Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme Volumenrendering Hauptseminar WS 2011/2012 Prüfer: Prof. Dr. Daniel Weiskopf Betreuer:Dipl.-Inf. Marco.

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1 Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme Volumenrendering Hauptseminar WS 2011/2012 Prüfer: Prof. Dr. Daniel Weiskopf Betreuer:Dipl.-Inf. Marco Ament Dipl.-Inf. Steffen Frey

2 Organisatorisches Das Seminar findet wöchentlich hier statt: Raum 00.012 (VISUS, Allmandring 19) Wöchentlicher Termin: Donnerstag, 14:00 – 15:30 Uhr Es besteht Anwesenheitspflicht bei allen Vorträgen Aktive Teilnahme (Fragen, Diskussion)! Änderungen werden auf Veranstaltungswebseite angekündigt http://www.vis.uni-stuttgart.de/

3 Organisatorische Details 1-2 Vorträge pro Termin 1. Termin in der dritten Vorlesungswoche Fristen 3 Wochen vor dem Vortrag: Treffen mit Betreuer (Pflicht!) Diskussion des Papers 2 Wochen vor dem Vortag: Zusammenfassung für Webseite Rohversion der Folien beim Betreuer zeigen Unmittelbar vor dem Vortrag: Endgültige PDF-Version der Folien an Betreuer schicken 4 Wochen nach dem Vortrag (bzw. spätestens am Vorlesungsende): Abgabe der schriftlichen Ausarbeitung

4 Vortrag Vortrag sollte etwa 30 min dauern Anschließend Fragen & Diskussion/Kritik Keine reine Aneinanderreihung der Referenzliteratur! Gegebene Literatur durch eigene Recherche sinnvoll ergänzen Grundlegende Methoden zum Thema selbst recherchieren und ausführlich darstellen (z.B. eigene Beispiele) Folienvorlagen für OpenOffice und PowerPoint auf der Webseite Eigenes Folien-Design möglich Laptop wird bei Bedarf gestellt Folien per E-Mail spätestens nach dem Vortrag an Betreuer

5 Ausarbeitung Ausarbeitung ist in LaTeX zu erstellen Vorlage wird zur Verfügung gestellt Vorlage muss ohne Änderungen übernommen werden Themen sind umfassend darzustellen Behandeltes Verfahren detailliert und in eigenen Worten erläutern Keine reine Übersetzung der Referenzliteratur! Umfang 6-8 Seiten Literaturverzeichnis aller verwendeten Referenzen Quellen (auch bei Bildern) sind zu benennen Bei Fragen bitte an Betreuer wenden

6 Thema 1 – Optische Modelle Strahlungstransfer in partizipierenden Medien Radiometrische Grundlagen Emission/Absorption Einfach-/Mehrfachstreuung Phasenfunktionen Referenzen: [1] H. C. Hege, T. Hollerer, and D. Stalling. Volume Rendering, Mathematical Models and Algorithmic Aspects. [2] N. Max. Optical Models for Direct Volume Rendering.

7 Thema 2 – Volumenakquise Grundlegende Aufnahmetechniken für Volumendaten Computertomographie (CT) Magnetresonanztomographie (MRT) Referenzen: [1] A. Kanitsar et al. Christmas Tree Case Study: Computed Tomography as a Tool for Mastering Complex Real World Objects with Applications in Computer Graphics. [2] Fang Xu and Klaus Mueller. Real-time 3D computed tomographic reconstruction using commodity graphics hardware.

8 Thema 3 – Volumenbearbeitung Segmentierung der Rohdaten in semantisch zusammen gehörende Gruppen/Cluster Extraktion von Strukturen Editieren von Volumendaten Referenzen: [1] M. Hadwiger, C. Langer, H. Scharsach, and K. Bühler. State-of-the-Art Report 2004 on GPU-Based Segmenation. [2] K. Bürger, J. Krüger, and R. Westermann. Direct Volume Editing.

