Visualisation de volumes techniques de rendu de volumes

Visualisation de volumes techniques de rendu de volumes Université BORDEAUX I DESS IMM, Module Synthèse d’images Florian LEVET, Edouard SUN 2/11/2022 D’après : “Volume Visualization and Volume Rendering Techniques” In Proc. of Eurographics, Tutorial 6, 2000 M. Meissner, H. Pfister, R. Westermann, C. M. Wittenbrink 1

Introduction Importance croissante dans la visualisation 3 D Tache : afficher des données volumétriques sous forme d’image 2 D dans laquelle on peut naviguer Ne se base pas sur les surfaces 2/11/2022 2

1 -1 Domaines d’applications Médecine : Scanner, ultrasons Prototypage : Scanner CT industriels Géosismique Simulation faisant appel à la dynamique des fluides 2/11/2022 3

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1 -2 Base du volume rendering (1/2) Une grille rectiligne, curviligne ou non structurée Pas de surface mais un ensemble d’échantillons dans la grille Algorithme d’affichage dépend de la grille 2/11/2022 7

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1 -2 Base du volume rendering (2/2) 2/11/2022 9

Absorption / Emission Un élément de donnée volumétrique : un voxel Absorbe et émet de la lumière Emission détermine la couleur et l’intensité Absorption opacité du voxel Peut être classifié pour chaque voxel 2/11/2022 10

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1 -3 Classification (1/2) Permet de trouver des structures dans un volume Permet d’explorer et de visualiser différentes zones du volume Assignation de la couleur, l’intensité, l’opacité et des propriétés du matériel 2/11/2022 12

1 -3 Classification (2/2) 2/11/2022 13

1 -4 Segmentation Classifier deux zones différentes n’est pas toujours possible Ex : tissus différents apparaissent identiques à cause de la nature du scanner Ces structures doivent être labellées ou segmentées 2/11/2022 14

1 -5 Shading Plusieurs techniques : globale, directe, locale Globale : prend en compte toutes lumières échangées entre tous les objets Directe : prend seulement en compte les lumières tombant directement sur l’objet Locale : consiste en composantes ambiante, spéculaire et diffuse 2/11/2022 15

1 -6 Calcul du gradient Notion d’iso-surface La normale utilisée dans le shading est trouvée par le calcul du gradient Grille échantillons considérés comme des niveaux de gris 2/11/2022 16

1 -7 Compositing On ne peut pas afficher les voxels de la scène dans n’importe quel ordre à cause de la transparence 2 solutions : front to back et back to front Front to back peut être terminé avant la fin de l’algo ( transparence a atteint un seuil ) Back to front : pas de terminaison avant la fin 2/11/2022 17

1 -8 Filtrage de la couleur Algorithme de rendu ré-échantillonne les valeurs des données Interpolation de ces valeurs Importance de la façon d’afficher un volume car peut générer de graves erreurs 2/11/2022 18

2 -0 Rendu de Volumes Les deux approches Rendu indirect de volume Rendu de surfaces Recherche d’iso surfaces (marching-cubes, …) Inconvénients : - Contraintes sur l’ensemble des voxels (existence d’iso surfaces, pas de « nuages » , …) - Volume considéré comme ensemble de surfaces Rendu direct de volume 2/11/2022 19

2 -1 Bases théoriques, VRI (Volume Rendering Integral) (1/3) Version continue (VRI) : : quantité de lumière de longueur d’onde reçue depuis le rayon r au point x du plan image. : longueur du rayon : lumière de longueur d’onde réfléchie et/ou émise vers s dans la direction r : densité d’atténuation de la particule s 2/11/2022 20

2 -1 Bases théoriques, VRI (Volume Rendering Integral) (2/3) Version discrète (DVRI) : : longueur de l’intervalle d’échantillonnage 2/11/2022 21

2 -1 Bases théoriques, VRI (Volume Rendering Integral) (3/3) Version discrète couramment utilisée : Fonction de transparence : Approximation de Taylor : Fonction d’opacité : 2/11/2022 22

