Ray tracing techniques for computer games and isosurface visualization

Ray tracing is a powerful image synthesis technique, that has been used for high-quality offline rendering since decades. In recent years, this technique has become more important for realtime applications, but still plays only a minor role in many areas. Some of the reasons are that ray tracing is compute intensive and has to rely on preprocessed data structures to achieve fast performance. This dissertation investigates methods to broaden the applicability of ray tracing and is divided into two parts. The first part explores the opportunities offered by ray tracing based game technology in the context of current and expected future performance levels. In this regard, novel methods are developed to efficiently support certain kinds of dynamic scenes, while avoiding the burden to fully recompute the required data structures. Furthermore, todays ray tracing performance levels are below what is needed for 3D games. Therefore, the multi-core CPU of the Playstation 3 is investigated, and an optimized ray tracing architecture presented to take steps towards the required performance. In part two, the focus shifts to isosurface raytracing. Isosurfaces are particularly important to understand the distribution of certain values in volumetric data. Since the structure of volumetric data sets is diverse, op- timized algorithms and data structures are developed for rectilinear as well as unstructured data sets which allow for realtime rendering of isosurfaces including advanced shading and visualization effects. This also includes tech- niques for out-of-core and time-varying data sets.Ray-tracing ist ein flexibles Bildgebungsverfahren, das schon seit Jahrzehnten für hoch qualitative, aber langsame Bilderzeugung genutzt wird. In den letzten Jahren wurde Ray-tracing auch für Echtzeitanwendungen immer interessanter, spielt aber in vielen Anwendungsbereichen noch immer eine untergeordnete Rolle. Einige der Gründe sind die Rechenintensität von Ray-tracing sowie die Abhängigkeit von vorberechneten Datenstrukturen um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Diese Dissertation untersucht Methoden um die Anwendbarkeit von Ray-tracing in zwei verschiedenen Bereichen zu erhöhen. Im ersten Teil dieser Dissertation werden die Möglichkeiten, die Ray- tracing basierte Spieletechnologie bietet, im Kontext mit aktueller sowie zukünftig erwarteten Geschwindigkeiten untersucht. Darüber hinaus werden in diesem Zusammenhang Methoden entwickelt um bestimmte zeitveränderliche Szenen darstellen zu können ohne die dafür benötigen Datenstrukturen von Grund auf neu erstellen zu müssen. Da die Geschwindigkeit von Ray-tracing für Spiele bisher nicht ausreichend ist, wird die Mehrkern- CPU der Playstation 3 untersucht, und ein optimiertes Ray-tracing System beschrieben, das Ray-tracing näher an die benötigte Geschwindigkeit heranbringt. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Darstellung von Isoflächen mittels Ray-tracing. Isoflächen sind insbesonders wichtig um die Verteilung einzelner Werte in volumetrischen Datensätzen zu verstehen. Da diese Datensätze verschieden strukturiert sein können, werden für gitterförmige und unstrukturierte Datensätze optimierte Algorithmen und Datenstrukturen entwickelt, die die Echtzeitdarstellung von Isoflächen erlauben. Dies beinhaltet auch Erweiterungen für extrem große und zeitveränderliche Datensätze

Visualization techniques to aid in the analysis of multi-spectral astrophysical data sets

