Prozedurale Synthese ist keine neue Methode und wird bereits seit Jahrzehnten benutzt, um einzelne Aspekte von Videospielen mit minimalem Speicherbedarf zu erstellen. Beispiele sind die Schusswaffen im 2009 erschienen Borderlands<\/a>, derer 17 Millionen St\u00fcck per prozeduraler Synthese erstellt werden. Auch No Man\u2019s Sky<\/a> nutzt die Methode f\u00fcr die Erstellung der vielen Planeten samt Flora und Fauna, um die mit \u00fcber einer Trillion m\u00f6glicher Planeten beworbenen \u201eendlosen Weiten\u201c darstellen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n Das Vorgehen ist dabei im Prinzip einfach: Anhand sorgf\u00e4ltig definierter Parameter, denen der Spieleentwickler nach Wunsch Werte zuweist, wird beim Start des Spiels die Landschaft synthetisiert. Das passiert nicht zuf\u00e4llig, sondern immer gleich, so dass der Entwickler die Kontrolle \u00fcber alle Eigenschaften der Landschaft beh\u00e4lt. Allerdings k\u00f6nnen die Werte, die einzelnen Teilen der Landschaft zugewiesen werden, vom Zufallsgenerator erstellt werden.<\/p>\n Mit der prozeduralen Synthese geht immer einher, dass VRAM eingespart wird, weil vorgefertigte Texturen durch die Synthese ersetzt werden. Das macht die Methode f\u00fcr Videospiele besonders interessant.<\/p>\n Was ist neu am Ansatz von AMD?<\/p>\n B\u00e4ume werden heutzutage bereits prozedural synthetisiert, der Vorgang ben\u00f6tigt pro Baum aber mehrere Sekunden und wird deshalb im Vorhinein f\u00fcr mehrere Level of Details (LOD) pro Baum erstellt und als Satz von Texturen abgespeichert. Im Spiel werden dann lediglich die Texturen geladen, f\u00fcr den einzelnen Baum muss nichts mehr berechnet werden. Da bei Grafikkarten<\/a> die Gr\u00f6\u00dfe und Geschwindigkeit des VRAMs in den letzten Jahren langsamer wuchs als die Rechenleistung, ist die Auslagerung der Arbeit in den VRAM aber immer weniger sinnvoll. Moderne, hochdetaillierte Spielewelten m\u00fcssen im Gegenteil besonders sparsam mit VRAM-Belegung und Bandbreite umgehen.<\/p>\n Der Ansatz von AMD ist nun Entwicklern einen Baukasten zur prozeduralen Synthese von B\u00e4umen zur Verf\u00fcgung zu stellen, der nahezu alle Anwendungsf\u00e4lle abdeckt und dadurch universell und besonders einfach zu benutzen ist. Der Ansatz basiert auf einem verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig einfachen Modell f\u00fcr die Synthese von St\u00e4mmen und Zweigen von 1995, das durch zahlreiche Eigenschaften erweitert wurde um vollkommen realistische B\u00e4ume zu erzeugen. Mit mehreren graphischen Optimierungen wurde die Rechenzeit im Anschluss soweit reduziert, dass Echtzeit-Rendering m\u00f6glich wird.<\/p>\n Hohe Realit\u00e4tsn\u00e4he bei Form, Rinde und Bl\u00e4ttern<\/p>\n Das Modell erzeugt Stamm und Zweige in maximal vier Stufen, wobei Stufe 0 der Stamm ist und jede weitere Stufe d\u00fcnnere abzweigende \u00c4ste erzeugt. Zus\u00e4tzlich kommen als letzte Stufe die Bl\u00e4tter hinzu, die urspr\u00fcnglich als Textur vorgesehen waren. Ein vertikaler Parameter erlaubt au\u00dferdem noch das Wachsen in Richtung Sonne bzw. den Einfluss der Schwerkraft zu modellieren. Um die Oberfl\u00e4che der