Mental vision:a computer graphics platform for virtual reality, science and education

Despite the wide amount of computer graphics frameworks and solutions available for virtual reality, it is still difficult to find a perfect one fitting at the same time the many constraints of research and educational contexts. Advanced functionalities and user-friendliness, rendering speed and portability, or scalability and image quality are opposite characteristics rarely found into a same approach. Furthermore, fruition of virtual reality specific devices like CAVEs or wearable systems is limited by their costs and accessibility, being most of these innovations reserved to institutions and specialists able to afford and manage them through strong background knowledge in programming. Finally, computer graphics and virtual reality are a complex and difficult matter to learn, due to the heterogeneity of notions a developer needs to practice with before attempting to implement a full virtual environment. In this thesis we describe our contributions to these topics, assembled in what we called the Mental Vision platform. Mental Vision is a framework composed of three main entities. First, a teaching/research oriented graphics engine, simplifying access to 2D/3D real-time rendering on mobile devices, personal computers and CAVE systems. Second, a series of pedagogical modules to introduce and practice computer graphics and virtual reality techniques. Third, two advanced VR systems: a wearable, lightweight and handsfree mixed reality setup, and a four sides CAVE designed through off the shelf hardware. In this dissertation we explain our conceptual, architectural and technical approach, pointing out how we managed to create a robust and coherent solution reducing complexity related to cross-platform and multi-device 3D rendering, and answering simultaneously to contradictory common needs of computer graphics and virtual reality for researchers and students. A series of case studies evaluates how Mental Vision concretely satisfies these needs and achieves its goals on in vitro benchmarks and in vivo scientific and educational projects

Architectures for ubiquitous 3D on heterogeneous computing platforms

Today, a wide scope for 3D graphics applications exists, including domains such as scientific visualization, 3D-enabled web pages, and entertainment. At the same time, the devices and platforms that run and display the applications are more heterogeneous than ever. Display environments range from mobile devices to desktop systems and ultimately to distributed displays that facilitate collaborative interaction. While the capability of the client devices may vary considerably, the visualization experiences running on them should be consistent. The field of application should dictate how and on what devices users access the application, not the technical requirements to realize the 3D output. The goal of this thesis is to examine the diverse challenges involved in providing consistent and scalable visualization experiences to heterogeneous computing platforms and display setups. While we could not address the myriad of possible use cases, we developed a comprehensive set of rendering architectures in the major domains of scientific and medical visualization, web-based 3D applications, and movie virtual production. To provide the required service quality, performance, and scalability for different client devices and displays, our architectures focus on the efficient utilization and combination of the available client, server, and network resources. We present innovative solutions that incorporate methods for hybrid and distributed rendering as well as means to manage data sets and stream rendering results. We establish the browser as a promising platform for accessible and portable visualization services. We collaborated with experts from the medical field and the movie industry to evaluate the usability of our technology in real-world scenarios. The presented architectures achieve a wide coverage of display and rendering setups and at the same time share major components and concepts. Thus, they build a strong foundation for a unified system that supports a variety of use cases.Heutzutage existiert ein großer Anwendungsbereich für 3D-Grafikapplikationen wie wissenschaftliche Visualisierungen, 3D-Inhalte in Webseiten, und Unterhaltungssoftware. Gleichzeitig sind die Geräte und Plattformen, welche die Anwendungen ausführen und anzeigen, heterogener als je zuvor. Anzeigegeräte reichen von mobilen Geräten zu Desktop-Systemen bis hin zu verteilten Bildschirmumgebungen, die eine kollaborative Anwendung begünstigen. Während die Leistungsfähigkeit der Geräte stark schwanken kann, sollten die dort laufenden Visualisierungen konsistent sein. Das Anwendungsfeld sollte bestimmen, wie und auf welchem Gerät Benutzer auf die Anwendung zugreifen, nicht die technischen Voraussetzungen zur Erzeugung der 3D-Grafik. Das Ziel dieser Thesis ist es, die diversen Herausforderungen zu untersuchen, die bei der Bereitstellung von konsistenten und skalierbaren Visualisierungsanwendungen auf heterogenen Plattformen eine Rolle spielen. Während wir nicht die Vielzahl an möglichen Anwendungsfällen abdecken konnten, haben wir eine repräsentative Auswahl an Rendering-Architekturen in den Kernbereichen wissenschaftliche Visualisierung, web-basierte 3D-Anwendungen, und virtuelle Filmproduktion entwickelt. Um die geforderte Qualität, Leistung, und Skalierbarkeit für verschiedene Client-Geräte und -Anzeigen zu gewährleisten, fokussieren sich unsere Architekturen auf die effiziente Nutzung und Kombination der verfügbaren Client-, Server-, und Netzwerkressourcen. Wir präsentieren innovative Lösungen, die hybrides und verteiltes Rendering als auch das Verwalten der Datensätze und Streaming der 3D-Ausgabe umfassen. Wir etablieren den Web-Browser als vielversprechende Plattform für zugängliche und portierbare Visualisierungsdienste. Um die Verwendbarkeit unserer Technologie in realitätsnahen Szenarien zu testen, haben wir mit Experten aus der Medizin und Filmindustrie zusammengearbeitet. Unsere Architekturen erreichen eine umfassende Abdeckung von Anzeige- und Rendering-Szenarien und teilen sich gleichzeitig wesentliche Komponenten und Konzepte. Sie bilden daher eine starke Grundlage für ein einheitliches System, das eine Vielzahl an Anwendungsfällen unterstützt