The goal of this project was to support the scientific analysis of multi-spectral astrophysical data by means of scientific visualization. Scientific visualization offers its greatest value if it is not used as a method separate or alternative to other data analysis methods but rather in addition to these methods. Together with quantitative analysis of data, such as offered by statistical analysis, image or signal processing, visualization attempts to explore all information inherent in astrophysical data in the most effective way. Data visualization is one aspect of data analysis. Our taxonomy as developed in Section 2 includes identification and access to existing information, preprocessing and quantitative analysis of data, visual representation and the user interface as major components to the software environment of astrophysical data analysis. In pursuing our goal to provide methods and tools for scientific visualization of multi-spectral astrophysical data, we therefore looked at scientific data analysis as one whole process, adding visualization tools to an already existing environment and integrating the various components that define a scientific data analysis environment. As long as the software development process of each component is separate from all other components, users of data analysis software are constantly interrupted in their scientific work in order to convert from one data format to another, or to move from one storage medium to another, or to switch from one user interface to another. We also took an in-depth look at scientific visualization and its underlying concepts, current visualization systems, their contributions, and their shortcomings. The role of data visualization is to stimulate mental processes different from quantitative data analysis, such as the perception of spatial relationships or the discovery of patterns or anomalies while browsing through large data sets. Visualization often leads to an intuitive understanding of the meaning of data values and their relationships by sacrificing accuracy in interpreting the data values. In order to be accurate in the interpretation, data values need to be measured, computed on, and compared to theoretical or empirical models (quantitative analysis). If visualization software hampers quantitative analysis (which happens with some commercial visualization products), its use is greatly diminished for astrophysical data analysis. The software system STAR (Scientific Toolkit for Astrophysical Research) was developed as a prototype during the course of the project to better understand the pragmatic concerns raised in the project. STAR led to a better understanding on the importance of collaboration between astrophysicists and computer scientists