9 Thema 4 – Renderingtechniken Raymarching als grundlegender Lösungsalgorithmus Preintegration (2D, 3D) der Transfer Funktion zur Verbesserung der Qualität/Performanz Lokale Beleuchtung mit Preintegration Referenzen: [1] K. Engel, M. Kraus, and T. Ertl. High-Quality Pre-Integrated Volume Rendering Using Hardware-Accelerated Pixel Shading. [2] S. Stegmaier, M. Strengert, T. Klein, and T. Ertl. A Simple and Flexible Volume Rendering Framework for Graphics-Hardware-based Raycasting. [3] E. Lum, B. Wilson, and K.-L. Ma. High-Quality Lighting and Efficient Pre-Integration for Volume Rendering

10 Thema 5 – Rekonstruktion Signalrekonstruktion aus diskreten Abtastpunkten Vorfilterung der Daten Untersuchung der Filter im Frequenzraum Interpolation Gradientenrekonstruktion für lokale Beleuchtungsmodelle Referenzen: [1] B. Csebfalvi. An Evaluation of Prefiltered Reconstruction Schemes for Volume Rendering. [2] M. Bentum, B. Lichtenbelt, and T. Malzbender. Frequency Analysis of Gradient Estimators in Volume Rendering.

11 Thema 6 – Zellbasierte Rekonstruktion Zellenbasierte Strahltraversierung Polynomielle Rekonstruktion pro Zelle Verlustfreie Darstellung (insbesondere von Isoflächen) Beschleunigskonzepte der Rekonstruktion Referenzen: [1] S. Parker, M. Parker, Y. Livnat, P.-P. Sloan, and C. Hansen. Interactive Ray Tracing for Volume Visualization. [2] S. Marchesin and G. C. de Verdiere. High-Quality, Semi-Analytical Volume Rendering for AMR Data. [3] M. Ament, D. Weiskopf, and H. Carr. Direct Interval Volume Visualization.

12 Thema 7 – Transferfunktionen Klassifikation (Farbe, Opazität) von Volumendaten Semi-automatische Erstellung von Transferfunktionen Höher-dimensionale Transferfunktionen Referenzen: [1] G. Kindlmann and J. W. Durkin. Semi-Automatic Generation of Transfer Functions for Direct Volume Rendering. [2] J. Kniss, G. Kindlmann, and C. Hansen. Multi-Dimensional Transfer Functions for Interactive Volume Rendering.

13 Thema 8 – Isoflächen mit DVR Isoflächen mit Delta-Distributionen Skalen-invariante Opazität für homogene Darstellung Peak Finding Algorithmus Referenzen: [1] M. Kraus. Scale-Invariant Volume Rendering. [2] A. Knoll, Y. Hijazi, R. Westerteiger, M. Schott, C. Hansen, and H. Hagen. Volume Ray Casting with Peak Finding and Differential Sampling.

14 Thema 9 – Volumenillustration Abstrakte (illustrative) Darstellungstechniken Merkmalsbasierte Extraktion Auflösung von Verdeckungsproblemen Erhaltung von Kontextinformationen Referenzen: [1] S. Bruckner, S. Grimm, A. Kanitsar, and M. E. Gröller. Illustrative Context-Preserving Volume Rendering. [2] S. Bruckner and M. E. Gröller. Exploded Views for Volume Data.

15 Thema 10 – Iterative Volumenbeleuchtung Globaler Strahlungstransfer (iterativ berechnet) Hierarchische Finite-Element-Methode Diffusionsansatz für Mehrfach-Streuung Referenzen: [1] F. Sillion. A Unified Hierarchical Algorithm for Global Illumination with Scattering Volumes and Object Clusters. [2] J. Stam. Multiple Scattering as a Diffusion Process.

16 Thema 11 – Stochastische Volumenbeleuchtung Globaler Strahlungstransfer (stochastisch berechnet) Monte-Carlo basierte Techniken Volume Photon Mapping Photon Points vs. Photon Beams Referenzen: [1] H. W. Jensen and P. H. Christensen. Efficient Simulation of Light Transport in Scenes with Participating Media using Photon Maps. [2] W. Jarosz, D. Nowrouzezahrai, I. Sadeghi, and H. W. Jensen. A Comprehensive Theory of Volumetric Radiance Estimation Using Photon Points and Beams.

17 Themenübersicht 1.Optische Modelle (Grundlagen Strahlungstransfer) 2.Volumenakquise (Aufnahmen, CT, MRT) 3.Volumenbearbeitung (Segmentierung, Editieren) 4.Renderingtechniken (Raymarching, Preintegration) 5.Rekonstruktion (Filtering, Interpolation) 6.Zellbasierte Rekonstruktion (Poly. Rekonstruktion) 7.Transferfunktionen (automatisch, höherdimensional) 8.Isoflächen (Skaleninvarianz, Peak Finding) 9.Volumenillustration (Abstrakte Darstellungen) 10.Iterative Volumenbeleuchung (FEM, Diffusion) 11.Stochastische Volumenbeleuchtung (Photon Mapping)