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Volumenvisualisierung

Die Volumenvisualisierung befasst sich mit der Erzeugung und Darstellung von Bildern aus skalaren 3D-Daten. Typische Beispiele für solche Daten sind medizinische Aufnahmen aus der Computertomopgrahie (CT) oder der Magnetresonanztomographie (MRT). Weitere Anwendungen der Volumenvisualisierung sind die Exploration und die Erforschung von komplexen Simulationsdaten, z.B. aus der Strömungsmechanik, Geologie oder Seismologie. Die zugrunde liegenden Daten werden für die Visualisierung abgetastet und mit einem physikalischen Beleuchtungsmodell auf die Bildebene projiziert. Ein Benutzer kann dabei interaktiv die Farb -und Transparenzwerte der Datenpunkte mit einer Transferfunktion steuern, um gezielt Regionen auszublenden oder hervorzuheben.

Parallele Volumenvisualisierung des "Visible Human" auf einem GPU-Cluster mit 32 Knoten (Datenquelle: U.S. National Library of Medicine).
Parallele Volumenvisualisierung des "Visible Human" auf einem GPU-Cluster mit 32 Knoten (Datenquelle: U.S. National Library of Medicine).

Visualisierungstechniken

Die Darstellung von dreidimensionalen Volumendaten erfordert eine Projektion auf die Bildebene. Dabei kommen verschiedene Techniken zum Einsatz, die unterschiedliche Charakteristiken der Daten sichtbar machen. Im Allgemeinen wird ein Emissions-Absorptionsmodell verwendet, bei dem die Datenpunkte Farbwerte emittieren und entlang eines Sichtstrahls wieder absorbieren. Dabei können unterschiedliche Visualisierungsverfahren eingesetzt werden, um spezifische Merkmale hervorzuheben. Mit der "Maximum Intensity Projection" wird entlang der Blickrichtung jeweils der Datenpunkt mit der maximalen Intensität ausgewählt. Ein wichtiger Anwendungsbereich dieser Methode ist die Darstellung von medizinischen Daten. Ein flexibleres Verfahren ist die Darstellung unter der Verwendung einer Transferfunktion. Dabei können die Daten in Abhängigkeit ihres skalaren Wertes interaktiv farblich klassifiziert werden, um gezielt interessante Bereiche visuell zu filtern. Des Weiteren können Isoflächen mit diesem Verfahren dargestellt werden, um Gebiete mit unterschiedlichen Eigenschaften visuell voneinander abzugrenzen. Aktuelle Entwicklungen kombinieren die unterschiedlichen Visualisierungstechniken zu einheitlichen Modellen, wie z.B. die Methode der Interval Volumen.

Visualisierung einer CT-Aufnahme mit Maximum Intensity Projection.
Visualisierung mit Direct Volume Rendering und Isoflächen.
Visualisierung mit Direct Interval Volume Visualization.

Parallelisierungstechniken

Die zunehmende Größe der Daten hat hohe Anforderungen an Speicher- und Rechenkapazitäten. Um diese hohe Datenflut interaktiv visualisieren zu können ist die Parallelisierung von Algorithmen auf Clustern und der Einsatz modernster Grafikhardware (GPU) unverzichtbar geworden. Bei der Parallelisierung wird die Berechnung des Bildes in möglichst unabhängige Teilaufgaben zerlegt, die dann von mehreren Recheneinheiten gleichzeitig gelöst werden können. Grundsätzlich unterscheidet man ob die Unterteilung der Aufgaben in der Bildebene (Sort-First) oder im Objektraum (Sort-Last) stattfindet. Bei der Bildraumzerlegung werden von den einzelnen Rechenknoten kleine Ausschnitte des fertigen Bildes unabhängig berechnet, die am Ende nur noch aneinandergefügt werden müssen. Dadurch kann eine gute Skalierbarkeit der Performanz erreicht werden, nicht jedoch der Daten. Im Gegensatz dazu wird bei der Objektraumzerlegung der Datensatz in kleine Teilvolumina unterteilt, die von den Knoten jeweils berechnet werden. Durch diese Aufteilung erhält man eine optimale Skalierbarkeit der Daten, jedoch müssen am Ende eines Berechnungsschrittes die Teilbilder noch aufwendig zusammengesetzt werden (Compositing).

