Was sind Shadow Maps in Spielen?

Schatten dienen nicht nur der optischen Aufwertung. Sie verleihen Spielwelten Realismus, und ohne sie wirken selbst die detailreichsten Umgebungen flach und leblos. Wie Ambient Occlusion und Global Illumination dienen auch Shadow Maps dazu, Ihre Spiele realistischer aussehen zu lassen. Eine der gängigsten Techniken für die Echtzeit-Rendering von Schatten ist Shadow Mapping, eine Methode, mit der Spieleentwickler Tiefe und Realismus hinzufügen können, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Shadow Mapping funktioniert in einem zweistufigen Prozess. Im ersten Schritt wird aus der Perspektive der Lichtquelle eine Schattenkarte erstellt. Diese Karte speichert Tiefeninformationen und zeichnet auf, wie weit Objekte von der Lichtquelle entfernt sind. Der zweite Schritt wird aus der Perspektive des Spielers gerendert, wobei das Spiel jedes Pixel mit der Schattenkarte vergleicht. Wenn ein Pixel weiter entfernt ist als die von der Lichtquelle aufgezeichnete Entfernung, fällt es in den Schatten. Wenn es gleich weit oder näher ist, bleibt es beleuchtet. Dieser Ansatz ist effizient und funktioniert gut mit dynamischer Beleuchtung, weshalb er seit Jahren ein fester Bestandteil der Echtzeit-Spielegrafik ist.

Shadow Maps haben jedoch auch ihre Grenzen. Da sie auf einer Textur basieren, spielt die Auflösung eine wichtige Rolle. Shadow Maps mit niedriger Auflösung können zu sichtbaren gezackten Kanten oder deutlichem Flimmern bei Bewegungen führen. Leider ist es nicht so einfach, einfach die Auflösung zu erhöhen, da Shadow Maps mit hoher Auflösung mehr Speicherplatz und Rechenleistung erfordern. Entwickler verwenden häufig Techniken wie kaskadierte Shadow Maps oder Filterung, um diese Artefakte zu glätten.

Bei den meisten Spielen können Sie die Schattenqualität in den Grafikeinstellungen anpassen. Zu den gängigen Optionen gehören:

• Schattenqualität – Passt die Auflösung und Filterung an. Höhere Einstellungen sorgen für schärfere, genauere Schatten, erfordern jedoch mehr GPU-Leistung.
• Weiche Schatten – Fügt weichere Kanten hinzu, um ein natürlicheres Aussehen zu erzielen.
• Dynamische Schatten – Aktiviert Schatten, die sich mit Objekten und Lichtern bewegen und aktualisieren.
• Kontakt-Schatten – Verbessert den Realismus durch Hinzufügen subtiler Schatten an Stellen, an denen Objekte Oberflächen berühren.
• Schattenentfernung – Legt fest, wie weit Schatten von der Kamera entfernt gerendert werden. Eine Erhöhung verbessert die Detailgenauigkeit bei großen Entfernungen, beeinträchtigt jedoch die Leistung.

Wie bei den meisten Spieleinstellungen lohnt es sich, ein wenig zu experimentieren, um den optimalen Punkt zu finden, an dem die Grafikqualität hervorragend ist, ohne die Bildrate zu beeinträchtigen.

Raytracing verfolgt einen anderen Ansatz. Anstatt sich auf eine vorberechnete Karte zu stützen, simuliert es die tatsächlichen Wege der Lichtstrahlen, während sie durch eine Szene reflektiert werden. Dadurch entstehen Schatten, die genauer, weicher und natürlicher sind, insbesondere bei komplexen Beleuchtungsszenarien. Der Nachteil ist die Leistung. Raytracing ist rechenintensiv, weshalb es erst seit kurzem dank moderner GPUs und Technologien wie DLSS für Echtzeit-Rendering geeignet ist.

Shadow Maps stellen weitaus geringere Anforderungen an die Hardware und sind daher die Standardwahl für die meisten Spiele. Selbst bei hohen Qualitätseinstellungen verursachen Shadow Maps in der Regel nur einen Bruchteil der Leistungseinbußen im Vergleich zu Raytracing-Schatten. Die Aktivierung von Raytracing kann die Bildraten erheblich reduzieren, sodass Spieler oft einen Kompromiss zwischen visueller Wiedergabetreue und flüssigem Gameplay finden müssen. Für viele bieten Shadow Maps den besten Kompromiss zwischen Realismus und Leistung.