Entwicklung eines graphischen Editors für neurometrische Untersuchungen komplexer Oberflächen auf der Basis von Polygonnetzen

Mit der Entwicklung von Verfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder ergeben sich für die Bildverarbeitung in der Medizin neue Forschungsgebiete. Bei Datensätzen, die die Hirnoberfläche darstellen, steht neben der Visualisierung die Auswertung der Datensätze im Interesse der Forschung. Die Auswertung von Oberflächendaten, die in Form von Polygonnetzen vorliegen, umfaßt unter anderem die Segmentierung und die Vermessung von Abschnitten der Hirnoberfläche. Eine Automatisierung der Segmentierung ist nur in begrenztem Umfang möglich, daher ist eine manuelle Bearbeitung der Oberflächendaten wünschenswert. Für das Max-Planck-Institut für neuropsychologische Forschung wurde ein Programmodul entwickelt, mit dem die Segmentierung und die Vermessungen in einer interaktiven Umgebung durchführbar sind. Das Programmodul wurde in die dort entwickelte Visualisierungsoberfläche IPE integriert. In der Diplomarbeit wurde ein Verfahren zur Polygondatenreduktion implementiert und näher untersucht. Verfahren zur Erzeugung von Oberflächennetzen wie z.B. der Marching Cubes Algorithmus erzeugen oft Datensätze mit einer sehr gro'sen Anzahl an Polygonen. Solche Datensätze sind f'ur eine Visualisierung oder für die Weiterverarbeitung schlecht geeignet. Mit Hilfe von Verfahren zur Polygondatenreduktion kann die zu verarbeitende Datenmenge verringert werden

Implementierung algorithmischer Optimierungen für Volume-Rendering in Hardware

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Beschleunigung von Volumenvisualisierung. Bei der Volumenvisualisierung, auch englisch Volume-Rendering genannt, wird versucht, dreidimensionale Datensätze in einem anschaulichen zweidimensionalen Bild darzustellen. Da dies sehr hohe Ansprüche an Rechenleistung und Speicher stellt, ist es für einen interaktiven Umgang mit den Daten, zum Beispiel bei der Rotation eines gezeigten Objektes, notwendig, zur Beschleunigung spezielle Hardware-Systeme zu entwickeln. Es werden zuerst die wichtigsten Algorithmen für die Volumenvisualisierung vorgestellt und bereits existierende Volume-Rendering-Systeme erläutert. Hauptinhalt dieser Arbeit ist die Beschreibung einer neuartigen Architektur für ein Hardware-System zur Echtzeitvisualisierung dreidimensionaler Datensätze mit dem Ray-Casting-Algorithmus. Bei diesem Algorithmus wird von der Bildebene aus, für jeden Bildpunkt ein Sehstrahl durch das Volumen gelegt. Entlang des Strahlverlaufes wird das Volumen in regelmäßigen Abständen abgetastet und für jeden Abtastpunkt eine Reflexion zum Beobachter bestimmt. Auf dem Weg der Reflexionen zum Beobachter wird eine Absorption berücksichtigt und das Restlicht aller Reflexionen aufsummiert. Die Summe entspricht der Helligkeit und Farbe des Bildpunktes. Für diesen Algorithmus existieren zur Beschleunigung Optimierungstechniken, die zur Erzeugung eines Bildes, nur die unbedingt notwendigen Teile des Volumendatensatzes aus dem Hauptspeicher auslesen. Für die Echtzeitvisualisierung großer Datensätze ist deshalb eine Umsetzung der Optimierungstechniken in Hardware unbedingt notwendig. Durch sie wird allerdings ein wahlfreier Zugriff auf den Speicher notwendig und der Bearbeitungsablauf ist nicht mehr deterministisch, weshalb bisher existierende Hardware-System auf deren Umsetzung verzichten haben. In dieser Arbeit wird erstmals ein Verfahren vorgestellt, das diese Optimierungstechniken ohne Verluste in Hardware implementiert. Das Verfahren basiert auf der genauen Abstimmung dreier wesentlicher Teile: 1.Einem Pipeline-Prozessor zur parallelen Abarbeitung eines Teilbildes als Multithreading-Architektur. Multithreading bezieht sich hierbei auf den schnellen Wechsel zwischen parallel abzuarbeitenden Sehstrahlen. Hierdurch werden Verzögerungszeiten überbrückt, die bei der Berechnung der Optimierungstechniken und zwischen Adressierung und Datenauslesen des Volumenspeichers entstehen. 2.Einer optimal angepassten Speicherarchitektur, die in den Speicherbausteinen enthaltene Puffer als schnellen Zwischenspeicher (Cache) verwendet und räumlich benachbarte Volumendaten schneller abrufbar macht. 3.Einer Sortiereinrichtung, die Sehstrahlen bevorzugt bearbeitet, die bereits im Zwischenspeicher liegende Daten verwenden, um zeitraubende Seitenwechsel in den Speichern zu minimieren. Ziel war es, das System auf programmierbaren Logikbausteinen (FPGA) mit externem Hauptspeicher implementierbar zu machen, um es als Beschleunigerkarte in Standard-PCs verwenden zu können. Die Effizienz der Architektur wurde über eine C++-Simulation nachgewiesen, wogegen die Implementierbarkeit durch eine Hardware-nahe VHDL-Simulation mit anschließender Synthese überprüft wurde. Die einzelnen Aspekte der Architektur wurden auf mehreren Konferenzen vorgestellt und in der Zeitschrift IEEE Computer & Graphics veröffentlicht. Weiterhin wurde das Verfahren unter der Nummer WO9960527 beim Deutschen Patent- und Markenamt international angemeldet

