Ob schnelle oder langsame Grafikkarte: Moderne Verfahren machen PC-Spiele via Upscaling/Downsampling flotter und hübscher. Ein Überblick.
Wer früher in PC-Spielen eine höhere Bildqualität oder Framerate haben wollte, hat primär an der Auflösung geschraubt. Heutige Titel hingegen integrieren vielerlei Alternativen und auch die Grafiktreiber von AMD wie Nvidia haben längst diverse Methoden eingebaut, um das visuelle Spielerlebnis zu verbessern. Dieser Bericht erklärt, wie sie genutzt werden und welche Resultate zu erwarten sind: Willkommen beim Upscaling/Downsampling-Kompendium!
Bevor wir jedoch in die Materie einsteigen und mit Abkürzungen um uns werfen, ein paar allgemeine Informationen vorneweg: Wenn von Upscaling oder Downsampling die Rede ist, bezieht sich beides auf die native Display/Render-Auflösung. Beim Upscaling wird von einer geringeren Pixelmenge aus mit unterschiedlichen Verfahren hochgerechnet, beim Downsampling hingegen wird eine höhere Pixelmenge heruntergerechnet.
Verglichen mit der nativen Display-/Renderauflösung soll so annähernd die identische Bildqualität bei steigender Framerate oder aber eine bessere Optik auf Kosten der Framerate erzielt werden. Somit eignen sich Upscaling und Downsampling für schnelle wie langsame Grafikkarten gleichermaßen, da Spiele je nach Alter und Einstellungen unterschiedlich fordernd sind. Hinzu kommen Verfahren, die unabhängig von der Pixelmenge arbeiten - genannt seien hier vor allem Integer Scaling sowie Sharpening - und ebenfalls die Bildqualität aufwerten.
Temporal Upscaling ist der Stand der Dinge
Obgleich AMD und Nvidia (und sogar Intel) über eigene Upscaling/Downsampling-Techniken verfügen, haben viele Studios eigene Varianten eingebaut: Die Unreal Engine 4 etwa unterstützt TAAU (Temporal Anti Aliasing Upscaling), wie es beispielsweise in Gears 5 verwendet wird, und die Unreal Engine 5 integriert das modernere TSR (Temporal Super Resolution), das sich etwa in Ghostwire Tokyo findet. Die meisten Cross-Plattform- und Konsolen-Titel nutzen zeitliches (temporal) Upscaling, auch weil mit einer dynamischen Render-Auflösung versucht wird, 30 oder 60 fps zu halten.
Das ist wichtig, um die Qualität zu erhöhen: Beim räumlichen (spatial) Upscaling werden primär Informationen benachbarter Pixel aus dem aktuellen Frame herangezogen und dieser zumeist mit einem bikubischen oder Lanczos-Filter auf die Display-Auflösung hochskaliert. Je nach Einstellungen kann es auch ein bilinearer oder ein Gauß-Filter sein, was die Optik verschlechtert oder aber sie auf Kosten der Bildrate verbessert.
Mit einem zeitlichen (temporal) Upscaling hingegen werden Informationen aus vorherigen Frames in die Berechnung integriert, was für eine stabilere und pixelgetreuere Darstellung insbesondere fein aufgelöster Details wie Gitter oder Vegetation sorgt. Typische Artefakte wie Ghosting, also das Nachziehen oder Schmieren von Objekten, und Ringing gilt es zu vermeiden, was je nach Algorithmus mehr oder weniger gut klappt.
Schauen wir uns an, welche Varianten es von AMD sowie Nvidia gibt und wie beide Hersteller mit Treiber-basiertem Downsampling ein Werkzeug geschaffen haben, die Bildqualität in PC-Spielen teils drastisch zu verbessern.
Nvidia war der erste Anbieter eines Upscalings, genauer des KI-gestützten Rekonstruktionsfilters DLSS (Deep Learning Super Sampling): Die erste Iteration wurde im Spätsommer 2018 zusammen mit der Turing-Generation angekündigt, denn bis auf eine einzige Ausnahme (v1.9 in Control) sind die Tensor-Cores für DLSS zwingend notwendig. Hintergrund ist, dass ein vorab auf Nvidias Saturn-V-Supercomputer trainiertes neuronales Netz auf der Grafikkarte - also Inferencing - durchgeführt wird.