B\u00e4ume besonders realistisch zu gestalten, wird zuerst die Form des Baums gegl\u00e4ttet. Denn da die Geometrie der St\u00e4mme bzw. \u00c4ste mit sehr wenig Parametern definiert wird, ist sie verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig grob. Das Modell interpoliert diese grobe Oberfl\u00e4che als kubisch hermiteschen Spline<\/a>, um nahtlose \u00dcberg\u00e4nge zu erm\u00f6glichen. \t\t\t\t\t F\u00fcr die Bl\u00e4tter wird ebenfalls auf umfangreiche Technik zur\u00fcckgegriffen um bei der Realit\u00e4tsn\u00e4he keine W\u00fcnsche offen zu lassen. Der Entwickler definiert lediglich eine Blatth\u00e4lfte mit drei Koordinaten und eine Anzahl von Lappen, aus denen sich das Blatt zusammensetzt. Der Algorithmus trianguliert daraus die Form und erstellt dynamisch ein LOD, das zur Distanz zwischen Blatt und Betrachter passt. Der \u00dcbergang zwischen verschiedenen LODs ist damit nicht mehr stufenweise, sondern nahtlos. \t\t\t\t\t\t<\/p>\n \t\t\t\t\t\t\t \t\t\t\t\t\t<\/a><\/p>\n Die Blattgeometrie wird mittels weniger Parameter definiert. (Bild:\u00a0Universit\u00e4t Coburg)<\/p>\n<\/li>\n<\/ol>\n Bild 1 von 2<\/p>\n Saisonale und physikalische Ver\u00e4nderungen<\/p>\n Wer der Meinung ist, dass mit Stamm, Zweigen und Bl\u00e4ttern alles getan ist, greift zu kurz. Das neue Modell unterst\u00fctzt au\u00dferdem noch die Ver\u00e4nderungen der B\u00e4ume mit den Jahreszeiten, Animationen zur Interaktion mit Wind sowie weitere Anpassungen. Im Winter fehlen Bl\u00e4tter, w\u00e4hrend die Nadeln eine gefrorene Oberfl\u00e4che bekommen. Schnee auf den \u00c4sten wird per H\u00f6henunterschied in vertikaler Richtung eingestellt, wobei die zugewonnene Oberfl\u00e4che die Materialeigenschaften (Farbe, Verhalten) von Schnee bekommt. Gleichzeitig wird der Parameter f\u00fcr die Schwerkraft erh\u00f6ht, so dass sich Zweige nach unten biegen. \t\t\t\t\t\t<\/p>\n \t\t\t\t\t\t\t \t\t\t\t\t\t<\/a><\/p>\n Benchmarkszene im Fr\u00fchling. (Bild:\u00a0Universit\u00e4t Coburg)<\/p>\n<\/li>\n<\/ol>\n Bild 1 von 4<\/p>\n Bewegung im Wind in Abh\u00e4ngigkeit von Windst\u00e4rke und -Richtung wird beim Erzeugen des Baums berechnet. Dazu werden alle synthetisierten Elemente vom Wind weggedreht, wobei die Drehung chaotisch oszilliert, um die Dynamik der Bewegung darzustellen. Die St\u00e4rke der Oszillation h\u00e4ngt von L\u00e4nge und Dicke der \u00c4ste ab.<\/p>\n \t\t\t\t\t Als letzte Qualit\u00e4tsma\u00dfnahme k\u00f6nnen \u00c4ste per Raytracing Algorithmus einen Strahl in Wachstumsl\u00e4nge aussenden. Trifft der Strahl in kurzer Distanz auf ein Objekt, wird der Ast entsprechend gek\u00fcrzt. Dadurch wird verhindert, dass B\u00e4ume durch andere Objekte durchgehen, das sogenannte Clipping.<\/p>\n Wie funktioniert das in Echtzeit?<\/p>\n Um effizientes Rendern dieser B\u00e4ume zu erm\u00f6glichen werden zwei neue Funktionen von DirectX 12 benutzt: Work Graphs<\/a> und dessen Funktion Mesh Nodes<\/a>, die beide erst 2024 vorgestellt wurden. Work Graphs beschreibt die M\u00f6glichkeit, dass eine Rechenaufgabe (Shader) selbstst\u00e4ndig neue Aufgaben erzeugt. Dadurch sind weniger Umwege zur CPU zur Abfrage neuer Befehle notwendig und die GPU wird in gewisser Weise autonom. Das hat Vorteile bei rekursiven Strukturen oder wenn man einen Teil der Grafik bis zu einem gew\u00fcnschten Detaillevel St\u00fcck f\u00fcr St\u00fcck aufbauen m\u00f6chte.