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Wer sich heute einen Gaming-PC zusammenstellt, stößt früher oder später auf zwei Begriffe, die in Hardware-Diskussionen immer häufiger fallen: Raytracing und Pathtracing. Beide Technologien stehen für eine neue Generation der Grafikdarstellung, die Licht, Schatten und Reflexionen deutlich realistischer berechnet als klassische Rendering-Methoden. Gleichzeitig gelten sie als einer der wichtigsten Gründe, warum viele Spieler zu leistungsstarken – und entsprechend teureren – Grafikkarten greifen.
Doch warum benötigen diese Technologien so viel Rechenleistung? Und was unterscheidet Raytracing eigentlich von Pathtracing? Genau diesen Fragen widmet sich dieser Beitrag. Wir erklären zunächst die Grundlagen moderner Grafikberechnung und zeigen den Unterschied zwischen klassischer Rasterisierung und Raytracing. Anschließend werfen wir einen Blick auf Pathtracing als derzeit realistischste Form der Lichtsimulation und erläutern, warum diese Methode selbst aktuelle High-End-Grafikkarten stark fordert.
Darüber hinaus beleuchten wir, wie Technologien wie DLSS und andere Upscaling-Verfahren dabei helfen können, Raytracing in Spielen überhaupt praktikabel zu machen. Abschließend betrachten wir bekannte Spiele, die für ihre Raytracing- oder Pathtracing-Umsetzungen bekannt sind, und zeigen, welche Hardware sich besonders dafür eignet.
Was ist Raytracing?
Raytracing ist eine Rendering-Technik, bei der Licht physikalisch korrekt simuliert wird, anstatt nur optisch approximiert zu werden. Während klassische Spiele-Grafik lange Zeit auf die sogenannte Rasterisierung gesetzt hat, verfolgt Raytracing einen deutlich realistischeren Ansatz: Statt die Szene nur aus der Perspektive der Kamera zu berechnen, wird der Weg einzelner Lichtstrahlen (Rays) simuliert.
Dabei wird für jedes Pixel ein virtueller Lichtstrahl von der Kamera in die Szene geschickt. Trifft dieser Strahl auf ein Objekt, berechnet die Engine, wie sich das Licht an dieser Oberfläche verhält. Das kann beispielsweise bedeuten, dass der Strahl reflektiert wird, durch transparente Materialien gebrochen wird oder indirektes Licht aus der Umgebung aufnimmt. Auf diese Weise entstehen realistische Spiegelungen, korrekte Schattenverläufe und natürliche Lichtstimmungen, wie sie auch in der realen Welt vorkommen.
Gerade Reflexionen profitieren stark von Raytracing. Während ältere Methoden oft nur statische Spiegelungen oder Bildschirmreflexionen darstellen konnten, kann Raytracing auch Objekte reflektieren, die sich außerhalb des sichtbaren Bildbereichs befinden. Das führt zu deutlich glaubwürdigeren Oberflächen – etwa bei Glas, Wasser oder poliertem Metall.
Der große Nachteil dieser Technik ist jedoch der enorme Rechenaufwand. Für jeden Frame müssen potenziell Millionen von Lichtstrahlen berechnet und deren Interaktionen mit der Szene verfolgt werden. Genau deshalb verfügen moderne Grafikkarten über spezielle Hardwareeinheiten – sogenannte Raytracing-Cores oder Ray Accelerators –, die diese Berechnungen massiv beschleunigen. Ohne solche spezialisierten Einheiten wäre Raytracing in Echtzeit kaum praktikabel.
Wer hat Raytracing entwickelt?
Die Idee hinter Raytracing ist keineswegs neu. Bereits 1968 entwickelte der Computergrafik-Pionier Arthur Appel am IBM Research Center ein Verfahren, bei dem Lichtstrahlen mathematisch durch eine Szene verfolgt werden, um sichtbare Oberflächen zu bestimmen. Sein Ansatz legte den Grundstein für das, was später als Raytracing bekannt wurde.
In den späten 1970er- und frühen 1980er-Jahren erweiterten Forscher wie Turner Whitted die Methode erheblich. Whitted führte unter anderem die Berechnung von Reflexionen, Transparenzen und Schatten über Lichtstrahlen ein – ein Konzept, das heute als „Whitted-Style Raytracing“ bekannt ist und viele moderne Rendering-Techniken beeinflusst hat.
Rasterisierung vs. Raytracing
Um zu verstehen, warum Raytracing so viel Rechenleistung benötigt, lohnt sich ein Blick auf die klassische Methode der Spiele-Grafik: Rasterisierung. Diese Technik bildet seit Jahrzehnten die Grundlage nahezu aller Echtzeitgrafik in Games. Dabei werden 3D-Objekte zunächst in viele kleine Dreiecke zerlegt und anschließend auf den zweidimensionalen Bildschirm projiziert. Die Grafikkarte berechnet anschließend für jedes Pixel Farbe, Texturen und Beleuchtung – allerdings meist auf Basis vereinfachter Modelle.
