High-Quality Visualization and Filtering
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Date
2004
Authors
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Publisher
Hadwiger
Text.PhDThesis
Abstract
Die meisten Renderingmethoden in der Visualisierung und Computergraphik konzentrieren sich entweder auf die Bildqualität; und generieren <i>korrekte</i> Bilder mit nicht mehr interaktiven Bildraten; oder opfern die Darstellungsqualität; um interaktive Performance zu erreichen. Andererseits erlaubt es die momentane Entwicklung im Bereich der Graphikhardware zunehmend; die Qualität von Offline Rendering-Ansätzen mit interaktiver Performance zu kombinieren. Um dies auch tatsächlich nutzen zu können; müssen neue und angepasste Algorithmen entwickelt werden; die die spezielle Architektur von Graphikhardware berücksichtigen. Das zentrale Thema dieser Arbeit ist; hohe Renderingqualität mit Echtzeitfähigkeit bei der Visualisierung von diskreten Volumendaten auf regulären dreidimensionalen Gittern zu kombinieren. Ein wesentlicher Teil beschäftigt sich mit dem generellen Filtern von Texturen unabhängig von deren Dimension. Mit Hilfe der Leistungsfähigkeit heutiger PC Graphikhardware werden Algorithmen demonstriert; die einen Qualitätsstandard erreichen; der bislang nur im Offline Rendering möglich war. Eine grundlegende Operation in der Visualisierung und Computergraphik ist die Rekonstruktion einer kontinuierlichen Funktion aus einer diskreten Darstellung mittels Filterung. Diese Arbeit stellt eine Methode zur Filterung mit Hilfe von Graphikhardware vor; die prinzipiell beliebige Faltungskerne auswerten kann. Die Hauptanwendung ist hierbei die Vergrösserung von Texturen direkt während dem Rendern. Darüber hinaus kann sie aber auch mit MIP-mapping zur Texturverkleinerung kombiniert werden. Im Bereich der Volumenvisualisierung stellt diese Arbeit weiters einen Ansatz zur Echtzeitdarstellung von segmentierten Daten vor. Segmentierte Volumendaten haben speziell in medizinischen Anwendungen hohe Bedeutung. Darüber hinaus stellt diese Arbeit Ansätze zum nicht-photorealistischen Rendern mit hoher Qualität vor; die sich besonders gut eignen; um die Aufmerksamkeit des Betrachters auf bestimmte Fokusbereiche zu lenken. Weiters werden Isoflächen mit Hilfe eines Deferred- Shading Ansatzes dargestellt; wobei differentialgeometrische Eigenschaften; wie beispielsweise die Krümmung der Oberfläche; in Echtzeit berechnet und für eine Vielzahl von Effekten verwendet werden können. Wir schliessen aus den erreichten Resultaten; dass es möglich ist; die Lücke zwischen Offline Rendering mit hoher Qualität auf der einen Seite; und Echtzeitrendering auf der anderen Seite; zu schliessen; ohne dabei notwendigerweise die Qualität zu beeinträchtigen. Besonders wichtig ist dies im Bereich des Renderings von Volumendaten; das sehr oft hohe Qualitätsansprüche hat; etwa bei der Darstellung von medizinischen Daten. - Most rendering methods in visualization and computer graphics are focusing either on image quality in order to produce<i> correct</i> images with non-interactive rendering times; or sacrifice quality in order to attain interactive or even real-time performance. However; the current evolution of graphics hardware increasingly allows to combine the quality of off-line rendering approaches with highly interactive performance. In order to do so; new and customized algorithms have to be developed that take the specific structure of graphics hardware architectures into account. The central theme of this thesis is combining high rendering quality with real-time performance in the visualization of sampled volume data given on regular three-dimensional grids. More generally; a large part of this work is concerned with high-quality filtering of texture maps; regardless of their dimension. Harnessing the computational power of consumer graphics hardware available in off-the-shelf personal computers; algorithms that attain a level of quality previously only possible in off-line rendering are introduced. A fundamental operation in visualization and computer graphics is the reconstruction of a continuous function from a sampled representation via filtering. This thesis presents a method for using completely arbitrary convolution filters for high-quality reconstruction exploiting graphics hardware; focusing on real-time magnification of textures during rendering. High-quality filtering in combination with MIP-mapping is also illustrated in order to deal with texture minification. Since texturing is a very fundamental operation in computer graphics and visualization; the resulting quality improvements have a wide variety of applications; including static texture-mapped objects; animated textures; and texture-based volume rendering. The combination of high-quality filtering and all major approaches to hardwareaccelerated volume rendering is demonstrated. In the context of volume rendering; this thesis introduces a framework for high-quality rendering of segmented volume data; i.e.; data with object membership information such as segmented medical data sets. High-quality shading with per-object optical properties such as rendering modes and transfer functions is made possible; while maintaining real-time performance. The presented method is able to filter the boundaries between different objects on-the-fly; which is non-trivial when more than two objects are present; but important for high-quality rendering. Finally; several approaches to high-quality non-photorealistic volume rendering are introduced; a concept that is especially powerful in combination with segmented volume data in order to focus a viewer s attention and separate focus from context regions. High-quality renderings of isosurfaces are obtained from volumetric representations; utilizing the concept of deferred shading and deferred computation of high-quality differential implicit surface properties. These properties include the gradient; the Hessian matrix; and principal curvature magnitudes as well as directions. They allow high-quality shading and a variety of nonphotorealistic effects building on implicit surface curvature. We conclude that it is possible to bridge the gap between traditional high-quality off- line rendering and real-time performance without necessarily sacrificing quality. In an area such as volume rendering that can be very demanding with respect to quality; e.g.; in medical imaging; but whose usefulness increases significantly with higher interactivity; combining both high quality and high performance is especially important.
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