Techniken der Volumenvisualisierung auf universell einsetzbarer Graphik-Hardware

In recent years the value of direct volume rendering techniques for the visualization of 3D scalar fields has become evident in many application areas ranging from medicine to natural science and engineering. The applicability of high quality volume rendering, however, was mainly restricted to expensive special purpose hardware or dedicated workstations with high-end graphics subsystem and high-speed memory bus. To these ends this thesis introduces methods for interactive high-quality volume visualization on general purpose hardware such as commodity desktop computers with graphics cards designed for computer games and multimedia. The aim of this work is to achieve a high image quality comparable to traditional ray-casting solutions at interactive frame rates on inexpensive hardware platforms. In this context the benefits and drawbacks of traditional texture based implementations are analyzed with respect to image quality and rendering performance. Based on this analysis, efficient volume rendering techniques are developed targeting the advanced features of modern PC graphics boards such as multi-stage rasterization, pixel shaders and dependent texture lookup. In the context of direct volume rendering, transfer functions are used to specify the emission and absorbtion values which are required for ray integration. Several implementations of transfer functions for pre- and post-classification are presented and analyzed. Automatic image- and data-driven techniques for transfer function design are examined and adapted to different application problems. Advanced features of the graphics hardware are used to include local illumination effects into direct volume rendering and techniques for non-polygonal isosurface display. The lighting effects are achieved as per-pixel illumination with dynamic light sources or as reflection maps, which cache the incident illumination at one point. The analysis of texture based algorithm is completed by a detailed performance measurement on different hardware architectures. As supplements to the 3D-texture based method, volumetric deformation models are introduced which allow the intuitive modeling of volume objects as well as the automatic optimization of deformation parameters for registration purposes. The presented approaches comprise an efficient algorithm for slice decomposition of arbitrary deformed polygonal surfaces and a deformation model based on regular hexahedra structures. A major goal of this work was the improvement of the availability of direct volume rendering for specific visualization problems in medicine and natural science. The application of different techniques in clinical environments are documented in several case studies including the visualization of the inner ear, the examination of tiny vascular structures as well as the functional analysis of the vertebral column.In den letzten Jahren ist der Nutzen von direkten Volume-Rendering Verfahren zur Visualisierung von 3D Skalarfeldern in vielen Anwendungsgebieten von der Medizin bis zur Naturwissenschaft und Technik o®ensichtlich geworden. Die Anwendbarkeit von hochqualitativer Volumenvisualisierung war allerdings hauptsächlich beschr¨ankt auf teure Spezial- Hardware und geeignete Arbeitsplatzrechner mit leistungsf¨ahigem Graphik-Subsystem und schnellem Speicherbus. Um hier Abhilfe zu schaffen, stellt diese Arbeit Methoden vor, die die interaktive Volumenvisualisierung auf weit verbreiteten Arbeitsplatzrechnern mit kostengünstiger Grafik- Hardware ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, auf einer Hardware, die haupts¨achlich f¨ur Computerspiele konzipiert ist, bei inteaktiver Bildwiederholrate eine Bildqualit¨at zu erzielen, die mit konventionellen Ray-Casting- Ansätzen vergleichbar ist. In diesem Zusammenhang werden die Vor- und Nachteile traditioneller, texturbasierter Implementierungen im Hinblick auf ihre Bildqualit¨at und die Performanz analysiert. Aufbauend auf diese Analyse werden effiziente Volume-Rendering Verfahren erarbeitet, die auf die hochentwickelten M¨oglichkeiten moderner PC Grafik-Karten wie beispielsweise stufenweise Rasterisierung, Pixel Shader und Dependent Textures aufbauen. Im Zusammenhang mit direkter Volumenvisualisierung werden Transferfunktionen verwendet, um die Werte für Emission und Absorbtion zu spezifizieren, die für die physikalisch basierte Intergration von Sehstrahlen notwendig sind. Eine Reihe von Implementierungen von Transferfunktionen zur Prä- und Postklassifikation werden vorgestellt und analysiert. Automatische bild- und datenbasierte Ansätze werden untersucht und an verschiedene Anwendungsprobleme angepasst. Fortschrittliche Möglichkeiten der Grafik-Hardware werden ausgenutzt um lokale Beleuchtungsverfahren und Methoden zur Darstellung nicht-polygonaler Isofl¨achen in die Volumenvisualisierung zu integrieren. Die Beleuchtungse®ekte werden erzielt durch pixelbasierte Lichtberechnung mit dynamischen Lichtquellen oder durch Reflection Maps, die das einfallende Licht in einem bestimmten Punkt vorberechnen. Die Analyse der texturbasierten Verfahren wird durch eine detaillierte Performanz-Messung auf verschiedenen Hardware-Architekturen vervollständigt. Als Ergänzung der 3D-texturbasierten Volumenvisualisierung werden volumetrische Deformationsmodelle vorgestellt, die sowohl die intuitive Modellierung von Objekten, als auch die automatische Optimierung von Deformationsparametern zum Zweck der Registrierung ermöglichen. Die vorgestellten Verfahren umfassen einen effizienten Algorith- mus zur Zerlegung von beliebigen deformierten Polygonflächen in Schichten und auch ein Verformungsmodell basierend auf einer regul¨aren Hexaederstruktur. Ein Hauptziel dieser Arbeit war eine Verbesserung der Anwendbarkeit der direkten Volumenvisualisierung für wissenschaftliche Analysen in Medizin und Naturwissenschaft. Die Anwendung verschiedener Techniken im klinischen Umfeld wird mittels mehrerer Fallstudien dokumentiert, die die Darstellung des Innenohrs, die Untersuchung von winzigen Gefäßstrukturen und die funktionelle Analyse der Wirbels¨aule einschließen