Texture Based Direct Volume Rendering

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1 Texture Based Direct Volume Rendering Vorlesung: "Advanced Topics in Computer Graphics" 1

2 Agenda 1. Einleitung Volume Rendering 1.1. Volumendatensatz 1.2. Volumenintegral 1.3. Image order & Object order 1.4. Axis-/Object-aligned & Image-aligned 1.5. Basis Komponenten 2. 2D Texture - Methode 2.1. Texture Set-Up 2.2. Geometry Set-Up 2.3. Compositing Set-Up 3. 2D Multitexture - Methode 3.1. Vergleich 3.2. Texture Set-Up 3.3. Compositing Set-Up 3.4. Geometry Set-Up 4. Zusammenfassung, Quellen 2

3 Agenda 1. Einleitung Volume Rendering 1.1. Volumendatensatz 1.2. Volumenintegral 1.3. Image order & Object order 1.4. Axis-/Object-aligned & Image-aligned 1.5. Basis Komponenten 2. 2D Texture - Methode 2.1. Texture Set-Up 2.2. Geometry Set-Up 2.3. Compositing Set-Up 3. 2D Multitexture - Methode 3.1. Vergleich 3.2. Texture Set-Up 3.3. Compositing Set-Up 3.4. Geometry Set-Up 4. Zusammenfassung, Quellen 3

4 Einleitung Volume Rendering 2D Photo 4

5 Einleitung Volume Rendering Radiance (Strahlung) I = Volume-Rendering Integral I(D) = I 0 e R D s 0 k(t)dt + dq da dω dt D Compositing Iterative Berechnung des diskreten V.-R. Integrals Front-to-back (Kamera -> Volumen) C dest = C dest + (1 α dest )C src α dest = α dest + (1 α dest )α src Back-to-Front (Richtung Kamera) s 0 q(s)e R D s C dest = (1 α src )C dest + C src k(t)dt ds 5

6 Einleitung Volume Rendering Image order approach: Image Plane Data Set Eye Berechne die Farbe für jeden Pixel

7 Einleitung Volume Rendering Image Object order approach: Image Plane Data Set Eye Berechne die für Farbe jeden für Slice jeden Beitrag Pixel zum Bild

8 Einleitung Volume Rendering 3D Volumen Datensatz Extrahieren von semi-transparenten 2D Slices zugehörige Polygone = geometric Primitives Proxy Geometrie Beschreiben Form des Datensatzes (Bounding Box)

9 Einleitung Volume Rendering Daten werden als 2D - oder 3D Texturen gespeichert Annahme: Optische Eigenschaften sind gegeben Koeffizienten werden in den Texturen gespeichert. Später Transferfunktionen: Optische Eigenschaften werden aus den Skalar Daten zur Laufzeit ermittelt. 9

10 Einleitung Volume Rendering 7.1. Texture Based Visualisierung Volume& Rendering Bildverarbeitung (k) Axis-aligned / Object-aligned Slices werden an den Axen ausgerichtet View-aligned Slices werden an der Blickrichtung ausgerichtet Vorteil: Subjektive Qualität Nachteil: Performance Abbildung 7.1: Bei axis aligned (b) wird die Proxygeometrie parallel zu den Hauptachsen geschnitten. Bei view aligned (a) parallel zur Bildebene [EE02] Bildebene den kleinsten Winkel bildet (siehe Abblidung 7.3). Bei dieser Methode muss auch noch unterschieden werden, was für eine Art von Textur (2D oder 3D) benutzt wird. Bei der Benutzung von 2D-Texturen muss für jede Achse des Volumens ein eigener Textursatz vorhanden sein, also insgesamt drei. Schnittebenen, die nicht direkt einer vorliegenden Textur entsprechen, können mittels Mipmapping berechnet, bzw. interpoliert werden. Diese müssen allerdings vorberechnet werden. Somit ist ein interaktives Ändern der Anzahl der Schnittebenen nicht möglich. Es kann beim Wechseln des Achsensatzes zu Verzögerungen kommen, da erst der neue Textursatz geladen werden muss. Samplingpunkte innerhalb einer Textur können bilinear von der GPU interpoliert werden. Das ist wichtig, da die Samplingpunkte meist nicht direkt einer Voxelposition entsprechen. Dies ist ein weit ver Texture 10

