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SFB 382 - Teilprojekt D7

Volumenvisualisierung mit Hardwarebeschleunigung

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1. Personal

2. Kurzbeschreibung

3. Verbindungen zu anderen Projekten des SFB

4. Ergebnisse

5. Veröffentlichungen

1. Personal:

Leiter
Prof. Dr. Wolfgang Straßer
Mitarbeiter
Dr. Michael Meissner (bis 15. 12. 2001), Dr. Günter Knittel

Anschrift
Graphisch Interaktive Systeme
Wilhelm-Schickard-Institut für Informatik (WSI/GRIS)
der Eberhard Karls Universität Tübingen
72076 Tübingen

2. Kurzbeschreibung:

Volumenvisualisierung ist der Vorgang, die Strukturen von diskreten skalaren Feldern möglichst aussagekräftig graphisch darzustellen. Der hierzu benötigte Rechenaufwand ist enorm, weshalb Hardware-Unterstützung wünschenswert ist.
Der bisherige Verlauf des Teilprojekts D7 lässt sich inhaltlich in drei Phasen einteilen. In den ersten beiden Phasen stand der Entwurf und die Realisierung von dedizierten Hardware-Beschleunigern für die Volumenvisualisierung im Vordergrund. Die daraus entstandenen Systeme heissen Vizard und Vizard II. In der aktuellen Phase soll jedoch verstärkt untersucht werden, inwieweit interaktive Volumenvisualisierung in Software oder unter Verwendung von handelsüblicher Grafik-Hardware erreicht werden kann. Hierbei ist die Zielsetzung die interaktive Visualisierung extrem grosser Datensätze. Der Hardware-Bezug ergibt sich hier aus der sehr hardware-nahen Programmierung (in Assembler unter Ausnutzung von SIMD-Einheiten wie MMX oder SSE) sowie der effizienten Verwendung von PC-Clustern. Als konkrete Implementierung ist das Software-System UltraVis in Entwicklung, das bei HP Labs, Palo Alto, entstanden ist und nun in einem gemeinsamen Projekt im Rahmen des Sonderforschungsbereiches weiterentwickelt wird. Das System ist frei erhältlich im Internet unter www.hpl.hp.com/ultravis.
Freilich stellt dies keinen Ausschluß weiterer Hardware-Projekte (Vizard III) dar, falls sich eine sinnvolle Anwendung mit den benötigten Mitteln ergibt.
Als thematische Ergänzung steht die in Simulationen und virtuellen Räumen immer wichtiger werdende Kollisionserkennung an, für die eine Hardware-Unterstützung ebenfalls dringend notwendig erscheint. Hier ist eine Kooperation mit der Universität Bonn im Gange.

3. Verbindungen zu anderen Projekten des SFB

Das Teilprojekt D7 steht in enger Zusammenarbeit mit Projekten der Teilbereiche A, C und D. In Kooperation mit dem Teilprojekt A1 wurden SPH-Simulationen visualisiert. In Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt C6 wurde das Raycasting-Verfahren auf einem Netz von Workstations wie auch auf einem PC-Netzwerk implementiert. Die Visualisierung von Versetzungslinien in Quasikristallen wurde in Kooperation mit dem Teilprojekt C14 durchgeführt. Ständiger fachlicher Austausch besteht mit dem Teilprojekt D1. Eine Kooperation mit dem Teilprojekt D4 ist ebenfalls geplant.
 


4. Ergebnisse:

Im Teilprojekt D7 wurden bisher folgende Ergebnisse erzielt:



Hierbei handelt es sich um eine PCI-Karte mit vier FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Weitere Einheiten sind EPROMs, SRAMs und ein 16-bit Multiply-and-Accumulate-Schaltkreis. Diese Karte wurde komplett am WSI/GRIS entwickelt. Die Besonderheit dieses Systems ist das Fehlen eines separaten Volumenspeichers auf der Karte selbst. Stattdessen wird der Datensatz in einer speziellen Kodierung, die den Datentransfer wesentlich reduziert, im Hauptspeicher des PCs abgelegt und von dort heraus vom Accelerator visualisiert. Die Kodierung ist in [Kni95b] beschrieben, die Karte selbst in [Kni95a], [Kni96a] und [Kni96c].
Zwei dieser Karten wurden gefertigt und in einen portablen PC eingebaut, wie unten gezeigt. Beide Karten arbeiten parallel für erhöhte Performance. In dieser Form wurde das System weltweit auf Konferenzen und Ausstellungen vorgeführt, unter anderem in [KS97] und auf der CeBit 1997.


Der Nachteil des Systems besteht in der verlustbehafteten Kodierung des Datensatzes und der damit verbundenen Reduktion der erreichbaren Bildqualität. Als Bildbeispiel sei eine Visualisierung eines CT-Datensatzes gezeigt.


 



Die Vorarbeiten im Vizard II-Projekt führten zu einem Transferprojekt mit Philips Research Hamburg, wo das Vizard II System entworfen wurde. Diese PCI-Karte besitzt neben einem grossen FPGA und einem Signalprozessor auch einen grossen Volumenspeicher, der über einen 256 Bit breiten Bus mit dem FPGA verbunden ist. Der Zwang zur Kompression des Datensatzes entfällt somit. Insgesamt ist das System wesentlich leistungsfähiger als der Vorläufer.
Die Schaltung des FPGA's für die Visualisierung wurde im Transferprojekt am WSI/GRIS entworfen. Von zentraler Bedeutung für die Performance ist das Speicherinterface, das in [DMK99] und [DM99] beschrieben ist. Die Karte als Visualisierungsplattform ist in [MKS98] beschrieben.
Einige Bildbeispiele sind unten gezeigt.



 

Weitere Informationen finden sich im Arbeitsbereich der wissenschaftlichen Visualisierung.


5. Veröffentlichungen in Zusammenhang mit diesem SFB-Projekt

Aus dem Teilprojekt D7 ergaben sich folgende Publikationen:
Letzte Änderung am 22. 5. 2002 - knittel@gris.uni-tuebingen.de