Interactive Volume-Rendering Techniques for Medical Data Visualization

Abstract

Direktes Volumenrendering ist eine flexible, aber Rechenzeit-intensive Methode f¨ur die Visualisierung von 3D Volumsdaten. Wegen der enorm großen Anzahl an Voxeln ( volume elements ), die verarbeitet werden m¨ussen, ist es so gut wie nicht m¨oglich einen hochaufl¨osenden Datenblock mit Hilfe von brute force Algorithmen wie klassischem Ray Casting oder Splatting auf einer Singleprozessormaschine interaktiv zu rendern. Eine Alternative ist, Hardwarebeschleunigung zu verwenden. Bildwiederholfrequenzen in Echtzeit k¨onnen erreicht werden, wenn man parallele Versionen der Standardalgorithmen auf großen Multiprozessorsystemen ausf¨uhrt. Diese L¨osung ist nicht billig und wird daher auch nicht oft verwendet. Eine weitere Alternative ist, die Beschleunigung allein mit speziellen Softwaretechniken zu erreichen, um auch auf low-end PCs eine schnelle Volumsdarstellung erreichen zu k¨onnen. Die Methoden, die diesem Ansatz folgen, verwenden normalerweise einen Vorverarbeitungsschritt um die Volumsdarstellung schneller zu machen. Zum Beispiel k¨onnen Koh¨arenzen in einen Datensatz durch Vorverarbeitung ausgenutzt werden. Software- und Hardware-Beschleunigungsmethoden repr¨asentieren parallele Richtungen in der Volumenrendering-Forschung, die stark miteinander interagieren. In Hardware implementierte Algorithmen werden oft auch als reine Software-Optimierungen verwendet und ¨ublicherweise werden die schnellsten Softwarebeschleunigungstechniken in Hardware realisiert. Wenn man die oberen Aspekte bedenkt, folgt diese Arbiet der reinen Software-Richtung. Die neuesten schnellen Volumenrendering Techniken wie der klassische Shear-Warp-Algorithmus oder auf distance transformation basierende Methoden beschleunigen die Darstellung, k¨onnen aber nicht in interaktiven Anwendungen verwendet werden. Das prim¨are Ziel dieser Arbeit ist die Anwendungs-orientierte Optimierung existierender Volumenrenderingmethoden, um interaktive Bildwiederholfrequenzen auch auf low-end Rechnern zu erm¨oglichen. Neue Techniken f¨ur traditionelles alpha-blending rendering , Ober- fl¨achenschattierte Darstellung, maximum intensity projection (MIP) und schnelle Voransicht mit der M¨oglichkeit, Parameter interaktiv zu ver¨andern, werden vorgestellt. Es wird gezeigt, wie man die ALU einer Singleprozessorarchitektur anstatt einer Parallelprozessoranordnung verwenden kann, um Voxel parallel zu verarbeiten. Die vorgeschlagene Methode f¨uhrt zu einem allgemeinen Werkzeug, das sowohl alpha-blending rendering als auch maximum intensity projection unterst¨utzt. Weiters wird untersucht, wie man die zu verarbeitenden Daten, abh¨angig von der verwendeten Renderingmethode, reduzieren kann. Zum Beispiel, verschiedene Vorverarbeitungsstartegien f¨ur interactive Iso-Fl¨achendarstellung und schnelle Voransicht, basierend auf einem vereinfachten Visualisierungsmodell, werden vorgeschlagen. Da die in dieser Arbeit pr¨asentierten Methoden kein Supersampling unterst¨utzen, k¨onnen Treppenstufenartefakte in den generierten Bildern entstehen. Um diesen Nachteil zu kompensieren, wird ein neues Gradientensch¨atzungsverfahren, welches eine glatte Gradientenfunktion liefert, vorgestellt. - Direct volume rendering is a flexible but computationally expensive method for visualizing 3D sampled data. Because of the enormous number of voxels (volume elements) to be processed, it is hardly possible to interactively render a high-resolution volume using brute force algorithms like the classical ray casting or splatting on a recent single-processor machine. One alternative is to apply hardware acceleration. Real-time frame rates can be achieved by running the parallel versions of the standard algorithms on large multi-processor systems. This solution is not cheap, therefore it is not widely used. Another alternative is to develop pure software-only acceleration techniques to support fast volume rendering even on a low-end PC. The methods following this approach usually preprocess the volume in order to make the rendering procedure faster. For example, the coherence inside a data set can be exploited in such a preprocessing. The software and hardware acceleration methods represent parallel directions in volumerendering research strongly interacting with each other. Ideas used in hardware devices are often adapted to pure software optimization and usually the fastest software-acceleration techniques are implemented in hardware, like in the case of VolumePro board. Taking the upper aspects into account, this thesis follows the software-only direction. The recent fast volume-rendering techniques like the classical shear-warp algorithm or methods based on distance transformation speed up the rendering process but they cannot be used in interactive applications. The primary goal of this thesis is the application-oriented optimization of existing volumerendering methods providing interactive frame-rates even on low-end machines. New techniques are presented for traditional alpha-blending rendering, surface-shaded display, maximum intensity projection (MIP), and fast previewing with fully interactive parameter control. It is shown how to exploit the ALU of a single-processor architecture for parallel processing of voxels instead of using a parallel-processor array. The presented idea leads to a general tool supporting alpha-blending rendering as well as maximum intensity projection. It is also discussed how to reduce the data to be processed depending on the applied rendering method. For example, different preprocessing strategies are proposed for interactive iso-surface rendering and fast previewing based on a simplified visualization model. Since the presented methods do not support supersampling, staircase artifacts can appear in the generated images. In order to compensate this drawback a new gradient estimation scheme is also presented which provides a smooth gradient function.