Optimális háromdimenziós rácson mintavételezett adatok interaktív térfogat-vizualizációja
Title in English
Interactive Rendering of Optimally Sampled Volumetric Data
Keywords in Hungarian
optimális 3D mintavételező rács, 3D jelrekonstrukció, szűrés, térfogat-vizualizáció
Keywords in English
optimal 3D sampling grid, 3D signal reconstruction, filtering, volume rendering
Discipline
Automation and Computer Science (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent
Department of Control Engineering and Information Technology (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2007-07-01
Closing date
2010-07-31
Funding (in million HUF)
3.300
FTE (full time equivalent)
2.01
state
closed project
Summary in Hungarian
A hagyományos térfogat-vizualizációs alkalmazásokban a bemeneti 3D adatok valamilyen fizikai tulajdonság (például Hounsfield sűrűség CT adatok esetén), egy reguláris rektilineáris térháló rácspontjaiban mért értékeit tartalmazzák. A rektilineáris rácsról ugyanakkor köztudott, hogy mintavételezési szempontból nem optimális, még akkor sem, ha a rács cellái egybevágó kockák. Ha egy sávkorlátozott térbeli jelet a rektilineáris rács helyett egy optimális tércentrált kockarács (Body-Centered Cubic Grid – BCC rács) rácspontjaiban mintavételezünk, akkor majdnem 30%-kal kevesebb mintát kell vennünk ahhoz, hogy az eredeti jelet tökéletesen rekonstruálni lehessen. A BCC rács ugyanakkor nem szeparálható, így a hagyományos 1D interpolációs szűrőket nem lehet BCC rácsra szeparálhatóan kiterjeszteni. Egy optimális BCC rácson mintavételezett térbeli jel hatékony és pontos megjelenítéséhez ezért egy új rekonstrukciós séma alkalmazására van szükség. A kutatás célja, hogy a rektilineáris rácsra már kidolgozott diszkrét tomográfiás rekonstrukciós módszereket, valamint a megjelenítéshez szükséges folytonos rekonstrukciós módszereket adaptálja az optimális BCC rácsra. A témában előzetesen végzett kutatásaim alapján a BCC rács egyenletesebb hibaeloszlású rekonstrukciót, ezáltal magasabb minőségű vizualizációt eredményez, amely kulcsfontosságú a 3D orvosi diagnosztikai alkalmazásokban. A modern 3D szkennelő technológiák (CT, MRI) területén az optimális BCC rácson történő rekonstrukció ezért valószínűsíthetően új szabványt fog teremteni.
Summary
In the traditional volume-rendering applications, the input data contains the measured values of a physical property (like a Hounsfield density in a CT scan) at the grid points of a rectilinear grid. However, it is well known that the rectilinear grid is not optimal from the resampling point of view, even if the cells are congruent cubes resulting in a Cartesian Cubic (CC) grid. If a band-limited spatial signal is sampled on an optimal Body-Centered Cubic (BCC) grid rather than on a CC grid, almost 30% fewer samples are necessary to perfectly reconstruct the original continuous signal. Nevertheless, the BCC grid is not separable therefore a separable extension of the classical 1D interpolation filters cannot be applied for the BCC grid. In order to efficiently and accurately render a BCC-sampled signal, new reconstruction schemes have to be applied. The major goal of this research is to adapt those discrete tomography reconstruction methods and the continuous signal reconstruction methods (that are necessary for the visualization) to the BCC grid, which have been developed for the traditional rectilinear volume representation. According to my preliminary research, the BCC grid ensures a more uniformly distributed reconstruction error, and therefore results in a higher-quality visualization, which is especially important in 3D medical diagnostical applications. Therefore, the BCC volume representation will likely yield a new standard in the filed of modern 3D scanning technologies (like CT or MRI).
Final report
Results in Hungarian
A 3D mintavételezéshez optimális tércentrált kockarács (body-centered cubic lattice – BCC rács) közel 30%-kal kevesebb mintavételi pontot tartalmaz egy egységnyi térfogatban, mint egy ekvivalens hagyományos kockarács (Cartesian cubic lattice – CC rács). A kisebb tárigény mellett a BCC rács izotrópikusabb térfogat-reprezentációt is biztosít. A BCC rácshoz kidolgoztunk egy jelfeldolgozási és vizualizációs apparátust (diszkrét Fourier-transzformáció, rekonstrukciós szűrők, kvázi-interpolációs sémák, interaktív megjelenítés GPU támogatással, tomográfiás rekonstrukció), amely lehetővé teszi a hatékony gyakorlati alkalmazást. Módszereinket a Mediso Medical Imaging Systems Kft. CT berendezésével mért primer (vetületi) adatokon is teszteltük. Kutatási tapasztalataink alapján a BCC reprezentáció egyértelműen felülmúlja a hagyományos CC reprezentációt mind tárigény mind pedig képminőség tekintetében, ezért valószínűleg egyre szélesebb körben fogják használni térfogat-vizualizációs, orvosi képalkotó, illetve fizikai szimulációs alkalmazásokban.
