Wat zijn schaduwkaarten in games?

Schaduwen zijn niet alleen bedoeld voor visuele flair. Ze zorgen ervoor dat gamewerelden echt aanvoelen, en zonder schaduwen zien zelfs de meest gedetailleerde omgevingen er vlak en levenloos uit. Net als Ambient Occlusion en Global Illumination zorgen Shadow Maps ervoor dat je games er realistischer uitzien. Een van de meest gebruikte technieken voor het weergeven van schaduwen in realtime is shadow mapping, een methode waarmee gameontwikkelaars diepte en realisme kunnen toevoegen zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.

Shadow mapping werkt met een tweestapsproces. De eerste stap creëert een shadow map-textuur vanuit het perspectief van de lichtbron. Deze map slaat diepte-informatie op en registreert hoe ver objecten van het licht verwijderd zijn. De tweede stap wordt weergegeven vanuit het perspectief van de speler, waarbij het spel elke pixel vergelijkt met de shadow map. Als een pixel verder weg is dan wat het licht heeft geregistreerd, valt deze in de schaduw. Als deze overeenkomt of dichterbij is, blijft deze verlicht. Deze aanpak is efficiënt en werkt goed met dynamische belichting. Daarom is het al jaren een vast onderdeel van realtime gaming graphics.

Shadow maps hebben echter ook hun beperkingen. Omdat ze afhankelijk zijn van een textuur, is de resolutie van belang. Shadow maps met een lage resolutie kunnen leiden tot zichtbaar gekartelde randen of duidelijke flikkeringen bij bewegingen. Helaas is het simpelweg verhogen van de resolutie geen eenvoudige oplossing, omdat shadow maps met een hoge resolutie meer geheugen en rekenkracht vereisen. Ontwikkelaars gebruiken vaak technieken zoals cascaded shadow maps of filtering om deze artefacten te verzachten.

Bij de meeste games kun je de schaduwkwaliteit aanpassen in de grafische instellingen. Veelvoorkomende opties zijn:

• Schaduwkwaliteit – Past de resolutie en filtering aan. Hogere instellingen zorgen voor scherpere, nauwkeurigere schaduwen, maar vereisen meer GPU-vermogen.
• Zachte schaduwen – Voegt vloeiendere randen toe voor een natuurlijker uiterlijk.
• Dynamische schaduwen – Schakelt schaduwen in die meebewegen en worden bijgewerkt met objecten en lichten.
• Contactschaduwen – Verbetert het realisme door subtiele schaduwen toe te voegen op plaatsen waar objecten oppervlakken raken.
• Schaduwafstand – Bepaalt hoe ver schaduwen vanaf de camera worden weergegeven. Door deze waarde te verhogen, worden details op grote afstand verbeterd, maar dit heeft invloed op de prestaties.

Zoals bij de meeste game-instellingen, is het de moeite waard om te experimenteren om de juiste balans te vinden waarbij de visuele kwaliteit er geweldig uitziet zonder dat dit ten koste gaat van je framesnelheid.

Ray tracing hanteert een andere benadering. In plaats van te vertrouwen op een vooraf berekende kaart, simuleert het de werkelijke paden van lichtstralen terwijl ze door een scène weerkaatsen. Dit levert schaduwen op die nauwkeuriger, zachter en natuurlijker zijn, vooral bij complexe verlichtingsscenario's. Het nadeel is de prestatie. Ray tracing is rekenkundig duur, waardoor het pas sinds kort haalbaar is voor realtime rendering dankzij moderne GPU's en technologieën zoals DLSS.

Shadow maps stellen veel minder hoge eisen aan de hardware en zijn daarom de standaardkeuze voor de meeste games. Zelfs bij instellingen voor hoge kwaliteit kosten shadow maps doorgaans maar een fractie van de prestatieverlies in vergelijking met ray-traced shadows. Het inschakelen van ray tracing kan de framesnelheid aanzienlijk verminderen, waardoor spelers vaak een balans moeten vinden tussen visuele getrouwheid en soepele gameplay. Voor velen bieden shadow maps het beste compromis tussen realisme en prestaties.