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PS4 Pro: Die neue Technik im Detail

| Hartmut Gieselmann

Das Pro-Modell soll PS4-Spiele in neuem Glanz erstrahlen lassen. Wir haben uns die ersten Titel angesehen und mit System-Architekt Mark Cerny ĂŒber die Rendering-Tricks fĂŒr 4K und VR gesprochen.

Am 10. November bringt Sony eine neue Variante der PS4 auf den Markt. Zum Preis von 400 Euro soll sie Spiele wesentlich hĂŒbscher darstellen als die originale PS4 und erstmals 4K-Auflösung unterstĂŒtzen. Nun ĂŒberlegen Besitzter der alten PS4 natĂŒrlich, ob es sich lohnt, auf die PS4 Pro umzusteigen und ihre alte Konsole zu verkaufen. Wir konnten uns auf einem Sony-Event in London rund ein Dutzend Spiele anschauen, die die Grafik-Verbesserungen des Pro-Modells unterstĂŒtzen. Außerdem erlĂ€uterte uns Mark Cerny, System-Architekt der PS4, sehr ausfĂŒhrlich, welche Rendering-Optionen die ersten Spiele nutzen, um die Bildausgabe zu verbessern.

Der technische Ansatz

"Die PS4 Pro gehört zu keiner neuen Generation, sondern ist hundertprozentig zur alten PS4 kompatibel", erklĂ€rte Cerny. Doch damit alle bisherigen rund 700 PS4-Spiele einwandfrei auf der PS4 Pro laufen, durfte Sony keine neue System-Architektur einfĂŒhren, sondern musste bei der alten Struktur bleiben.

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Mark Cerny entwarf die System-Architektur der PS4 und PS4 Pro. Es schaffte einen Spagat zwischen maximaler AbwĂ€rtskompatibilitĂ€t und Ausnutzung der neuen 4K-HDR-Fernseher bei minimalem Mehraufwand fĂŒr Entwickler.

(Bild: c't)

Wenn ein normales PS4-Spiel auf dem Pro-Modell gestartet wird, dann schaltet die Konsole alle zusÀtzlichen Recheneinheiten ab und taktet sogar CPU und GPU auf die Originalwerte. "Sonst können wir nicht garantieren, dass die Spiele auf der Pro genauso laufen wie auf der PS4", so Cerny. Das bedeutet: Ohne Anpassung oder Patch laufen alle Spiele auf der Pro genauso schnell wie auf einer normalen PS4, inklusive eventueller Ruckler.

Erst wenn ein Entwickler seinen Titel fĂŒr die Pro anpasst oder einen kostenlosen Patch veröffentlicht (diese werden automatisch bei einer Online-Verbindung geladen), dann kann er im Pro-Modus von der höheren Rechenleistung profitieren: Die CPU mit ihren acht Jaguar-Kernen erhöht ihren Takt von 1,6 auf 2,1 GHz. Die AMD-GPU mit einer erweiterten Polaris-Architektur verdoppelt ihre Zahl der Compute Units (CU) von 18 auf 36 und steigert die Clock-Frequenz von 800 auf 911 MHz. "Wir haben die CUs des Grafikchips quasi gespiegelt und damit verdoppelt. Die zweite HĂ€lfte ist aber nur im Pro-Modus aktiv", sagt Cerny. Damit erhöht sich die Rechenleistung der Grafik-Einheit gegenĂŒber der alten PS4 um den Faktor 2,3 auf 4,2 TFlops.

Aus 2,3 mach vier

Um Spiele in 2160p genauso prachtvoll rendern zu können wie in 1080p, brĂ€uchte die GPU eigentlich die vierfache Leistung. Deshalb hat sich Sony einige Tricks ĂŒberlegt, mit denen eine nahezu gleich gute Rendering-QualitĂ€t erreicht wird, auch wenn das Spiel nicht jeden Frame nativ in 2160p rendert.

