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Realtime GPU-raycasting of volume data with smooth splines on tetrahedral partitions

Echtzeit GPU-Raycasting von Volumendaten mit glatten Splines auf Tetraeder-Partitionen
 
: Wodniok, Dominik
: Kalbe, Thomas; Goesele, Michael

Darmstadt, 2010, 56 pp.
Darmstadt, TU, Dipl.-Arb., 2010
English
Thesis
Fraunhofer IGD ()
Compute Unified Device Architecture (CUDA); volume rendering; realtime rendering; trivariate splines; GPU ray casting; Forschungsgruppe Capturing Reality (CARE)

Abstract
The visualization of discrete volume datasets generated by imaging techniques like CT imaging and MRI has many important applications. Examples are medical diagnosis or quality assurance in industry. Common visualization methods are isosurfacing and full volume rendering. For both methods it is necessary to construct an at least continuous function from the discrete volume data. The quality of the images that are produced by these techniques strongly depends on the reconstruction method.
Two reconstruction methods proved to produce high quality visualizations of iso surfaces. They are trivariate splines in piecewise Bernstein-Bézier-form of polynomial degree two and three that are defined w.r.t. a tetrahedral partition. The current visualization approach with these splines exploits the massive computational power of GPUs. It combines rasterization of tetrahedra with precise per pixel raycasting. Realtime framerates were achieved for small datasets only. With increasing number of tetrahedra framerates become non interactive, as the sheer amount of geometry that has to be processed overburdens the GPU. Memory consumption becomes an issue as well. Full volume rendering has not been considered at all.
We show, that the increased flexibility of modern GPUs allows to develop a geometry-free pure raycasting approach that makes realtime framerates feasible even for large datasets. Further, our approach allows the first implementation of interactive and realtime full volume rendering with these spline models.

 

Die Visualisierung diskreter Volumendaten wie sie aus bildgebenden Verfahren wie der Computertomographie oder der Magnetresonanztomographie gewonnen werden, hat viele wichtige Anwendungen. Beispiele sind die medizinische Diagnose, oder die Qualitätssicherung in der Industrie. Gängige Visualisierungstechniken sind die Darstellung von Isooberflächen und die volle Volumenvisualisierung. Für beide Techniken ist es notwendig, aus den diskreten Volumendaten eine zumindest stetige Funktion zu rekonstruieren. Die Qualität der Visualisierung ist stark von der gewählten Rekonstruktionsmethode abhängig.
Zwei Rekonstruktionsmethoden haben sich als dazu in der Lage erwiesen, Visualisierungen von Isooberflächen zu erzeugen, die von hoher Qualität sind. Es handelt sich dabei um trivariate Splines in stückweiser Bernstein-Bézier-Form mit Polynomgrad zwei und drei, die bezüglich einer Tetraederpartition des Volumens definiert sind. Der derzeitige Ansatz zur Visualisierung mit diesen Splines nutzt die massive Rechenleistung von Grafikprozessoren. Er kombiniert die Rasterisierung von Tetraedern mit präzisem Raycasting pro Bildpunkt. Echtzeit Bildraten können mit diesem Ansatz nur für kleine Datensätze erreicht werden. Mit steigender Anzahl an benötigten Tetraedern werden die Bildraten zunehmend nicht interaktiv, da die bloße Menge an Tetraedern, die verarbeitet werden muss, den Grafikprozessor völlig überlastet. Der mit der Tetraederanzahl zunehmende Speicherverbrauch kann ebenfalls zum Problem werden. Volle Volumenvisulisierung ist nicht praktikabel, da sie noch mehr Tetraeder benötigt.
Wir zeigen, dass die erhöhte Flexibilität moderner Grafikprozessoren es ermöglicht, einen reinen geometrielosen Raycasting Ansatz zu entwickeln, der selbst für sehr grosse Datensätze Echtzeit- Bildraten erreicht. Weiterhin ermöglicht unser Ansatz es, erstmals volles Volumenrendering mit interaktiven bis Echtzeit-Bildraten für die beiden Splinemodelle zu implementieren.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-153758.html