Das initiale DLSS 1.x arbeitet weitestgehend räumlich, wobei der Algorithmus versucht, sich ausgehend von einer geringen Pixelmenge einem hochauflösenden 16K-Referenzmaterial (Ground Truth) anzunähern. Weil Nvidia pro Spiel sowie pro Auflösung trainieren musste und das Resultat negatives Feedback erhielt, gelobte der Hersteller öffentlich Besserung und dieses Vorgehen für DLSS wurde relativ schnell verworfen.
Seit Frühling 2020 ist DLSS 2.x verfügbar, das eine zeitliche (temporal) Komponente enthält und generalisiert erstellt wird. Daher gibt es vier Stufen mit sinkender Pixelmenge - Quality, Balanced, Performance, Ultra Performance - die unabhängig von der Ausgabeauflösung gewählt werden können. Insbesondere aktuelle Versionen wie DLSS 2.3/2.4 weisen vergleichsweise wenig Ghosting auf und dank des immer häufiger in Spielen implementierten Schärfereglers ist Nvidias Ansatz vielen TAAU-Verfahren überlegen, wobei TSR optisch sehr ähnlich ist.
Es gilt: DLSS ersetzt die spieleigene Kantenglättung, egal ob TAA oder Ähnliches. Das noch seltene DLAA (Deep Learning Anti Aliasing) wiederum, welches einige Spiele wie Jurassic World Evolution 2 und The Elder Scrolls Online bereits implementiert haben, ist DLSS bei nativer Pixelmenge - ergo ohne Upscaling. DLSS wie DLAA können mit einer dynamischen Auflösung kombiniert werden.
FidelityFX Super Resolution 2.0 kommt erst noch
AMD wiederum hat mit FSR 1.0 (FidelityFX Super Resolution) ein räumliches Upscaling-Verfahren entwickelt, das mit zwei Pässen arbeitet: Zuerst wird die Input-Auflösung mit einem Shader-basierten Algorithmus hochskaliert, der Lanczos-basiert ist; danach wird ein Schärfe-Kernel appliziert. Wie DLSS muss FSR 1.0 explizit in Spiele eingebaut werden, weil das Upscaling vor dem Rendern von etwa dem HUD oder etwaiger Post-Processing-Effekte stattfinden soll. FidelityFX Super Resolution hat vier Stufen mit sinkender Pixelmenge - Ultra Quality, Quality, Balanced, Performance - und macht sich die im jeweiligen Spiel integrierte respektive ausgewählte Kantenglättung zunutze.
Noch nicht verfügbar ist FSR 2.0, ein wie DLSS 2.x zeitliches (temporal) Upscaling. Anders als bei der Nvidia-Lösung wird jedoch kein neuronales Netz auf Machine-Learning-Hardware verwendet, sondern ein Shader-basierter Algorithmus. Dieser akkumuliert (Tiefen-)Informationen über mehrere Frames hinweg und erfasst dabei auch die Bewegungsvektoren. In dieser Hinsicht sind sich DLSS und FSR 2.0 sehr ähnlich. Das AMD-Upscaling umfasst eine Lanczos-Nachschärfung, ein zusätzlicher Schärferegler ist optional. FidelityFX Super Resolution 2.0 hat vier Modi und kann mit einer dynamischen Auflösung kombiniert werden.
Apropos Schärfen: Die Radeon Software bietet das Radeon Image Sharpening (RIS) an, Nvidias Control-Panel das Nvidia Image Scaling/Sharpening (NIS) - beide haben denselben Effekt, da es kontrastadaptive Algorithmen sind. Hierdurch lassen sich beispielsweise Texturen etwas knackiger darstellen, um beispielsweise das Weichzeichnen durch TAA auszugleichen. Wird das Sharpening per Regler jedoch übertrieben, neigen hochfrequente Inhalte zum Flimmern oder zeigen Artefakte. NIS/RIS unterstützen D3D9, D3D11, D3D12 und Vulkan, aber kein D3D10.
Mehr Pixel für bessere Bildqualität
Wer Downsampling betreiben möchte, hat unterschiedliche Optionen: In AMDs Radeon Software findet sich VRS (Virtual Super Resolution), womit sich die Render-Auflösung maximal verachtfachen lässt. Ungerade Faktoren sehen naturgemäß schlechter aus als gerade, dafür zeichnet der von AMD eingesetzte bilineare Filter das Bild kaum weich. VRS kann mit einer dynamischen Auflösung kombiniert werden.