Dazu wurde ein neuer ID-Puffer eingefĂŒhrt. Er hat die gleiche Auflösung wie der Z-Buffer mit den Tiefeninformationen eines Pixels und enthĂ€lt in der sogenannten Objekt-ID Informationen ĂŒber die Eckpunkte von Polygonen. Dadurch erkennt der Renderer exakt die Ecken und Kanten aller Objekte.

Die Spiele haben beim Rendering nun verschiedene Möglichkeiten, von einem 1080p-Frame der PS4 auf einen 2160p-Frame der PS4 Pro zu kommen. Jedes Pixel muss dazu aus den Farbinformationen, der Raumpostion (Z-Buffer) und der neuen Objekt-ID fĂŒr die Kanten berechnet werden. Davon sind die Farbwerte besonders rechenintensiv. Also nutzen viele Spiele zum Rendern in 4K zwar die Z- und ID-Buffer-Werte in voller Auflösung, fĂŒr die Farbwerte nehmen sie jedoch eine geringere Auflösung und interpolieren die ZwischenrĂ€ume. Kanten und Strukturen bleiben dadurch knackscharf, nur die Farben haben keine volle 4K-Auflösung.

Farb-Interpolation

FĂŒr die Interpolation der Farbwerte gibt es mehrere Methoden. Die einfachste ist das Geometry-Rendering, bei dem die Farbwerte nur von jedem vierten Pixel berechnet werden. Die Farben der drei umliegenden Pixel werden schlicht interpoliert. Das Ergebnis sieht deutlich besser aus als in 1080p, allerdings sind im Vergleich zu einem in 2160p gerenderten Bild noch hier und da leichte Unterschiede zu erkennen.

Wesentlich schĂ€rfer und knackiger sieht es aus, wenn Entwickler zur Interpolation der Farbwerte das sogenannte Checkerboard-Rendering verwenden. Dabei wird auf den Frame ein Schachbrettmuster gelegt, jedes Feld ist ein Pixel groß. Im ersten Frame werden nun die Farbwerte der "weißen Felder" berechnet, im zweiten Frame die Farbwerte der "schwarzen Felder". In den Frames mĂŒssen also abwechselnd immer die Farbwerte der "schwarzen" oder "weißen" Pixel interpoliert werden. Dazu nimmt Sony sowohl die Farben der Nachbarpixel als auch Infos vom vorangegangenen Frame.

Das Ergebnis ist eine RenderqualitĂ€t, die sehr nah an 4K-Rendering herankommt – aber nur etwas mehr als die HĂ€lfte der Rendering-Leistung benötigt. Cerny zeigte uns dazu zwei 4K-Bildschirme nebeneinander: Auf dem ersten wurde das Bild komplett in 2160p gerendert, auf dem zweiten in 2160p mit dem Checkerboard-Rendering. "Ratet mal, welches nativ und welches mit Checkerboard gerendert wurde". Nach genauem Vergleich von Details (NĂ€hte auf der MĂŒtze eines Avatars) konnten wir den Unterschied feststellen, ein Kollege tippte jedoch falsch. Ergo: Man muss die Unterschiede tatsĂ€chlich mit der Lupe suchen.

Tomb Raider: Vergleich zwischen HD auf der PS4 und 4K auf der PS4 Pro (0 Bilder) [1]

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Cerny zĂ€hlte verschiedene Titel auf, die die Checkerboard-Methode nutzen: In 2160p sind das "Call of Duty Infinite Warfare" und kĂŒnftige Titel wie "Days Gone" oder "Horizon". Mit einer leicht reduzierten Auflösung von 1800p rendern hingegen "Watchdogs 2", "Infamous", das kommende "Mass Effect" sowie "Killing Floor 2".

"Rise of the Tomb Raider" hat verschiedene Pro-Modi: So kann der Spieler wÀhlen, ob er mit 60 fps in bisheriger Grafik-QualitÀt oder aber mit 30 fps in verbesserter QualitÀt spielt. Im 4K-Modus nutzt Tomb Raider dann auch das Checkerboard-Rendering in 2160p. Die Unterschiede sieht man in der Bilderstrecke sehr eindrucksvoll.

