Fast Volume Rendering and Deformation Algorithms


Chen, Haixin


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URL: http://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/37
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-377
Dokumenttyp: Dissertation
Erscheinungsjahr: 2001
Verlag: Universität Mannheim
Gutachter: Hesser, Jürgen
Datum der mündl. Prüfung: 28 November 2001
Sprache der Veröffentlichung: Englisch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Informatik V (Männer -2008)
Fachgebiet: 004 Informatik
Normierte Schlagwörter (SWD): Effizienter Algorithmus , Visualisierung , Rendering , Volumen , Deformation
Freie Schlagwörter (Deutsch): Inverse Strahldeformation
Freie Schlagwörter (Englisch): Volume Rendering , Algorithm Optimization , Ray Casting , Inverse Ray Deformation , Free Form Deformation
Abstract: Volume rendering is a technique for simultaneous visualization of surfaces and inner structures of objects. However, the huge number of volume primitives (voxels) in a volume, leads to high computational cost. In this dissertation I developed two algorithms for the acceleration of volume rendering and volume deformation. The first algorithm accelerates the ray casting of volume. Previous ray casting acceleration techniques like space-leaping and early-ray-termination are only efficient when most voxels in a volume are either opaque or transparent. When many voxels are semi-transparent, the rendering time will increase considerably. Our new algorithm improves the performance of ray casting of semi-transparently mapped volumes by exploiting the opacity coherency in object space, leading to a speedup factor between 1.90 and 3.49 in rendering semi-transparent volumes. The acceleration is realized with the help of pre-computed coherency distances. We developed an efficient algorithm to encode the coherency information, which requires less than 12 seconds for data sets with about 8 million voxels. The second algorithm is for volume deformation. Unlike the traditional methods, our method incorporates the two stages of volume deformation, i.e. deformation and rendering, into a unified process. Instead to deform each voxel to generate an intermediate deformed volume, the algorithm follows inversely deformed rays to generate the desired deformation. The calculations and memory for generating the intermediate volume are thus saved. The deformation continuity is achieved by adaptive ray division which matches the amplitude of local deformation. We proposed approaches for shading and opacit adjustment which guarantee the visual plausibility of deformation results. We achieve an additional deformation speedup factor of 2.34~6.58 by incorporating early-ray-termination, space-leaping and the coherency acceleration technique in the new deformation algorithm.
Übersetzter Titel: Schnelle Algorithmen zur Volumenvisualisierung- und deformation (Deutsch)
Übersetzung des Abstracts: In dieser Dissertation entwickelte ich zwei Algorithmen zur Beschleunigung von Volumen rendering und -deformation. Der erste Algorithmus beschleunigt das ray-casting des Volumens. Bisherige ray-casting-Beschleunigungstechniken wie space-leaping und early-ray-termination sind nur dann leistungsfähig, wenn die meisten Voxel der Volumens entweder undurchlässig oder transparent sind. Wenn viele Voxel halbtransparent sind, erhöht sich die Rendering-Zeit beträchtlich. Unser neuer Algorithmus verbessert die Leistung des ray-castings von halbtransparent abgebildeten Volumina, indem er die Opazitätskohärenz im Raum ausnutzt und zu einen speedup-Faktor zwischen 1,90 und 3,49 führt, wenn er halbtransparente Volumina rendert. Die Beschleunigung wird mit Hilfe von im Voraus berechneten Kohärenzabständen verwirklicht. Wir entwickelten einen Algorithmus, um Kohärenzinformationen zu verschlüsseln, der weniger als 12 Sekunden für Dateien von ungefähr 8 Millionen Voxel benötigt. Der zweite Algorithmus dient zur Volumendeformaton. Anders als die traditionellen Methoden vereinigt unsere Methode die zwei Stadien der Volumendeformation, d.h. Deformation und Übertragung, zu einem vereinheitlichten Prozeß. Anstatt jedes einzelne Voxel zu deformieren, um ein deformiertes Zwischenvolumen zu erzeugen, verfolgt der Algorithmus invers deformierte Strahlen, um die gewünschte Deformation zu erhalten. Berechnungen und Speicher für das Erzeugen des Zwischenvolumens werden folglich eingespart. Die Kontinuität der Deformation wird erreicht durch eine anpassungsfähige Unterteilung des Strahls, wobei die Amplitude der Deformation berücksichtigt wird. Wir entwickelten Methoden für Shading und Opazitätsjustierung, welche die visuelle Plausibilität der Deformationsresultate garantieren. Wir erzielen einen Deformations-speedup-Faktor von 2.34~6.58 durch die Verwendung von early-ray-termination, space-leaping und die kohärenzbasierte Beschleunigungstechnik im neuen Deformationsalgorithmus. (Deutsch)
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Chen, Haixin (2001) Fast Volume Rendering and Deformation Algorithms. [Dissertation]
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