PS4 Pro: Die neue Technik im Detail

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Am 10. November bringt Sony eine neue Variante der PS4 auf den Markt. Zum Preis von 400 Euro soll sie Spiele wesentlich hübscher darstellen als die originale PS4 und erstmals 4K-Auflösung unterstützen. Nun überlegen Besitzter der alten PS4 natürlich, 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 unterstützen. Außerdem erläuterte uns Mark Cerny, System-Architekt der PS4, sehr ausführlich, 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", erklärte Cerny. Doch damit alle bisherigen rund 700 PS4-Spiele einwandfrei auf der PS4 Pro laufen, durfte Sony keine neue System-Architektur einführen, sondern musste bei der alten Struktur bleiben.

Wenn ein normales PS4-Spiel auf dem Pro-Modell gestartet wird, dann schaltet die Konsole alle zusätzlichen 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 für 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 Hälfte ist aber nur im Pro-Modus aktiv", sagt Cerny. Damit erhöht sich die Rechenleistung der Grafik-Einheit gegenüber 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, bräuchte die GPU eigentlich die vierfache Leistung. Deshalb hat sich Sony einige Tricks überlegt, mit denen eine nahezu gleich gute Rendering-Qualität erreicht wird, auch wenn das Spiel nicht jeden Frame nativ in 2160p rendert.

Dazu wurde ein neuer ID-Puffer eingeführt. Er hat die gleiche Auflösung wie der Z-Buffer mit den Tiefeninformationen eines Pixels und enthält in der sogenannten Objekt-ID Informationen über 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 für 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, für die Farbwerte nehmen sie jedoch eine geringere Auflösung und interpolieren die Zwischenräume. Kanten und Strukturen bleiben dadurch knackscharf, nur die Farben haben keine volle 4K-Auflösung.

Farb-Interpolation

Für 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 schärfer 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 müssen 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 Renderqualität, die sehr nah an 4K-Rendering herankommt – aber nur etwas mehr als die Hälfte 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 (Nähte auf der Mütze eines Avatars) konnten wir den Unterschied feststellen, ein Kollege tippte jedoch falsch. Ergo: Man muss die Unterschiede tatsächlich mit der Lupe suchen.

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Tomb Raider: Vergleich zwischen HD auf der PS4 und 4K auf der PS4 Pro (7 Bilder)

Render-Methoden

Cerny zählte verschiedene Titel auf, die die Checkerboard-Methode nutzen: In 2160p sind das "Call of Duty Infinite Warfare" und künftige 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 wählen, ob er mit 60 fps in bisheriger Grafik-Qualität oder aber mit 30 fps in verbesserter Qualität 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 hübscheren Modus mit 30 fps oder einem schnelleren mit 60 fps wählen.

"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 für 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.

Kleine Speicher-Tricks

Darüber 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, für die 16-Bit-Genauigkeit ausreicht. Die Arbeitsverteilung der einzelnen Kerne soll zudem über 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, erklärte 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 Hälfte davon nutzt die PS4 Pro, um sein Hauptmenü in 4K darzustellen – das sieht auf 4K-Fernsehen knackscharf aus. Die anderen 512 MByte können die Spiele zusätzlich nutzen (insgesamt also 5,5 GByte), beispielsweise für größere Frame-Buffer beim 4K-Rendering.

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Etwas mehr Speicher, gleiche Assets

All diese Verbesserungen führen dazu, dass die PS4 Pro die Spiele in höheren Auflösungen rendern kann. Dadurch wirkt das Bild knackiger und detaillierter. Filligrane Linien und Zäune verlaufen sauberer, Moire-Flimmern verschwindet größtenteils, 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 ändert 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 für die PS4 Pro aufpoliert. Die Entwicklung besserer Texturen und Modelle würde hingegen deutlich mehr Ressourcen verschlingen, die die meisten Studios für eine Pro-Version nicht übrig hätten."

