09251 Abstracts Collection -- Scientific Visualization

From 06-14-2009 to 06-19-2009, the Dagstuhl Seminar 09251 ``Scientific Visualization \u27\u27 was held in Schloss Dagstuhl~--~Leibniz Center for Informatics. During the seminar, over 50 international participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general

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

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

GPU-friendly marching cubes.

Xie, Yongming.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2008.Includes bibliographical references (leaves 77-85).Abstracts in English and Chinese.Abstract --- p.iAcknowledgement --- p.iiChapter 1 --- Introduction --- p.1Chapter 1.1 --- Isosurfaces --- p.1Chapter 1.2 --- Graphics Processing Unit --- p.2Chapter 1.3 --- Objective --- p.3Chapter 1.4 --- Contribution --- p.3Chapter 1.5 --- Thesis Organization --- p.4Chapter 2 --- Marching Cubes --- p.5Chapter 2.1 --- Introduction --- p.5Chapter 2.2 --- Marching Cubes Algorithm --- p.7Chapter 2.3 --- Triangulated Cube Configuration Table --- p.12Chapter 2.4 --- Summary --- p.16Chapter 3 --- Graphics Processing Unit --- p.18Chapter 3.1 --- Introduction --- p.18Chapter 3.2 --- History of Graphics Processing Unit --- p.19Chapter 3.2.1 --- First Generation GPU --- p.20Chapter 3.2.2 --- Second Generation GPU --- p.20Chapter 3.2.3 --- Third Generation GPU --- p.20Chapter 3.2.4 --- Fourth Generation GPU --- p.21Chapter 3.3 --- The Graphics Pipelining --- p.21Chapter 3.3.1 --- Standard Graphics Pipeline --- p.21Chapter 3.3.2 --- Programmable Graphics Pipeline --- p.23Chapter 3.3.3 --- Vertex Processors --- p.25Chapter 3.3.4 --- Fragment Processors --- p.26Chapter 3.3.5 --- Frame Buffer Operations --- p.28Chapter 3.4 --- GPU CPU Analogy --- p.31Chapter 3.4.1 --- Memory Architecture --- p.31Chapter 3.4.2 --- Processing Model --- p.32Chapter 3.4.3 --- Limitation of GPU --- p.33Chapter 3.4.4 --- Input and Output --- p.34Chapter 3.4.5 --- Data Readback --- p.34Chapter 3.4.6 --- FramebufFer --- p.34Chapter 3.5 --- Summary --- p.35Chapter 4 --- Volume Rendering --- p.37Chapter 4.1 --- Introduction --- p.37Chapter 4.2 --- History of Volume Rendering --- p.38Chapter 4.3 --- Hardware Accelerated Volume Rendering --- p.40Chapter 4.3.1 --- Hardware Acceleration Volume Rendering Methods --- p.41Chapter 4.3.2 --- Proxy Geometry --- p.42Chapter 4.3.3 --- Object-Aligned Slicing --- p.43Chapter 4.3.4 --- View-Aligned Slicing --- p.45Chapter 4.4 --- Summary --- p.48Chapter 5 --- GPU-Friendly Marching Cubes --- p.49Chapter 5.1 --- Introduction --- p.49Chapter 5.2 --- Previous Work --- p.50Chapter 5.3 --- Traditional Method --- p.52Chapter 5.3.1 --- Scalar Volume Data --- p.53Chapter 5.3.2 --- Isosurface Extraction --- p.53Chapter 5.3.3 --- Flow Chart --- p.54Chapter 5.3.4 --- Transparent Isosurfaces --- p.56Chapter 5.4 --- Our Method --- p.56Chapter 5.4.1 --- Cell Selection --- p.59Chapter 5.4.2 --- Vertex Labeling --- p.61Chapter 5.4.3 --- Cell Indexing --- p.62Chapter 5.4.4 --- Interpolation --- p.65Chapter 5.5 --- Rendering Translucent Isosurfaces --- p.67Chapter 5.6 --- Implementation and Results --- p.69Chapter 5.7 --- Summary --- p.74Chapter 6 --- Conclusion --- p.76Bibliography --- p.7

A volume filtering and rendering system for an improved visual balance of feature preservation and noise suppression in medical imaging

Preserving or enhancing salient features whilst effectively suppressing noise-derived artifacts and extraneous detail have been two consistent yet competing objectives in volumetric medical image processing. Illustrative techniques (and methods inspired by them) can help to enhance and, if desired, isolate the depiction of specific regions of interest whilst retaining overall context. However, highlighting or enhancing specific features can have the undesirable side-effect of highlighting noise. Second-derivative based methods can be employed effectively in both the rendering and volume filtering stages of a visualisation pipeline to enhance the depiction of feature detail whilst minimising noise-based artifacts. We develop a new 3D anisotropic-diffusion PDE for an improved balance of feature-retention and noise reduction; furthermore, we present a feature-enhancing visualisation pipeline that can be applied to multiple modalities and has been shown to be particularly effective in the context of 3D ultrasound

Isosurface modelling of soft objects in computer graphics.

There are many different modelling techniques used in computer graphics to describe a wide range of objects and phenomena. In this thesis, details of research into the isosurface modelling technique are presented. The isosurface technique is used in conjunction with more traditional modelling techniques to describe the objects needed in the different scenes of an animation. The isosurface modelling technique allows the description and animation of objects that would be extremely difficult, or impossible to describe using other methods. The objects suitable for description using isosurface modelling are soft objects. Soft objects merge elegantly with each other, pull apart, bubble, ripple and exhibit a variety of other effects. The representation was studied in three phases of a computer animation project: modelling of the objects; animation of the objects; and the production of the images. The research clarifies and presents many algorithms needed to implement the isosurface representation in an animation system. The creation of a hierarchical computer graphics animation system implementing the isosurface representation is described. The scalar fields defining the isosurfaces are represented using a scalar field description language, created as part of this research, which is automatically generated from the hierarchical description of the scene. This language has many techniques for combining and building the scalar field from a variety of components. Surface attributes of the objects are specified within the graphics system. Techniques are described which allow the handling of these attributes along with the scalar field calculation. Many animation techniques specific to the isosurface representation are presented. By the conclusion of the research, a graphics system was created which elegantly handles the isosurface representation in a wide variety of animation situations. This thesis establishes that isosurface modelling of soft objects is a powerful and useful technique which has wide application in the computer graphics community

Generalized Trackball and 3D Touch Interaction

This thesis faces the problem of 3D interaction by means of touch and mouse input. We propose a multitouch enabled adaptation of the classical mouse based trackball interaction scheme. In addition we introduce a new interaction metaphor based on visiting the space around a virtual object remaining at a given distance. This approach allows an intuitive navigation of topologically complex shapes enabling unexperienced users to visit hard to be reached parts