Konzeption und Realisierung eines Datenmodells und Interaktionskomponenten für tubuläre Strukturen in MITK

Eine der zentralen Aufgaben der medizinischen Bildverarbeitung ist es, den Arzt durch neue oder verbesserte Methoden zur Diagnostik und Therapieplanung bei medizinischen Entscheidungs- und Behandlungsprozessen zu unterstützen. Für viele Fragestellungen in der Medizin sind Untersuchungen von Gefäÿsystemen oder anderen tubulären Strukturen erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzipierung und der Realisierung eines generischen Datenmodells für tubuläre Strukturen. Für die Darstellung dieser Strukturen wurde eine neue Visualisierungsmethode implementiert. Zudem wurden allgemein verwendbare und benutzerfreundliche Interaktionskomponenten entwickelt, die die Exploration, die Modikation, die Attributierung sowie die Analyse der modellierten Systeme ermöglichen

Simulation von Herzkatheterinterventionen bei Kleinkindern

Interventionelle Verfahren stellen seit vielen Jahren ein stetig wachsendes Gebiet in der Therapie angeborener Herzfehler dar. Dennoch existiert bis heute ein Mangel an adäquaten Ausbildungsmethoden um junge Mediziner erfolgreich und risikoarm an die Verwendung dieser Therapien heranzuführen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Simulationsumgebung zum Training von Herzkatheterinterventionen bei Kleinkindern. Neue Lösungsmöglichkeiten für die physikalische Simulation medizinischer Instrumente (Katheter) im Zusammenspiel mit dem schlagendem Herzen werden vorgestellt. Der gezeigte Ansatz kombiniert hohe Geschwindigkeit in der Berechnung mit einer realistischen Bewegungssimulation und kann unabhängig von Topologie und Form umliegender Gefäße angewandt werden ohne dabei zugunsten der Performanz auf Freiheitsgrade verzichten zu müssen. Der präsentierte Ansatz basiert auf einem quasistatischen Modell und einer effizienten Energieminimierung. Ein Verfahren zur Deformation des schlagenden Herzens mittels einer in Echtzeit berechenbaren pseudoinversen Free Form Deformation Technik wird gezeigt und besprochen. Weiterhin wird ein schnelles, deskriptives Simulationsverfahren für Kontrastmittelfluss vorgestellt, sowie eine Vielzahl grafischer Verfahren zur Nachbildung realistischanmutender Bildgebungsverfahren implementiert und ausgewertet. Es wird im Rahmen dieser Arbeit mittels eines voll funktionsfähigen Prototypen gezeigt, dass mit heutigen Rechnern eine vollständig realistische Simulation von Herzkathetereingriffen bei Kleinkindern möglich ist