Publikationen seit 2000

2012

Visualization of Astronomical Nebulae via Distributed Multi-GPU Compressed Sensing Tomography
Wenger, Stephan; Ament, Marco; Guthe, Stefan; Lorenz, Dirk; Tillmann, Andreas; Weiskopf, Daniel; Magnor, Marcus: Visualization of Astronomical Nebulae via Distributed Multi-GPU Compressed Sensing Tomography. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (TVCG): Vol. 18, No. 12 (2012), pp. 2188-2197.
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Interactive Visualization and Simulation of Astronomical Nebulae
Wenger, Stephan; Ament, Marco; Steffen, Wolfgang; Koning, Nico; Weiskopf, Daniel; Magnor, Marcus: Interactive Visualization and Simulation of Astronomical Nebulae. In: IEEE Computing in Science and Engineering: Vol. 14, No. 3 (2012), pp. 78-87.
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Ament, Marco; Frey, Steffen; Müller, Christoph; Grottel, Sebastian; Ertl, Thomas; Weiskopf, Daniel: GPU-Accelerated Visualization. In: E. W. Bethel, H. Childs, and C. Hansen: High Performance Visualization: Enabling Extreme-Scale Scientific Insight. Chapman and Hall/CRC, 2012.
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Fast Visualization of Gaussian Density Surfaces for Molecular Dynamics and Particle System Trajectories
Krone, Michael; Stone, John E.; Ertl, Thomas; Schulten, Klaus: Fast Visualization of Gaussian Density Surfaces for Molecular Dynamics and Particle System Trajectories. In: EuroVis 2012 Short Papers, pp. 67-71, 2012.
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total number: 4

2011

Sort First Parallel Volume Rendering
Moloney, Brendan; Ament, Marco; Weiskopf, Daniel; Möller, Torsten: Sort First Parallel Volume Rendering. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics: Vol. 17, No. 8 (2011), pp. 1164-1177.
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total number: 1

2010

Direct Interval Volume Visualization
Ament, Marco; Weiskopf, Daniel; Carr, Hamish: Direct Interval Volume Visualization. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics: Vol. 16, No. 6 (2010), pp. 1505-1514.
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Interactive High-Quality Visualization of Higher-Order Finite Elements
Üffinger, Markus; Frey, Steffen; Ertl, Thomas: Interactive High-Quality Visualization of Higher-Order Finite Elements. In: Computer Graphics Forum (CGF) Volume 29(2) (Euro Graphics 2010) Pages 115-136 (2010), pp. 337-346.
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Interactive Image-Space Volume Visualization for Dynamic Particle Simulations
Falk, Martin; Grottel, Sebastian; Ertl, Thomas: Interactive Image-Space Volume Visualization for Dynamic Particle Simulations. In: Proceedings of The Annual SIGRAD Conference, pp. 35-43, 2010.
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Frey, Steffen; Ertl, Thomas: PaTraCo: A Framework Enabling the Transparent and Efficient Programming of Heterogeneous Compute Networks. In: Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization (EGPGV10), pp. 131-140, 2010.
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total number: 4

2009

Accelerating Raycasting Utilizing Volume Segmentation of Industrial CT Data
Frey, Steffen; Ertl, Thomas: Accelerating Raycasting Utilizing Volume Segmentation of Industrial CT Data. In: EG UK Theory and Practice of Computer Graphics (2009), pp. 33-40.
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Frey, Steffen; Müller, Christoph; Strengert, Magnus; Ertl, Thomas: Concurrent CT Reconstruction and Visual Analysis Using Hybrid Multi-resolution Raycasting in a Cluster Environment. In: ISVC '09: Proceedings of the 5th International Symposium on Advances in Visual Computing, pp. 357-366, 2009.
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total number: 2