Advanced interaction techniques for medical models

Advances in Medical Visualization allows the analysis of anatomical structures with the use of 3D models reconstructed from a stack of intensity-based images acquired through different techniques, being Computerized Tomographic (CT) modality one of the most common. A general medical volume graphics application usually includes an exploration task which is sometimes preceded by an analysis process where the anatomical structures of interest are first identified. The main objective of this thesis is the improvement of the user experience in the analysis and exploration of medical datasets. This improvement involves the development of efficient algorithms designed both under a user-centered perspective and taking the new computing capabilities into account in order to obtain high quality results in real-time. On the analysis stage, we have focused on the identification of the bones at joints, which is particularly challenging because the bones are very close to each other and their boundaries become ambiguous in CT images. We have concentrated our efforts on reaching maximum automation of the overall process. The proposed algorithm uses an example mesh of the same bone that has to be segmented, usually from a different person, to drive the segmentation process. The algorithm is based on an energy minimization scheme to deform the initial example mesh while following the well-defined features of the volume data to be segmented in a local and adaptive way. We also present contributions on three different aspects of the exploration task: a best-view determination system and centering in virtual reality environments, a focus-and-context technique and a point selection method. In medical practice it would often be very useful to have access to a quick pre-visualization of the involved medical dataset. We have proposed a new system which allows users to obtain a set of representative views in a short time and permits the generation of inspection paths at almost no extra cost. The technique relies on the use of a multiscale entropy measure for the generation of good viewpoints and uses a complexity-based metric, the normalized compression distance, for the calculation of the representative views set. In the exploration of medical datasets, it is difficult to simultaneously visualize interior and exterior structures because the structures are commonly quite complex and it is easy to lose the context. We have developed a new interaction tool, the Virtual Magic Lantern, tailored to facilitate volumetric data inspection in a Virtual Reality environment. It behaves like a lantern whose illumination cone determines the region of interest. It addresses the occlusion management problem and facilitates the inspection of inner structures without the total elimination of the exterior structures, offering in this way, a focus+context-based visualization of the overall structures. Finally, the analysis of medical datasets may require the selection of 3D points for measurements involving anatomical structures. Although there are well-established 3D object selection techniques for polygonal models, there is a lack of techniques specifically developed for volume datasets. We present a new selection technique for Virtual Reality setups which allows users to easily select anchor points in non-necessarily segmented volume datasets rendered using Direct Volume Rendering. This new metaphor is based on the use of a ray emanating from the user, whose trajectory is enriched with its points of intersection with the on-the-fly determination of the isosurfaces along the ray path. Additionally, a visual feedback of the ray selection is offered through the use of two helper mirror views, in order to show occluded candidate points that would otherwise be invisible to the user without posterior and ad-hoc manipulation.Els avenços en la investigació en el camp de Medical Visualization permeten l’anàlisi de models volumètrics tridimensionals d’estructures anatòmiques obtinguts a partir d’imatgesmèdiques capturades mitjançant diferents tècniques, essent la Tomografia Computeritzada (TC) una de lesmés habituals. Generalment, les aplicacions informàtiques d’ajuda al diagnòstic, la simulació, etc., permeten l’exploració interactiva d’aquest tipus de models, una tasca que pot anar precedida d’un procés d’identificació (segmentació) de les estructures anatòmiques per tal de possibilitar la seva exploració. L’objectiu d’aquesta tesi és millorar l’eficiència i l’experiència de l’usuari, tant de la tasca de segmentació com de l’exploració. Per tal d’assolir-ho s’han desenvolupat diversos algorismes; dissenyats sota una perspectiva centrada en l’usuari i fent servir els darrers avenços tecnològics de las targes gràfiques, el que ens permet obtenir resultats visuals de màxima qualitat en temps real. Respecte de la tasca de segmentació, ens hem centrat en el problema de la identificació d’ossos ubicats en articulacions, en models capturats mitjançant TC. La identificació d’aquests ossos pot arribar a ser molt feixuga i costosa fent servir les tècniques clàssiques de segmentació. La recerca realitzada en elmarc de la tesi s’ha enfocat en assolir la màxima automatització possible del procés sencer. La tècnica proposada empra una malla triangular d’exemple de l’os que es vol segmentar, que es fará servir per guiar tot el procés de segmentació. L’algorisme deforma de forma local i adaptativa aquesta malla, adaptant-la a la informació present en el model volumètric en les parts en que la seva frontera està definida de forma no ambigua, i respectant la forma original en les zones en les que el model presenta algun tipus d’incertesa en la definició de la frontera, ja sigui be perque l’estructura òssia apareix totalment unida a altres estructures òssies de l’articulació o be degut a que la informació capturada no presenta una frontera ben contrastada. Per altra banda, en la pràctica clínica pot ser de molta utilitat oferir a l’usuari una previsualització ràpida del model volumètric que ha d’inspeccionar. En aquesta tesi elaborem una nova tècnica que permet obtenir en un temps acceptable un conjunt de vistes representatives d’un model volumètric, així comla generació automàtica d’una animació a l’entorn del model que facilita a l’usuari una ràpida comprensió del mateix. La tècnica desenvolupada utilitza una formulació de l’entropia multiescala per la obtenció de bones vistes i la distància de compressió normalitzada, una mètrica del camp de la teoria de la complexitat, per establir el conjunt de vistes representatives. En l’exploració de models mèdics pot ser difícil la visualització simultània d’estructures internes i externes. Per abordar aquest problema s’ha desenvolupat una nova tècnica d’interacció anomenada Virtual Magic Lantern, pensada per a facilitar la inspecció d’aquests models en entorns de realitat virtual. Aquesta metàfora d’interacció es comporta com una llanterna. El seu feix de llum determina una regió d’interès del model, que serà visualitzada emprant una funció de transferència específica permetent la visualització de les estructures internes sense eliminar el context de tot el model. En