Optimización del renderizado de volumen mediante la técnica shear-warping

El renderizado de volumen es una técnica para representar objetos tridimensionales en una imagen, a partir de las muestras obtenidas de dichos objetos. Debido a la gran cantidad de muestras necesarias para obtener una imagen nítida, el coste temporal de los diferentes algoritmos desarrollados en la actualidad no permite la representación de los objetos de forma eficiente, obligando a dichos algoritmos a recurrir a técnicas que requieren el uso de hardware específico y/o la disminución de la calidad de la imagen final. Este proyecto tiene como objetivo la implementación de un algoritmo que permita visualizar objetos tridimensionales en proyección paralela, de forma eficiente, esto es, con un coste temporal inferior a un segundo, a partir de un volumen de muestras de tamaño habitual (2563 voxels), en ordenadores de propósito general, sin comprometer la calidad de la imagen ni utilizar hardware específico. Para ello, se estudian las estrategias de los diferentes algoritmos presentes en la literatura, extrayendo sus ventajas e inconvenientes, así como diferentes técnicas de optimización del rendimiento de dichos algoritmos. A continuación, se diseñan las características de un algoritmo, además de las estructuras de datos apropiadas, para aplicar la técnica de descomposición matricial shear-warp, la cual permite combinar las ventajas de los algoritmos analizados junto con las técnicas de optimización de rendimiento. Por último, se implementa el algoritmo y se analizan los resultados obtenidos en cuanto a rendimiento y calidad de imagen, emitiendo las conclusiones pertinentes y proponiendo diversas alternativas a desarrollar en un futuro

Étude et développement d'un système multi-échelle pour la visualisation réaliste et interactive de végétaux (rendu volumique)

National audienceCe rapport introduit une approche intéressante pour le rendu volumique basé sur des textures 3D. En utilisant une structure de KD-Tree, construite à partir d'un maillage 3D ou d'une représentation volumique d'arbre ou de plante, une liste de sous-volumes englobants les parties nonvide est générée. Un nombre relativement petit de sous-volumes suffit à englober finement les espaces non-vides. La liste est ensuite utilisée pour ne rendre que les parties correspondantes de la représentation volumique associée. Ce qui permet un gain important au niveau de la vitesse d'affichage. Après avoir introduit le rendu volumique basé sur des textures 3D, ainsi que la construction et l'intérêt de l'utilisation des KD-Trees, une présentation des différentes heuristiques utilisées pour la construction est faite. Elle met en avant les possibilités et limites de chaque approche. Les points techniques les plus intéressants sont détaillés. Les résultats obtenus ainsi que les perspectives résultantes montrent l'intérêt de notre méthode

Fast Volume Rendering and Deformation Algorithms

Volume rendering is a technique for simultaneous visualization of surfaces and inner structures of objects. However, the huge number of volume primitives (voxels) in a volume, leads to high computational cost. In this dissertation I developed two algorithms for the acceleration of volume rendering and volume deformation. The first algorithm accelerates the ray casting of volume. Previous ray casting acceleration techniques like space-leaping and early-ray-termination are only efficient when most voxels in a volume are either opaque or transparent. When many voxels are semi-transparent, the rendering time will increase considerably. Our new algorithm improves the performance of ray casting of semi-transparently mapped volumes by exploiting the opacity coherency in object space, leading to a speedup factor between 1.90 and 3.49 in rendering semi-transparent volumes. The acceleration is realized with the help of pre-computed coherency distances. We developed an efficient algorithm to encode the coherency information, which requires less than 12 seconds for data sets with about 8 million voxels. The second algorithm is for volume deformation. Unlike the traditional methods, our method incorporates the two stages of volume deformation, i.e. deformation and rendering, into a unified process. Instead to deform each voxel to generate an intermediate deformed volume, the algorithm follows inversely deformed rays to generate the desired deformation. The calculations and memory for generating the intermediate volume are thus saved. The deformation continuity is achieved by adaptive ray division which matches the amplitude of local deformation. We proposed approaches for shading and opacit adjustment which guarantee the visual plausibility of deformation results. We achieve an additional deformation speedup factor of 2.34~6.58 by incorporating early-ray-termination, space-leaping and the coherency acceleration technique in the new deformation algorithm