In Nvidias Control-Panel wiederum gibt es das seit 2014 verfügbare Legacy-DSR (Dynamic Super Resolution) und seit 2021 auch das verbesserte DL-DSR (Deep Learning Dynamic Super Resolution). Ersteres nutzt einen 5-Tap-Gauß-Filter und wird per Shader-ALUs berechnet, Letzteres setzt auf einen KI-gestützten Algorithmus namens Deep Resolve und läuft auf den Tensor-Cores. Beide Varianten lassen sich per Schärferegler nachjustieren, (DL-)DSR kann mit einer dynamischen Auflösung kombiniert werden.
Integer Scaling für Klassiker oder Pixel Art
Kein Upscaling oder Downsampling im eigentlichen Sinne ist das in AMDs wie Nvidias Treiber verfügbare Integer Scaling: Wie es der Name bereits impliziert, werden hierbei Pixel ganzzahlig - etwa Faktor vier - vervielfacht statt deren Farbwerte beispielsweise (bi)linear zu mischen. So bleibt der ursprüngliche Look bei Display-füllender Auflösung erhalten, beispielsweise in Spielen wie FTL oder Warcraft 2.
Nachfolgend gibt es noch einmal die Kurzfassung der einzelnen Verfahren für Geforce- sowie Radeon-Modelle aufgeschlüsselt, Screenshots der Treiberfunktionen sowie Systemanforderungen inklusive.
Deep Learning Super Sampling 1.x (DLSS):
Mittlerweile veraltete Version von Nvidias KI-gestütztem Rekonstruktionsfilter in Titeln wie Battlefield 5 oder dem originalen Metro Exodus. Das Upscaling nutzt die Tensor-Cores, um per Inferencing eine niedrige Auflösung hochzuskalieren, gibt jedoch feste Stufen vor. Für DLSS 1.x ist mindestens eine Geforce RTX 2000 (Turing) erforderlich.
Deep Learning Super Sampling 2.x (DLSS):
Aktuelle Implementierung von Nvidias KI-gestütztem Rekonstruktionsfilter, der zeitlich (temporal) arbeitet und stetig weiterentwickelt wird. Somit weist DLSS 2.x die derzeit beste Upscaling-Bildqualität bei zugleich guter Performance-Steigerung auf, jedenfalls was die Quality-Stufe anbelangt. Auch für DLSS 2.x muss es eine Geforce RTX 2000 (Turing) oder neuer sein.
Deep Learning Anti Aliasing (DLAA):
DLAA ist Nvidias Bezeichnung für DLSS bei nativer Display-Auflösung, es handelt sich daher nicht um Upscaling.
Dynamic Super Resolution, Legacy (DSR):
DSR ist Nvidias ursprünglich im Treiber integriertes Downsampling-Verfahren, es ermöglicht also höhere Render-Auflösungen als die native des Displays. Ausgehend von 1.920 x 1.080 Pixeln kann intern maximal die vierfache Menge an Bildpunkten - sprich 3.840 x 2.160 - berechnet werden, was die Darstellungsqualität stark erhöht. Ungerade Faktoren, etwa von 2.560 x 1.440 auf 4.434 x 2.494 Pixel, sind weniger zu empfehlen. Der Smoothing-Regler steuert einen Gauß-Filter: je niedriger desto schärfer, je höher desto unschärfer wird es. Je nach Höhe der im Spiel gewählten DSR-Auflösung sinkt die Bildrate stark bis drastisch. Legacy-DSR läuft ab einer Geforce GTX 900 (Maxwell v2).
![[DL-]DSR in Nvidias Control-Panel (Screenshot: Golem.de)](https://scr3.golem.de/screenshots/2204/Upscaling-Downsampling-Kompendium/thumb620/Upscaling-Downsampling-Kompendium-11.png "[DL-]DSR in Nvidias Control-Panel (Screenshot: Golem.de)")
Dynamic Super Resolution, Deep Learning (DL-DSR):
Die DL-Variante von DSR ersetzt den Gauß-Filter durch einen Algorithmus, der Nvidia zufolge mit künstlicher Intelligenz arbeitet und auf den Tensor-Cores einer Geforce RTX läuft. DL-DSR gibt es nur als 1,78x- und 2,25x-Faktor, die Qualität liegt deutlich über der von Legacy-DSR und weist die derzeit beste aller Treiber-basierten Downsampling-Verfahren auf. Je nach Höhe der im Spiel gewählten DL-DSR-Auflösung sinkt die Bildrate stark bis drastisch. DL-DSR erfordert eine Geforce RTX 2000 (Turing) oder neuer.