l’anàlisi de modelsmédics pot ser necessària la selecció de punts concrets per a poder realitzar algun tipus de medició entre estructures anatòmiques. Depenent del algorisme de visualització del model, determinar quin punt exactament vol seleccionar l’usuari pot no tenir un resultat únic. Per solventar aquest problema, s’ha desenvolupat una nova metàfora d’interacció per entorns de realitat virtual, que permet la selecció de punts en un model volumètric no necessàriament segmentat. Aquesta tècnica es basa en l’ús d’un raig originat en la mà de l’usuari, sobre el que es visualitzen els punts d’intersecció amb les estructures anatòmiques que travessa. Donat que la superfície d’aquestes estructures no està explícitament definida, s’ha requerit desenvolupar especialment un càlcul ràpid i precís de les seves interseccions amb el raig. Per tal de facilitar la visió dels punts interiors a superfícies opaques i enriquir la visualització global, s’afegeix sobre dos plans auxiliars la visió del volum tallat garantint la visibilitat total del conjunt de punts.Los avances en la investigación en el área de Medical Visualization permiten el análisis de modelos volumétricos tridimensionales de estructuras anatómicas, los cuales se obtienen a partir de imágenes médicas capturadas mediante diferentes técnicas de captación, siendo la Tomografía Computerizada (TC) una de las más frecuentes. Habitualmente, las aplicaciones informáticas orientadas al análisis de este tipo de modelos, bien sean para el soporte al diagnóstico, simuladores médicos o la planificación de procesos quirúrgicos, permiten la exploración interactiva de los modelos volumétricos. Dependiendo de las estructuras anatómicas que se precise analizar, puede ser necesario realizar un proceso de identificación (segmentación) de las estructuras anatómicas para posibilitar su posterior inspección. El objetivo principal de esta tesis ha consistido en el desarrollo de nuevas técnicas informáticas que mejoren la experiencia del usuario en los procesos tanto de segmentación como de exploración de un modelo volumétrico. Para alcanzar dicho objetivo, ha sido necesario el desarrollo de algoritmos eficientes diseñados teniendo particularmente en cuenta al usuario final y explotando los últimos avances en la tecnología de las tarjetas gráficas para poder obtener resultados visuales de la máxima calidad en tiempo real. En lo relativo al proceso de segmentación, nos hemos centrado en la identificación de las estructuras óseas ubicadas en articulaciones, en modelos capturadosmediante TC. La identificación de este tipo de estructuras usando los métodos tradicionales de segmentación puede llegar a ser muy tediosa, debido a que puede necesitarse mucha intervención por parte del usuario. La investigación llevada a cabo ha tenido como objetivo principal el maximizar el grado de automatización en el proceso de segmentación de este tipo de estructuras. La técnica propuesta parte de un ejemplo de la estructura ósea (malla triangular) que se quiere segmentar, generada a partir de los datos o bien de otra persona o bien de la misma persona en otras circunstancias. A partir de este ejemplo el algoritmo deforma la malla de manera local y adaptativa, adaptandola a la información presente en elmodelo volumétrico en aquellas zonas donde la frontera de la estructura está definida de forma no ambígua, y respetando la forma de la malla original en aquellas otras zonas en las cuales el modelo volumétrico presenta algún tipo de incertidumbre en la definición de la frontera, ya sea porque la estructura ósea aparece totalmente unida a otras estructuras óseas de la articulación o debido a que la información capturada no presenta una frontera bien contrastada. En lo relativo al proceso de exploración, esta tesis presenta resultados en dos vertientes distintas. Por un lado, la generación automática de una previsualización del modelo volumétrico y por el otro lado, el desarrollo de nuevas técnicas de interacción que faciliten la exploración de modelos volumétricos en entornos de realidad virtual. Ofrecer al usuario una previsualización rápida del modelo volumétrico que ha de inspeccionar, puede ser de mucha utilidad en la práctica clínica. En esta tesis elaboramos un nuevo sistema que permite obtener en un tiempo razonable un conjunto de vistas representativas del modelo volumétrico, así como la generación de una animación alrededor del modelo que facilita al usuario una rápida comprensión del mismo. Las técnicas desarrolladas se basan en el uso de la entropía multiescala para el cálculo de vistas informativas del modelo volumétrico. A partir del conjunto de vistas calculadas y mediante el uso de la distancia de compresión normalizada, una métrica de Teoría de la Complejidad, se puede calcular un subconjunto de vistas representativas del modelo volumétrico. Por otro lado, en la exploración de modelos volumétricos puede ser difícil visualizar simultáneamente estructuras anatómicas internas y externas. Esto es debido a que las estructuras son bastantes complejas, y es fácil perder la referencia respecto a otras estructuras anatómicas. En esta tesis se ha desarrollado una nueva técnica de interacción, bautizada como VirtualMagic Lantern, orientada a facilitar la inspección de modelos volumétricos en entornos de realidad virtual. Esta nueva metáfora de interacción se comporta como una linterna de mano guiada por el usuario, cuyo haz de luz define sobre el modelo volumétrico una región de interés. Esta región de interés será visualizada utilizando una función de transferencia diferente a la usada para el resto del modelo, posibilitando de esta manera la inspección de estructuras internas sin eliminar totalmente el resto delmodelo. En el análisis de modelos médicos puede ser necesaria la selección de puntos concretos para poder realizar algún tipo de medición entre estructuras anatómicas. Dependiendo del tipo de visualización del modelo, determinar qué punto exactamente quiere seleccionar el usuario puede no tener un resultado único. Para solucionar este problema, se presenta una nuevametáfora de interacción en entornos de realidad virtual para la selección de puntos anatómicos de un modelo volumétrico no necesariamente segmentado. Esta técnica se basa en el uso de un rayo originado en la mano del usuario, sobre el que son visualizados los puntos de intersección de las estructuras anatómicas que atraviesa. Dado que la superficie de estas estructuras anatómicas no está explícitamente representada en el modelo volumétrico, se ha requerido desarrollar un cálculo preciso y rápido de la intersección del rayo con estas estructuras. Para ofrecer una visualización de los puntos calculados sin ningún tipo de oclusión por parte de las estructuras anatómicas existentes en el modelo, se ha añadido a la visualización global la visualización de dos paneles auxiliares en los cuales se muestra el mismo modelo volumétrico recortado de tal manera que sean completamente visibles el conjunto de los puntos. De esta forma, se facilita al usuario la selección de los puntos calculados sin tener que realizar ningún tipo de manipulación del modelo para poder obtener una visualización en la que los puntos calculados sean visibles

