A Toolset for Visualization, Interaction, and Rendering in Virtual Environments

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einigen der interessantesten Kernpunkten der Erstellung eines VR-Systems: die Vorbereitung und Vorverarbeitung der Daten, deren Visualisierung, die Interaktion mit den Daten und deren Darstellung. Es werden problem-zugeschnittene Algorithmen, sowie allgemeine Strategien zur Lösung der entstehenden Probleme vorgestellt. Insbesondere wird ein neuer Algorithmus zur Segmentierung von Bild- und Volumendaten eingeführt, der vor allem für medizinische Anwendungen relevant ist. Weiterhin wird detailliert die Visualisierung von Daten erläutert, die einen Zeitparameter enthalten. Dabei wird eine Reihe von Visualisierungs- und Interaktionswerkzeugen zur Analyse historischer Daten demonstriert. Desweiteren wird der Frage nach der Navigation und der Manipulation entfernter Objekte nachgegangen und eine neue Interaktionsmetapher vorgestellt: die Durch-Die-Linse-Metapher (through-the-lens). Basierend auf diesem Konzept werden verschiedene Navigationswerkzeuge präsentiert, die die Eigenschaften bekannter Techniken instrumentalisieren, jedoch deren Einschränkungen umgehen und eine leistungsfähige Interaktion ermöglichen. Schließlich werden zwei Algorithmen vorgestellt, die eine schnelle Darstellung der zu visualisierenden Daten in einer virtuellen Umgebung ermöglichen. Jeder dieser Algorithmen nutzt typische Eigenschaften der Repräsentation. Erstens wird ein bild-basierter Ansatz vorgestellt, der auf Merkmalen des Durch-Die-Linse-Konzeptes beruht. Zweitens wird auf die Stereo-Ausgabe von großen Szenen im Allgemeinen eingegangen.This work addresses some of the most pressing issues considering the assembly of a virtual reality system: the data preprocessing and preparation, the data visualization, the interaction with the data, and their display. The work presents problem-tailored algorithms, as well as general strategies for tackling the introduced problems. In particular, a new algorithm for segmenting image and volume data is discussed, addressing foremost medical applications in general. Moreover, a detailed discussion on visualization issues of data containing a time dimension is provided, demonstrating a set of visualization and interaction props for the analysis of historical events in time. We describe a set of tools for simultaneously visualization of various parameters of interest and for interactive study of historical events. In addition, the navigation in general is analyzed, as well as the remote object manipulation in virtual environments, presenting a new interaction metaphor: the through-the-lens metaphor. Based on this new concept, a set of navigation tools is introduced, which exploit features of existing techniques, attempting to overcome their limitations and to enable more powerful interaction. Finally, in order to enable fast rendering of the visualized data, two algorithms for accelerating the rendering performance of a virtual reality system are proposed. Each of them exploits particular characteristics of the representation: (1) an image-based rendering approach based on the features of the introduced through-the-lens tools is presented, (2) the stereo rendering of large scenes is addressed in general