Integer Scaling:
Ein Verfahren, um Pixel in ganzzahligen Faktoren wie vier oder acht zu vervielfachen, primär für Retro-Spiele gedacht. Integer Scaling benötigt mindestens eine Geforce RTX 2000 (Turing) oder moderner.
Nvidia Image Scaling/Sharpening (NIS):
Das Image Scaling ist Nvidias spatiales (räumliches) Upscaling-Verfahren, das im Treiber aktiviert wird. Hinzu kommt mit dem Sharpening ein nahezu kostenloser Schärfefilter, der via Treiber appliziert und dessen Stärke per Regler gesteuert wird. Bei nativer Auflösung wird nur geschärft und nicht hochskaliert. Nvidia Image Scaling/Sharpening unterstützt D3D9, D3D11, D3D12 und Vulkan, aber kein D3D10.
FidelityFX Super Resolution 1.0 (FSR):
FSR 1.0 ist AMDs spatiales (räumliches) Upscaling-Verfahren, das von Studios in ihre Spiele integriert werden muss. FidelityFX Super Resolution arbeitet mit zwei Pässen: einer führt das Hochskalieren durch, der andere appliziert einen Schärfefilter. Die Upscaling-Bildqualität der Ultra-Quality-Stufe weiß bei guter Performance-Steigerung zu gefallen, die darunter sind weniger zu empfehlen. FSR läuft auf Grafikkarten ab der Geforce-GTX-1000- und Radeon-RX-400-Serie.
FidelityFX Super Resolution 2.0 (FSR):
Bei FSR 2.0 handelt es sich um AMDs kommendes zeitliches (temporal) Upscaling-Verfahren, das wie FSR 1.0 von Studios in den jeweiligen Titel eingebaut werden muss. Wie gut FidelityFX Super Resolution 2.0 schlussendlich aussieht und wie die Performance ausfällt, muss sich erst noch zeigen.
Integer Scaling:
Ein Verfahren, um Pixel in ganzzahligen Faktoren wie vier oder acht zu vervielfachen, primär für Retro-Spiele gedacht. Integer Scaling benötigt mindestens eine Radeon HD 7000 (GCN v1) oder moderner.
Radeon Image Sharpening (RIS):
Ein nahezu kostenloser Schärfefilter, der via Treiber appliziert und dessen Stärke per Regler gesteuert wird. Radeon Image Sharpening unterstützt D3D9, D3D11, D3D12 und Vulkan, aber kein D3D10. Notwendig sind eine Radeon RX 400/500 oder Radeon RX Vega.
Radeon Super Resolution (RSR):
RSR ist die Treiber-basierte Version von FSR 1.0, sie funktioniert daher mit den allermeisten Spielen. Verglichen mit der im Spiel implementierten FSR hat RSR jedoch den Nachteil, dass etwa das HUD und Post-Processing-Effekte wie Körnung beim Upscaling ebenfalls erfasst werden und so die Bildqualität leidet. RSR setzt eine Radeon RX 5000/6000 (RDNA) voraus.
Virtual Super Resolution (VSR):
VSR ist AMDs im Treiber integriertes Downsampling-Verfahren. Es ermöglicht also höhere Render-Auflösungen als die native des Displays. Ausgehend von 1.920 x 1.080 Pixeln kann intern maximal die achtfache Menge an Bildpunkten - sprich 7.680 x 4.320 - berechnet werden, was die Darstellungsqualität stark erhöht. Ungerade Faktoren wie 2.560 x 1.440 auf 3.200 x 1.800 Pixel sind weniger zu empfehlen. Je nach Höhe der im Spiel gewählten VSR-Auflösung sinkt die Bildrate stark bis drastisch. VSR läuft ab einer Radeon HD 7000 (GCN v1).
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