Strahlenverfolgung

Strahlenverfolgung, im Englischen ray tracing genannt, ist eine Rendering-Technik der Computergraphik, die das Aussehen einer Szene durch das Nachzeichnen von Lichtwegen simuliert. Lichtstrahlen werden von der Kamera in die Szene geschickt, ihre ersten Schnittpunkte mit Oberflächen bestimmt und deren optische Eigenschaften berechnet. So entstehen realistische Spiegelungen, Brechungen und Schatten.

Beim klassischen Algorithmus wird jeder Pixel durch Primärstrahlen erfasst. An Schnittpunkten wird das Material bewertet, Lichtquellen berücksichtigt und je nach Modell Reflexions- oder Transmissionsstrahlen erzeugt, die rekursiv verfolgt werden. Für globale Beleuchtung kommen Monte-Carlo-Verfahren zum Einsatz, die das Bild schrittweise durch Sampling verbessern und Rauschstellen reduzieren. Verteilte Strahlenverfolgung ermöglicht zusätzlich indirekte Lichtpfade.

Um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, kommen Beschleunigungsstrukturen wie BVH (Bounding Volume Hierarchy) oder KD-Trees zum Einsatz, die die Zahl der Schnittprüfungen reduzieren. Zudem werden Anti-Aliasing, adaptive Sampling-Strategien, Begrenzung der Rekursionstiefe und Denoising eingesetzt. Real-time-Raytracing nutzt spezialisierte Hardware (RT-Kerne) und Hybrid-Ansätze, die Rasterisierung mit Strahlenverfolgung kombinieren, um bessere Bilder bei vertretbarer Leistung zu ermöglichen.

Anwendungsfelder umfassen Film- und Fernsehproduktion, Architekturvisualisierung und Produktdesign. In Computerspielen wird häufig Hybrid-Rendering verwendet, um hohe Bildqualität bei akzeptabler Leistung zu erreichen.

Historisch entstand Strahlenverfolgung in den 1960er Jahren; durch Whitted-Ray-Tracing in den 1980er Jahren wurde sie populär. Jüngst beschleunigen GPUs und spezialisierte Hardware die Anwendung auch in Echtzeit, während weitere Entwicklungen auf effizientere Algorithmen, verbessertes Denoising und robustere globale Beleuchtung abzielen.