Real Time Rendering of Deformable and Semi-Transparent Objects by Volume Rendering


Guetat, Amel


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URL: https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/2022
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-20220
Dokumenttyp: Dissertation
Erscheinungsjahr: 2008
Ort der Veröffentlichung: Mannheim
Verlag: Universität Mannheim
Hochschule: Universität Mannheim
Gutachter: Hesser, Jürgen
Datum der mündl. Prüfung: 30 Juni 2008
Sprache der Veröffentlichung: Englisch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Theoretische Informatik (Krause)
Fachgebiet: 004 Informatik
Normierte Schlagwörter (SWD): Volumen-Rendering , Deformation , Ray casting , Shear-Warp-Verfahren
Freie Schlagwörter (Englisch): Volume rendering , Volume deformation , Pre-integration , Ray casting , Shear warp , Free Form Deformation , Coherence encoding
Abstract: Volume rendering is one of the key technique to display data from diverse application fields like medicine, industrial quality control, and numerical simulations in an appropriate way. The current main limitations are still the inadequate rendering speed and the limited flexibility of the most efficient algorithms. In this dissertation, we developed three new algorithms for the acceleration of direct volume rendering and volume deformation. The first algorithm consists on a first step, on the reimplementation of the existing preintegration volume rendering approach, where the gray values between two sampling points change linearly, by considering the correct not simplified volume rendering integral, i.e, considering the attenuation factor as well as the shading function during the precompuation process. On a second step, we extended our algorithm to quadratic and higher order polynomial model. The preintegration speed for linear model is increased by a factor of 10. The second algorithm accelerates shear warp and ray casting process. While acceleration techniques like space leaping and early ray termination are efficient when rendering volumes with most of the voxels are mapped either opaque or transparent, encoding coherence appeared more efficient for rendering semi-transparent volumes. It's an approach for coding empty regions to a coherency encoding that can describe regions where the opacity changes linearly. We reimplemented this technique using a volume graphics library (VGL). We improved it by using the preintegration technique to evaluate opacity and shading inside the coherent region. We achieved a speedup of up to a factor of 3. The third algorithm is for volume deformation. The applied technique is the ray deformation where the volume deforming and the volume rendering are incorporated into a single process. This is implemented in our approach, by combining the Free Form Deformation (FFD) and inverse ray deformation. Unlike the previous implementation, our opacity and shading calculation are based on the preintegration technique which allows us to handle different lengths of the sampled intervals in the polyline segments which approximate the deformed ray.
Übersetzter Titel: Real-Time Rendering von deformierbaren und semi-transparenten Objekten von Volume Rendering (Deutsch)
Übersetzung des Abstracts: Volume Rendering ist eine der Schlüsseltechnologien um Daten aus diversen Anwendungsbereichen wie bildgebende medizinische Verfahren, industrieller Qualitätskontrolle und numerischer Simulationen in einer angemessenen Weise darzustellen. Die gegenwärtigen Beschränkungen sind immer noch die unzureichende Geschwindigkeit des Renderns und die beschränkte Flexibilität der effizientesten Algorithmen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden drei neue Algorithmen für die Beschleunigung des Volume Rendering und der Volumenverformung entwickelt. Der erste Algorithmus besteht in einem ersten Schritt aus der Reimplementierung eines existierenden vorintegrieten Volume Rendering Ansatzes, in welchem sich die Grauwerte zwischen zwei Bezugspunkten linear ändern. In diesem Verfahren wird das korrekte und nicht das vereinfachte Volume Rendering Integral verwendet, was bedeutet, dass sowohl der Schwächungsfaktor als auch die Schattierungsfunktion bei der Vorberechung Beachtung finden. In einem zweiten Schritt haben wir den Algorithmus auf ein Polynommodell erweitert, das quadratisch oder höherer Ordnung ist. Die Geschwindigkeit für die Preintegration des linearen Modells wurde um Faktor 10 verbessert. Der zweite Algorithmus beschleunigt Shear Warp und den Raycasting Prozess. Während Beschleunigungstechniken wie Space Leaping und Early Ray Termination für das Rendern von Volumen, die hauptsächlich aus opaken oder transparenten Voxeln bestehen, sehr effizient sind, scheint Coherence Encoding für das Rendern von semi-transparenten Volumen effizienter zu sein. Das ist ein Ansatz, der leere Regionen durch Coherence Encoding beschreibt, in dem Regionen ausgewiesen werden, innerhalb derer sich die Opazität nur linear verändert. Wir implementierten diese Technik unter Verwendung einer Volume Graphics Library (VGL). Wir verbesserten diese Technik durch die Verwendung eines Vorverarbeitungsschrittes, in dem die Opazität und das Shading innerhalb der zusammenhängenden Regionen ausgewertet wird. Dadurch erreichten wir eine Beschleunigung um den Faktor 3. Der dritte Algorithmus dient der Verformung der Volumen. Die verwendete Technik ist eine Strahlendeformation in dem die Verformung des Volumens und das Rendern des Volumens in einem einzigen Prozess enthalten sind. Dieser Ansatz wurde in unserer Implementierung durch die Verbindung von Free Form Deformation (FFD) und inverser Strahlendeformation realisiert. Im Gegensatz zu bereits existierenden Implementierungen basieren unsere Opazitäts- und Shadingberechnungen auf einer vorintegrieten Technik, die es uns erlaubt, verschieden große sampling Intervalle innerhalb eines polyline Segmentes, das einen deformierten Strahl approximiert, zu handhaben. (Deutsch)

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Guetat, Amel (2008) Real Time Rendering of Deformable and Semi-Transparent Objects by Volume Rendering. Mannheim [Dissertation]
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