From Big Data to Big Displays: High-Performance Visualization at Blue Brain

Blue Brain has pushed high-performance visualization (HPV) to complement its HPC strategy since its inception in 2007. In 2011, this strategy has been accelerated to develop innovative visualization solutions through increased funding and strategic partnerships with other research institutions. We present the key elements of this HPV ecosystem, which integrates C++ visualization applications with novel collaborative display systems. We motivate how our strategy of transforming visualization engines into services enables a variety of use cases, not only for the integration with high-fidelity displays, but also to build service oriented architectures, to link into web applications and to provide remote services to Python applications.Comment: ISC 2017 Visualization at Scale worksho

Towards a Scalable Architecture for Real-Time Volume Rendering

In this paper we present our research eff orts towards a scalable volume rendering architecture for the real-time visualization of dynamically changing high-resolution datasets. Using a linearly skewed memory interleaving we were able to develop a parallel data ow model that leads to local, fixed-bandwidth interconnections between processing elements. This parallel dataflow model diff ers from previous work in that it requires no global communication of data except at the pixel level. Using this data ow model we are developing Cube-4, an architecture that is scalable to very high performances and allows for modular and extensible hardware implementations.Engineering and Applied Science

A survey of real-time crowd rendering

In this survey we review, classify and compare existing approaches for real-time crowd rendering. We first overview character animation techniques, as they are highly tied to crowd rendering performance, and then we analyze the state of the art in crowd rendering. We discuss different representations for level-of-detail (LoD) rendering of animated characters, including polygon-based, point-based, and image-based techniques, and review different criteria for runtime LoD selection. Besides LoD approaches, we review classic acceleration schemes, such as frustum culling and occlusion culling, and describe how they can be adapted to handle crowds of animated characters. We also discuss specific acceleration techniques for crowd rendering, such as primitive pseudo-instancing, palette skinning, and dynamic key-pose caching, which benefit from current graphics hardware. We also address other factors affecting performance and realism of crowds such as lighting, shadowing, clothing and variability. Finally we provide an exhaustive comparison of the most relevant approaches in the field.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Towards deep unsupervised inverse graphics

Un objectif de longue date dans le domaine de la vision par ordinateur est de déduire le contenu 3D d’une scène à partir d’une seule photo, une tâche connue sous le nom d’inverse graphics. L’apprentissage automatique a, dans les dernières années, permis à de nombreuses approches de faire de grands progrès vers la résolution de ce problème. Cependant, la plupart de ces approches requièrent des données de supervision 3D qui sont coûteuses et parfois impossible à obtenir, ce qui limite les capacités d’apprentissage de telles œuvres. Dans ce travail, nous explorons l’architecture des méthodes d’inverse graphics non-supervisées et proposons deux méthodes basées sur des représentations 3D et algorithmes de rendus différentiables distincts: les surfels ainsi qu’une nouvelle représentation basée sur Voronoï. Dans la première méthode basée sur les surfels, nous montrons que, bien qu’efficace pour maintenir la cohérence visuelle, la production de surfels à l’aide d’une carte de profondeur apprise entraîne des ambiguïtés car la relation entre la carte de profondeur et le rendu n’est pas bijective. Dans notre deuxième méthode, nous introduisons une nouvelle représentation 3D basée sur les diagrammes de Voronoï qui modélise des objets/scènes à la fois explicitement et implicitement, combinant ainsi les avantages des deux approches. Nous montrons comment cette représentation peut être utilisée à la fois dans un contexte supervisé et non-supervisé et discutons de ses avantages par rapport aux représentations 3D traditionnellesA long standing goal of computer vision is to infer the underlying 3D content in a scene from a single photograph, a task known as inverse graphics. Machine learning has, in recent years, enabled many approaches to make great progress towards solving this problem. However, most approaches rely on 3D supervision data which is expensive and sometimes impossible to obtain and therefore limits the learning capabilities of such work. In this work, we explore the deep unsupervised inverse graphics training pipeline and propose two methods based on distinct 3D representations and associated differentiable rendering algorithms: namely surfels and a novel Voronoi-based representation. In the first method based on surfels, we show that, while effective at maintaining view-consistency, producing view-dependent surfels using a learned depth map results in ambiguities as the mapping between depth map and rendering is non-bijective. In our second method, we introduce a novel 3D representation based on Voronoi diagrams which models objects/scenes both explicitly and implicitly simultaneously, thereby combining the benefits of both. We show how this representation can be used in both a supervised and unsupervised context and discuss its advantages compared to traditional 3D representations

