Forschende lassen 3D-Computer-Welten in Millisekunden wachsen

Gute Grafik schafft die Atmosphäre, die Gamer und Gamerinnen emotional und gedanklich in die Welt eines Videospiels zieht. Bei der Technik dahinter hat ein Forschungsteam rund um den Studiengang Visual Computing der Hochschule Coburg in einer Kooperation mit dem Grafikkartenhersteller AMD aufsehenerregende Fortschritte erzielt: Unter anderem ist es zum ersten Mal gelungen, mit der neuen Grafikkartentechnologie Work-Graphs bei einem Prototyp eine detaillierte 3D-Szene innerhalb von Millisekunden zu bestücken. Inspiration dafür lieferte unter anderem der Coburger Weihnachtsmarkt.

Nur virtuell auf dem Handy von Doktorand Bastian Kuth war Prof. Dr. Quirin Meyer von der Hochschule Coburg in Denver dabei, als Kuth und Max Oberberger (AMD) den Best-Paper Award auf der HPG entgegennahmen. (c) Andrew Garrard/ HPG

Die Forschungsarbeit zum Thema Prozedurale Echtzeit-Generierung mittels GPU Work-Graphs entstand im Projekt GeoFlow, einer Zusammenarbeit zwischen dem Grafikkartenhersteller Advanced Micro Devices (AMD) und dem Visual-Computing-Team der Fakultät Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Coburg. In dem Projekt untersuchen die Forschenden die neue Grafikkartentechnologie Work Graphs. Work Graphs erlauben es, Grafikkarten mit einem hohen Grad an Flexibilität zu programmieren, was neuartige Algorithmen erfordert, die in diesem Projekt prototypisch untersucht werden. Es geht um eine Zukunftstechnologie, die viele Bereiche betrifft: Computerspiele genau wie Computer Aided Design, High Performance Computing und Künstliche Intelligenz.

Buden am Coburger Marktplatz als Inspiration

Das Forschungs-Team hat es geschafft, mit Work-Graphs eine 3D-Szene mit einer hohen Zahl an unterschiedlichen 3D-Modellen in wenigen Millisekunden zu bestücken. Als eines von vielen Beispielen führt der Coburger Visual-Computing-Doktorand Bastian Kuth die Erzeugung eines 3D-Modells eines Marktplatzes mit Wegen, Buden, Girlanden und weiteren Requisiten an. „Für Teile unserer Generierung haben wir uns vom Coburger Weihnachtsmarkt inspirieren lassen“, erklärt der Wissenschaftler. Entstanden ist die Arbeit im Team rund um Prof. Dr. Quirin Meyer, Studiengangsleiter im Bachelor Visual Computing und Leiter des Labors für Computergrafik, Doktorand Bastian Kuth, sowie Carsten Faber von der Hochschule Coburg. Seitens AMD beteiligen sich Dr. Matthäus Chajdas, Max Oberberger und Dominik Baumeister an diesem Forschungsthema.
Die neuen Algorithmen können ganze 3D-Computerwelten mit einer nie dagewesen Menge an Efeu, Pilzen und Gras überwuchern lassen. Dabei wird Vegetation auf einem bestehenden 3D Modell verteilt. Mit dem System können 3D-Welten schneller und interaktiver gestaltet werden. Das Gras wurde maßgeblich von dem Coburg Masteranden Carsten Faber mitentwickelt, worüber der Halbleiterhersteller AMD bereits in seinem Forschungs-Blog berichtete. Prof. Dr. Quirin Meyer freut sich: „Das zeigt die hervorragende Arbeit in Forschung und Lehre, die wir hier in Coburg im Bereich Visual Computing leisten!“

Internationale Erfolge

Die Arbeit der Coburger Forschenden erregt international Aufsehen: Auf der Konferenz „High Performance Graphics 2024“ (HPG) in Denver, USA, präsentierte Doktorand Bastian Kuth die Ergebnisse zum Thema Prozedurale Echtzeit-Generierung mittels GPU Work-Graphs. Bei der HPG werden jährlich wissenschaftliche Ergebnisse im Bereich Hochleistungscomputergrafik veröffentlicht. Das internationale Fachpublikum vergab der Coburger Gruppe den Best-Paper Award, eine Auszeichnung der wissenschaftlichen Community für hervorragende Leistungen. Gleichzeitig wurde der zugehörige Aufsatz „Real-Time Procedural Generation with GPU Work Graphs“ im angesehenen Journal „Proceedings of the ACM on Computer Graphics and Interactive Techniques“ veröffentlicht.

Die Auszeichnung ergänzt die Erfolgsgeschichte des Visual-Computing-Teams der Hochschule Coburg: Nach dem Best-Paper Award 2020 auf der HPG und 2022 auf der I3D, gelang 2023 auf der HPG ebenfalls der dritte Platz. Im März 2024 stellten AMD und Microsoft den weltweit ersten Demonstrator, der im Rahmen dieser Zusammenarbeit maßgeblich von der Hochschule Coburg mitentwickelt wurde, auf der Spieleentwicklungskonferenz GDC (Game Developer Conference) in San Francisco vor.

Schneller und weniger Speicherplatz: Kompakte Darstellung von Dreiecksnetzen

Im September brachte Kooperation zwischen der Hochschule Coburg und dem Grafikkartenhersteller AMD noch eine Auszeichnung hervor: Die Wissenschaftler unter der Leitung von Prof. Dr. Quirin Meyer und Dr. Matthäus Chajdas wurden auch auf der wissenschaftlichen Konferenz „Vision Modelling and Visualisation 2025“ in Garching von einer Fachjury und Peer-Reviewer mit dem Best-Paper Award ausgezeichnet. Präsentiert wurde eine neuartige Datenstruktur zur kompakten Darstellung von Dreiecksnetzen, die aus der Kooperation zwischen Hochschule Coburg und AMD hervorgegangen ist. Dazu wurde ein paralleler Algorithmus zur schnellen Dekompression entwickelt. In Kombination benötigen 3D-Modelle substanziell weniger Speicher bei für den Menschen nicht erkennbaren Qualitätsverlust. Gleichzeitig ergaben Messungen der Wissenschaftler, dass die 3D-Modelle bis zu 80 Prozent schneller angezeigt werden können als mit bisherigen Ansätzen. Maßgeblich für die Umsetzung des Projektes waren Visual Computing Doktorand Bastian Kuth, die Masteranden Sander Reitter (jetzt bei AMD), Felix Kawala (nun Doktorand an der TH Ingolstadt) und Sebastian Michel, sowie Max Oberberger (AMD).

Weitere Informationen:

[1] Blog Post Carsten Faber
https://gpuopen.com/learn/mesh_shaders/mesh_shaders-procedural_grass_rendering/
[2] Vortrag GDC
https://www.youtube.com/watch?v=QQP6-JF64DQ
[3]Konferenz Website
https://www.highperformancegraphics.org/2024/index.html
[4] Teaser Video https://www.highperformancegraphics.org/2024/fastforwards/HPG_2024_Fastforward_8…
[5] Paper
https://gpuopen.com/download/publications/Real-Time_Procedural_Generation_with_G…
[6] Vortrags-Video
https://www.youtube.com/watch?v=653fSmEalbo&t=341s

https://www.hs-coburg.de/news/forschende-lassen-3d-compter-welten-in-sekunden-wachsen/