<\/p>\n Dabei wird hier besonders clever vorgegangen: Um Overhead zu vermeiden wird nicht jeder Teil des Baums in einen eigenen Shader gepackt, sondern Aufgaben werden so geb\u00fcndelt, dass die typischen 32 Werte pro Befehlskette (Wave32) erf\u00fcllt werden. Analog wird bei der Berechnung der Bl\u00e4tter vorgegangen, so dass genug Bl\u00e4tter pro Befehl berechnet werden m\u00fcssen um die Rechenwerke auszulasten.<\/p>\n Diese Work Graphs waren bislang nur innerhalb von Compute-Aufgaben m\u00f6glich. Zur Nutzung im Umfeld der Spielegrafik ben\u00f6tigte es also eine zus\u00e4tzliche Funktion, die das Ergebnis entgegen nahm und an den Rasterizer zur Bildausgabe schickte. F\u00fcr kleinteilige Aufgaben gab es dadurch zus\u00e4tzlichen Overhead. Mesh Nodes setzt an der Stelle an und erm\u00f6glicht es, einem autonom aufgerufenen Shader direkt Ergebnisse an den Rasterizer zu schicken.<\/p>\n Bevor Teile eines oder ein ganzer Baum synthetisiert werden, wird Culling durchgef\u00fchrt. Culling ist eine Pr\u00fcfung, ob die zu erstellenden Objekte im Sichtfeld des Betrachters liegen. Ist das nicht der Fall, wird das Objekt \u00fcbersprungen. Das Ganze geschieht als generationen\u00fcbergreifendes Culling, das hei\u00dft alle nachfolgenden Teile werden bei der Pr\u00fcfung ber\u00fccksichtigt, damit nicht eine Blattspitze am Ende doch sichtbar w\u00e4re und so L\u00fccken beim \u00dcberspringen entstehen k\u00f6nnten. Das Culling erlaubt so die volle Bildtreue bei gleichzeitig gesparten Ressourcen.<\/p>\n Bei den Bl\u00e4ttern, die zahlenm\u00e4\u00dfig sicher am meisten vorhanden sind, wird aggressiv das oben beschriebene, nahtlose LOD angepasst. Ist der Betrachter sehr weit weg, wird automatisch die Anzahl der gezeigten Bl\u00e4tter reduziert, um Rechenaufwand zu sparen. Damit der Unterschied nicht auff\u00e4llt, werden die Bl\u00e4tter, die auch bei gro\u00dfer Distanz stehen bleiben, langsam gr\u00f6\u00dfer w\u00e4hrend die, die verschwinden, langsam kleiner werden. Bei Bl\u00e4ttern mit mehreren Lappen verschmelzen diese mit wachsender Distanz zu einem.<\/p>\n Als Letztes wird zum Erreichen einer bestimmten Framerate eine dynamische Detailstufe \u00e4hnlich wie die Algorithmen f\u00fcr Super Resolution von AMD und Nvidia vorgeschlagen. Diese ist allerdings nicht pixelbasiert, sondern das LOD der B\u00e4ume wird nahtlos von Frame zu Frame innerhalb vom Entwickler vorgegebener Grenzen hoch- bzw. heruntersetzt. Die einzelnen Parameter, die sich in der Qualit\u00e4t \u00e4ndern d\u00fcrfen, k\u00f6nnen priorisiert werden, so dass die unwichtigsten Details zuerst reduziert werden. Die maximale \u00c4nderungsrate der Darstellungsqualit\u00e4t kann ebenfalls festgelegt werden, um abrupte Qualit\u00e4tsverluste zu vermeiden.<\/p>\n Das Demobeispiel im Video<\/p>\n Die Forscher haben eine Benchmarkszene mit 1.200 B\u00e4umen, die den Park \u00d8rstedsparken in Kopenhagen nachbildet, erstellt. Sie wurde auf einer AMD Radeon RX 7900 XTX<\/a> gerendert. Im Video zeigen sie diese sowie die verschiedenen Funktionen des Tools.