Interactive volume ray tracing

Die Visualisierung von volumetrischen Daten ist eine der interessantesten, aber sicherlich auch schwierigsten Anwendungsgebiete innerhalb der wissenschaftlichen Visualisierung. Im Gegensatz zu Oberflächenmodellen, repräsentieren solche Daten ein semi-transparentes Medium in einem 3D-Feld. Anwendungen reichen von medizinischen Untersuchungen, Simulation physikalischer Prozesse bis hin zur visuellen Kunst. Viele dieser Anwendungen verlangen Interaktivität hinsichtlich Darstellungs- und Visualisierungsparameter. Der Ray-Tracing- (Stahlverfolgungs-) Algorithmus wurde dabei, obwohl er inhärent die Interaktion mit einem solchen Medium simulieren kann, immer als zu langsam angesehen. Die meisten Forscher konzentrierten sich vielmehr auf Rasterisierungsansätze, da diese besser für Grafikkarten geeignet sind. Dabei leiden diese Ansätze entweder unter einer ungenügenden Qualität respektive Flexibilität. Die andere Alternative besteht darin, den Ray-Tracing-Algorithmus so zu beschleunigen, dass er sinnvoll für Visualisierungsanwendungen benutzt werden kann. Seit der Verfügbarkeit moderner Grafikkarten hat die Forschung auf diesem Gebiet nachgelassen, obwohl selbst moderne GPUs immer noch Limitierungen, wie beispielsweise der begrenzte Grafikkartenspeicher oder das umständliche Programmiermodell, enthalten. Die beiden in dieser Arbeit vorgestellten Methoden sind deshalb vollständig softwarebasiert, da es sinnvoller erscheint, möglichst viele Optimierungen in Software zu realisieren, bevor eine Portierung auf Hardware erfolgt. Die erste Methode wird impliziter Kd-Baum genannt, eine hierarchische und räumliche Beschleunigungstruktur, die ursprünglich für die Generierung von Isoflächen reguläre Gitterdatensätze entwickelt wurde. In der Zwischenzeit unterstützt sie auch die semi-transparente Darstellung, die Darstellung von zeitabhängigen Datensätzen und wurde erfolgreich für andere Anwendungen eingesetzt. Der zweite Algorithmus benutzt so genannte Plücker-Koordinaten, welche die Implementierung eines schnellen inkrementellen Traversierers für Datensätze erlauben, deren Primitive Tetraeder beziehungsweise Hexaeder sind. Beide Algorithmen wurden wesentlich optimiert, um eine interaktive Bildgenerierung volumetrischer Daten zu ermöglichen und stellen deshalb einen wichtigen Beitrag hin zu einem flexiblen und interaktiven Volumen-Ray-Tracing-System dar.Volume rendering is one of the most demanding and interesting topics among scientific visualization. Applications include medical examinations, simulation of physical processes, and visual art. Most of these applications demand interactivity with respect to the viewing and visualization parameters. The ray tracing algorithm, although inherently simulating light interaction with participating media, was always considered too slow. Instead, most researchers followed object-order algorithms better suited for graphics adapters, although such approaches often suffer either from low quality or lack of flexibility. Another alternative is to speed up the ray tracing algorithm to make it competitive for volumetric visualization tasks. Since the advent of modern graphic adapters, research in this area had somehow ceased, although some limitations of GPUs, e.g. limited graphics board memory and tedious programming model, are still a problem. The two methods discussed in this thesis are therefore purely software-based since it is believed that software implementations allow for a far better optimization process before porting algorithms to hardware. The first method is called implicit kd-tree, which is a hierarchical spatial acceleration structure originally developed for iso-surface rendering of regular data sets that now supports semi-transparent rendering, time-dependent data visualization, and is even used in non volume-rendering applications. The second algorithm uses so-called Plücker coordinates, providing a fast incremental traversal for data sets consisting of tetrahedral or hexahedral primitives. Both algorithms are highly optimized to support interactive rendering of volumetric data sets and are therefore major contributions towards a flexible and interactive volume ray tracing framework