Fast Visualization by Shear-Warp using Spline Models for Data Reconstruction


Schlosser, Gregor


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    Official URL: https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/2245
    URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-22453
    Item Type: Dissertation
    Year of publication: 2009
    Place of Publication: Mannheim
    Publisher: Universität Mannheim
    University/Highschool: Universität Mannheim
    Gutachter: Hesser, Jürgen
    Datum der mündl. Prüfung: 11 February 2009
    Language: English
    Divisions: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Praktische Informatik I (Freiling)
    Subjects: 004 Computer science, internet
    SWD Keywords
    (Library Service Center BW)
    :
    Visualisierung , Volumen-Rendering , Shear-Warp-Verfahren
    Keywords in alternate Language: Visualization , Volume-Rendering , Shear-Warp-Method , Trivariate Splines
    Abstract: This work concerns oneself with the rendering of huge three-dimensional data sets. The target thereby is the development of fast algorithms by also applying recent and accurate volume reconstruction models to obtain at most artifact-free data visualizations. In part I a comprehensive overview on the state of the art in volume rendering is given. Part II is devoted to the recently developed trivariate (linear,) quadratic and cubic spline models defined on symmetric tetrahedral partitions directly obtained by slicing volumetric partitions of a three-dimensional domain. This spline models define piecewise polynomials of total degree (one,) two and three with respect to a tetrahedron, i.e. the local splines have the lowest possible total degree and are adequate for efficient and accurate volume visualization. The following part III depicts in a step by step manner a fast software-based rendering algorithm, called shear-warp. This algorithm is prominent for its ability to generate projections of volume data at real time. It attains the high rendering speed by using elaborate data structures and extensive pre-computation, but at the expense of data redundancy and visual quality of the finally obtained rendering results. However, to circumvent these disadvantages a further development is specified, where new techniques and sophisticated data structures allow combining the fast shear-warp with the accurate ray-casting approach. This strategy and the new data structures not only grant a unification of the benefits of both methods, they even easily admit for adjustments to trade-off between rendering speed and precision. With this further development also the 3-fold data redundancy known from the original shear-warp approach is removed, allowing the rendering of even larger three-dimensional data sets more quickly. Additionally, real trivariate data reconstruction models, as discussed in part II, are applied together with the new ideas to onward the precision of the new volume rendering method, which also lead to a one order of magnitude faster algorithm compared to traditional approaches using similar reconstruction models. In part IV, a hierarchy-based rendering method is developed which utilizes a wavelet decomposition of the volume data, an octree structure to represent the sparse data set, the splines from part II and a new shear-warp visualization algorithm similar to that presented in part III. This thesis is concluded by the results centralized in part V.
    Title alternative: Schnelle Volumenvisualisierung mittels Shear-Warp unter Verwendung von Splines zur Datenrekonstruktion (German)
    Abstract alternative: Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Visualisierung von großen drei-dimensionalen Datensätzen. Das Ziel dabei ist es, zum einen schnelle Algorithmen zu entwickeln, und zum anderen auch kürzlich - wie auch neu entwickelte - präzisere Datenrekonstruktionsmodelle für die artefaktfreie Volumenvisualisierung zu verwenden. Damit wird dem Anwender die Möglichkeit geboten zwischen einer hoch akkuraten oder einer schnellen Darstellung der Daten zu wählen. Das erste Kapitel der Arbeit gibt in komprimierter Form den aktuellen Stand der Technik zum Thema Volumenvisualisierung wieder. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Implementierung der erst kürzlich entwickelten trivariaten (linearen,) quadratischen, und kubischen Bernstein-Bezier Spline Modelle definiert auf symmetrischen Tetraeder Partitionen eines drei-dimensionalen Definitionsbereichs. Diese Art von Splines beschreiben hinsichtlich eines Tetraeders stückweise Polynome von totalen Grad (eins,) zwei, und drei, d.h. die lokalen Splines haben kleinsten möglichen totalen Grad und sind somit angemessen für die effiziente und die artefaktfreie Volumenvisualisierung. Im dritten Teil der Arbeit wird sowohl Schritt für Schritt der software-basierte, hocheffiziente Volumen-Rendering Algorithmus namens "Shear-Warp" diskutiert als auch dessen neuartige Erweiterungen, die im Rahmen dieser Arbeit entstanden sind. Zum einen wird eine neue Methode vorgestellt, welche die Kombination vom effizienten Shear-Warp und dem präziseren Ray-Casting erlaubt. Man kann damit zwischen einer effizienteren oder aber einer genaueren Visualisierung der Daten wählen. Die Projektionsqualität wird durch den Einsatz von trivariaten quadratischen und kubischen Datenrekonstruktionsmodellen erhöht, wie sie im zweiten Kapitel diskutiert werden. Zum weiteren kann die 3-fache Datenredundanz der ursprünglichen Implementierung komplett durch den Einsatz unserer neuen Datenstrukturen und Algorithmen vermieden werden. Dies wiederum erlaubt es sehr hoch aufgelöste Volumendaten in immer noch annehmbarer Zeit zu visualisieren. Im vorletzten Teil der Arbeit wird ein hierarchie-basierter Ansatz zur Volumenvisualisierung vorgestellt. Und im abschließenden Kapitel werden zentral und zusammenfassend die Resultate dieser Arbeit diskutiert. (German)
    Additional Information:

    Das Dokument wird vom Publikationsserver der Universitätsibliothek Mannheim bereitgestellt.


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