Beleuchtungseffekte wie Schatten, Spiegelungen oder globale Lichtstreuung werden bei der Rasterisierung häufig nur angenähert. Entwickler greifen dazu auf Tricks zurück, etwa Shadow Maps, Screen Space Reflections oder vorberechnete Lichtinformationen. Diese Methoden sind extrem effizient und ermöglichen hohe Bildraten, wirken aber in bestimmten Situationen weniger realistisch – etwa bei komplexen Reflexionen oder indirekter Beleuchtung.
Raytracing verfolgt einen grundlegend anderen Ansatz. Statt Licht nur zu approximieren, wird die tatsächliche Ausbreitung von Lichtstrahlen simuliert. Dadurch können Effekte entstehen, die mit klassischen Techniken nur schwer oder gar nicht darstellbar sind: präzise Spiegelungen, physikalisch korrekte Schatten oder natürlich wirkende indirekte Beleuchtung.
In der Praxis kombinieren moderne Spiele oft beide Technologien. Die Rasterisierung übernimmt weiterhin den Großteil der Bildberechnung, während Raytracing gezielt für besonders realistische Effekte eingesetzt wird – etwa für Reflexionen, globale Beleuchtung oder hochwertige Schatten. Dieses sogenannte Hybrid-Rendering ist aktuell der Standard moderner Spiele-Engines und ermöglicht eine Balance aus Realismus und Performance.
Was ist Pathtracing?
Pathtracing gilt als die physikalisch vollständigere Weiterentwicklung des Raytracings. Während klassisches Raytracing meist gezielt einzelne Effekte wie Reflexionen, Schatten oder bestimmte Lichtstrahlen berechnet, verfolgt Pathtracing einen radikaleren Ansatz: Es simuliert den gesamten Lichttransport innerhalb einer Szene.
Der wichtigste Unterschied liegt darin, wie Licht berechnet wird. Beim traditionellen Raytracing werden häufig nur wenige Strahlen pro Pixel verfolgt und bestimmte Effekte separat behandelt. Entwickler entscheiden also gezielt, welche Lichtinteraktionen berechnet werden sollen – etwa Reflexionen auf Glas oder Raytraced-Schatten. Viele andere Beleuchtungseffekte bleiben weiterhin approximiert oder werden über klassische Rasterisierung erzeugt.
Pathtracing dagegen arbeitet mit stochastischen Lichtpfaden. Für jedes Pixel werden zahlreiche zufällige Lichtstrahlen (Paths) in die Szene geschickt, die mehrfach von Oberflächen reflektiert, gestreut oder absorbiert werden können. Dabei entstehen automatisch Effekte wie Global Illumination, indirekte Beleuchtung, Farbübertragungen zwischen Oberflächen (Color Bleeding), weiche Schatten und realistische Reflexionen – ohne dass diese separat programmiert werden müssen.
Der Preis für diese physikalische Genauigkeit ist enorm. Pathtracing benötigt deutlich mehr Strahlen pro Pixel und komplexe Berechnungen über mehrere Lichtbounces, wodurch der Rechenaufwand exponentiell steigt.
Im Gaming wird Pathtracing deshalb erst seit kurzem experimentell eingesetzt – etwa durch moderne GPUs, spezialisierte Raytracing-Hardware und KI-gestützte Verfahren wie Denoising und Upscaling, die aus relativ wenigen berechneten Strahlen ein stabiles Bild rekonstruieren können. Dadurch wird eine Technologie, die lange ausschließlich der Offline-Renderwelt vorbehalten war, langsam auch für Echtzeitgrafik in Spielen nutzbar.
GPUs für Raytracing und Pathtracing
Die Leistungsfähigkeit von Raytracing und insbesondere Pathtracing hängt stark von der Architektur der Grafikkarte ab. Moderne GPUs besitzen dafür spezialisierte Hardwareeinheiten, die den extrem aufwendigen Prozess der Strahlverfolgung beschleunigen. Entscheidend sind dabei vor allem Raytracing-Cores bzw. Ray Accelerators, die speziell für zwei zentrale Aufgaben optimiert sind: Bounding Volume Hierarchy (BVH) Traversal und Ray–Triangle Intersection Tests. Diese beiden Berechnungen bestimmen maßgeblich, wie effizient eine GPU Millionen von Strahlen pro Frame durch eine komplexe Szene verfolgen kann.
Aktuell gelten insbesondere GPUs aus NVIDIAs RTX-Serie als führend im Bereich Raytracing. Architektur-Generationen wie Ampere (RTX 3000) und vor allem Ada Lovelace (RTX 4000) verfügen über stark optimierte RT-Cores der zweiten und dritten Generation. Diese Hardware kann mehrere Ray-Intersection-Tests parallel ausführen und arbeitet eng mit den Tensor-Cores zusammen, die für KI-basierte Verfahren wie DLSS und Ray Reconstruction genutzt werden. Gerade bei Pathtracing spielt diese Kombination eine entscheidende Rolle, da KI-Denoising und Upscaling notwendig sind, um aus relativ wenigen Strahlen ein sauberes Bild zu erzeugen.