Ubiquitous volume rendering in the web platform

176 p.The main thesis hypothesis is that ubiquitous volume rendering can be achieved using WebGL. The thesis enumerates the challenges that should be met to achieve that goal. The results allow web content developers the integration of interactive volume rendering within standard HTML5 web pages. Content developers only need to declare the X3D nodes that provide the rendering characteristics they desire. In contrast to the systems that provide specific GPU programs, the presented architecture creates automatically the GPU code required by the WebGL graphics pipeline. This code is generated directly from the X3D nodes declared in the virtual scene. Therefore, content developers do not need to know about the GPU.The thesis extends previous research on web compatible volume data structures for WebGL, ray-casting hybrid surface and volumetric rendering, progressive volume rendering and some specific problems related to the visualization of medical datasets. Finally, the thesis contributes to the X3D standard with some proposals to extend and improve the volume rendering component. The proposals are in an advance stage towards their acceptance by the Web3D Consortium

Ubiquitous volume rendering in the web platform

176 p.The main thesis hypothesis is that ubiquitous volume rendering can be achieved using WebGL. The thesis enumerates the challenges that should be met to achieve that goal. The results allow web content developers the integration of interactive volume rendering within standard HTML5 web pages. Content developers only need to declare the X3D nodes that provide the rendering characteristics they desire. In contrast to the systems that provide specific GPU programs, the presented architecture creates automatically the GPU code required by the WebGL graphics pipeline. This code is generated directly from the X3D nodes declared in the virtual scene. Therefore, content developers do not need to know about the GPU.The thesis extends previous research on web compatible volume data structures for WebGL, ray-casting hybrid surface and volumetric rendering, progressive volume rendering and some specific problems related to the visualization of medical datasets. Finally, the thesis contributes to the X3D standard with some proposals to extend and improve the volume rendering component. The proposals are in an advance stage towards their acceptance by the Web3D Consortium

Efficient automatic correction and segmentation based 3D visualization of magnetic resonance images