11 Einleitung Volume Rendering Basis Komponenten Geometrie Set-Up Spaltung von Volumen Daten in polygonale Slices. Berechnet Position und Texture Koordinaten der Knoten. Texture Set-Up / Texture Mapping Berechnet wie Volumen Daten gespeichert, während fragment processing genutzt, klassifiziert und beleuchtet werden. Compositing Set-Up Definiert Kombination der Farb-Werte der Polygone Darstellung Berechnet, ob physikalisch basierte Lösung oder empirisches Modell (z.b. max intensity projection) 11

12 Agenda 1. Einleitung Volume Rendering 1.1. Volumendatensatz 1.2. Volumenintegral 1.3. Image order & Object order 1.4. Axis-/Object-aligned & Image-aligned 1.5. Basis Komponenten 2. 2D Texture - Methode 2.1. Texture Set-Up 2.2. Geometry Set-Up 2.3. Compositing Set-Up 3. 2D Multitexture - Methode 3.1. Vergleich 3.2. Texture Set-Up 3.3. Compositing Set-Up 3.4. Geometry Set-Up 4. Zusammenfassung, Quellen 12

13 2D Texture-Based Approach Proxy Geometrie = Stapel von Object-aligned Slices mit Texture Mapping

14 2D Textures: Texture Set-Up Schnittrichtung <-> aktueller Blickrichtung 3 Textur-Stapel werden gespeichert (einer pro Axe) Stapelwechsel zur Laufzeit Winkel zw. Slice normal & viewing ray > 45

15 2D Textures: Geometrie Set-Up 15

16 2D Textures: Geometrie Set-Up (-1, 1, -1) (-1, 1, 1) (1, 1, -1) (1, 1, 1) (-1, -1, -1) (-1, -1, 1) (1, -1, -1) (1, -1, 1) 16

17 2D Textures: Geometrie Set-Up (-1, 1, -1) (-1, 1, 1) (1, 1, -1) (1, 1, 1) (-1, -1, -1) (-1, -1, 1) (1, -1, -1) (1, -1, 1) 17

18 2D Textures: Compositing Set-Up Farbinformation: RGBA Quadrupel je Texel Texture R G B A Für jedes Fragment: Interpoliere Textur Koordinaten Texture-Lookup: Interpoliere die Textur Farbe

19 2D Textures: Compositing Set-Up C dest = C src C dest = C src A src + C dest (1 A src ) C dest = C src + C dest (1 A src ) 19

20 2D Textures: Compositing Set-Up Standard Alpha blending -> color bleeding Vertex A: Vertex B: Vertex C: RGBA = (1,0,0,1) (1,0,0,0) (0,0,0,0) RGBA = (0,0,1,1) RGBA = (0,1,0,1) (0,1,0,0) (0,0,0,0) Lösung: Associated Colors Vertex AB: RGBA = (1/2,0,1/2,1/2) (0,0,1/2,1/2) RGB Werte werden mit opacity A pre-multiplied

21 2D Textures: Compositing Set-Up Front-To-Back? C dest = C src (1 A dest ) + C dest 21

22 2D Textures: Compositing Set-Up Maximum Intensity Projection (MIP): Maximaler Wert am Strahl entlang wird gewählt Emission/Absorption Maximum Intensity Projection

23 2D Textures: Probleme Vorteile: Einfachheit & Performance Nachteile: Qualität Stapelwechsel Vergrößerung - festgelegte Sampling Rate Qualität verbessern durch mehr Slices #Slices = DIM beste Performance #Slices > DIM Interpolation - Performance Verlust Speicherverschwendung - Redundante Informationen 23