Accelerated volumetric reconstruction from uncalibrated camera views

While both work with images, computer graphics and computer vision are inverse problems. Computer graphics starts traditionally with input geometric models and produces image sequences. Computer vision starts with input image sequences and produces geometric models. In the last few years, there has been a convergence of research to bridge the gap between the two fields. This convergence has produced a new field called Image-based Rendering and Modeling (IBMR). IBMR represents the effort of using the geometric information recovered from real images to generate new images with the hope that the synthesized ones appear photorealistic, as well as reducing the time spent on model creation. In this dissertation, the capturing, geometric and photometric aspects of an IBMR system are studied. A versatile framework was developed that enables the reconstruction of scenes from images acquired with a handheld digital camera. The proposed system targets applications in areas such as Computer Gaming and Virtual Reality, from a lowcost perspective. In the spirit of IBMR, the human operator is allowed to provide the high-level information, while underlying algorithms are used to perform low-level computational work. Conforming to the latest architecture trends, we propose a streaming voxel carving method, allowing a fast GPU-based processing on commodity hardware

Applied Visualization in the Neurosciences and the Enhancement of Visualization through Computer Graphics

The complexity and size of measured and simulated data in many fields of science is increasing constantly. The technical evolution allows for capturing smaller features and more complex structures in the data. To make this data accessible by the scientists, efficient and specialized visualization techniques are required. Maximum efficiency and value for the user can only be achieved by adapting visualization to the specific application area and the specific requirements of the scientific field. Part I: In the first part of my work, I address the visualization in the neurosciences. The neuroscience tries to understand the human brain; beginning at its smallest parts, up to its global infrastructure. To achieve this ambitious goal, the neuroscience uses a combination of three-dimensional data from a myriad of sources, like MRI, CT, or functional MRI. To handle this diversity of different data types and sources, the neuroscience need specialized and well evaluated visualization techniques. As a start, I will introduce an extensive software called \"OpenWalnut\". It forms the common base for developing and using visualization techniques with our neuroscientific collaborators. Using OpenWalnut, standard and novel visualization approaches are available to the neuroscientific researchers too. Afterwards, I am introducing a very specialized method to illustrate the causal relation of brain areas, which was, prior to that, only representable via abstract graph models. I will finalize the first part of my work with an evaluation of several standard visualization techniques in the context of simulated electrical fields in the brain. The goal of this evaluation was clarify the advantages and disadvantages of the used visualization techniques to the neuroscientific community. We exemplified these, using clinically relevant scenarios. Part II: Besides the data preprocessing, which plays a tremendous role in visualization, the final graphical representation of the data is essential to understand structure and features in the data. The graphical representation of data can be seen as the interface between the data and the human mind. The second part of my work is focused on the improvement of structural and spatial perception of visualization -- the improvement of the interface. Unfortunately, visual improvements using computer graphics methods of the computer game industry is often seen sceptically. In the second part, I will show that such methods can be applied to existing visualization techniques to improve spatiality and to emphasize structural details in