Virtual Reality: Valves Render-Tricks für mehr Bildqualität und Leistung

Foveated Rendering, Multi-GPU, Supersampling, Reprojection und ausgelassene Pixel: Valve hat diverse Techniken von VR erläutert, die entweder die Bildqualität oder die Geschwindigkeit steigern.

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Aperture Robot Repair Demo
Aperture Robot Repair Demo (Bild: Valve)

Eine der bestbesuchten Sessions auf der Games Developer Conference 2016 in San Francisco war erneut die von Valves Alex Vlachos: Unter dem Titel Advanced VR Rendering Performance sprach der Grafikprogrammierer über allerhand Render-Tricks, um Virtual Reality zu verbessern. Dazu zählen Leistungssteigerungen, um die Aperture Robot Repair Demo auf einem vier Jahre alten System flüssig darzustellen, zudem befürwortet er mehrere Grafikkarten in einem Rechner für mehr Bildqualität.

Grundsätzlich sollte jede Engine für Virtual Reality zwar Multi-GPU unterstützen, sagte der Grafikprogrammierer. Der Leistungsgewinn falle aber mit 30 bis 35 Prozent verglichen mit dem in Spielen zumeist genutzten Alternate Frame Rendering recht gering aus, und die CPU-Last steige. Der Geschwindigkeitszuwachs solle in höhere interne Render-Auflösungen und Kantenglättungsmodi investiert werden. Die Aperture Robot Repair Demo wird pro Auge mit 1.512 x 1.680 Pixeln mit 4x Multisampling Antialiasing gerendert und mit 1.080 x 1.200 Bildpunkten auf der Vive ausgegeben.

  • Advanced VR Rendering Performance (Bild: Valve)
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Advanced VR Rendering Performance (Bild: Valve)

Mit mehreren GPUs kann die Bildqualität angehoben werden: Vlachos zeigte exemplarisch bis zu 2.116 x 2.352 Pixel - also Faktor 1,4 - mit 8x statt 4x Multisampling. Der umgekehrte Weg eignet sich für einzelne und vor allem schwächere Grafikkarten. Die können die Aperture Robot Repair Demo in 1.102 x 1.224 Pixeln mit 4x MSAA berechnen, was die Bildrate auf Kosten der Optik kräftig steigert: Die Source-2-Engine kann das dynamisch.

Um noch mehr Leistung herauszukitzeln, hat Valve sogenanntes Foveated Rendering integriert: Die Fovea, zu Deutsch Sehgrube, bietet das beste Auflösungsvermögen, also die größte Schärfe des menschlichen Sehapparates. Eine Idee ist daher, nur den mittleren Teil des Bildes mit voller Auflösung zu rendern und die Außenbereiche mit weniger Pixeln - Nvidia nennt das Multi Resolution Shading. Die Leistung steigt so um etwa 5 bis 10 Prozent.

  • Advanced VR Rendering Performance (Bild: Valve)
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Advanced VR Rendering Performance (Bild: Valve)

Valves eigener Ansatz heißt Radial Density Masking, bei dem im peripheren Sichtfeld schachbrettartig Pixel nicht gerendert, sondern näherungsweise ergänzt werden. Diese Technik erreicht in der Aperture Robot Repair Demo einen Geschwindigkeitszuwachs von 10 bis 15 Prozent. Zusammen mit 992 x 1.102 Pixeln und 4x MSAA konnte Valve die Szene flüssig auf einer Geforce GTX 680 rendern - ohne diese Tricks braucht es eine Geforce GTX 970.

Sollten die notwenigen 90 fps auf einem Vive dennoch nicht gehalten werden können, hilft kurzfristig eine Asynchronous Reprojection, auch als Asynchronous Time Warp bezeichnet. Kann die Grafikkarte nicht innerhalb von 11,1 Millisekunden den nächsten Frame berechnen, wird ein bereits fertiges Bild mit neuen Rotationspositionsdaten versehen und ausgegeben. Das führt zwar an den Rändern für Darstellungsfehler und lässt nahe Objekte leicht ruckeln, ist für wenige Frames aber besser, als die Bildrate absinken zu lassen.

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Advanced VR Rendering Performance (Bild: Valve)

Generell rät Vlachos dazu, 70 bis 90 Prozent der GPU zu nutzen, was das Render-Budget von 11,1 auf 10 bis 7,8 Millisekunden schrumpfen lässt. Damit bleibt genug Luft für kurzfristige Leistungsengpässe oder Hintergrundaufgaben wie den auch im VR-Betrieb weiter laufenden Windows-Desktop.

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