Auch AMD-GPUs mit RDNA2- und RDNA3-Architektur verfügen über dedizierte Ray Accelerators, die direkt in die Compute Units integriert sind. Diese beschleunigen ebenfalls BVH-Traversal und Ray-Intersection-Berechnungen.
Upscaling-Technologien: Wie DLSS & Co. Raytracing überhaupt spielbar machen
Eine der größten Herausforderungen von Raytracing und insbesondere Pathtracing ist die enorme Rechenlast. Selbst moderne GPUs müssen für realistische Beleuchtung Millionen bis Milliarden von Strahlen pro Sekunde berechnen. Genau hier kommen Upscaling-Technologien ins Spiel, die zu einem zentralen Baustein moderner Raytracing-Workloads geworden sind.
Das Grundprinzip ist vergleichsweise einfach: Das Spiel wird zunächst in einer niedrigeren internen Auflösung gerendert, wodurch deutlich weniger Pixel und damit auch weniger Strahlen berechnet werden müssen. Anschließend wird das Bild mithilfe intelligenter Algorithmen wieder auf die Zielauflösung – etwa 1440p oder 4K – hochskaliert.
Besonders bekannt ist DLSS (Deep Learning Super Sampling) von NVIDIA. Diese Technologie nutzt Tensor-Cores und neuronale Netzwerke, die auf riesigen Datensätzen trainiert wurden. DLSS analysiert Bewegungsvektoren, Tiefeninformationen und mehrere vorherige Frames, um ein hochauflösendes Bild zu rekonstruieren, das oft überraschend nahe an nativer Auflösung liegt.
Auch andere Hersteller bieten ähnliche Lösungen. AMD FSR (FidelityFX Super Resolution) arbeitet mit einem anderen Ansatz und benötigt keine speziellen KI-Kerne, während Intel XeSS ebenfalls KI-gestützte Upscaling-Verfahren nutzt.
Gerade bei Pathtracing sind diese Technologien entscheidend. Da hier extrem viele Lichtinteraktionen simuliert werden müssen, ermöglicht Upscaling erst die Kombination aus hoher Bildqualität, realistischen Lichtsimulationen und spielbaren Frameraten – selbst auf leistungsstarken Gaming-GPUs.
Welche Games sind bekannt für Raytracing und Pathtracing?
Einige moderne Spiele sind inzwischen regelrechte Technologie-Demonstrationen für Raytracing und Pathtracing geworden. Sie zeigen sehr deutlich, welchen Unterschied physikalisch korrekte Lichtberechnung für Atmosphäre, Realismus und visuelle Tiefe machen kann.
Zu den bekanntesten Titeln gehört Cyberpunk 2077, das mit seinem später eingeführten „Overdrive Mode“ eines der ersten Spiele mit vollständigem Pathtracing bietet. In dieser Einstellung wird nahezu die gesamte Beleuchtung der Spielwelt über Pathtracing berechnet. Neonlichter, Reflexionen auf nassen Straßen, indirekte Beleuchtung in Innenräumen und realistische Schatten entstehen dabei automatisch durch die Simulation des Lichttransports. Gerade in dicht bebauten Nacht-Szenen zeigt sich hier eindrucksvoll, welches Potenzial Pathtracing für zukünftige Spiele bietet.
Auch Alan Wake 2 gilt als eines der technisch anspruchsvollsten Raytracing-Spiele. Remedy setzt hier stark auf raytraced Global Illumination, Reflexionen und Schatten, um die düstere Atmosphäre des Spiels zu verstärken. Besonders Innenräume profitieren von der realistischeren Lichtstreuung.
Weitere bekannte Beispiele sind Minecraft RTX, das mit vollständig pathtraced Beleuchtung eine komplett neue visuelle Ästhetik erzeugt, sowie Control, das schon früh zeigte, wie stark raytraced Reflexionen und indirektes Licht die Bildwirkung verändern können.
Zu den kommenden Spielen, die auf diese Technologie setzen, gehören unter anderem das Gothic Remake, Witcher 4 oder Control Resonant.
Häufige Fragen zum Raytracing und Pathtracing
Antwort: Raytracing berechnet Lichtstrahlen in Echtzeit – das bedeutet:
- Millionen bis Milliarden Strahlen pro Frame
- Komplexe Lichtinteraktionen (Reflexionen, Brechungen etc.)
Deshalb sinkt die FPS oft deutlich:
- −20 % bis −70 % je nach Spiel & Einstellungen
Antwort: Kurz gesagt: Ja, aber langsam
- Aktuell noch zu hardwarehungrig
- Wird mit neuen GPUs und KI-Upscaling immer praktikabler
- Schon jetzt „Preview“ der Zukunftsgrafik