Stefan Bruckner


Efficient Volume Visualization of Large Medical Datasets


Master's Thesis




supervised by
Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Eduard Gröller
Dipl.-Inform. Sören Grimm


Institut of Computer Graphics and Algorithms
Vienna University of Technology

Abstract

The size of volumetric datasets used in medical environments is increasing at a rapid pace. Due to excessive pre-computation and memory demanding data structures, most current approaches for volume visualization do not meet the requirements of daily clinical routine. In this diploma thesis, an approach for interactive high-quality rendering of large medical data is presented. It is based on image-order raycasting with object-order data traversal, using an optimized cache coherent memory layout. New techniques and parallelization strategies for direct volume rendering of large data on commodity hardware are presented. By using new memory efficient acceleration data structures, high-quality direct volume rendering of several hundred megabyte sized datasets at sub-second frame rates on a commodity notebook is achieved.

Kurzfassung

Die Größe von in der Medizin verwendeten Volumensdatensätzen nimmt rapide zu. Doch, aufgrund von exzessiver Vorberechnung und speicherintensiven Datenstrukturen, sind viele Visualisierungstechniken solchen Datenmengen nicht gewachsen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird eine Methode präsentiert, die die direkte Volumsvisualisierung von großen Datensätzen auf Standardhardware ermöglicht. Der Ansatz basiert auf einem hochqualitativen Image-Order-Algorithmus mit Object-Order-Datenverarbeitung, der ein optimiertes Cache kohärentes Speicherlayout einsetzt. Des weiteren werden neue Techniken und Strategien zur Parallelisierung auf Standardhardware präsentiert. Durch den Einsatz von neuen speicheroptimierten Beschleunigungsdatenstrukturen, werden für Datensätze einer Größe von vielen hundert Megabyte Darstellungsraten von mehreren Bilden pro Sekunde auf einem Standard-Notebook erreicht.

• Contents
• Introduction
• State of the Art in Volume Rendering
  • Optical Model for Volume Rendering
  • Volume Rendering Techniques
    • Image-Order Volume Rendering
      • Image-Space Coherency
      • Object-Space Coherency
      • Inter-Ray Coherency
      • Inter-Frame Coherency
      • Empty Space Skipping
      • Efficient Memory Access
    • Object-Order Volume Rendering
    • Hybrid-Order Volume Rendering
    • Texture Mapping Techniques
    • Special-Purpose Hardware
  • Comparison of Volume Rendering Algorithms
  
  
• Volume Rendering of Large Datasets
  • Introduction
    • System Requirements
      • Medical Datasets
      • High Quality
      • Interactive Viewing
      • Interactive Classification
      • Low Memory Consumption
      • Parallelization Support
      • Pure Software
    • Implications
  • The Raycasting Pipeline
    • Reconstruction
      • Function Reconstruction
      • Gradient Reconstruction
    • Classification
    • Shading
    • Compositing
  • Memory Management for Large Datasets
    • Bricking
    • Addressing
    • Traversal
  • Parallelization Strategies for Commodity Hardware
    • Symmetric Multiprocessing
    • Simultaneous Multithreading
  • Memory Efficient Acceleration Data Structures
    • Gradient Cache
    • Entry Point Buffer
    • Cell Invisibility Cache
    • Load Balancing
  • Maintaining Interactivity
  
  
• Implementation
  • Architecture
    • Environment
    • Volumes
    • Renderers
    • Manipulators
    • Viewers
  
  
• Results
  • Memory Management for Large Datasets
  • Parallelization Strategies for Commodity Hardware
  • Memory Efficient Acceleration Data Structures
  • Comparison of Reconstruction Filters
  • Visualization Results
  
  
• Summary
  • Introduction
  • Memory Management for Large Datasets
    • Bricking
    • Addressing
    • Traversal
  • Parallelization Strategies for Commodity Hardware
    • Symmetric Multiprocessing
    • Simultaneous Multithreading
  • Memory Efficient Acceleration Data Structures
    • Gradient Cache
    • Entry Point Buffer
    • Cell Invisibility Cache
  • Results
    • Memory Management for Large Datasets
    • Parallelization Strategies for Commodity Hardware
    • Memory Efficient Acceleration Data Structures
  • Conclusion
  
  
• Acknowledgements
• Bibliography
• List of Figures
• List of Tables