Aproximação eficiente de visibilidade para nuvem de pontos utilizando a GPU

Abstract

Nos últimos anos a utilização de pontos como primitiva gráfica básica vem mostrandose uma poderosa e versátil ferramenta para a computação gráfica. Considerável esforço de pesquisa vem sendo dedicado para encontrar formas eficientes de aquisição, representação, processamento, renderização e animação para conjuntos de pontos. As representações baseadas em pontos têm-se destacado como uma estratégia eficiente em computação desde que se tornou comum extrair modelos geométricos a partir de Scanners 3D, os quais geram grandes quantidades de pontos que aproximam a geometria do objeto. Este trabalho apresenta um conjunto de métodos para tratar a visibilidade aproximada para nuvens de pontos sem informação de conectividade e topologia. Primeiramente é proposto uma abordagem baseada em clusters para acelerar o operador de remoção de pontos proposto por Katz et al. A principal motivação para esta otimização é a possibilidade de conseguir um equilíbrio entre a velocidade e a qualidade do resultado. Também é apresentado uma técnica de renderização baseada em pontos acelerada por hardware chamada Surface Splatting. Esta abordagem utiliza mapeamento de textura com alpha blending para aproximar um filtro de reamostragem Elliptical Weighted Average no espaço de objeto. Juntamente com o Geometry Shader das modernas placas gráficas, produz de forma eficiente imagens de alta qualidade de superfícies amostradas por surfels. Por último é proposto um novo operador de remoção de pontos ocultos acelerado por hardware baseados na técnica de splatting juntamente com um operador morfológico de erosão modificado para reduzir o efeito de silhuetas no resultado final do operador. A motivação para a criação deste novo operador é a baixa eficiência demonstrada pelos métodos existentes para a utilização em aplicações em tempo real onde as nuvens de pontos são muito densas. Todas as técnicas apresentadas neste trabalho podem ser utilizadas em visualização científica com taxas interativas, em particular na visualização direta de geometria baseada em pontos.

In recent years the use of points as a fundamental graphics primitive has proved to be a powerful and versatile tool for computer graphics. Considerable research has been devoted to the efficient representation, modeling, processing, rendering and animation of point-sampled geometry. The point-based representation has gained increasing attention in computer graphics because 3D scanning systems easily extract large information from real-world objects. On the other hand, point sets are more flexible when compared to triangle meshes, because they are not required to maintain consistent topological information. This work presents a set of tools to determine the visibility and also to render a point-based geometry efficiently. Firstly, a cluster-based approach is proposed to speed up the hidden point removal operator proposed by Katz et al. The main idea of this study is to trade-off speed and quality in dynamic scenes of moving or deforming point clouds. After that, a hardware based point rendering technique called Surface Splatting is introduced. This approach uses the texture mapping with alpha blending and the Geometry Shader to approximate the Elliptical Weighted Average filter in object space. This efficient technique produces high quality images as surfel-based geometry. Finally, a new hidden point removal operator is presented. This operator, based on the splatting technique and also hardware accelerated, applies a morphological erosion operation in the depth buffer to reduce the silhouette effect in the final image. The motivation to develop a new operator is the low efficiency demonstrated by existing hidden point removal methods in real time applications, where the point cloud is very dense. All the techniques introduced in this work can be used in scientific visualization with interactive frame rates, particularly when visualizing point-based geometry sets.