In the recent years, the demand for automated processing techniques for digital medical image volumes has increased substantially. Existing algorithms, however, still often require manual interaction, and newly developed automated techniques are often intended for a narrow segment of processing needs. The goal of this research was to develop algorithms suitable for fast and effective correction and advanced visualization of digital MR image volumes with minimal human operator interaction. This research has resulted in a number of techniques for automated processing of MR image volumes, including a novel MR inhomogeneity correction algorithm derivative surface fitting (dsf), automatic tissue detection algorithm (atd), and a new fast technique for interactive 3D visualization of segmented volumes called gravitational shading (gs). These newly developed algorithms provided a foundation for the automated MR processing pipeline incorporated into the UniViewer medical imaging software developed in our group and available to the public. This allowed the extensive testing and evaluation of the proposed techniques. Dsf was compared with two previously published methods on 17 digital image volumes. Dsf demonstrated faster correction speeds and uniform image quality improvement in this comparison. Dsf was the only algorithm that did not remove anatomic detail. Gs was compared with the previously published algorithm fsvr and produced rendering quality improvement while preserving real-time frame-rates. These results show that the automated pipeline design principles used in this dissertation provide necessary tools for development of a fast and effective system for the automated correction and visualization of digital MR image volumes

Real-time quality visualization of medical models on commodity and mobile devices

This thesis concerns the specific field of visualization of medical models using commodity and mobile devices. Mechanisms for medical imaging acquisition such as MRI, CT, and micro-CT scanners are continuously evolving, up to the point of obtaining volume datasets of large resolutions (> 512^3). As these datasets grow in resolution, its treatment and visualization become more and more expensive due to their computational requirements. For this reason, special techniques such as data pre-processing (filtering, construction of multi-resolution structures, etc.) and sophisticated algorithms have to be introduced in different points of the visualization pipeline to achieve the best visual quality without compromising performance times. The problem of managing big datasets comes from the fact that we have limited computational resources. Not long ago, the only physicians that were rendering volumes were radiologists. Nowadays, the outcome of diagnosis is the data itself, and medical doctors need to render them in commodity PCs (even patients may want to render the data, and the DVDs are commonly accompanied with a DICOM viewer software). Furthermore, with the increasing use of technology in daily clinical tasks, small devices such as mobile phones and tablets can fit the needs of medical doctors in some specific areas. Visualizing diagnosis images of patients becomes more challenging when it comes to using these devices instead of desktop computers, as they generally have more restrictive hardware specifications. The goal of this Ph.D. thesis is the real-time, quality visualization of medium to large medical volume datasets (resolutions >= 512^3 voxels) on mobile phones and commodity devices. To address this problem, we use multiresolution techniques that apply downsampling techniques on the full resolution datasets to produce coarser representations which are easier to handle. We have focused our efforts on the application of Volume Visualization in the clinical practice, so we have a particular interest in creating solutions that require short pre-processing times that quickly provide the specialists with the data outcome, maximize the preservation of features and the visual quality of the final images, achieve high frame rates that allow interactive visualizations, and make efficient use of the computational resources. The contributions achieved during this thesis comprise improvements in several stages of the visualization pipeline. The techniques we propose are located in the stages of multi-resolution generation, transfer function design and the GPU ray casting algorithm itself.Esta tesis se centra en la visualización de modelos médicos de volumen en dispositivos móviles y de bajas prestaciones. Los sistemas médicos de captación tales como escáners MRI, CT y micro-CT, están en constante evolución, hasta el punto de obtener modelos de volumen de gran resolución (> 512^3). A medida que estos datos crecen en resolución, su manejo y visualización se vuelve más y más costoso debido a sus requisitos computacionales. Por este motivo, técnicas especiales como el pre-proceso de datos (filtrado, construcción de estructuras multiresolución, etc.) y algoritmos específicos se tienen que introducir en diferentes puntos de la pipeline de visualización para conseguir la mejor calidad visual posible sin comprometer el rendimiento. El problema que supone manejar grandes volumenes de datos es debido a que tenemos recursos computacionales limitados. Hace no mucho, las únicas personas en el ámbito médico que visualizaban datos de volumen eran los radiólogos. Hoy en día, el resultado de la diagnosis son los datos en sí, y los médicos necesitan renderizar estos datos en PCs de características modestas (incluso los pacientes pueden querer visualizar estos datos, pues los DVDs con los resultados suelen venir acompañados de un visor de imágenes DICOM). Además, con el reciente aumento del uso de las tecnologías en la clínica práctica habitual, dispositivos pequeños como teléfonos móviles o tablets son los más convenientes en algunos casos. La visualización de volumen es más difícil en este tipo de dispositivos que en equipos de sobremesa, pues las limitaciones de su hardware son superiores. El objetivo de esta tesis doctoral es la visualización de calidad en tiempo real de modelos grandes de volumen (resoluciones >= 512^3 voxels) en teléfonos móviles y dispositivos de bajas prestaciones. Para enfrentarnos a este problema, utilizamos técnicas multiresolución que aplican técnicas de reducción de datos a los modelos en resolución original, para así obtener modelos de menor resolución. Hemos centrado nuestros esfuerzos en la aplicación de la visualización de volumen en la práctica clínica, así que tenemos especial interés en diseñar soluciones que requieran cortos tiempos de pre-proceso para que los especialistas tengan rápidamente los resultados a su disposición. También, queremos maximizar la conservación de detalles de interés y la calidad de las imágenes finales, conseguir frame rates altos que faciliten visualizaciones interactivas y que hagan un uso eficiente de los recursos computacionales. Las contribuciones aportadas por esta tesis són mejoras en varias etapas de la pipeline de visualización. Las técnicas que proponemos se situan en las etapas de generación de la estructura multiresolución, el diseño de la función de transferencia y el algoritmo de ray casting en la GPU.Postprint (published version

