Recorte volumétrico usando técnicas de interação 2D e 3D

Abstract

A visualização de conjuntos de dados volumétricos é comum em diversas áreas de aplicação e há já alguns anos os diversos aspectos envolvidos nessas técnicas vêm sendo pesquisados. No entanto, apesar dos avanços das técnicas de visualização de volumes, a interação com grandes volumes de dados ainda apresenta desafios devido a questões de percepção (ou isolamento) de estruturas internas e desempenho computacional. O suporte do hardware gráfico para visualização baseada em texturas permite o desenvolvimento de técnicas eficientes de rendering que podem ser combinadas com ferramentas de recorte interativas para possibilitar a inspeção de conjuntos de dados tridimensionais. Muitos estudos abordam a otimização do desempenho de ferramentas de recorte, mas muito poucos tratam das metáforas de interação utilizadas por essas ferramentas. O objetivo deste trabalho é desenvolver ferramentas interativas, intuitivas e fáceis de usar para o recorte de imagens volumétricas. Inicialmente, é apresentado um estudo sobre as principais técnicas de visualização direta de volumes e como é feita a exploração desses volumes utilizando-se recorte volumétrico. Nesse estudo é identificada a solução que melhor se enquadra no presente trabalho para garantir a interatividade necessária. Após, são apresentadas diversas técnicas de interação existentes, suas metáforas e taxonomias, para determinar as possíveis técnicas de interação mais fáceis de serem utilizadas por ferramentas de recorte. A partir desse embasamento, este trabalho apresenta o desenvolvimento de três ferramentas de recorte genéricas implementadas usando-se duas metáforas de interação distintas que são freqüentemente utilizadas por usuários de aplicativos 3D: apontador virtual e mão virtual. A taxa de interação dessas ferramentas é obtida através de programas de fragmentos especiais executados diretamente no hardware gráfico. Estes programas especificam regiões dentro do volume a serem descartadas durante o rendering, com base em predicados geométricos. Primeiramente, o desempenho, precisão e preferência (por parte dos usuários) das ferramentas de recorte volumétrico são avaliados para comparar as metáforas de interação empregadas. Após, é avaliada a interação utilizando-se diferentes dispositivos de entrada para a manipulação do volume e ferramentas. A utilização das duas mãos ao mesmo tempo para essa manipulação também é testada. Os resultados destes experimentos de avaliação são apresentados e discutidos.

Visualization of volumetric datasets is common in many fields and has been an active area of research in the past two decades. In spite of developments in volume visualization techniques, interacting with large datasets still demands research efforts due to perceptual and performance issues. The support of graphics hardware for texture-based visualization allows efficient implementation of rendering techniques that can be combined with interactive sculpting tools to enable interactive inspection of 3D datasets. Many studies regarding performance optimization of sculpting tools have been reported, but very few are concerned with the interaction techniques employed. The purpose of this work is the development of interactive, intuitive, and easy-to-use sculpting tools. Initially, a review of the main techniques for direct volume visualization and sculpting is presented. The best solution that guarantees the required interaction is highlighted. Afterwards, in order to identify the most user-friendly interaction technique for volume sculpting, several interaction techniques, metaphors and taxonomies are presented. Based on that, this work presents the development of three generic sculpting tools implemented using two different interaction metaphors, which are often used by users of 3D applications: virtual pointer and virtual hand. Interactive rates for these sculpting tools are obtained by running special fragment programs on the graphics hardware which specify regions within the volume to be discarded from rendering based on geometric predicates. After development, the performance, precision and user preference of the sculpting tools were evaluated to compare the interaction metaphors. Afterward, the tools were evaluated by comparing the use of a 3D mouse against a conventional wheel mouse for guiding volume and tools manipulation. Two-handed input was also tested with both types of mouse. The results from the evaluation experiments are presented and discussed.