Browsing by Author "Weiler, Manfred"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Hardware-beschleunigte Volumenvisualisierung auf adaptiven Datenstrukturen
(2006) Weiler, Manfred; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)
In vielen Disziplinen und Anwendungsgebieten spielen Volumendaten heutzutage eine immer wichtigere Rolle und der Einsatz von Graphik-Hardware stellt eine gute Möglichkeit dar, den mit der Volumenvisualisierung verbundenen Berechnungsaufwand zu meistern. Die bisher auf Graphikkarten übliche relativ starre Verarbeitungspipeline beschränkt ihren Einsatz jedoch auf wenige Typen von Volumendaten, insbesondere uniforme 3D Gitter, deren Struktur sich effizient auf die Mechanismen auf der Graphikkarte abbilden lässt. Mit der kürzlich eingeführten freien Programmierbarkeit von Graphikkarten ist es zunehmend möglich, die massive Rechenleistung der Graphikchips, welche die Fähigkeiten aktueller Universalprozessoren bei weitem übersteigt, für die Visualisierung von Volumendaten auf adaptiven Datenstrukturen einzusetzen. Am Beispiel dreier wichtiger Vertreter dieser Gattung von adaptiven Datenstrukturen, Finite-Elemente-Netze in ihrer Ausprägung als Tetraedergitter, lokale Gitterverfeinerungen sowie gitterlose Punktrepräsentationen, untersucht diese Arbeit, in wieweit sich die dafür erforderlichen komplexen Visualisierungsalgorithmen durch den Einsatz moderner Graphik-Hardware beschleunigen lassen. Ziel es dabei, möglichst viele Teile der Berechnung in den Verantwortungsbereich der Graphikkarte zu bringen, um auch in Zukunft von dem raschen Fortschritt bei der Entwicklung von Graphik-Hardware zu profitieren. Ein wichtiges dabei zu untersuchendes Problemfeld stellt das Zusammenspiel der unterschiedlichen involvierten Berechnungseinheiten (Hauptprozessor, Vertexprozessor und Fragmentprozessor auf der Graphikkarte) dar. Die Geschwindigkeitsoptimierung durch ausgewogenene Balance wird in der vorliegenden Arbeit durch unterschiedliche Algorithmen zur Visualisierung von Tetraedergittern demonstriert, die sukzessive identifizierte Flaschenhälse bei der Berechnung und der Kommunikation mit nachgelagerten Einheiten und dem Speicher beseitigen. Am Ende steht ein Hardware-basierter Ray Casting-Algorithmus für Tetraedergitter, der vollständig auf der Graphik-Hardware abläuft. Da Algorithmen, die auf der Graphikkarte ablaufen, ihre Daten aus dem Speicher der Graphikkarte beziehen, werden weiterhin Möglichkeiten zur Kompression betrachtet, um die maximale Größe der verarbeitbaren Datensätze zu erhöhen. Es wird eine neue kompakte Datenstruktur für Tetraedergitter vorgestellt, welche sowohl die Tetraederattribute als auch die Konnektivität der Tetraeder speichert und als Basis zur Visualisierung mittels Ray Casting dienen kann. Für punktbasierte Daten wird außerdem eine neue kompakte prozedurale Kodierung auf der Grundlage von radialen Basisfunktionen entwickelt, welche durch die Möglichkeit der Dekodierung mittels der programmierbaren Fragmenteinheit mit einer Vielzahl von Visualisierungslagorithmen kombinierbar ist und durch die vorgelagerte Kodierung anderer Datenstrukturen wie uniformer Gitter, Tetraedergitter oder gitterloser Daten eine universelle Visualisierungslösung darstellt. Eine weitere Option zur interaktiven Visualisierung von Tetraedergittern bietet die Abtastung auf adaptiv verfeinerten uniformen Volumengittern, die besser für die Verarbeitung auf der Graphikkarte geeignet sind. Hier ermöglicht die Beschleunigung der Abtastung mittels Graphik-Hardware die dynamische Berechnung, jeweils entsprechend den Parametern des aktuell dargestellten Bildes. Die sonst beim Resampling auftretenden charakteristischen Probleme wie hoher Speicherbedarf, geringe Interaktionsraten oder niedrige Darstellungsqualität werden dadurch vermieden beziehungsweise minimiert. Für typische Probleme, die bei der Visualisierung auf der Basis adaptiv verfeinerter uniformer Gitter auftreten, wie inkonsistente Interpolation zwischen unterschiedlichen Gitterbereichen oder Artefakte, die durch eine adaptive Abtastung auftreten, werden Lösungsansätze präsentiert. Implementierungsaspekte einer adaptiven Volumendarstellung auf uniformen Gittern werden im Rahmen einer neuartigen Software-Architektur mit flexiblen und erweiterbaren Shadern betrachtet. Sie erlaubt es, die Visualisierungsalgorithmen einfach auf die spezielle Graphik-Hardware der Zielplattform anzupassen, was in Anbetracht der heterogenen Graphikkarten-Landschaft einen wichtigen Baustein für die Entwicklung effizienter Visualisierungslösungen darstellt. Darüberhinaus wird gezeigt, wie sich programmierbare Graphik-Hardwere im Umfeld von virtuellen Umgebungen durch Hardware-beschleunigte Bildkompression und -dekompression geschwindigkeitssteigernd einsetzen lässt. Die Arbeit bringt alle vorgestellten Algorithmen in einen Gesamtzusammenhang, der es erlaubt gemeinsame Gestaltungsrichtlinien für die erfolgreiche Umsetzung von Visualisierungs-Algorithmen auf Graphik-Hardware zu extrahieren. Diese können anderen Forschern als Muster und zur Anregung dienen und so die Entwicklung weiterer Hardware-beschleunigter Algorithmen inspirieren.