Efficient and High-Quality Rendering of Higher-Order Geometric Data Representations

Computer-Aided Design (CAD) bezeichnet den Entwurf industrieller Produkte mit Hilfe von virtuellen 3D Modellen. Ein CAD-Modell besteht aus parametrischen Kurven und Flächen, in den meisten Fällen non-uniform rational B-Splines (NURBS). Diese mathematische Beschreibung wird ebenfalls zur Analyse, Optimierung und Präsentation des Modells verwendet. In jeder dieser Entwicklungsphasen wird eine unterschiedliche visuelle Darstellung benötigt, um den entsprechenden Nutzern ein geeignetes Feedback zu geben. Designer bevorzugen beispielsweise illustrative oder realistische Darstellungen, Ingenieure benötigen eine verständliche Visualisierung der Simulationsergebnisse, während eine immersive 3D Darstellung bei einer Benutzbarkeitsanalyse oder der Designauswahl hilfreich sein kann. Die interaktive Darstellung von NURBS-Modellen und -Simulationsdaten ist jedoch aufgrund des hohen Rechenaufwandes und der eingeschränkten Hardwareunterstützung eine große Herausforderung. Diese Arbeit stellt vier neuartige Verfahren vor, welche sich mit der interaktiven Darstellung von NURBS-Modellen und Simulationensdaten befassen. Die vorgestellten Algorithmen nutzen neue Fähigkeiten aktueller Grafikkarten aus, um den Stand der Technik bezüglich Qualität, Effizienz und Darstellungsgeschwindigkeit zu verbessern. Zwei dieser Verfahren befassen sich mit der direkten Darstellung der parametrischen Beschreibung ohne Approximationen oder zeitaufwändige Vorberechnungen. Die dabei vorgestellten Datenstrukturen und Algorithmen ermöglichen die effiziente Unterteilung, Klassifizierung, Tessellierung und Darstellung getrimmter NURBS-Flächen und einen interaktiven Ray-Casting-Algorithmus für die Isoflächenvisualisierung von NURBSbasierten isogeometrischen Analysen. Die weiteren zwei Verfahren beschreiben zum einen das vielseitige Konzept der programmierbaren Transparenz für illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle und zum anderen eine neue hybride Methode zur Reprojektion halbtransparenter und undurchsichtiger Bildinformation für die Beschleunigung der Erzeugung von stereoskopischen Bildpaaren. Die beiden letztgenannten Ansätze basieren auf rasterisierter Geometrie und sind somit ebenfalls für normale Dreiecksmodelle anwendbar, wodurch die Arbeiten auch einen wichtigen Beitrag in den Bereichen der Computergrafik und der virtuellen Realität darstellen. Die Auswertung der Arbeit wurde mit großen, realen NURBS-Datensätzen durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass die direkte Darstellung auf Grundlage der parametrischen Beschreibung mit interaktiven Bildwiederholraten und in subpixelgenauer Qualität möglich ist. Die Einführung programmierbarer Transparenz ermöglicht zudem die Umsetzung kollaborativer 3D Interaktionstechniken für die Exploration der Modelle in virtuellenUmgebungen sowie illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle. Die Erzeugung stereoskopischer Bildpaare für die interaktive Visualisierung auf 3D Displays konnte beschleunigt werden. Diese messbare Verbesserung wurde zudem im Rahmen einer Nutzerstudie als wahrnehmbar und vorteilhaft befunden.In computer-aided design (CAD), industrial products are designed using a virtual 3D model. A CAD model typically consists of curves and surfaces in a parametric representation, in most cases, non-uniform rational B-splines (NURBS). The same representation is also used for the analysis, optimization and presentation of the model. In each phase of this process, different visualizations are required to provide an appropriate user feedback. Designers work with illustrative and realistic renderings, engineers need a comprehensible visualization of the simulation results, and usability studies or product presentations benefit from using a 3D display. However, the interactive visualization of NURBS models and corresponding physical simulations is a challenging task because of the computational complexity and the limited graphics hardware support. This thesis proposes four novel rendering approaches that improve the interactive visualization of CAD models and their analysis. The presented algorithms exploit latest graphics hardware capabilities to advance the state-of-the-art in terms of quality, efficiency and performance. In particular, two approaches describe the direct rendering of the parametric representation without precomputed approximations and timeconsuming pre-processing steps. New data structures and algorithms are presented for the efficient partition, classification, tessellation, and rendering of trimmed NURBS surfaces as well as the first direct isosurface ray-casting approach for NURBS-based isogeometric analysis. The other two approaches introduce the versatile concept of programmable order-independent semi-transparency for the illustrative and comprehensible visualization of depth-complex CAD models, and a novel method for the hybrid reprojection of opaque and semi-transparent image information to accelerate stereoscopic rendering. Both approaches are also applicable to standard polygonal geometry which contributes to the computer graphics and virtual reality research communities. The evaluation is based on real-world NURBS-based models and simulation data. The results show that rendering can be performed directly on the underlying parametric representation with interactive frame rates and subpixel-precise image results. The computational costs of additional visualization effects, such as semi-transparency and stereoscopic rendering, are reduced to maintain interactive frame rates. The benefit of this performance gain was confirmed by quantitative measurements and a pilot user study