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NVIDIA DLSS – Mehr FPS ohne Kompromisse?

Dominik Meyers28. Juli, 2021 - 7 min Lesezeit

Mit der RTX2000-Generation erweiterte NVIDIA 2018 nicht nur sein Grafikkartenportfolio, sondern stellte neben Raytracing auch eine Technologie vor, die etwas versprach, das nur durch Magie erklärbar schien: mehr FPS und hohe Auflösung bei niedrigeren Hardwareanforderungen – ohne Kompromisse. Die Rede ist vom RTX-exklusiven Feature Deep Learning Super Sampling, kurz DLSS

Hinter dem Begriff verbirgt sich eine hochkomplexe Bildverbesserungstechnik. Die Idee dahinter klingt jedoch simpel: Spiele werden von der Grafikkarte in einer niedrigen Auflösung gerendert. Dadurch sollen die Ressourcen des Pixelbeschleunigers geschont werden, da insbesondere 4K-Auflösungen Grafikkarten schnell an ihre Belastungsgrenzen bringen. 

Im nächsten Schritt wird das Bild über eine KI-gestütztes neurales Netzwerk hochskaliert. In der Theorie muss die Grafikkarte das Spiel somit nur in einer niedrigeren Auflösung (z.B. 1080p) berechnen, die letztlich durch DLSS hochskalierte Grafik steht einer nativen höheren Auflösung (z.B. 4K) jedoch in kaum etwas nach.

Insgesamt verspricht DLSS einen enormen Leistungsgewinn in Games zu erzielen, sodass diese mit deutlich mehr Bildern pro Sekunde (FPS) laufen. Auch vor dem Hintergrund des extrem Hardware-hungrigen Raytracings, welches besonders schöne und realistische Beleuchtung verspricht, soll DLSS Abhilfe schaffen und Games flüssig darstellen. 

DLSS 2.0 in Deliver Us The Moon: 76 % mehr FPS und höhere Bildqualität.

Etwa drei Jahre sind nun seit der Erstveröffentlichung vergangen. Mittlerweile befindet sich DLSS in der Version 2.0, von der Gamer und selbst Kritiker schwärmen. Ist DLSS also tatsächlich der Gamechanger, den Team Green angekündigt hat? Die kurze Antwort: ja. Aber der Reihe nach.

Die Anfänge von DLSS

DLSS wurde 2018 in Form von DLSS 1.0 eingeführt, unterscheidet sich aber mittlerweile sehr stark von der ersten Iteration, wie das Beispiel Control von Remedy deutlich illustriert. Das Spiel wurde mit DLSS in der Version 1.0 ausgeliefert und brachte laut NVIDIA einen FPS-Boost von etwa 70 %. Dafür litt aber die Bildqualität merklich, sobald sich bewegliche Objekte im Bild befanden. 

Optisch spiegelt sich das in einer deutlichen Artefaktbildung wider, wie die nachfolgende Grafik veranschaulicht. Klar erkennbar hier die körnigen Artefakte an den Ventilatorblättern. Die erste Iteration brachte zwar den versprochenen Leistungsschub, doch aufgrund der mäßigen Bildqualität und Artefaktbildung fielen die ersten Rezensionen eher verhalten aus. 

DLSS 1.0 (mittig) hatte noch mit Artefaktbildung zu kämpfen.

DLSS 2.0

Im Laufe des Jahres 2020 veröffentlichte NVIDIA DLSS in der Version 2.0, die sich deutlich von der ersten Version unterschied. Insbesondere hinsichtlich der Bildqualität machte DLSS 2.0 einen gewaltigen Sprung. Waren Qualitätsunterschiede zwischen DLSS 1.0 und nativer Auflösung sehr deutlich, sucht man diese bei DLSS 2.0 beinahe mit der Lupe.

Remedys Control. Texturen sind in DLSS 2.0 (unten) wirken gestochen scharf, während sie in DLSS 1.0 (oben) sehr verwaschen wirken.

Tatsächlich ist diese Technologie in kürzester Zeit so weit fortgeschritten, dass die Bildqualität von DLSS 2.0 in einigen Titeln sogar die native Auflösung mit Temporal Anti-Aliasing (TAA, Algorithmus zur Kantenglättung) übertrifft, wie das nachfolgende Beispiel aus dem Ego-Shooter Wolfenstein: Youngblood verdeutlicht. Feine Details wie die Gitterstruktur rechts im Bild bleiben mit DLSS 2.0 erhalten, während das Bild ohne DLSS und mit TAA insgesamt unschärfer wirkt. 

Performance, Quality und Balanced – 8K anybody?