24 2D Textures: Probleme Approximation des Volumen Rendering Integrals über n Segmente mit gleichem Abstand der Länge: x = (D s 0 )/n und Transparenz des i-ten Segmentes: T i e K(s i) x und Farbbeitrag des i-ten Segmentes: c i q(s i ) x 24

25 2D Textures: Probleme Der Sampling Abstand d ist unterschiedlich gross d d d T i und c i basieren auf der konstanten Länge x Koeffizienten sind nur bei gleichem Sampling Abstand gültig Inkorrekte Emission & Absorption

26 2D Textures: Probleme Flickern beim Wechsel zw. den Stapeln durch abrupten Wechsel der Sampling Positionen 26

27 Agenda 1. Einleitung Volume Rendering 1.1. Volumendatensatz 1.2. Volumenintegral 1.3. Image order & Object order 1.4. Axis-/Object-aligned & Image-aligned 1.5. Basis Komponenten 2. 2D Texture - Methode 2.1. Texture Set-Up 2.2. Geometry Set-Up 2.3. Compositing Set-Up 3. 2D Multitexture - Methode 3.1. Vergleich 3.2. Texture Set-Up 3.3. Compositing Set-Up 3.4. Geometry Set-Up 4. Zusammenfassung, Quellen 27

28 2D Multitexture: Vergleich Vorteile von 2D Texturen: Rendering mit hoher frame rate Effizientes Speichermanagement Nachteile von 2D Texturen: Mathematische Korrektheit Sampling Abstand Feste Anzahl von object-aligned Slices Subjektive Bildqualität Sampling Positionen Bilineare Interpolation Speicherbedarf Speichern von 3 Stapeln Trilineare Interpolation 1 Stapel 28

29 2D Multitexture: Texture Set-Up Schnittrichtung <-> aktueller Blickrichtung 3 Textur-Stapel werden gespeichert (einer pro Axe) Stapelwechsel zur Laufzeit Winkel zw. Slice normal & viewing ray > 45

30 2D Multitextures: Compositing Set-up Axis-Aligned Slices 2 * Bilineare Interpolationen durch 2D Texturen Blending von 2 benachbarten Slices Trilineare Interpolation

31 2D Multitextures: Implementierung Rückgabetyp der main-methode Input from vertex program Uniform texture input Textur-Zugriff

32 2D Multitexture: Geometry Set-Up 32

33 2D Multitextures: Vorteile Durch Supersampling wird die Anzahl der Slices erhöht Sampling Abstand bleibt gleich d d Durch Supersampling wird die Anzahl der Slices erhöht

34 2D Multitextures: Vorteile Effizientere Balance während des Ladens GPU draw draw draw Bus transfer transfer transfer transfer time Nur die Informationen für das Zeichnen eines Slice Bildes wird übertragen. Ausnutzung von GPU und Bandbreite erfolgt parallel Bessere Performance

35 Agenda 1. Einleitung Volume Rendering 1.1. Volumendatensatz 1.2. Volumenintegral 1.3. Image order & Object order 1.4. Axis-/Object-aligned & Image-aligned 1.5. Basis Komponenten 2. 2D Texture - Methode 2.1. Texture Set-Up 2.2. Geometry Set-Up 2.3. Compositing Set-Up 3. 2D Multitexture - Methode 3.1. Vergleich 3.2. Texture Set-Up 3.3. Compositing Set-Up 3.4. Geometry Set-Up 4. Zusammenfassung, Quellen 35

36 Zusammenfassung 2D Texture Based Approach 3 fixe Stapel von object-aligned Slices Bilineare Interpolation 2D Multitexture Based Approach 3 variable Stapel von object-aligned Slices Supersampling mit Trilinearer Interpolation

37 Quellen Engel, Hadwiger, Kniss, Rezk-Salama, Weiskopf: Real-Time Volume Graphics 2006 Koch, Wiesemann: Entwicklung eines Frameworks mit grafischem Editor zur Visualisierung medizinischer Daten

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Für Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung. Vorlesung: "Advanced Topics in Computer Graphics" 38

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