<\/p>\n \t Der Benchmark wird von den Forschern abschlie\u00dfend umfassend analysiert. Um zu zeigen, wie viel VRAM eingespart wurde, rechnen die Forscher vor, dass eine vergleichbare Szene aus statischen Texturen knapp 35\u00a0GiB an Speicher belegen w\u00fcrde. Zus\u00e4tzlich genutzte Features wie mehrere LODs, saisonale Ver\u00e4nderungen und Wind w\u00fcrde die Menge weiter erh\u00f6hen. Die Parameter, aus denen die gesamte Szene prozedural synthetisiert wurde, ben\u00f6tigen aber nur 51\u00a0KiB. Das sind etwa 704\u00a0Bytes pro Baum. \t\t\t\t\t An Geschwindigkeit mangelt es der Szene nicht. Im Durchschnitt werden nur 3,13 ms gebraucht, um die B\u00e4ume komplett zu erstellen. Mit Geometrie-Buffer und Schatten werden es 4,72 ms. Die gesamte Szene mit Gras, Umgebungsverdeckung, Reflexionen und TAA ben\u00f6tigt 7,74 ms und liegt damit unterhalb der 8,33 ms, die f\u00fcr eine Framerate von 120 Hz zur Verf\u00fcgung stehen. Allerdings wird das je nach Komplexit\u00e4t der Szene \u00fcber- bzw. unterschritten. Wird hingegen das automatische LOD aktiviert, bleibt die Bildrate auch in den schwierigsten Szenen bei 120 Hz, bei entsprechenden Detailverlusten.<\/p>\n Fazit<\/p>\n Schon mehrfach wurden in der Vergangenheit einzelne Aspekte eines Videospiels mit Prozeduraler Synthese erstellt. Der hier von den Forschern der Universit\u00e4t Coburg und AMD gew\u00e4hlte Weg, B\u00e4ume komplett prozedural erzeugbar zu machen, ist neuartig, da den Spieleentwicklern direkt ein Tool zur Verf\u00fcgung gestellt wird. Die B\u00e4ume belegen im Anschluss kaum noch Platz im VRAM, nur w\u00e4hrend der Berechnung wird welcher ben\u00f6tigt. Dabei l\u00e4uft zumindest die von den Forschern gezeigte Benchmarkszene mit dutzenden B\u00e4umen gleichzeitig im Blickfeld sehr fl\u00fcssig.<\/p>\n Wie ist nun die Qualit\u00e4t der erstellten B\u00e4ume? Zugegeben ist die Darstellung stellenweise noch durchwachsen. Beim Betrachten des Demovideos f\u00e4llt mehrfach auf, dass insbesondere die Bl\u00e4tter auf mittlerer Distanz recht zweidimensional wirken. Viele B\u00e4ume in gr\u00f6\u00dferer Distanz wirken dagegen \u00fcberzeugend, ebenso wie einzelne Elemente von nahem, wenn die h\u00f6chste Detailstufe greift. Deswegen scheint es dem Autor wahrscheinlich, dass letzten Endes eine Kombination aus prozeduraler Synthese und vorgefertigten Texturen in Zukunft zum Einsatz kommen wird. So k\u00f6nnten einzelne B\u00e4ume noch mit Texturen bedacht werden, w\u00e4hrend gr\u00f6\u00dfere Ansammlungen mit AMDs neuem Ansatz schlank und schnell berechnet werden.<\/p>\n Dieser Artikel war interessant, hilfreich oder beides?<\/strong> Die Redaktion<\/a> freut sich \u00fcber jede Unterst\u00fctzung durch ComputerBase Pro<\/a> und deaktivierte Werbeblocker. 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\nVon den Forschern um AMD wurde das klassische Modell um folgende F\u00e4higkeiten erweitert: Die Darstellung von Bl\u00e4ttern, Nadeln, saisonalen Ver\u00e4nderungen, gestutzten \u00c4sten sowie Animationen (z.B. bei Wind), weiche \u00dcberg\u00e4nge an den St\u00e4mmen und prozedural erzeugte H\u00f6henunterschiede auf der Oberfl\u00e4che.<\/p>\n
