Real-Time Volume Visualization on Low-End Hardware

Abstract

Die Visualisierung von Volumsdaten ist ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung und Präsentation von Daten innerhalb zahlreicher Anwendungsgebiete. Bildgebende Verfahren innerhalb der Medizin sowie numerische Simulationen, liefern beispielsweise Datenmengen, die ohne Visualisierung im 3D kaum zu bewältigen wären. Die Möglichkeit interaktiver Manipulation von Volumsdaten auf desktop-PCs ist insbesondere in Hinblick auf Anwendungen in der Telemedizin, kollaborativer Visualisierung sowie der Visualisierung über das Internet von großer Bedeutung. Eine Vorbedingung für interaktive, softwarebasierte Volumsdarstellung ist ef- fizientes Ausschließen von nicht relevanten Volumsbereichen von der Projektion (nicht relevant sind Daten, die keinen sichtbaren Einfluß auf das Ergebnis der Visualisierung haben). In dieser Arbeit wird ein diesbezügliches Verfahren vorgestellt, das ein ¨ Uberspringen nicht relevanter Voxel während der Darstellung faktisch ohne zusätzlichen Aufwand ermöglicht. Dazu werden während eines Vorverarbeitungsschritts potentiell relevante Voxel identifiziert und in einer abgeleiteten Datenstruktur gespeichert. Durch entsprechende Anordnung der Voxel innerhalb dieser Datenstruktur, können durch interaktive Veränderung von Visualisierungsparametern irrelevant gewordene Voxel ebenfalls effizient übergangen werden. Zusammen mit einer schnellen, shear/warp-basierten Projektion und einer auf flexibler Kombination von Look-up-Tabellen basierenden Schattierung, können die derart vorbereiteten Volumendaten interaktiv auf PC Hardware dargestellt werden. Da innerhalb der extrahierten Voxeldaten einzelne segmentierte Objekte unterschieden werden können, bietet das Verfahren weitreichende Flexibilität bei der Visualisierung: Wegschneiden einzelner Objekte, individuelle optische Parameter, Transferfunktionen und Beleuchtungsmodelle, sowie die objektweise Wahl des Compositing-verfahrens. Eine effiziente Kompression der Voxeldaten ermöglicht den Einsatz des Verfahrens zur Visualisierung über Netzwerke mit geringer Bandbreite, wie z.B. das Internet. - Volume visualization is an important tool for investigating and presenting data within numerous fields of application. Medical imaging modalities and numerical simulation applications, for example, produce huge amounts of data, which can be effectively viewed and investigated in 3D. The ability to interactively work with volumetric data on standard desktop hardware is of utmost importance for telemedicine, collaborative visualization, and especially for Internet-based visualization applications. The key to interactive but software-based volume rendering is an efficient approach to skip parts of the volume which do not contribute to the visualization results due to the visualization mapping in use and current parameter settings. In this work, an efficient way of skipping non-contributing parts of the data is presented. Skipping is done at a negligible effort by extracting just potentially contributing voxels from the volume during a preprocessing step, and by storing them in a derived enumeration-like data structure. Within this structure, voxels are ordered in a way which is optimized for the chosen compositing technique, and which allows to efficiently skip further voxels as they become irrelevant for the result due to changes to the visualization parameters. Together with a fast shear/warp-based rendering and flexible shading based on look-up tables, this approach can be used to provide interactive rendering of segmented volumes, featuring object-aware clipping, transfer functions, shading models, and compositing modes defined on a per-object basis, even on standard desktop hardware. In combination with a space-efficient encoding of the enumerated voxel data, the approach is well-suited for visualization over low-bandwidth networks, like the Internet.