Konnte man in Version 1.0 DLSS in den Grafikeinstellungen von Spielen meist lediglich an- und abschalten, wurde die zweite Version um verschiedene Modi erweitert: Quality, Balanced und Performance. Entsprechend der Namensgebung rendert jeder Modus das Spiel in einer festgelegten Auflösung, und skaliert das Bild letztlich aus dieser Auflösung hoch. So arbeitet der Performance-Modus mit 50 %, Balanced mit 58 % und Quality mit 67 % der nativen Auflösung

Dementsprechend stehen dem Quality-Modus somit die meisten Bildinformationen aus der nativen Auflösung zur Verfügung. Dadurch kann das neurale Netzwerk mit mehr Informationen zur Hochskalierung arbeiten und letztlich das schärfste Bild unter den drei Modi generieren. Gleichzeitig liefert der Quality-Modus aber auch den geringsten FPS-Boost. Dem User bleibt überlassen, für welchen Modus er sich abhängig von der verbauten Hardware und den eigenen Ansprüchen an Performance und Bildqualität entscheidet. 

NVIDIA geht sogar so weit, dass das Unternehmen im Zuge der GeForce RTX 3090 damit wirbt, dass 8K-Gaming mit DLSS möglich wird. Dabei wird ein interne 1.440p-Auflösung auf 7.680 x 4.320 Pixel hochskaliert. Dazu hat Team Green zusätzlich den Ultra-Performance-Mode in einige Titel integriert – speziell für 8K-Gaming. 

Und tatsächlich: mit aktiviertem Raytracing in 8K schafft die RTX 3090 in Control nur unspielbare 9 FPS. Mit DLSS steigt die Leistung auf flüssig spielbare 50 FPS. Allerdings muss dazu gesagt werden, dass die Bildqualität nicht an natives 8K heranreicht, aber sichtbar schärfer ist als natives 4K. 

Performance-Benchmarks

Nichts sagt mehr als nackte Zahlen, daher wird im Nachfolgenden eine kleine Auswahl an Benchmark-Ergebnissen zu Control, Warzone, Red Dead Redemption 2 und Cyberpunk 2077 gelistet, die NVIDIA zur Verfügung stellt.

Um beim Beispiel von Control zu bleiben: Bei maximalen Details, mit aktiviertem Raytracing in 4K bringt das Spiel auch sehr performante Hardware schnell an ihre Grenzen. Am Beispiel der Einsteigergrafikkarte GeForce RTX 2060 wird dabei jedoch auch deutlich, wie groß der Performance-Gewinn mit DLSS 2.0 ausfallen kann. So erzeugt diese nur unspielbare 8 Bilder pro Sekunde. Dank DLSS 2.0 schafft sie ordentliche 37 FPS. 

Warzone, der Free-to-Play-Ableger von Call of Duty, erfreut sich nach wie vor immenser Beliebtheit, wie die 13,7 Mio. Follower bei Twitch nahelegen. Im April 2021 bekam auch das Battle Royale-Game DLSS per Patch nachgeliefert

Auch hier lässt DLSS 2.0 die Muskeln spielen: Im Performance-Modus bietet die Technologie in Kombination mit einer RTX 2080 Ti in 4K mit maximalen Details einen Leistungssprung von 72 auf 116 FPS – ein Plus von etwa 70 %.

Die Einsteigerkarte RTX 3060 lässt auf dem Weg von 47 FPS auf 82 FPS ebenfalls die magische 60 FPS-Grenze hinter sich. Insbesondere bei solch schnellen First-Person-Shootern entscheidet jede Millisekunde über Sieg oder Lobby – Frames win games.

Auch Red Dead Redemption 2 hat fast zwei Jahre nach dem PC-Release DLLS nachgeliefert bekommen. So schafft etwa die vor mehr als drei Jahren erschienene RTX 2060 solide 34,5 FPS in 4K bei maximalen Details. Auch auf der RTX 3060 Ti klettern die FPS von 37 auf stolze 57. 

Auch wenn Cyberpunk 2077 zum Release nicht jeden überzeugen konnte, so waren sich doch bei der grafischen Qualität, insbesondere wenn alle Raytracing-Features aktiviert wurden, alle einig: kaum ein Game zuvor konnte solch einen Realismus auf den Bildschirm zaubern. So hübsch, so Hardware-hungrig. 

Ohne DLSS schafft eine RTX 2080 Ti in 4K mit maximalen Details und Raytracing mit 13,4 FPS nicht viel mehr als eine interaktive Diashow. DLSS 2.0 an und siehe da: mit fast 40 FPS wird die Entdeckungstour durchs dystopische Night City zum Genuss.  

Lässt sich DLSS in jedem Game aktivieren?

Leider nein. DLSS muss vom Spiele-Entwickler in die Game Engine integriert werden. Damit DLSS funktioniert, muss es wissen, in welche Richtung sich ein Objekt im Spiel als Nächstes bewegt. Ohne diese sogenannten Motion-Vektoren fehlen DLSS wichtige Bildinformationen und es entsteht unschönes Ghosting. 

