Modeling of Human Head Surface by Using Triangular B-Splines

The paper deals with modeling of human head surface on the basis of quadratic triangular B-splines for the standard videocodec MPEG-4 SNHC. First, we define a triangular B-spline surface of any degree and then we present its calculation for modeling of the quadratic form. Next, we apply the quadratic triangular B-splines on modeling of the human head surface using 3D polygonal model Candide 3-1-6. For allocation of knots belonging to vertices of triangulation of the model, the limiting conditions are specified in the method of Monte-Carlo used for their generation. To achieve smoothness of the modeled human head surface, we propose an algorithm for calculating control points. Then for the proposed net of control points as well as the allocation of knots, the results of the modeled human head surface and its textured version using a texture of selected avatar are presented

New Techniques for the Modeling, Processing and Visualization of Surfaces and Volumes

With the advent of powerful 3D acquisition technology, there is a growing demand for the modeling, processing, and visualization of surfaces and volumes. The proposed methods must be efficient and robust, and they must be able to extract the essential structure of the data and to easily and quickly convey the most significant information to a human observer. Independent of the specific nature of the data, the following fundamental problems can be identified: shape reconstruction from discrete samples, data analysis, and data compression. This thesis presents several novel solutions to these problems for surfaces (Part I) and volumes (Part II). For surfaces, we adopt the well-known triangle mesh representation and develop new algorithms for discrete curvature estimation,detection of feature lines, and line-art rendering (Chapter 3), for connectivity encoding (Chapter 4), and for topology preserving compression of 2D vector fields (Chapter 5). For volumes, that are often given as discrete samples, we base our approach for reconstruction and visualization on the use of new trivariate spline spaces on a certain tetrahedral partition. We study the properties of the new spline spaces (Chapter 7) and present efficient algorithms for reconstruction and visualization by iso-surface rendering for both, regularly (Chapter 8) and irregularly (Chapter 9) distributed data samples

Interactive isosurface ray tracing of time-varying tetrahedral volumes

Journal ArticleAbstract- We describe a system for interactively rendering isosurfaces of tetrahedral finite-element scalar fields using coherent ray tracing techniques on the CPU. By employing state-of-the art methods in polygonal ray tracing, namely aggressive packet/frustum traversal of a bounding volume hierarchy, we can accomodate large and time-varying unstructured data. In conjunction with this efficiency structure, we introduce a novel technique for intersecting ray packets with tetrahedral primitives. Ray tracing is flexible, allowing for dynamic changes in isovalue and time step, visualization of multiple isosurfaces, shadows, and depth-peeling transparency effects. The resulting system offers the intuitive simplicity of isosurfacing, guaranteed-correct visual results, and ultimately a scalable, dynamic and consistently interactive solution for visualizing unstructured volumes

Modeling and Visualization of Multi-material Volumes

The terminology of multi-material volumes is discussed. The classification of the multi-material volumes is given from the spatial partitions, spatial domain for material distribution, types of involved scalar fields and types of models for material distribution and composition of several materials points of view. In addition to the technical challenges of multi-material volume representations, a range of key challenges are considered before such representations can be adopted as mainstream practice

Trivariate C1-Splines auf gleichmäßigen Partitionen

In der vorliegenden Dissertation werden Splines auf gleichmäßigen Partitionen untersucht. Ziel der Arbeit ist die Analyse von multivariaten Splineräumen und die Entwicklung von neuen Methoden zur Lösung von Interpolations- und Approximationsproblemen mit trivariaten C1-Splines. Die entwickelten Methoden werden in Hinblick auf Lokalität, Stabilität und Approximationsordnung untersucht und die Ergebnisse dem Stand der Technik gegenübergestellt. Erstmalig kann dabei eine Quasi-Interpolationsmethode für trivariate C1-Splines vom totalen Grad zwei entwickelt werden und zur interaktiven Volumenvisualisierung mit Raycasting Techniken effizient eingesetzt werden

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

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