Results in English
The body-centered cubic (BCC) lattice, which is optimal for sampling 3D signals, contains almost 30% fewer sample points per unit volume than an equivalent traditional Cartesian cubic (CC) lattice. Besides its lower storage requirements, the BCC lattice ensures a more isotropic volume representation as well. We have developed a signal-processing and visualization toolbox (discrete Fourier transform, reconstruction filters, quasi-interpolation schemes, interactive rendering with GPU support, tomography reconstruction) for the BCC lattice, which can be efficiently used in practical applications. We have tested our methods on raw projection data measured by a CT scanner provided by Mediso Medical Imaging Systems, Hungary. Based on our research experience, the BCC representation unambiguously outperforms the traditional CC representation in terms of both storage requirements and image quality; therefore, it will probably be used widespread in volume-rendering, medical imaging, and physical simulation applications.
Csébfalvi Balázs: A Novel Family of Reconstruction Filters for the BCC Lattice, Negyedik Magyar Számítógépes Grafika és Geometria Konferencia, Budapest, oldalszám: 7-14, 2007
Csébfalvi Balázs: An Evaluation of Prefiltered Reconstruction Schemes for Volume Rendering, IEEE TRANSACTIONS ON VISUALIZATION AND COMPUTER GRAPHICS 14:(2) oldalszám: 289-301, 2008
Csébfalvi Balázs: BCC-Splines: Generalization of B-Splines for the Body-Centered Cubic Lattice, JOURNAL OF WINTER SCHOOL OF COMPUTER GRAPHICS 16:(1-3) oldalszám: 81-88, 2008
Csébfalvi Balázs, Domonkos Balázs: Pass-Band Optimal Reconstruction on the Body-Centered Cubic Lattice, Vision Modeling and Visualization, Konstanz, Németország, oldalszám: 71-80, 2008
Csébfalvi Balázs, Domonkos Balázs: High-Quality Reconstruction on the Body-Centered Cubic Lattice, Képfeldolgozók és Alakfelismerők (KÉPAF) 7. Konferenciája, Budapest, 2009
Csébfalvi Balázs, Domonkos Balázs: Prefiltered Gradient Reconstruction for Volume Rendering, JOURNAL OF WINTER SCHOOL OF COMPUTER GRAPHICS 17:(1-3) oldalszám: 49-56, 2009
Csébfalvi Balázs, Domonkos Balázs: Interactively Controlling the Smoothing and Postaliasing Effects in Volume Visualization, Spring Conference on Computer Graphics, Budmerice, Szlovákia, oldalszám: 140-146, 2009
Csébfalvi Balázs: An Evaluation of Prefiltered B-Spline Reconstruction for Quasi-Interpolation on the Body-Centered Cubic Lattice, IEEE TRANSACTIONS ON VISUALIZATION AND COMPUTER GRAPHICS, 16:(3) oldalszám: 499-512, 2009
Csébfalvi Balázs, Domonkos Balázs: Frequency-Domain Upsampling on a Body-Centered Cubic Lattice for Efficient and High-Quality Volume Rendering, Vision Modeling and Visualization, Braunschweig, Németország, oldalszám: 225-232, 2009
Csébfalvi Balázs, Domonkos Balázs, Vad Viktor: Recent Results on Optimal Regular Volume Sampling, Ötödik Magyar Számítógépes Grafika és Geometria Konferencia, Budapest, oldalszám: 185-192, 2010
Szécsi László, Szirmay-Kalos László, Murat Kurt, Csébfalvi Balázs: Adaptive Sampling for Environment Mapping, Spring Conference on Computer Graphics, Budmerice, Szlovákia, oldalszám: 75-82, 2010
Csébfalvi Balázs, Domonkos Balázs: 3D Frequency-Domain Analysis of Non-Separable Reconstruction Schemes by using Direct Volume Rendering, Spring Conference on Computer Graphics, Budmerice, Szlovákia, oldalszám: 59-66, 2010
Szirmay-Kalos László, Magdics Milán, Tóth Balázs, Csébfalvi Balázs: Efficient Free Path Sampling in Inhomogeneous Media, Eurographics, 2010
Csébfalvi Balázs: Scalable Quasi-Ideal Low-Pass Filtering for High-Quality Volume Rendering, IEEE TRANSACTIONS ON VISUALIZATION AND COMPUTER GRAPHICS (közlésre elküldve), 2010
Domonkos Balázs, Csébfalvi Balázs: DC-Splines: Revisiting the Trilinear Interpolation on the Body-Centered Cubic Lattice, Vision Modeling and Visualization, Siegen, Németország (közlésre elküldve), 2010