Dreidimensionale virtuelle Organismen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Generierung virtueller Organismen respektive mit der dreidimensionalen Nachbildung anatomischer Strukturen von Pflanzen, Tieren, Menschen und imaginärer Wesen per Computer. Berücksichtigt werden dabei sowohl die verschiedenen Aspekte der Visualisierung, der Modellierung, der Animation sowie der Wachstums-, Deformations- und Bewegungssimulation. Dazu wird zuerst eine umfassende State-of-the-Art-Analyse konventioneller Methoden zur Organismengenerierung durchgeführt. Im Laufe dieser Analyse werden die Defizite herkömmlicher Verfahren aufgezeigt und damit eine gezielte Anforderungsanalyse für neue Verfahren erstellt. Mit Hilfe dieser Anforderungsanalyse wurde nach neuen Lösungsansätzen gesucht. Besonders hilfreich hat sich in diesem Zusammenhang die Frankfurter Organismus- und Evolutionstheorie erwiesen. Gemäß dieser Theorie stellen Organismen aus biomechanischer Sicht komplexe hydropneumatische Konstruktionen dar. Ihre Körperformen und Bewegungen werden weitgehend durch stabilisierende, kräfteerzeugende und kräfteübertragende Strukturen generiert, die den Gesetzen der klassischen Hydropneumatik folgen. So entstand die Idee, Organismen auf der anatomischen Ebene als eine komplexe Hierarchie unterschiedlicher hydropneumatischer Einheiten anzusehen, welche mechanisch miteinander interagieren. Diese Sichtweise liefert die Grundlage für ein neues biologisches Simulationsmodell. Es erlaubt der Computergraphik, sowohl die Form eines Organismus zu beschreiben als auch sein Verhalten bezüglich seiner Bewegungsabläufe, seiner evolutionären Formveränderungen, seiner Wachstumsprozesse und seiner Reaktion auf externe mechanische Krafteinwirkungen numerisch zu simulieren. Aufbauend auf diesem biologischen Simulationsmodell wurde ein neues Verfahren (Quaoaring) entwickelt und implementiert, das es erlaubt, beliebige organische Einheiten interaktiv in Echtzeit zu modellieren. Gleichzeitig ermöglicht dieses Verfahren die Animation von Bewegungen, Wachstumsprozessen und sogar evolutionären Entwicklungen. Die Animation verhält sich dabei im Wesentlichen biologisch stringent, z.B. wird das interne Volumen während komplexer Bewegungsabläufe konstant gehalten. Die größte Stärke der neuen Modellierungs- und Animationstechnik ist die holistische Verschmelzung des biologischen Simulationsmodells mit einem computergraphischen Geometriemodell. Dieses erlaubt dem Modellierer, biologische Konzepte für die Beschreibung der Form und anderer Attribute einer organischen Einheit zu verwenden. Darüber hinaus ermöglicht es die Animation des geometrischen Modells durch einfache Parameterspezifikation auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu wird ein utorenprozess beschrieben, wie Quaoaring für Modellierungs- und Animationszwecke verwendet werden kann. Es werden Aspekte der prototypischen Implementierung der Quaoaringtechnologie behandelt und über die Ergebnisse berichtet, die bei der Implementierung und der Anwendung dieses Softwareframeworks gewonnen wurden. Schließlich wird die Quaoaringtechnologie in ihrem technologischen Kontext beleuchtet, um ihr Zukunftspotential einzuschätzen

New Models for High-Quality Surface Reconstruction and Rendering

The efficient reconstruction and artifact-free visualization of surfaces from measured real-world data is an important issue in various applications, such as medical and scientific visualization, quality control, and the media-related industry. The main contribution of this thesis is the development of the first efficient GPU-based reconstruction and visualization methods using trivariate splines, i.e., splines defined on tetrahedral partitions. Our methods show that these models are very well-suited for real-time reconstruction and high-quality visualizations of surfaces from volume data. We create a new quasi-interpolating operator which for the first time solves the problem of finding a globally C1-smooth quadratic spline approximating data and where no tetrahedra need to be further subdivided. In addition, we devise a new projection method for point sets arising from a sufficiently dense sampling of objects. Compared with existing approaches, high-quality surface triangulations can be generated with guaranteed numerical stability. Keywords. Piecewise polynomials; trivariate splines; quasi-interpolation; volume data; GPU ray casting; surface reconstruction; point set surface

New Models for High-Quality Surface Reconstruction and Rendering

The efficient reconstruction and artifact-free visualization of surfaces from measured real-world data is an important issue in various applications, such as medical and scientific visualization, quality control, and the media-related industry. The main contribution of this thesis is the development of the first efficient GPU-based reconstruction and visualization methods using trivariate splines, i.e., splines defined on tetrahedral partitions. Our methods show that these models are very well-suited for real-time reconstruction and high-quality visualizations of surfaces from volume data. We create a new quasi-interpolating operator which for the first time solves the problem of finding a globally C1-smooth quadratic spline approximating data and where no tetrahedra need to be further subdivided. In addition, we devise a new projection method for point sets arising from a sufficiently dense sampling of objects. Compared with existing approaches, high-quality surface triangulations can be generated with guaranteed numerical stability. Keywords. Piecewise polynomials; trivariate splines; quasi-interpolation; volume data; GPU ray casting; surface reconstruction; point set surface