Ähnlich will es der Entwickler Team Ninja im kommenden Spiel "Nioh" halten. In der Mischung aus "Ninja Gaiden" und "Dark Souls" kann der Spieler zwischen einem hĂŒbscheren Modus mit 30 fps oder einem schnelleren mit 60 fps wĂ€hlen.

"Deus Ex: Mankind Divided" nutzt mit dem bereits erschienenen PS4-Pro-Patch ebenfalls die Checkerboard-Methode, variiert die Renderauflösung dabei aber dynamisch zwischen 1800p und 2160p. Ähnlich macht es "Shadow of Mordor", das mit einem Patch fĂŒr die Pro upgedated wird und dynamisch zwischen 1728p und 1952p wechselt, allerdings in nativer Auflösung, ohne den Checkerboard-Trick.

Andere Spiele wie etwa "Ratched und Clank" oder auch das kommende "Spiderman" nutzen hingegen eine Methode, die Entwickler "Pixel Injection" nennen; Brian Karis von Epic Games und Timothy Lottes haben sie entwickelt. Cerny ging auf Details jedoch nicht weiter ein.

Gran Turismo Sport: Chef-Entiwkcler Kazunori Yamauchi achtet bei der Farbwiedergabe der nÀchsten Gran Turismo Version auf jedes Detail. Dank HDR soll das Ferrari-Rot tatsÀchlich aussehen wie das echte Ferrari-Rot.

Gran Turismo Sport: Chef-Entwickler Kazunori Yamauchi achtet bei der Farbwiedergabe der nÀchsten Gran Turismo Version auf jedes Detail. Dank HDR soll das Ferrari-Rot tatsÀchlich aussehen wie das echte Ferrari-Rot.

(Bild: c't)

Kleine Speicher-Tricks

DarĂŒber hinaus hat Cerny in die PS4 Pro noch einige Speichertricks implementiert. So belegen 16-Bit-Gleitkommazahlen nun keinen vollen 32-Bit-Speicherplatz mehr, sondern nur noch 16-Bit. Das hilft bei Berechnungen, fĂŒr die 16-Bit-Genauigkeit ausreicht. Die Arbeitsverteilung der einzelnen Kerne soll zudem ĂŒber einen neuen Work Distributor besser funktionieren. Zudem lassen sich Texturen nun per Delta Colour Compression zusammenstauchen, sodass sie weniger Speicherplatz belegen. Das Dekomprimieren sei dabei schneller als das Übertragen der unkomprimierten Daten, erklĂ€rte Cerny.

Die PS4 Pro bekommt zudem etwas mehr RAM. Zu den 8 GByte DDR5-Speicher, der nun eine Bandbreite von 218 GByte/s erreicht, kommt 1 GByte langsamerer DDR3-Speicher hinzu. Die HĂ€lfte davon nutzt die PS4 Pro, um sein HauptmenĂŒ in 4K darzustellen – das sieht auf 4K-Fernsehen knackscharf aus. Die anderen 512 MByte können die Spiele zusĂ€tzlich nutzen (insgesamt also 5,5 GByte), beispielsweise fĂŒr grĂ¶ĂŸere Frame-Buffer beim 4K-Rendering.

Etwas mehr Speicher, gleiche Assets

All diese Verbesserungen fĂŒhren dazu, dass die PS4 Pro die Spiele in höheren Auflösungen rendern kann. Dadurch wirkt das Bild knackiger und detaillierter. Filligrane Linien und ZĂ€une verlaufen sauberer, Moire-Flimmern verschwindet grĂ¶ĂŸtenteils, das Bild wirkt daduch plastischer. Das sieht man vor allem auf 4K-Fernsehern.

