A Template-based discrete ray tracing system for volume rendering

Abstract

ÖZET HACİM GÖRÜNTÜLEME İÇİN ŞABLON BAZLI BİR AYRIK IŞIN İZLEME SİSTEMİ ÇELEBİ, Ö. Cengiz Yüksek Lisans Tezi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Yrd. Doç. Dr. Nurdal WATSUJI Eş-Tez Yöneticisi: Yrd. Doç. Dr. Ulus ÇEVİK Mayıs 2003, 163 sayfa Hacim görüntüleme, üç boyutlu hacimsel verinin iki boyutlu projeksiyonlarının elde edilmesi tekniğidir. Hacimsel veri, MRI, CT, SPECT veya US tarayıcılar gibi tıbbi tarayıcılardan elde edilebilir. Üç boyutlu veriler yüzey görüntüleme veya hacim görüntüleme algoritmaları kullanılarak görüntülenebilirler. Yüzey görüntüleme algoritmaları ara işlemler olarak geometrik gösterimi gerektirmeleri nedeniyle daha az ilgi çekicidirler. Bilinen pek çok hacimsel görüntüleme tekniği vardır. Bir görüntünün elde edilmesi için hacimsel verinin en küçük birimi olan voksellerin işlenme sırası, bu tekniklerin arasındaki en önemli ayrımı oluşturur ve buna göre görüntü-sıralı veya nesne-sıralı olarak sınıflandırılırlar. En sık kullanılan yöntem görüntü-sıralı bir teknik olan ışın izleme tekniğidir ve bu tezde de bu yöntem kullanılacaktır. Hacim görüntüleme metodlarının en önemli problemi bir görüntünün elde edilebilmesi için gereken işlem süresinin uzunluğudur. İşlem süresinin kısaltılabilmesi özel gayret sarf etmeyi gerektirir. Etkileşimli görüntüleme hızlarının elde edilmesi donanım uygulamaları, paralel işlem veya diğer yardımcı modellerin tatbikine bağlıdır. Bu tez, bilimsel verilerin özel maksatlı donanımların kullanılmasına ihtiyaç duyulmadan, kişisel bilgisayarlarla görüntülenmesini sağlayan bir hacimsel görüntüleme metodunu tanımlamaktadır.Etkileşimli bir hacim görüntüleme uygulaması bir saniyede Tera (10 ) seviyesinde işlemin yapılmasını sağlayacak bir performans gerektirir. Böyle bir performans genel maksatlı işlemciler ile sağlanamaz ve ilave çözümlerin araştırılmasını gerektirir. Bu tezde beyan edilen çalışma, bu kadar yüksek seviyeli işlem gereksinimini azaltarak işlemcinin yükünü hafifletmek amacıyla, ayrık ışın izleme yöntemini dört ana yönde geliştirmektedir. Birinci yöntem projeksiyon hesaplamalarında kullanılmak üzere geliştirilmiş bir adres uzayı dönüşüm metodudur, ikinci yöntem, ışık ve gölge hesaplamalarında kullanılan yüzey normal vektörlerinin tahmininde kullanılır. Üçüncü yöntem bir yüzey düzgünleştirilmesi algoritmasıdır. Sonuncusu ise boş alan atlaması için kullanılan basit fakat etkili bir metoddur. Anahtar kelimeler: hacim görüntüleme, yüzey normali tahmini, yüzey düzeltme, boş alan atlaması

ABSTRACT A TEMPLATE-BASED DISCRETE RAY TRACING SYSTEM FOR VOLUME RENDERING ÇELEBİ, Ö. Cengiz M.Sc. in Electrical and Electronics Eng. Supervisor: Assist. Prof. Dr. Nurdal WATSUJI Co-supervisor: Assist. Prof. Dr. Ulus ÇEVİK May 2003, 163 pages Volume visualization is the technique of displaying two dimensional projections of three dimensional (volume) data. Data may be acquired from a medical scanner, such as a MRJ, CT, SPECT, or US scanner. Visualizing a given three dimensional dataset can be done by surface rendering algorithms or by volume rendering algorithms. Surface rendering algorithms require an intermediate geometric representation and are therefore less attractive. Several volume rendering techniques are known. The most important distinction between the techniques is the order in which the voxels, smallest volume element, are processed to create an image, image- order or object-order algorithms. The technique most often used is ray tracing, an image-order algorithm, which will also be used in this thesis. The major problem of volume rendering methods is the time required to generate images. To improve the processing time, special care should be taken. Achieving interactive rendering rates requires hardware implementation, parallel rendering or other assistance models. This thesis describes a volume rendering method for visualization of scientific data with commercially available personal computers, without requiring dedicated systems. IVAn interactive volume visualization scheme requires a performance in the order of Tera (1012) operations per second. Such a performance can not only be provided by general purpose processors, and so, additional solutions must be explored. To support the hardware in order to decrease the computational burden, the work reported in this thesis props the discrete ray tracing method up in four main ways. The first one is an address space transformation method for projection calculations. The second is a surface normal estimation technique for shading. The third method is for surface smoothing. And the last one is a simple and efficient method for space leaping. Keywords: volume rendering, surface normal estimation, surface smoothing, space leaping