Real-time quality visualization of medical models on commodity and mobile devices

This thesis concerns the specific field of visualization of medical models using commodity and mobile devices. Mechanisms for medical imaging acquisition such as MRI, CT, and micro-CT scanners are continuously evolving, up to the point of obtaining volume datasets of large resolutions (> 512^3). As these datasets grow in resolution, its treatment and visualization become more and more expensive due to their computational requirements. For this reason, special techniques such as data pre-processing (filtering, construction of multi-resolution structures, etc.) and sophisticated algorithms have to be introduced in different points of the visualization pipeline to achieve the best visual quality without compromising performance times. The problem of managing big datasets comes from the fact that we have limited computational resources. Not long ago, the only physicians that were rendering volumes were radiologists. Nowadays, the outcome of diagnosis is the data itself, and medical doctors need to render them in commodity PCs (even patients may want to render the data, and the DVDs are commonly accompanied with a DICOM viewer software). Furthermore, with the increasing use of technology in daily clinical tasks, small devices such as mobile phones and tablets can fit the needs of medical doctors in some specific areas. Visualizing diagnosis images of patients becomes more challenging when it comes to using these devices instead of desktop computers, as they generally have more restrictive hardware specifications. The goal of this Ph.D. thesis is the real-time, quality visualization of medium to large medical volume datasets (resolutions >= 512^3 voxels) on mobile phones and commodity devices. To address this problem, we use multiresolution techniques that apply downsampling techniques on the full resolution datasets to produce coarser representations which are easier to handle. We have focused our efforts on the application of Volume Visualization in the clinical practice, so we have a particular interest in creating solutions that require short pre-processing times that quickly provide the specialists with the data outcome, maximize the preservation of features and the visual quality of the final images, achieve high frame rates that allow interactive visualizations, and make efficient use of the computational resources. The contributions achieved during this thesis comprise improvements in several stages of the visualization pipeline. The techniques we propose are located in the stages of multi-resolution generation, transfer function design and the GPU ray casting algorithm itself.Esta tesis se centra en la visualización de modelos médicos de volumen en dispositivos móviles y de bajas prestaciones. Los sistemas médicos de captación tales como escáners MRI, CT y micro-CT, están en constante evolución, hasta el punto de obtener modelos de volumen de gran resolución (> 512^3). A medida que estos datos crecen en resolución, su manejo y visualización se vuelve más y más costoso debido a sus requisitos computacionales. Por este motivo, técnicas especiales como el pre-proceso de datos (filtrado, construcción de estructuras multiresolución, etc.) y algoritmos específicos se tienen que introducir en diferentes puntos de la pipeline de visualización para conseguir la mejor calidad visual posible sin comprometer el rendimiento. El problema que supone manejar grandes volumenes de datos es debido a que tenemos recursos computacionales limitados. Hace no mucho, las únicas personas en el ámbito médico que visualizaban datos de volumen eran los radiólogos. Hoy en día, el resultado de la diagnosis son los datos en sí, y los médicos necesitan renderizar estos datos en PCs de características modestas (incluso los pacientes pueden querer visualizar estos datos, pues los DVDs con los resultados suelen venir acompañados de un visor de imágenes DICOM). Además, con el reciente aumento del uso de las tecnologías en la clínica práctica habitual, dispositivos pequeños como teléfonos móviles o tablets son los más convenientes en algunos casos. La visualización de volumen es más difícil en este tipo de dispositivos que en equipos de sobremesa, pues las limitaciones de su hardware son superiores. El objetivo de esta tesis doctoral es la visualización de calidad en tiempo real de modelos grandes de volumen (resoluciones >= 512^3 voxels) en teléfonos móviles y dispositivos de bajas prestaciones. Para enfrentarnos a este problema, utilizamos técnicas multiresolución que aplican técnicas de reducción de datos a los modelos en resolución original, para así obtener modelos de menor resolución. Hemos centrado nuestros esfuerzos en la aplicación de la visualización de volumen en la práctica clínica, así que tenemos especial interés en diseñar soluciones que requieran cortos tiempos de pre-proceso para que los especialistas tengan rápidamente los resultados a su disposición. También, queremos maximizar la conservación de detalles de interés y la calidad de las imágenes finales, conseguir frame rates altos que faciliten visualizaciones interactivas y que hagan un uso eficiente de los recursos computacionales. Las contribuciones aportadas por esta tesis són mejoras en varias etapas de la pipeline de visualización. Las técnicas que proponemos se situan en las etapas de generación de la estructura multiresolución, el diseño de la función de transferencia y el algoritmo de ray casting en la GPU