Wenn man genau hinschaut, merkt man es aber auch an Full-HD-Fernsehern. Auf diesen rendern Pro-Spiele die Bilder in 4K und skalieren sie dann per Supersampling auf Full HD herunter. Dadurch treten auch hier Details hervor, Kanten verlaufen glatter und störende Moire-Muster verschwinden.

An den Details der Objekte und Figuren Ă€ndert sich hingegen so gut wie nichts, denn die Spiele nutzten auf der PS4 Pro die selben Texturen und 3D-Modelle wie auf der PS4. Dies war laut Mark Cerny Absicht: "Die Hersteller brauchen nun nur einen Programierer, der die Grafik samt Checkerboard-Rendering in vielleicht zwei bis drei Wochen fĂŒr die PS4 Pro aufpoliert. Die Entwicklung besserer Texturen und Modelle wĂŒrde hingegen deutlich mehr Ressourcen verschlingen, die die meisten Studios fĂŒr eine Pro-Version nicht ĂŒbrig hĂ€tten."

Doppelte Render-Auflösung fĂŒr VR

NatĂŒrlich steht es einzelnen Studios frei, auch die Grafik und Shader fĂŒr die Pro-Version zu optimieren, so geschehen beispielsweise bei "Battlezone" fĂŒr die Playstation VR. Mit dem neuen Patch 1.02 wird auf dem Pro-Modell das Cockpit des Panzers detaillierter gerendert und bekommt einen zusĂ€tzlichen Shader fĂŒr Glanz-Effekte. Den Unterschied erkennt man sogar auf Screenshots, wobei er im Spiel unter der VR-Brille noch deutlicher zutage tritt.

Cryteks "Robinson The Journey" fĂŒr die Playstation VR nutzt ebenfalls die grafischen Verbesserungen der PS4 Pro. Dadurch rendert das VR-Spiel in doppelt so hoher Auflösung, was sich in VR besonders drastisch bemerkbar macht. FĂŒr die Pro-Version nutzt Crytek darĂŒber hinaus noch andere Rendering-Tricks und arbeitet mit einer anderen Farbtemperatur. Auch hier sieht man die Unterschiede in der Bilderstrecke recht eindrucksvoll.

VR-Spiele: Vergleich zwischen PS4 und PS4 Pro (0 Bilder) [4]

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High Dynamic Range vs. Standard Dynamic Range

Sowohl die PS4 Pro als auch die normale PS4 können angepasste Spiele in HDR10 (High Dynamic Range) ausgeben. Statt 8 Bit pro Farbkanal wie in SDR (Standad Dynamic Range) stehen dort 10 Bit pro Farbkanal zur VerfĂŒgung. Im Vergleich treten Farben und Kontraste deutlich besser hervor. Es ist, als wenn man eine milchige Glasscheibe zur Seite gezogen hĂ€tte. Wo in SDR Wolken in einer weißen FlĂ€che verschwinden und die Sonne einfach nur ĂŒberstrahlt, sieht man in HDR10 die volle Corona. Auch neonfarbene Leuchteffekte wie in "Infamous" treten krĂ€tiger zutage. Screenshots können diese Farbverbesserungen leider nicht wiedergeben. Dazu muss man das Spiel an einem HDR-fĂ€higen Fernseher sehen.

Wie stark die farblichen Verbesserungen ausfallen, hĂ€ngt indes vom Fernseher und dessen Kontrast ab. Auf sehr teuren Modellen von Sony leuchteten die Farben deutlich stĂ€rker als auf gĂŒnstigeren 4K-HDR-Modellen.