2008

Interactive Volume Rendering on Mobile Devices
Moser, Manuel; Weiskopf, Daniel: Interactive Volume Rendering on Mobile Devices. In: Workshop on Vision Modelling and Visualization VMV '08, pp. 217-226, 2008.
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Direct GPU-based Volume Deformation
Rößler, Friedemann; Wolff, Torsten; Ertl, Thomas: Direct GPU-based Volume Deformation. In: Proceedings of CURAC 2008, pp. 65-68, 2008.
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total number: 2

2007

Adaptive Load Balancing for Raycasting of Non-Uniformly Bricked Volumes
Müller, Christoph; Strengert, Magnus; Ertl, Thomas: Adaptive Load Balancing for Raycasting of Non-Uniformly Bricked Volumes. In: Journal of Parallel Computing: Vol. 3, No. 6 (2007), pp. 289-296.
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Scalable Sort-First Parallel Direct Volume Rendering with Dynamic Load Balancing
Moloney, Brendan; Weiskopf, Daniel; Möller, Torsten; Strengert, Magnus: Scalable Sort-First Parallel Direct Volume Rendering with Dynamic Load Balancing. In: Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization (EGPGV07), pp. 45-52, 2007.
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Simultaneous Visualization of Anatomical and Functional 3D Data by Combining Volume Rendering and Flow Visualization
Schafhitzel, Tobias; Rößler, Friedemann; Weiskopf, Daniel; Ertl, Thomas: Simultaneous Visualization of Anatomical and Functional 3D Data by Combining Volume Rendering and Flow Visualization. In: Proceedings of SPIE Medical Imaging 2007: Visualization and Image-Guided Procedures, pp. 1-9, 2007.
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Hardware-accelerated point-based rendering of surfaces and volumes
Tejada, Eduardo; Schafhitzel, Tobias; Ertl, Thomas: Hardware-accelerated point-based rendering of surfaces and volumes. In: Proceedings of WSCG 2007 Full Papers, pp. 41-48, 2007.
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total number: 4

2006

Spectral Volume Rendering using GPU-based Raycasting
Strengert, Magnus; Klein, Thomas; Botchen, Ralf P.; Stegmaier, Simon; Chen, Min; Ertl, Thomas: Spectral Volume Rendering using GPU-based Raycasting. In: The Visual Computer: Vol. 22, No. 8 (2006), pp. 550-561.
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GPU-assisted Multi-field Video Volume Visualization
Botchen, Ralf P.; Chen, Min; Weiskopf, Daniel; Ertl, Thomas: GPU-assisted Multi-field Video Volume Visualization. In: Proceedings of the International Workshop on Volume Graphics '06, pp. 47-54, 2006.
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Generating Segmented Tetrahedral Meshes from Regular Volume Data for Simulation and Visualization Applications
Cuadros-Vargas, Alex J.; Nonato, Luis G.; Tejada, Eduardo; Ertl, Thomas: Generating Segmented Tetrahedral Meshes from Regular Volume Data for Simulation and Visualization Applications. In: Proceedings of CompIMAGE, pp. 27-36, 2006.
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Iserhardt-Bauer, Sabine; Hastreiter, Peter; Tomandl, Bernd F.; Ertl, Thomas: Evaluation of Volume Growing Based Segmentation of Intracranial Aneurysms Combined with 2D Transfer Functions. In: Proceedings of SimVis 2006, pp. 319-327, 2006.
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Optimized Volume Raycasting for Graphics-Hardware-based Cluster Systems
Müller, Christoph; Strengert, Magnus; Ertl, Thomas: Optimized Volume Raycasting for Graphics-Hardware-based Cluster Systems. In: Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization (EGPGV'06), pp. 59-66, 2006.
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GPU-based Multi-Volume Rendering for the Visualization of Functional Brain Images
Rößler, Friedemann; Tejada, Eduardo; Fangmeier, Thomas; Ertl, Thomas; Knauff, Markus: GPU-based Multi-Volume Rendering for the Visualization of Functional Brain Images. In: Proceedings of SimVis 2006, pp. 305-318, 2006.
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Pre-integrated Flow Illustration for Tetrahedral Meshes
Svakhine, Nikolai A.; Ebert, David S.; Tejada, Eduardo; Ertl, Thomas; Gaither, Kelly P.: Pre-integrated Flow Illustration for Tetrahedral Meshes. In: Proceedings of the International Workshop on Volume Graphics '06, 2006.
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total number: 7