Doppelte Render-Auflösung für VR

Natürlich steht es einzelnen Studios frei, auch die Grafik und Shader für die Pro-Version zu optimieren, so geschehen beispielsweise bei "Battlezone" für die Playstation VR. Mit dem neuen Patch 1.02 wird auf dem Pro-Modell das Cockpit des Panzers detaillierter gerendert und bekommt einen zusätzlichen Shader für 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" für 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. Für die Pro-Version nutzt Crytek darüber hinaus noch andere Rendering-Tricks und arbeitet mit einer anderen Farbtemperatur. Auch hier sieht man die Unterschiede in der Bilderstrecke recht eindrucksvoll.

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VR-Spiele: Vergleich zwischen PS4 und PS4 Pro (6 Bilder)

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 Verfügung. Im Vergleich treten Farben und Kontraste deutlich besser hervor. Es ist, als wenn man eine milchige Glasscheibe zur Seite gezogen hätte. Wo in SDR Wolken in einer weißen Fläche verschwinden und die Sonne einfach nur überstrahlt, sieht man in HDR10 die volle Corona. Auch neonfarbene Leuchteffekte wie in "Infamous" treten krätiger zutage. Screenshots können diese Farbverbesserungen leider nicht wiedergeben. Dazu muss man das Spiel an einem HDR-fähigen Fernseher sehen.

Wie stark die farblichen Verbesserungen ausfallen, hängt indes vom Fernseher und dessen Kontrast ab. Auf sehr teuren Modellen von Sony leuchteten die Farben deutlich stärker als auf günstigeren 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 für das Problem hat, darf sie uns gerne mitteilen", sagte er etwas genervt. Offenbar hat Sony den Fehler erst zu spät bemerkt, denn in den Specs des HDMI-Transceiver-Chips der PSVR-Box wird eine unterstützte Farbtiefe von 48 Bit angegeben. Eine naheliegende Lösung mit einem zwischengeschalteten HDMI-Splitter funktionierte bei uns in einem kurzen Test übrigens 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 für die PS4 Pro optimiert wurden oder sich in Enwicklung befinden. Am stärksten wurden die Vorteile bei VR-Spielen sichtbar. Von der doppelten Render-Auflösung profitiert "Robinson The Journey" sehr stark, aber auch das im nächsten Jahr kommende "Farpoint" sah deutlich schärfer aus als die auf der PS4-gerenderten Launch-Titel. Sony will nahezu alle von ihnen mit einem Pro-Patch nachrüsten.

Ebenso deutlich waren die Unterschiede auf Sonys neuen 4K-HDR-Fernsehen sichtbar. Auf der PS4 Pro sahen wir knackig scharfe Bilder und überaus kontrastreiche Farben. Wer sich also über Kantenflimmern, Moire-Muster oder flaue Farben bei der normalen PS4 ärgert und bereits einen HDR-fähigen 4K-Fernseher sein Eigen nennt, für 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 Moiré-Muster verringert. Manche Spiele, die bislang nur mit 30 fps liefen, lassen auf der Pro außerdem mit 60 fps spielen. Spürbar 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 gerät. Titel, die nicht für die Pro gepatcht werden, sehen auf dem Pro-Modell indes genauso aus wie auf der PS4.

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Uncharted 4: PS4 vs. PS4 Pro in Full-HD (6 Bilder)

Welche Spiele werden unterstützt?

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

• Uncharted 4
• The Last of us
• Ratched & Clank
• Infamous First Light
• Infamous Second Son
• Helldivers
• Rise of the Tomb Raider
• Deus Ex: Mankind Divided
• Hitman
• Dishonored 2
• Call of Duty Infinite Warfare
• Battlefield 1
• Fifa 17
• Bound
• Firewatch
• Middle Earth: Shadow of Mordor
• Mafia 3
• NBA 17K
• Paragon
• The Elder Scrolls Skyrim
• Titanfall 2
• World of Tanks
• XCom 2
• Knack

VR-Spiele mit Pro-Unterstützung:

• Robinson: The Journey
• Battlezone
• Driveclub
• Rez Infinite
• Rigs
• Playstation VR Worlds
• The Playroom
• Until DawnRush of Blood
• Thumper

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

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Anmerkungen: Sony hat die Flug- und Hotelkosten zur Produktpräsentation 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)