2 -2 Algorithmes les plus répandus Raycasting Splatting Shear-Warp 3 D Texture-Mapping (Hardware) 2/11/2022 23

2 -2 -1 Algorithmes les plus répandus Raycasting Principe : - Pas de surfaces Rayons traversent le volume - Intervalles d’échantillonnage pas nécessairement équidistants - Les filtres les plus courant : voisin le plus proche (nearest neighbour), trilinéaire, gaussienne, spline cubique 2/11/2022 24

2 -2 -1 Algorithmes les plus répandus Splatting (1/2) Principe : - Chaque voxel = une sphère possédant une valeur RGBα : - Projection sur l’écran “splat” (éclaboussure) - Projection dans l’ordre “Front To Back” (FTB) - Voxels projetés sur l’écran + compositing 2/11/2022 25

2 -2 -1 Algorithmes les plus répandus Splatting (2/2) Avantages : - Considère seulement les voxels pertinents, aucune traversée d’espace vide (contrairement au raycasting). - Les empreintes peuvent être pré calculés phase de rasterization grandement accélérée Inconvénients : - Apparition de taches lors d’agrandissements 2/11/2022 26

2 -2 -2 Algorithmes les plus répandus Shear-Warp (1/2) Principe: - En pré calcul, découper le volume pour que les rayons soient alignés sur les axes 2/11/2022 27

2 -2 -2 Algorithmes les plus répandus Shear-Warp (2/2) Avantage : - Rendu accéléré Inconvénient : - Qualité de rendu faible 2/11/2022 28

2 -2 -3 Algorithmes les plus répandus 3 D Texture-Mapping (1/2) Principe: - Utilisation des cartes graphiques - Instructions Open. GL - Volume = texture 3 D - Textures découpées par des polygones parallèles - Volume rendu en mappant les textures sur une série de polygones 2/11/2022 29

2 -2 -3 Algorithmes les plus répandus 3 D Texture-Mapping (2/2) Avantages : - Rendu grandement accéléré par le traitement en hardware Inconvénients : - Qualité de rendu faible - Limité par la mémoire texture de la carte 2/11/2022 30

2 -2 -4 Algorithmes les plus répandus Bilan (1/3) Raycasting Splatting Shear-Warp 3 D T-Map Computerized Tomography (CT) scan de crâne humain Vue Zoomée sur la dentition CT scan d’une artère du cerveau montrant un anévrisme 2/11/2022 31

2 -2 -4 Algorithmes les plus répandus Bilan (2/3) Raycasting Splatting Shear-Warp 3 D T-Map Fonction Marschner-Lobb comprenant des hautesfréquences Simulation d’une distribution de potentiel d’électrons autour d’atomes 2/11/2022 32

2 -2 -3 Algorithmes les plus répandus Bilan (3/3) Résultats : - 3 D Texture-Mapping, Shear-warp : temps de calcul < 1 s - Raycasting, Splatting : bons résultats visuels - Qualité de Shear-warp comparable à Raycasting et Splatting lorsque image non zoomée. Comparaison Splatting/Raycasting : - Splatting plus enclin à manquer les hautes fréquences. - Raycasting plus rapide quand les données possèdent peu d’échantillons non-pertinents. 2/11/2022 33

Conclusion Volume. Pro Permet d’atteindre du temps réel pour des données de taille 512*512 Techniques d’accélération n Regrouper les voxels en amas de voxels n Stocker les matrices de transformation n Représentation hiérarchique des voxels n Mettre des drapeaux suivant proximité des voxels voisins n … 2/11/2022 34

Liens http: //www. cs. sunysb. edu/~mueller/ http: //www. gris. uni-tuebingen. de/~bartz/proj/volume/ http: //www. gris. uni-tuebingen. de/~meissner/ http: //graphics. stanford. edu/papers/lacroute_thesis/ 2/11/2022 35

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