2004

Weiler, Manfred; Klein, Thomas; Ertl, Thomas: Direct volume rendering in OpenSG. In: Computers and Graphics: Vol. 28, No. 1 (2004), pp. 93-98.
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Volume Visualization and Visual Queries for Large High-Dimensional Datasets
Reina, Guido; Ertl, Thomas: Volume Visualization and Visual Queries for Large High-Dimensional Datasets. In: Proceedings of EG/IEEE TCVG Symposium on Visualization VisSym '04, pp. 255-260, 2004.
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Hierarchical Visualization and Compression of Large Volume Datasets Using GPU Clusters
Strengert, Magnus; Magallón, Marcello; Weiskopf, Daniel; Guthe, Stefan; Ertl, Thomas: Hierarchical Visualization and Compression of Large Volume Datasets Using GPU Clusters. In: Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization (EGPGV'04), pp. 41-48, 2004.
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total number: 3

2003

Weiler, Manfred; Kraus, Martin; Merz, Markus; Ertl, Thomas: Hardware-Based View-Independent Cell Projection. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (2003), pp. 163-175.
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A Volume Rendering Extension for the OpenSG Scene Graph API
Klein, Thomas; Weiler, Manfred; Ertl, Thomas: A Volume Rendering Extension for the OpenSG Scene Graph API. In: Poster Compendium of IEEE Visualization '03. 2003.
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Cell Projection of Convex Polyhedra
Röttger, Stefan; Ertl, Thomas: Cell Projection of Convex Polyhedra. In: Proc. Volume Graphics '03, pp. 103-107, 2003.
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Fast Volumetric Display of Natural Gaseous Phenomena
Röttger, Stefan; Ertl, Thomas: Fast Volumetric Display of Natural Gaseous Phenomena. In: Proc. CGI '03, pp. 74-81, 2003.
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Smart Hardware-Accelerated Volume Rendering
Röttger, Stefan; Guthe, Stefan; Weiskopf, Daniel; Ertl, Thomas; Straßer, Wolfgang: Smart Hardware-Accelerated Volume Rendering. In: Proceedings of EG/IEEE TCVG Symposium on Visualization VisSym '03, pp. 231-238, 2003.
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Schulze, J. P.; Kraus, Martin; Lang, U.; Ertl, Thomas: Integrating Pre-Integration into the Shear-Warp Algorithm. In: Proceedings of Third International Workshop on Volume Graphics, pp. 109-118, 2003.
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Hardware-Based Ray Casting for Tetrahedral Meshes
Weiler, Manfred; Kraus, Martin; Merz, Markus; Ertl, Thomas: Hardware-Based Ray Casting for Tetrahedral Meshes. In: Proceedings of IEEE Visualization '03, pp. 333-340, 2003.
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total number: 7