the data. I will use a computer graphics paradigm called \"screen space rendering\". Its advantage, amongst others, is its seamless applicability to nearly every visualization technique. I will start with two methods that improve the perception of mesh-like structures on arbitrary surfaces. Those mesh structures represent second-order tensors and are generated by a method named \"TensorMesh\". Afterwards I show a novel approach to optimally shade line and point data renderings. With this technique it is possible for the first time to emphasize local details and global, spatial relations in dense line and point data.In vielen Bereichen der Wissenschaft nimmt die Größe und Komplexität von gemessenen und simulierten Daten zu. Die technische Entwicklung erlaubt das Erfassen immer kleinerer Strukturen und komplexerer Sachverhalte. Um solche Daten dem Menschen zugänglich zu machen, benötigt man effiziente und spezialisierte Visualisierungswerkzeuge. Nur die Anpassung der Visualisierung auf ein Anwendungsgebiet und dessen Anforderungen erlaubt maximale Effizienz und Nutzen für den Anwender. Teil I: Im ersten Teil meiner Arbeit befasse ich mich mit der Visualisierung im Bereich der Neurowissenschaften. Ihr Ziel ist es, das menschliche Gehirn zu begreifen; von seinen kleinsten Teilen bis hin zu seiner Gesamtstruktur. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen nutzt die Neurowissenschaft vor allem kombinierte, dreidimensionale Daten aus vielzähligen Quellen, wie MRT, CT oder funktionalem MRT. Um mit dieser Vielfalt umgehen zu können, benötigt man in der Neurowissenschaft vor allem spezialisierte und evaluierte Visualisierungsmethoden. Zunächst stelle ich ein umfangreiches Softwareprojekt namens \"OpenWalnut\" vor. Es bildet die gemeinsame Basis für die Entwicklung und Nutzung von Visualisierungstechniken mit unseren neurowissenschaftlichen Kollaborationspartnern. Auf dieser Basis sind klassische und neu entwickelte Visualisierungen auch für Neurowissenschaftler zugänglich. Anschließend stelle ich ein spezialisiertes Visualisierungsverfahren vor, welches es ermöglicht, den kausalen Zusammenhang zwischen Gehirnarealen zu illustrieren. Das war vorher nur durch abstrakte Graphenmodelle möglich. Den ersten Teil der Arbeit schließe ich mit einer Evaluation verschiedener Standardmethoden unter dem Blickwinkel simulierter elektrischer Felder im Gehirn ab. Das Ziel dieser Evaluation war es, der neurowissenschaftlichen Gemeinde die Vor- und Nachteile bestimmter Techniken zu verdeutlichen und anhand klinisch relevanter Fälle zu erläutern. Teil II: Neben der eigentlichen Datenvorverarbeitung, welche in der Visualisierung eine enorme Rolle spielt, ist die grafische Darstellung essenziell für das Verständnis der Strukturen und Bestandteile in den Daten. Die grafische Repräsentation von Daten bildet die Schnittstelle zum Gehirn des Menschen. Der zweite Teile meiner Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der strukturellen und räumlichen Wahrnehmung in Visualisierungsverfahren -- mit der Verbesserung der Schnittstelle. Leider werden viele visuelle Verbesserungen durch Computergrafikmethoden der Spieleindustrie mit Argwohn beäugt. Im zweiten Teil meiner Arbeit werde ich zeigen, dass solche Methoden in der Visualisierung angewendet werden können um den räumlichen Eindruck zu verbessern und Strukturen in den Daten hervorzuheben. Dazu nutze ich ein in der Computergrafik bekanntes Paradigma: das \"Screen Space Rendering\". Dieses Paradigma hat den Vorteil, dass es auf nahezu jede existierende Visualiserungsmethode als Nachbearbeitunsgschritt angewendet werden kann. Zunächst führe ich zwei Methoden ein, die die Wahrnehmung von gitterartigen Strukturen auf beliebigen Oberflächen verbessern. Diese Gitter repräsentieren die Struktur von Tensoren zweiter Ordnung und wurden durch eine Methode namens \"TensorMesh\" erzeugt. Anschließend zeige ich eine neuartige Technik für die optimale Schattierung von Linien und Punktdaten. Mit dieser Technik ist es erstmals möglich sowohl lokale Details als auch globale räumliche Zusammenhänge in dichten Linien- und Punktdaten zu erfassen

