Virtual Reality basierte Exploration von Volumendaten

Volumendaten fallen in unterschiedlichen Bereichen an, beispielsweise bei CT-Scans in der Medizin oder bei Stömungssimulationen im ingenieurstechnischen Bereich. Eine effektive Analyse dieser Daten ist mit der Volumenvisualisierung möglich. Die Integration der Volumenvisualisierung in eine Virtual Reality Umgebung eröffnet die Möglichkeit, einen besseren räumlichen Eindruck sowie eine intuitivere Interaktion mit den dreidimensionalenVolumendaten zu erzielen, als es an Desktop-Systemen möglich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein Rendermodul entwickelt, das die direkte Volumenvisualisierung mittels 3D-Texturen moderner Graphikhardware umsetzt, um ein echtzeitfähiges Rendering zu ermöglichen. Farbe und Transparenz der Darstellung werden mittels einer zweidimensionalen Transferfunktion aus den Volumendaten bestimmt. Eine interaktive Klassifikation und Beleuchtung wird durch per-Pixel Berechnungen in Fragment-Shader-Programmen der Graphikhardware erreicht. Das Rendermodul wurde in eine VR-Umgebung eingefügt, was die immersive Darstellung eines Volumendatensatzes erlaubt. Es wurde ein Userinterface entwickelt, das die explorative Analyse eines zunächst unbekannten Datensatzes ermöglicht. Schwerpunkt ist die Manipulation der Transferfunktion mit den Eingabegeräten der VR-Umgebung. Ein speziell entwickeltes Widget erlaubt die Visualisierung und Manipulation der Transferfunktion durch ein Höhenmapping-Verfahren. Die räumliche Struktur eines Datensatzes kann durch ein semi-automatischen Klassifikationsverfahren einfach visualisiert werden. Abschliessend wurde die Performanz des entwickelten Systems analysiert und optimiert.

Volume Data is the result of various fields, for example of CT Scans in the Medical field or Fluid Simulations in the Engineering field. An effective analysis of volume data is possible with volume visualization. Integrating the volume visualization into a virtual reality environment creates the possibility of obtaining a better spatial impression as well as a more intuitive interaction with the three-dimensional volume data than is possible with desktop systems. First, a Rendering Module was developed, which implements Direct Volume Visualization by means of 3D-textures of modern graphics hardware in order to achieve interactive frame rates. A two-dimensional transfer function is employed to determine color and transparency of the scalar volume data. Interactive Classification and Lighting is achieved by means of per-pixel computations in the fragment shader module of the graphics hardware. Then, the Rendering Module was integrated into a VR-Environment, which permits immersive visualization of volumetric datasets. A user interface was developed, which allows the explorative analysis of an unknown data set. Emphasis is specifically on the manipulation of the transfer function with the input devices of the VR-Environment. A special widget permits a visualization and manipulation of the transfer functions by means of height mapping. The spatial structure of a data record can easily be visualized by a semi-automatic classification procedure. Finally, the performance of the system was analyzed and optimized.