2002

High-Quality Unstructured Volume Rendering on the PC Platform
Guthe, Stefan; Röttger, Stefan; Schieber, Andreas; Straßer, Wolfgang; Ertl, Thomas: High-Quality Unstructured Volume Rendering on the PC Platform. In: Proc. EG/SIGGRAPH Graphics Hardware Workshop '02, pp. 119-125, 2002.
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A Two-Step Approach for Interactive Pre-Integrated Volume Rendering of Unstructured Grids
Röttger, Stefan; Ertl, Thomas: A Two-Step Approach for Interactive Pre-Integrated Volume Rendering of Unstructured Grids. In: Proc. IEEE VolVis '02, 2002.
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Shadow Volumes Revisited
Röttger, Stefan; Irionar, A.; Ertl, Thomas: Shadow Volumes Revisited. In: Proc. WSCG '02, pp. 373-393, 2002.
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Kraus, Martin: Truly Volumetric Effects. In: Direct3D ShaderX, pp. 438-447, 2002.
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Ein Volume-Rendering-Framework für OpenSG
Weiler, Manfred; Ertl, Thomas: Ein Volume-Rendering-Framework für OpenSG. In: Proceedings of OpenSG Symposium 2002, 2002.
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Hardware-Based View-Independent Cell Projection
Weiler, Manfred; Kraus, Martin; Ertl, Thomas: Hardware-Based View-Independent Cell Projection. In: Proceedings of IEEE Symposium on Volume Visualization 2002, pp. 13-22, 2002.
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Volume Clipping via Per-Fragment Operations in Texture-Based Volume Visualization
Weiskopf, Daniel; Engel, Klaus; Ertl, Thomas: Volume Clipping via Per-Fragment Operations in Texture-Based Volume Visualization. In: Proceedings of IEEE Visualization '02, pp. 93-100, 2002.
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total number: 7

2001

Local and Remote Visualization Techniques for Interactive Direct Volume Rendering in Neuroradiology
Tomandl, Bernd F.; Hastreiter, Peter; Rezk-Salama, Christof; Engel, Klaus; Ertl, Thomas; Huk, Walter J.; Naraghi, Ramin; Ganslandt, Oliver; Nimsky, Christopher: Local and Remote Visualization Techniques for Interactive Direct Volume Rendering in Neuroradiology. In: RadioGraphics (2001), pp. 1561-1572.
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High-Quality Pre-Integrated Volume Rendering Using Hardware-Accelerated Pixel Shading
Engel, Klaus; Kraus, Martin; Ertl, Thomas: High-Quality Pre-Integrated Volume Rendering Using Hardware-Accelerated Pixel Shading. In: Eurographics / SIGGRAPH Workshop on Graphics Hardware '01, pp. 9-16, 2001.
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Parallel Volume Rendering using PC Graphics Hardware
Magallón, Marcello; Hopf, Matthias; Ertl, Thomas: Parallel Volume Rendering using PC Graphics Hardware. In: Pacific Graphics, 2001.
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total number: 3

2000

Combining Local and Remote Visualization Techniques for Interactive Volume Rendering in Medical Applications
Engel, Klaus; Hastreiter, Peter; Tomandl, Bernd F.; Eberhardt, K. E. W.; Ertl, Thomas: Combining Local and Remote Visualization Techniques for Interactive Volume Rendering in Medical Applications. In: Proceedings of IEEE Visualization '00, pp. 449-452, 2000.
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Interactive Volume Rendering on Standard PC Graphics Hardware Using Multi-Textures and Multi-Stage-Rasterization
Rezk-Salama, Christof; Engel, Klaus; Bauer, M.; Greiner, G.; Ertl, Thomas: Interactive Volume Rendering on Standard PC Graphics Hardware Using Multi-Textures and Multi-Stage-Rasterization. In: Eurographics / SIGGRAPH Workshop on Graphics Hardware '00, pp. 109-118,147, 2000.
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Hardware-Accelerated Volume and Isosurface Rendering Based On Cell-Projection
Röttger, Stefan; Kraus, Martin; Ertl, Thomas: Hardware-Accelerated Volume and Isosurface Rendering Based On Cell-Projection. In: Proceedings of IEEE Visualization '00, pp. 109-116, 2000.
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Level-Of-Detail Volume Rendering via 3D Textures
Weiler, Manfred; Westermann, R.; Hansen, Charles D.; Zimmerman, K.; Ertl, Thomas: Level-Of-Detail Volume Rendering via 3D Textures. In: Volume Visualization and Graphics Sympsium 2000, pp. 7-13, 2000.
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total number: 4