\nGleichzeitig gibt es einen aufwendigen Mechanismus, um Baumrinde realistisch darzustellen. Dazu wird unter Anderem auf Tesselation zur\u00fcckgegriffen, allerdings wird zuvor aufwendig gepr\u00fcft, welche Tesselation-Faktoren notwendig sind und wie stark diese genutzt werden m\u00fcssen. Geht man nahe an einen Baum heran, wird die tesselierte Rinde durch eine mit prozedural erzeugten H\u00f6henunterschieden geformte ersetzt. Das Verfahren wird als Summe bekannter Methoden nur kurz beschrieben, aber das Ergebnis ist definitiv beeindruckend.<\/p>\n![\"Die](\"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-content\/uploads\/2025\/06\/1-1080.045864bf.jpg\")
\t\t\t<\/a>\tDie interpolierte Baumoberfl\u00e4che wird mit Worley-Rauschen und Perlin-Rauschen strukturiert. (Bild:\u00a0Universit\u00e4t Coburg)<\/p>\n
\nGeht man sehr nahe an ein Blatt heran, werden Parameter f\u00fcr die Blattadern, die Dicke des Blatts und dessen Oberfl\u00e4che genutzt, um prozedural eine detaillierte Darstellung zu erzeugen. Bei Nadelb\u00e4umen werden diese Blattader-Parameter als Nadeln interpretiert.<\/p>\n\n
![\"Die](\"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-content\/uploads\/2025\/06\/4-1080.bc70fea9.jpg\")
<\/p>\n
\nF\u00fcr die Jahreszeiten gibt es einen eigenen Parameter, der automatisch die Anwesenheit von Bl\u00e4ttern (Winter vs. Sommer) sowie deren Anzahl (graduelles Fallen der Bl\u00e4tter im Herbst) steuert.<\/p>\n
\nIm Fr\u00fchling werden Bl\u00fcten synthetisiert, die mit dem gleichen Algorithmus wie Bl\u00e4tter, aber mit mehr Lappen und in Ringform, erzeugt werden. Im Sommer wird eine zuf\u00e4llige Menge der vorher erschienenen Bl\u00fcten zu Fr\u00fcchten, die eine tesselierte Oberfl\u00e4che erhalten. Neben dem Verschwinden von Bl\u00e4ttern \u00e4ndert sich im Herbst auch deren Farbe graduell. Die Bl\u00e4tter verschwinden dabei nicht gleichzeitig sondern bekommen zuf\u00e4llig einen zeitlichen Versatz zugewiesen.<\/p>\n\n
![\"Benchmarkszene](\"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-content\/uploads\/2025\/06\/6-1080.3a54fa36.jpg\")
<\/p>\n![\"Vergleich](\"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-content\/uploads\/2025\/06\/8-1080.29a77cf5.jpg\")
\t\t\t<\/a>\tVergleich verschiedener Windgeschwindigkeiten \u00fcber 10 Sekunden. (Bild:\u00a0Universit\u00e4t Coburg)<\/p>\n![\"\"](\"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-content\/uploads\/2025\/06\/poster-720p-b0f4938a.jpg\")
<\/p>\n
\nDie Forscher erw\u00e4hnen allerdings auch, dass die komplexen Shaderstrukturen insbesondere beim Work Graph zus\u00e4tzlich 1,5\u00a0GiB an Speicher verbrauchen. Dieser Speicherbereich steht nach dem Renderschritt zwar wieder zur Verf\u00fcgung, ganz so enorm wie anderswo berichtet ist die Ersparnis an VRAM aber nicht.<\/p>\n![\"Frametimes](\"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-content\/uploads\/2025\/06\/3-1080.65eb5d0b.jpg\")
\t\t\t<\/a>\tFrametimes in der Benchmarkszene. (Bild:\u00a0Universit\u00e4t Coburg)<\/p>\n