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Entwicklung eines GPU-basierten Volumenrenderers auf Basis eines Szenengraphsystems

 
: Recker, Ruth-Maria
: Jung, Yvonne

Koblenz, 2007, 144 pp.
Koblenz/Landau, Univ., Dipl.-Arb., 2007
German
Thesis
Fraunhofer IGD ()
volume rendering; visualization; scene graph; OpenSG; Graphic Processing Unit (GPU); shader; OpenGL Shading Language (GLSL)

Abstract
Das direkte Rendering von Volumendaten ermöglicht vielfältige Visualisierungsverfahren, welche in unterschiedlichen Bereichen Anwendung finden können. Ein sehr bekanntes Einsatzgebiet ist der Bereich der medizinischen Visualisierung.
In dieser Diplomarbeit wurde ein Volumenrenderer basierend auf moderner Graphikhardware und dem Szenengraphsystem OpenSG umgesetzt. Dem Renderer liegt dabei der Singlepass Raycasting Ansatz zugrunde, welcher sich durch seine hohe Flexibilität und die qualitativ hochwertigen Ergebnisse in diesem Kontext besonders anbietet.
Für die Erzielung einer hohen Renderingperformance kam nach der Analyse verschiedener Verfahren ein object-order Empty-Space Skipping Verfahren zum Einsatz, mit welchem mittels verfeinerter Bounding Geometrie äußere leere Bereiche des Volumens übersprungen und das Volumen so effizienter traversiert werden kann. Weiterhin ermöglicht dieser Ansatz die Integration von Geometrieschnitten und einem Fly-Through Mode, was insbesondere für den Einsatz des Volumenrenderers in einem Szenengraphsystem wie OpenSG von Relevanz ist.
Hierbei konnte auch ein Ansatz zur Entfernung von Kantenartefakten im Zusammenhang mit dem Empty-Space Skipping Verfahren entwickelt werden. Das eingesetzte object-order Empty-Space Skipping wurde außerdem mit einem image-order Empty-Space Skipping Verfahren auf Basis eines Uniform Grids kombiniert, um so auch innere leere Bereiche des Volumens überspringen zu können. Darüber hinaus wurde eine frühzeitige Terminierung des Strahls bei Erreichen maximaler Opazität während der Traversierung durch Integration des Early-Ray Termination Verfahrens erreicht.
Zur Verbesserung der Renderingqualität kamen verschiedene Verfahren zum Einsatz, welche Artefakte aus dem Sampling der Daten oder der Klassifikation aber auch die während der Beleuchtungsberechnung auftretenden Artefakte deutlich verringern. Im Rahmen dieser Arbeit entstand so ein modular konzipiertes und flexibel erweiterbares Framework. Aufgrund des eingesetzten Prinzips des Shader Compositings wird der entsprechende Volumenshader je nach gewählten Modulinstanzen, welche die Eigenschaften des Volumens näher spezifizieren, aufgebaut. Mit diesem Volumen Rendering Framework können so verschiedene Arten von Volumendaten in unterschiedlichen Rendermodi mit einer guten Renderinggeschwindigkeit visualisiert werden.

 

Direct volume rendering is a powerful visualization technique that can be used in various fields of application. A very well-known area is the field of medical visualization. In this diploma thesis a volume renderer based on graphics hardware and the scene graph system OpenSG was implemented.
The singlepass raycasting approach forms the basis of this renderer because of its high flexibility and the good quality results it offers in this context. For the attainment of high rendering performance an object-order empty-space skipping approach was chosen after the analysis of different approaches. This object-order empty-space skipping makes it possible to skip the outer empty areas in volume data especially after consideration of the used 1D-transferfunction. So the volume will be traversed in an efficient way.
This approach also allows the integration of geometry intersections and a fly-through mode. This is particularly relevant for the use of volume rendering in a scene graph system like OpenSG.
In this thesis a novel approach was developed to remove the edge-artefacts caused by the empty-space skipping algorithm. This approach corrects the startposition of a ray by an offset to achieve a correct sampling scheme.
Additionally the chosen object-order empty-space skipping is combined with an image-order empty-space skipping approach to skip empty regions inside the volume as well. Furthermore a termination of a ray if it reaches opaque areas can be achieved by integration of the early-ray termination approach.
To improve the rendering quality several approaches were used to greatly reduce artefacts appearing during sampling, classification of the data or shading operations.
Within this thesis a modular designed and flexible extensible framework was developed. As a result of the used concept of shader compositing the final volume shader is composed by instances of several modules, which specify the features of the volume. As a result the volume rendering framework is able to visualize various types of volume datasets in different rendering modalities at a good rendering performance.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-63673.html