Interactive Illustrative Volume Visualization

Abstract

Illustrationen spielen eine wichtige Rolle in der Kommunikationkomplexer Sachverhalte. Ihre Herstellung ist jedoch schwierigund teuer. Dreidimensionale bildgebende Verfahren habensich in den letzten Jahren als unverzichtbares Werkzeug in Disziplinenwie der medizinischen Diagnose und Behandlungsplanung,im technischen Bereich (z.B. Materialprüfung), der Biologie,und der Archäologie etabliert. Modalitäten wie Röntgencomputertomographie(CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) generierentäglich hochauflösende volumetrische Scans. Es leuchtetnicht ein, dass trotz dieses Datenreichtums die Produktion einerIllustration noch immer ein aufwendiger und zum Großteil manuellerProzess ist.Diese Dissertation beschäftigt sich mit der computerunterstützten Erstellung von Illustrationen direkt auf Basis solcher Volumendaten.Zu diesem Zweck wird das Konzept eines direktenVolumenillustrationssystems eingeführt. Dieses System erlaubtdie Gestaltung einer Illustration direkt anhand von gemessenenDaten, ohne dass ein zusätzlicher Modellierungsschritt notwendigwäre. Abstraktion, ein wichtiger Bestandteil traditioneller Illustrationen,wird verwendet um visuelle Überladung zu vermeiden,wichtige Strukturen hervorzuheben und versteckte Details sichtbarzu machen. Abstraktionstechniken beschäftigen sich einerseitsmit der Erscheinung von Objekten und erlauben die flexiblekünstlerische Schattierung von Strukturen in volumetrischenDatensätzen. Andererseits kontrollieren diese Techniken welcheObjekte sichtbar sein sollen. Neue Methoden zur Generierung vonTransparenz- und Explosionsdarstellungen werden hierfür vorgestellt.Die präsentierten Visualisierungstechniken verwendendie Fähigkeiten moderner Graphikhardware um eine interaktiveDarstellung zu ermöglichen.Das resultierende System erlaubt die Erstellung von expressivenIllustrationen direkt anhand von volumetrischen Daten undhat eine Vielzahl von Anwendungen wie etwa die medizinischeAusbildung, Patientenaufklärung und wissenschaftliche Kommunikation. - Illustrations are essential for the effective communication ofcomplex subjects. Their production, however, is a difficult andexpensive task. In recent years, three-dimensional imaging hasbecome a vital tool not only in medical diagnosis and treatmentplanning, but also in many technical disciplines (e.g., materialinspection), biology, and archeology. Modalities such as X-RayComputed Tomography (CT) and Magnetic Resonance Imaging(MRI) produce high-resolution volumetric scans on a daily basis.It seems counter-intuitive that even though such a wealth of datais available, the production of an illustration should still require amainly manual and time-consuming process.This thesis is devoted to the computer-assisted generation ofillustrations directly from volumetric data using advanced visualizationtechniques. The concept of a direct volume illustrationsystem is introduced for this purpose. Instead of requiring anadditional modeling step, this system allows the designer of anillustration to work directly on the measured data. Abstraction,a key component of traditional illustrations, is used in order toreduce visual clutter, emphasize important structures, and revealhidden detail. Low-level abstraction techniques are concernedwith the appearance of objects and allow flexible artistic shadingof structures in volumetric data sets. High-level abstraction techniquescontrol which objects are visible. For this purpose, novelmethods for the generation of ghosted and exploded views areintroduced.The visualization techniques presented in this thesis employthe features of current graphics hardware to achieve interactiveperformance. The resulting system allows the generation of expressiveillustrations directly from volumetric data with applications inmedical training, patient education, and scientific communication.