haar und Aaltonen, GPU-gesteuerte Rendering-Pipelines (SIGGRAPH 2015, der grundlegende Vortrag zu Assassin's Creed Unity).
• Wihlidal, Optimierung der Grafik-Pipeline mit Compute (GDC 2016, GPU-gesteuertes Culling in Frostbite).
• Kubisch, Einführung in Turing-Mesh-Shader (NVIDIA, die Einführung in Mesh-Shader).
• Pesce, Ein rasanter Streifzug durch Mesh-Shader (sowie ähnliche Engineering-Blogs, gesammelt in Adrian Courrèges' RenderDoc-Analysen).

12. Rendering von Haaren, Stoff und Haut

Haare verwenden anisotropes Shading nach Marschner mit strähnenbasierter Geometrie (NVIDIA HairWorks, AMD TressFX oder Engine-eigene Systeme). Stoff wird auf der GPU mit positionsbasierter Dynamik simuliert und mit anisotropen Glanzlichtern gerendert. Haut nutzt Subsurface Scattering im Screen Space sowie vorintegrierte Wrap-Beleuchtung. An diesen drei Bereichen erkennt man meist den Budgetunterschied zwischen AAA- und Indie-Produktionen.

Vertiefende Einblicke:

• Marschner et al., Lichtstreuung an menschlichen Haarfasern (SIGGRAPH 2003, das grundlegende Haarmodell).
• Chiang et al., Ein praxistaugliches und steuerbares Haar- und Fellmodell für Production Path Tracing (Disney 2016, häufig für Echtzeitnäherungen verwendet).
• Müller et al., Positionsbasierte Dynamik (das Standardreferenzwerk für Stoffsimulation).
• Jimenez et al., Separierbares Subsurface Scattering und Realistische Hauttransluzenz in Echtzeit.

13. Decals, virtuelle Texturierung und Material-Layering

Oberflächenvariation entsteht durch geschichtete Decals (Einschusslöcher, Schmutz, Blut, Ablagerungen), die auf den Tiefenpuffer projiziert werden, sowie durch virtuelle Texturen, die hochauflösende Details genau zum benötigten Zeitpunkt streamen. Beim Material-Layering werden mithilfe von Masken und triplanarer Projektion mehrere PBR-Sets pro Pixel vermischt – so kann ein einzelner Felsen wie fünf verschiedene Felsen wirken.

Vertiefende Einblicke:

• Pranckevičius, Deferred Decals und Folgebeiträge (Aras' klassische Blogreihe).
• Mittring, Die Technologie hinter der „Unreal Engine 4 Elemental Demo“ (SIGGRAPH 2012, enthält Details zur virtuellen Texturierung).
• van Waveren, Herausforderungen von id Tech 5: Von der Texturvirtualisierung zur massiven Parallelisierung (SIGGRAPH 2009, der Vortrag zu MegaTexture).
• Williams, Material-Layering in The Order: 1886 (GDC 2014, geschichtete PBR-Materialien).

14. Reihenfolgeunabhängige Transparenz

Haare, Vegetation, Partikel und Glas lassen sich nicht zuverlässig sortieren. AAA-Engines verwenden Techniken wie gewichtetes, gemischtes OIT, Depth Peeling oder verkettete Listen pro Pixel, um sie ohne einen CPU-basierten Sortierschritt korrekt zu rendern. In Szenen mit dichter Vegetation ist dies unauffällig einer der teuersten Teile eines Frames.

Vertiefende Einblicke:

• McGuire und Bavoil, Gewichtete, gemischte reihenfolgeunabhängige Transparenz (JCGT 2013, das WBOIT-Paper).
• Bavoil und Myers, Reihenfolgeunabhängige Transparenz mit Dual Depth Peeling (NVIDIA-Whitepaper).
• Yang et al., Echtzeitkonstruktion nebenläufiger verketteter Listen auf der GPU (das Referenzwerk zu verketteten Listen pro Pixel).
• Wyman, Untersuchung und Erweiterung des Spektrums von OIT-Algorithmen (HPG 2016, vergleichender Überblick).

15. Neural Radiance Caching und ML-Denoiser

Die neueste Ebene. NVIDIAs Neural Radiance Cache lernt die indirekte Beleuchtung einer Szene und fragt sie ab, anstatt weitere Strahlen zu verfolgen. ML-Denoiser (OptiX, Intel Open Image Denoise oder maßgeschneiderte interne Lösungen) bereinigen spärliche Raytracing-Signale innerhalb von Millisekunden. Diese Kategorie dürfte in den nächsten zwei Jahren rasant wachsen.

Vertiefende Einblicke:

• Müller et al., Neural Radiance Caching in Echtzeit für Path Tracing (SIGGRAPH 2021, das NRC-Paper).
• Schied et al., Räumlich-zeitliche varianzgesteuerte Filterung: Echtzeitrekonstruktion für globale Beleuchtung mit Path Tracing (HPG 2017, SVGF).
• Chaitanya et al., Interaktive Rekonstruktion von Monte-Carlo-Bildsequenzen mit einem rekurrenten Denoising-Autoencoder (SIGGRAPH 2017, der erste rekurrente ML-Denoiser).
• Intel, Dokumentation zu Open Image Denoise (quelloffener Production-Denoiser).

Was das für den Browser bedeutet

Wir haben mehrere dieser Techniken mit WebGPU in unserer Open-World-Browser-Engine umgesetzt. Kaskadierte Shadow Maps, GPU-gesteuertes Instancing, triplanares PBR, Screen-Space-Nebel und Clipmap-basiertes virtualisiertes Terrain laufen in einem Browser-Tab mit 120 FPS. Der Rest – Hardware-Raytracing, Mesh-Shader und ML-Upscaling – kommt ins Web, sobald die WebGPU-Spezifikation entsprechend erweitert wird. Weitere Einzelheiten finden Sie in unseren Leitfäden zu Open-World-Technik im Browser und zur Landschaftsgenerierung.

Weiterführende Literatur zum gesamten Technologie-Stack

Wenn Sie nur ein Buch lesen möchten, ist Real-Time Rendering, 4. Auflage das Standardreferenzwerk, das die meisten der oben genannten Themen behandelt. Für aktuelle Forschung bietet das Kursarchiv „Advances in Real-Time Rendering in Games“ der SIGGRAPH (advances.realtimerendering.com) kostenlose PDFs mit ausführlichen Einblicken in AAA-Engines, die bis ins Jahr 2006 zurückreichen. Für detaillierte Analysen dazu, wie bestimmte Spiele ihre Frames rendern, sind Adrian Courrèges' Artikel zum GPU-Profiling Pflichtlektüre.