Microscopic dynamics of supercooled liquids from first principles

Glasses are solid materials whose constituent atoms are arranged in a disordered manner. The transition from a liquid to a glass remains one of the most poorly understood phenomena in condensed matter physics, and still no fully microscopic theory exists that can describe the dynamics of supercooled liquids in a quantitative manner over all relevant time scales. Here we present such a theoretical framework that yields near-quantitative accuracy for the time-dependent correlation functions of a supercooled system over a broad density range. Our approach requires only simple static structural information as input and is based entirely based on first principles. Owing to this first-principles nature, the framework offers a unique platform to study the relation between structure and dynamics in glass-forming matter, and paves the way towards a systematically correctable and ultimately fully quantitative theory of microscopic glassy dynamics

Efficient and High-Quality Rendering of Higher-Order Geometric Data Representations

Computer-Aided Design (CAD) bezeichnet den Entwurf industrieller Produkte mit Hilfe von virtuellen 3D Modellen. Ein CAD-Modell besteht aus parametrischen Kurven und Flächen, in den meisten Fällen non-uniform rational B-Splines (NURBS). Diese mathematische Beschreibung wird ebenfalls zur Analyse, Optimierung und Präsentation des Modells verwendet. In jeder dieser Entwicklungsphasen wird eine unterschiedliche visuelle Darstellung benötigt, um den entsprechenden Nutzern ein geeignetes Feedback zu geben. Designer bevorzugen beispielsweise illustrative oder realistische Darstellungen, Ingenieure benötigen eine verständliche Visualisierung der Simulationsergebnisse, während eine immersive 3D Darstellung bei einer Benutzbarkeitsanalyse oder der Designauswahl hilfreich sein kann. Die interaktive Darstellung von NURBS-Modellen und -Simulationsdaten ist jedoch aufgrund des hohen Rechenaufwandes und der eingeschränkten Hardwareunterstützung eine große Herausforderung. Diese Arbeit stellt vier neuartige Verfahren vor, welche sich mit der interaktiven Darstellung von NURBS-Modellen und Simulationensdaten befassen. Die vorgestellten Algorithmen nutzen neue Fähigkeiten aktueller Grafikkarten aus, um den Stand der Technik bezüglich Qualität, Effizienz und Darstellungsgeschwindigkeit zu verbessern. Zwei dieser Verfahren befassen sich mit der direkten Darstellung der parametrischen Beschreibung ohne Approximationen oder zeitaufwändige Vorberechnungen. Die dabei vorgestellten Datenstrukturen und Algorithmen ermöglichen die effiziente Unterteilung, Klassifizierung, Tessellierung und Darstellung getrimmter NURBS-Flächen und einen interaktiven Ray-Casting-Algorithmus für die Isoflächenvisualisierung von NURBSbasierten isogeometrischen Analysen. Die weiteren zwei Verfahren beschreiben zum einen das vielseitige Konzept der programmierbaren Transparenz für illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle und zum anderen eine neue hybride Methode zur Reprojektion halbtransparenter und undurchsichtiger Bildinformation für die Beschleunigung der Erzeugung von stereoskopischen Bildpaaren. Die beiden letztgenannten Ansätze basieren auf rasterisierter Geometrie und sind somit ebenfalls für normale Dreiecksmodelle anwendbar, wodurch die Arbeiten auch einen wichtigen Beitrag in den Bereichen der Computergrafik und der virtuellen Realität darstellen. Die Auswertung der Arbeit wurde mit großen, realen NURBS-Datensätzen durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass die direkte Darstellung auf Grundlage der parametrischen Beschreibung mit interaktiven Bildwiederholraten und in subpixelgenauer Qualität möglich ist. Die Einführung programmierbarer Transparenz ermöglicht zudem die Umsetzung kollaborativer 3D Interaktionstechniken für die Exploration der Modelle in virtuellenUmgebungen sowie illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle. Die Erzeugung stereoskopischer Bildpaare für die interaktive Visualisierung auf 3D Displays konnte beschleunigt werden. Diese messbare Verbesserung wurde zudem im Rahmen einer Nutzerstudie als wahrnehmbar und vorteilhaft befunden.In computer-aided design (CAD), industrial products are designed using a virtual 3D model. A CAD model typically consists of curves and surfaces in a parametric representation, in most cases, non-uniform rational B-splines (NURBS). The same representation is also used for the analysis, optimization and presentation of the model. In each phase of this process, different visualizations are required to provide an appropriate user feedback. Designers work with illustrative and realistic renderings, engineers need a comprehensible visualization of the simulation results, and usability studies or product presentations benefit from using a 3D display. However, the interactive visualization of NURBS models and corresponding physical simulations is a challenging task because of the computational complexity and the limited graphics hardware support. This thesis proposes four novel rendering approaches that improve the interactive visualization of CAD models and their analysis. The presented algorithms exploit latest graphics hardware capabilities to advance the state-of-the-art in terms of quality, efficiency and performance. In particular, two approaches describe the direct rendering of the parametric representation without precomputed approximations and timeconsuming pre-processing steps. New data structures and algorithms are presented for the efficient partition, classification, tessellation, and rendering of trimmed NURBS surfaces as well as the first direct isosurface ray-casting approach for NURBS-based isogeometric analysis. The other two approaches introduce the versatile concept of programmable order-independent semi-transparency for the illustrative and comprehensible visualization of depth-complex CAD models, and a novel method for the hybrid reprojection of opaque and semi-transparent image information to accelerate stereoscopic rendering. Both approaches are also applicable to standard polygonal geometry which contributes to the computer graphics and virtual reality research communities. The evaluation is based on real-world NURBS-based models and simulation data. The results show that rendering can be performed directly on the underlying parametric representation with interactive frame rates and subpixel-precise image results. The computational costs of additional visualization effects, such as semi-transparency and stereoscopic rendering, are reduced to maintain interactive frame rates. The benefit of this performance gain was confirmed by quantitative measurements and a pilot user study