Interactive visualization of computational fluid dynamics data.

This thesis describes a literature study and a practical research in the area of flow visualization, with special emphasis on the interactive visualization of Computational Fluid Dynamics (CFD) datasets. Given the four main categories of flow visualization methodology; direct, geometric, texture-based and feature-based flow visualization, the research focus of our thesis is on the direct, geometric and feature-based techniques. And the feature-based flow visualization is highlighted in this thesis. After we present an overview of the state-of-the-art of the recent developments in the flow visualization in higher spatial dimensions (2.5D, 3D and 4D), we propose a fast, simple, and interactive glyph placement algorithm for investigating and visualizing boundary flow data based on unstructured, adaptive resolution boundary meshes from CFD dataset. Afterward, we propose a novel, automatic mesh-driven vector field clustering algorithm which couples the properties of the vector field and resolution of underlying mesh into a unified distance measure for producing high-level, intuitive and suggestive visualization of large, unstructured, adaptive resolution boundary CFD meshes based vector fields. Next we present a novel application with multiple-coordinated views for interactive information-assisted visualization of multidimensional marine turbine CFD data. Information visualization techniques are combined with user interaction to exploit our cognitive ability for intuitive extraction of flow features from CFD datasets. Later, we discuss the design and implementation of each visualization technique used in our interactive flow visualization framework, such as glyphs, streamlines, parallel coordinate plots, etc. In this thesis, we focus on the interactive visualization of the real-world CFD datasets, and present a number of new methods or algorithms to address several related challenges in flow visualization. We strongly believe that the user interaction is a crucial part of an effective data analysis and visualization of large and complex datasets such as CFD datasets we use in this thesis. In order to demonstrate the use of the proposed techniques in this thesis, CFD domain experts reviews are also provided