Ein Fauxpas unterlief Sony indes in Verbindung mit der PSVR. So kann die Anschlussbox der VR-Brille keine HDR-Signale durchschleifen – egal ob von der PS4 oder PS4 Pro. Mark Cerny war der Fehler sichtlich peinlich. "Ich kann dazu nichts weiter sagen. Wer eine Lösung fĂŒr das Problem hat, darf sie uns gerne mitteilen", sagte er etwas genervt. Offenbar hat Sony den Fehler erst zu spĂ€t bemerkt, denn in den Specs des HDMI-Transceiver-Chips der PSVR-Box wird eine unterstĂŒtzte Farbtiefe von 48 Bit angegeben. Eine naheliegende Lösung mit einem zwischengeschalteten HDMI-Splitter funktionierte bei uns in einem kurzen Test ĂŒbrigens nicht. Das HDMI-Kabel der PSVR muss direkt in der Konsole stecken, sonst wird sie nicht erkannt.

Was bringt's?

Auf seiner Veranstaltung in London zeigte Sony rund 20 Titel, die fĂŒr die PS4 Pro optimiert wurden oder sich in Enwicklung befinden. Am stĂ€rksten wurden die Vorteile bei VR-Spielen sichtbar. Von der doppelten Render-Auflösung profitiert "Robinson The Journey" sehr stark, aber auch das im nĂ€chsten Jahr kommende "Farpoint" sah deutlich schĂ€rfer aus als die auf der PS4-gerenderten Launch-Titel. Sony will nahezu alle von ihnen mit einem Pro-Patch nachrĂŒsten.

Ebenso deutlich waren die Unterschiede auf Sonys neuen 4K-HDR-Fernsehen sichtbar. Auf der PS4 Pro sahen wir knackig scharfe Bilder und ĂŒberaus kontrastreiche Farben. Wer sich also ĂŒber Kantenflimmern, Moire-Muster oder flaue Farben bei der normalen PS4 Ă€rgert und bereits einen HDR-fĂ€higen 4K-Fernseher sein Eigen nennt, fĂŒr den lohnt sich die PS4 Pro allemahl, zumal sie nur 100 Euro mehr kostet als das Standard-Modell.

Wer jedoch nur einen normalen HD-Fernseher besitzt, der wird Unterschiede oft mit der Lupe suchen. Das sieht man beispielsweise, wenn man die Bilder von der auf die PS4 Pro angepassten Version von "Uncharted 4"" auf der PS4 und PS4 Pro vergleicht. Auf einem 4K-Fernseher mit HDR sind die Unterschiede deutlich zu erkennen, auf einem HDTV wie in der Bilderstrecke sind sie oft kaum auszumachen. Oft profitieren die Pro-Versionen vom Supersampling, das Kantenflimmern und MoirĂ©-Muster verringert. Manche Spiele, die bislang nur mit 30 fps liefen, lassen auf der Pro außerdem mit 60 fps spielen. SpĂŒrbar ist das etwa bei Dues Ex: Neben dem Supersampling, das das Kantenflimmer verringert erhöht sich auch der Framerate, sodass das Spiel an einigen kritischen Stellen nicht mehr so stark ins Stocken gerĂ€t. Titel, die nicht fĂŒr die Pro gepatcht werden, sehen auf dem Pro-Modell indes genauso aus wie auf der PS4.

Uncharted 4: PS4 vs. PS4 Pro in Full-HD (0 Bilder) [7]

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Welche Spiele werden unterstĂŒtzt?

Zu den bereits erschienenen Spielen, die zum Launch am 10. November die verbesserte Grafik per Patch nutzen sollen, zÀhlen unter anderem:

VR-Spiele mit Pro-UnterstĂŒtzung:

Hinzu kommen viele wichtige neue Titel, die in den nÀchsten Monaten erscheinen, darunter: The Last Guardian, Resident Evil 7, Final Fantasy XV und For Honor. SpÀter sollen "Gran Turismo Sports" und "Days Gone" folgen.

Lesen Sie dazu auch:

Anmerkungen: Sony hat die Flug- und Hotelkosten zur ProduktprÀsentation mit Mark Cerny bezahlt.

Udpate: In der ersten Fassung dieses Textes hatten wir die Taktfrequenzen der CPU und GPU verwechselt. Wir bitten um Entschuldigung. (hag [10])

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