Interactive illustrative volume visualization

Abstract

Illustrations are essential for the effective communication of complex subjects. Their production, however, is a difficult and expensive task. In recent years, three-dimensional imaging has become a vital tool not only in medical diagnosis and treatment planning, but also in many technical disciplines (e.g., material inspection), biology, and archeology. Modalities such as X-Ray Computed Tomography (CT) and Magnetic Resonance Imaging (MRI) produce high-resolution volumetric scans on a daily basis. It seems counter-intuitive that even though such a wealth of data is available, the production of an illustration should still require a mainly manual and time-consuming process.<br />This thesis is devoted to the computer-assisted generation of illustrations directly from volumetric data using advanced visualization techniques. The concept of a direct volume illustration system is introduced for this purpose. Instead of requiring an additional modeling step, this system allows the designer of an illustration to work directly on the measured data. Abstraction, a key component of traditional illustrations, is used in order to reduce visual clutter, emphasize important structures, and reveal hidden detail. Low-level abstraction techniques are concerned with the appearance of objects and allow flexible artistic shading of structures in volumetric data sets.<br />High-level abstraction techniques control which objects are visible. For this purpose, novel methods for the generation of ghosted and exploded views are introduced.<br />The visualization techniques presented in this thesis employ the features of current graphics hardware to achieve interactive performance. The resulting system allows the generation of expressive illustrations directly from volumetric data with applications in medical training, patient education, and scientific communication.<br />

Illustrationen spielen eine wichtige Rolle in der Kommunikation komplexer Sachverhalte. Ihre Herstellung ist jedoch schwierig und teuer.<br />Dreidimensionale bildgebende Verfahren haben sich in den letzten Jahren als unverzichtbares Werkzeug in Disziplinen wie der medizinischen Diagnose und Behandlungsplanung, im technischen Bereich (z.B.<br />Materialprüfung), der Biologie, und der Archäologie etabliert.<br />Modalitäten wie Röntgencomputertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) generieren täglich hochauflösende volumetrische Scans. Es leuchtet nicht ein, dass trotz dieses Datenreichtums die Produktion einer Illustration noch immer ein aufwendiger und zum Großteil manueller Prozess ist.<br />Diese Dissertation beschäftigt sich mit der computerunterstützten Erstellung von Illustrationen direkt auf Basis solcher Volumendaten. Zu diesem Zweck wird das Konzept eines direkten Volumenillustrationssystems eingeführt. Dieses System erlaubt die Gestaltung einer Illustration direkt anhand von gemessenen Daten, ohne dass ein zusätzlicher Modellierungsschritt notwendig wäre. Abstraktion, ein wichtiger Bestandteil traditioneller Illustrationen, wird verwendet um visuelle Überladung zu vermeiden, wichtige Strukturen hervorzuheben und versteckte Details sichtbar zu machen. Abstraktionstechniken beschäftigen sich einerseits mit der Erscheinung von Objekten und erlauben die flexible künstlerische Schattierung von Strukturen in volumetrischen Datensätzen. Andererseits kontrollieren diese Techniken welche Objekte sichtbar sein sollen. Neue Methoden zur Generierung von Transparenz- und Explosionsdarstellungen werden hierfür vorgestellt. Die präsentierten Visualisierungstechniken verwenden die Fähigkeiten moderner Graphikhardware um eine interaktive Darstellung zu ermöglichen.<br />Das resultierende System erlaubt die Erstellung von expressiven Illustrationen direkt anhand von volumetrischen Daten und hat eine Vielzahl von Anwendungen wie etwa die medizinische Ausbildung, Patientenaufklärung und wissenschaftliche Kommunikation.