Real-time GPU-accelerated Out-of-Core Rendering and Light-field Display Visualization for Improved Massive Volume Understanding

Nowadays huge digital models are becoming increasingly available for a number of different applications ranging from CAD, industrial design to medicine and natural sciences. Particularly, in the field of medicine, data acquisition devices such as MRI or CT scanners routinely produce huge volumetric datasets. Currently, these datasets can easily reach dimensions of 1024^3 voxels and datasets larger than that are not uncommon. This thesis focuses on efficient methods for the interactive exploration of such large volumes using direct volume visualization techniques on commodity platforms. To reach this goal specialized multi-resolution structures and algorithms, which are able to directly render volumes of potentially unlimited size are introduced. The developed techniques are output sensitive and their rendering costs depend only on the complexity of the generated images and not on the complexity of the input datasets. The advanced characteristics of modern GPGPU architectures are exploited and combined with an out-of-core framework in order to provide a more flexible, scalable and efficient implementation of these algorithms and data structures on single GPUs and GPU clusters. To improve visual perception and understanding, the use of novel 3D display technology based on a light-field approach is introduced. This kind of device allows multiple naked-eye users to perceive virtual objects floating inside the display workspace, exploiting the stereo and horizontal parallax. A set of specialized and interactive illustrative techniques capable of providing different contextual information in different areas of the display, as well as an out-of-core CUDA based ray-casting engine with a number of improvements over current GPU volume ray-casters are both reported. The possibilities of the system are demonstrated by the multi-user interactive exploration of 64-GVoxel datasets on a 35-MPixel light-field display driven by a cluster of PCs. ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Negli ultimi anni si sta verificando una proliferazione sempre più consistente di modelli digitali di notevoli dimensioni in campi applicativi che variano dal CAD e la progettazione industriale alla medicina e le scienze naturali. In modo particolare, nel settore della medicina, le apparecchiature di acquisizione dei dati come RM o TAC producono comunemente dei dataset volumetrici di grosse dimensioni. Questi dataset possono facilmente raggiungere taglie dell’ordine di 10243 voxels e dataset di dimensioni maggiori possono essere frequenti. Questa tesi si focalizza su metodi efficienti per l’esplorazione di tali grossi volumi utilizzando tecniche di visualizzazione diretta su piattaforme HW di diffusione di massa. Per raggiungere tale obiettivo si introducono strutture specializzate multi-risoluzione e algoritmi in grado di visualizzare volumi di dimensioni potenzialmente infinite. Le tecniche sviluppate sono “ouput sensitive” e la loro complessità di rendering dipende soltanto dalle dimensioni delle immagini generate e non dalle dimensioni dei dataset di input. Le caratteristiche avanzate delle architetture moderne GPGPU vengono inoltre sfruttate e combinate con un framework “out-of-core” in modo da offrire una implementazione di questi algoritmi e strutture dati più flessibile, scalabile ed efficiente su singole GPU o cluster di GPU. Per migliorare la percezione visiva e la comprensione dei dati, viene introdotto inoltre l’uso di tecnologie di display 3D di nuova generazione basate su un approccio di tipo light-field. Questi tipi di dispositivi consentono a diversi utenti di percepire ad occhio nudo oggetti che galleggiano all’interno dello spazio di lavoro del display, sfruttando lo stereo e la parallasse orizzontale. Si descrivono infine un insieme di tecniche illustrative interattive in grado di fornire diverse informazioni contestuali in diverse zone del display, così come un motore di “ray-casting out-of-core” basato su CUDA e contenente una serie di miglioramenti rispetto agli attuali metodi GPU di “ray-casting” di volumi. Le possibilità del sistema sono dimostrate attraverso l’esplorazione interattiva di dataset di 64-GVoxel su un display di tipo light-field da 35-MPixel pilotato da un cluster di PC