Hardware accelerated volume visualization on PC clusters

Abstract

This work presents a system for the hardware accelerated parallel rendering of large volume datasets on PC Clusters. The parallelization possibilities on the visualization pipeline are explained, and how some of this possibilities have been exploited. The evolution of commodity graphics hardware is also discussed, and serves as motivation for working on the parallelization of the last step of the visualization pipeline, namely the rendering of images. A comparison between ''high end'' proprietary visualization systems and commodity hardware is provided and serves as motivation for working on the parallelization of the rendering using clusters of PCs equipped with commodity graphics hardware. The parallelization of the volume rendering algorithm is presented, and special attention is paid to the parallelization of the compositing stage: two well known algorithms for parallel compositing, direct send and binary swap, are discussed and compared and a justification for choosing one over the other is provided. Assembler implementations of the compositing operation are given, one for the Intel's x86 architecture, and one for AMD's AMD64. The performance characteristics of this implementations are discussed. Remote access of generic visualization facilities is presented, including a detailed description of a generic method for remotely accessing visualization applications.

Diese Arbeit stellt ein System für das hardware-beschleunigte parallele Volumenrendern auf PC-Clustern vor. Sowohl die Parallelisierungsmöglichkeiten der Visualisierungspipeline als auch die Methoden, wie sie bisher benutzt worden sind, werden erläutert. Die zeitliche Entwicklung der gebräuchlichen Standard-Graphikhardware wird besprochen und die Motivation für die Parallelisierung des letzten Schrittes der Visualisierungspipeline wird eingeführt, nämlich das Erzeugen von Bilder (Rendering). Ein Vergleich zwischen ''hochleistenden'' proprietären Visualisierungssystemen und gebräuchlicher Hardware wird dargestellt und dient als Motivation um mit der Parallelisierung des Renderings auf mit Graphikhardware ausgestatteten PC-Clustern zu arbeiten. Die Parallelisierung des Algorithmus zum Rendern von Volumina wird vorgestellt. Besondere Beachtung findet dabei die Parallelisierung des Compositing: zwei allgemein bekannte Algorithmen zum parallelen Compositing, "direct send" und "binary swap" werden besprochen und verglichen, und eine Begründung für die getroffene Wahl wird gegeben. Assembler-Implementierungen des Compositing werden vorgestellt: Eine für die Intel x86 Architektur und eine für die AMD AMD64 Architektur. Die Performanzmerkmale dieser Implementierungen werden diskutiert. Eine generische Methode für den entfernten Zugang zu Visualisierungsanwendungen wird vorgestellt. Zuerst wird ein Überblick über existierende Lösungen gegeben und anschließend wird eine generische Methode genauer beschrieben, mit der auf Visualisierungsanwendungen entfernt zugegriffen werden kann.