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Dissertationen (eigene und begutachtete):

M. Hadwiger:
"High-Quality Visualization and Filtering of Textures and Segmented Volume Data on Consumer Graphics Hardware";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): E. Gröller, H. Hauser; Institut für Computergraphik und Algorithmen, 2004.



Kurzfassung deutsch:
Die meisten Renderingmethoden in der Visualisierung und Computergraphik konzentrieren
sich entweder auf die Bildqualit¨at, und generieren "korrekte" Bilder mit nicht mehr interaktiven
Bildraten, oder opfern die Darstellungsqualit¨at, um interaktive Performance zu erreichen.
Andererseits erlaubt es die momentane Entwicklung im Bereich der Graphikhardware
zunehmend, die Qualit¨at von Offline Rendering-Ans¨atzen mit interaktiver Performance
zu kombinieren. Um dies auch tats¨achlich nutzen zu k¨onnen, m¨ussen neue und
angepasste Algorithmen entwickelt werden, die die spezielle Architektur von Graphikhardware
ber¨ucksichtigen.
Das zentrale Thema dieser Arbeit ist, hohe Renderingqualit¨at mit Echtzeitf¨ahigkeit bei
der Visualisierung von diskreten Volumendaten auf regul¨aren dreidimensionalen Gittern zu
kombinieren. Ein wesentlicher Teil besch¨aftigt sich mit dem generellen Filtern von Texturen
unabh¨angig von deren Dimension. Mit Hilfe der Leistungsf¨ahigkeit heutiger PC Graphikhardware
werden Algorithmen demonstriert, die einen Qualit¨atsstandard erreichen, der bislang nur
im Offline Rendering m¨oglich 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
Vergr¨osserung von Texturen direkt w¨ahrend dem Rendern. Dar¨uber 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.
Dar¨uber hinaus stellt diese Arbeit Ans¨atze zum nicht-photorealistischen Rendern mit
hoher Qualit¨at vor, die sich besonders gut eignen, um die Aufmerksamkeit des Betrachters
auf bestimmte Fokusbereiche zu lenken. Weiters werden Isofl¨achen mit Hilfe eines Deferred-
Shading Ansatzes dargestellt, wobei differentialgeometrische Eigenschaften, wie beispielsweise
die Kr¨ummung der Oberfl¨ache, in Echtzeit berechnet und f¨ur eine Vielzahl von Effekten
verwendet werden k¨onnen.
Wir schliessen aus den erreichten Resultaten, dass es m¨oglich ist, die L¨ucke zwischen
Offline Rendering mit hoher Qualit¨at auf der einen Seite, und Echtzeitrendering auf der
anderen Seite, zu schliessen, ohne dabei notwendigerweise die Qualit¨at zu beeintr¨achtigen.
Besonders wichtig ist dies im Bereich des Renderings von Volumendaten, das sehr oft hohe
Qualit¨atsanspr¨uche hat, etwa bei der Darstellung von medizinischen Daten.

Kurzfassung englisch:
Most rendering methods in visualization and computer graphics are focusing either on image
quality in order to produce "correct" 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.


Elektronische Version der Publikation:
http://www.cg.tuwien.ac.at/research/theses/#finished


Erstellt aus der Publikationsdatenbank der Technischen Universität Wien.