Die gute Nachricht ist aber, dass zumindest in der Theorie jedes Spiel, wie das Beispiel von Red Dead Redemption 2 bereits gezeigt hat, eine DLSS-Unterstützung per Patch nachgeliefert bekommen kann. Einzige Voraussetzung ist, dass das Spiel bereits die klassische Art der Kantenglättung, das TAA, unterstützt. 

Die Zukunft von DLSS sieht insgesamt sehr vielversprechend aus, da die meisten großen Entwicklerstudios DLSS bereits in ihre Engine integriert haben und das Feature ohne großen Aufwand in ihren Spielen aktivieren können. So wird DLSS auch von der erfolgreichen Unreal Engine 4 per Plug-In unterstützt, und wird dementsprechend auch in den Next-Gen Nachfolger, der Unreal Engine 5, integriert.

Die Technik-Analyse

Im Prinzip besteht DLSS aus zwei Phasen. Die Erste findet in NVIDIAs Hauptquartieren auf Supercomputern statt. Vereinfacht gesagt wurde dort das DLSS Neural Network, also eine spezielle Künstliche Intelligenz, mit tausenden Bildern aus einem Spiel gespeist. Diese Bilder wurden in einer 64-fach höheren Auflösung berechnet und herunterskaliert, um eine extrem hohe Bildqualität zu erzeugen (64-faches Supersampling)

Dieser KI wurden die gleichen Bilder noch einmal ohne Supersampling gezeigt. Dadurch soll diese den optischen Unterschied feststellen und lernen, wie sie Pixel generieren soll, damit das skalierte Bild scharf und detailreich wird. In der Version 1.0 musste diese Prozedur noch für jedes Spiel einzeln durchgeführt werden, später wurde ein großes neurales Netzwerk für alle Spiele geschaffen, wodurch die Künstliche Intelligenz schneller und effizienter trainiert werden konnte. 

Bei DLSS 2.0 wurden der KI zusätzlich Vergleichsbilder in einer 16K-Auflösung (15.360 x 8.640 Pixel) als Referenzbild zugespielt. Dieses Training durchläuft die KI unzählige Male.

Sobald das KI-Training abgeschlossen ist, beginnt die zweite Phase. Hierbei wird das neurale Netzwerk per Game-Ready-Treiber an die RTX-Grafikkarte des Users übertragen. Dadurch hat die Grafikkarte alle notwendigen Informationen, die es für eine effiziente DLSS-Anwendung benötigt. Eine dauerhafte Internetverbindung ist dazu nicht notwendig. 

Im Spiel selbst vergleicht das neurale Netzwerk nun das von der Grafikkarte berechnete Bild (in niedriger Auflösung) mit hochauflösenden Aufnahmen, mit denen die KI trainiert wurde. Die Motion-Vektoren übermitteln dem neuralen Netzwerk währenddessen Informationen darüber, in welche Richtung sich Objekte als Nächstes bewegen werden, damit das neurale Netzwerk abschätzen kann, wie der nächste generierte Frame aussehen wird. 

In der Version DLSS 1.0 wurde dazu der letzte Frame verwendet, um den nächsten zu generieren. DLSS 2.0 ist in der Lage, mit mehreren „alten” Frames zu arbeiten, wodurch die vorausgesagte Bildqualität signifikant gesteigert werden konnte.  

Da all dies in Echtzeit geschehen muss, ist DLSS sehr rechenintensiv. Und genau hierin liegt der Grund, warum nur RTX-Karten DLSS unterstützen: Tensor-Kerne. Diese physischen Kerne sind speziell darauf optimiert, neurale Netzwerke zu beschleunigen. Ohne Tensor-Kerne würde die Grafikqualität zwar hoch sein, aber ähnlich wie bei regulärem Supersampling die Performanz leiden und der durch Berechnung in niedrigerer Auflösung gewonnene FPS-Boost verpuffen.      

DLSS 2.0 – der Gamechanger?

NVIDIA hat viel versprochen – und abgeliefert. In seiner gegenwärtigen Form verspricht das Feature mehr FPS bei zum Teil besserer Bildqualität. Das Feature ist nach wie eine Work-in-Progress-Technologie. Alleine in der Zeit, die es braucht diesen Artikel zu lesen, ist das neurale Netzwerk unzählige weitere Trainings durchlaufen. Man darf also gespannt sein, was die Zukunft noch bereithält. 

In der Version 2.2.1 etwa unterstützt DLSS neuerdings Linux und führt einen Schärferegler ein, um die Bildqualität den eigenen Wünschen anzupassen. Das Interesse an dieser Technologie ist bereits sehr groß. So hat NVIDIAs Konkurrent AMD mit Fidelity FX ein ähnliches Feature auf den Markt gebracht, das sich zwar in der Technologie unterscheidet, aber in die gleiche Kerbe schlägt.

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