Meshes based on triangulation (2D) or tetrahedralization (3D) are widely used in applications such as computer graphics, interpolation, surveying, and terrain modelling. Although the most important use is in numerical methods for the solution of partial differential equations. This solution is use for simulation of complex physical processes, which are described by this equations. The main topic of this thesis is mash generation.

No description available.

Background. Being able to modify virtual environments can create immersive experiences for video-game players. Storing data as volumetric scalar fields allows for highly modifiable 3D environments that can be converted into GPU-friendly triangles with isosurface algorithms. Using scalar fields and isosurface algorithms can be more computationally expensive and require more data than the more commonly used polygonal models. Objectives. The aim of this thesis is to explore solutions to modifying real-time 3D environments with isosurface algorithms. This will be done in two parts. First in terms of observing how modern games deal with storing scalar fields, researching which isosurface algorithms are being used and how they are being used in games. The second part is to create an application and limit the data storage required while still running at a real-time speed. Methods. There are two methods to achieve the aim. The first is to research and see which data structures and isosurface algorithms are being used in modern games and how they are utilized. The second method will be done by implementation. The implementation will use the GPU through compute shaders and use marching cubes as isosurface algorithm. It will utilize Christopher Dyken’s Histogram Pyramids for stream compaction. Two different versions will be implemented that differ in terms of what data types will be used for storage. The first using the data type char and the second int. Between these two versions, the runtime speed will be measured and compared on two different hardware configurations. Results. Finding good data on what algorithms games use is difficult. Modern games are using scalar fields in many different ways: Some allow almost complete modification of terrain, others only use it for a 3D environment. For data storage, octrees and chunks are two common ways to store the fields. Dual Contouring appears to be the primary isosurface algorithm being used based on the researched games. The results of the implementation were very fast and usable in real time environments for destruction of terrain on a large scale. The less storage intensive variation of this implementation(char) gave faster results on modern hardware but the opposite(int) was true on older hardware. Conclusions. Modifying scalar field terrain is done at a very large scale in modern games. The choice of using Dual Contouring or Marching Cubes depends on the use-case. For areas where sharp features can be important Dual Contouring is the preferred choice. Likely for these reasons Dual Contouring was found to be a popular choice in the studied games. For other areas, like many types of terrain, Marching Cubes is very fast, as can be seen in the implementation. By using the char version of the implementation, interacting with the environment in real-time is possible at high frame-rates.

[pt] Neste trabalho aplicamos o método de oclusão implícita para acelerar o tempo de cálculo e renderização de isosuperfícies em dados volumétricos regulares. Dado um campo escalar contínuo f sobre um domínio D (onde Dé convexo) e um isovalor w, a oclusão implícita explora a continuidadede f para determinar os limites de visibilidades sem a necessidade de calcular a isosuperfície explicitamente. Aplicamos esta técnica para obter também as silhuetas visíveis das isosuperfícies. / [en] In this work we apply the Implicit Occluders method for optimizing the computation and rendering of isosurfaces in regular volumetric data. Given a continuous scalar field f over a domain D and an isovalue w, Implicit Occluders exploits the continuity of f to determine visibility bounds without the need for computing the isosurface explicitly. We apply this technique to obtain also the visible silhouettes of isosurfaces.

De nombreux domaines utilisent à présent de nouveaux types de grilles composées de polyèdres arbitraires, autrement dit des grilles fortement non-structurées. La problématique de cette thèse concerne la définition de nouveaux outils de visualisation et de calcul sur de telles grilles. Pour la visualisation, cela pose à la fois le problème du stockage et de l'adaptativité des algorithmes à une géométrie et une topologie variables. Pour le calcul, cela pose le problème de la résolution de grands systèmes linéaires creux non-structurés. Pour aborder ces problèmes, l'augmentation incessante de la puissance de calcul parallèle des processeurs graphiques nous fournit de nouveaux outils. Toutefois, l'utilisation de ces GPU nécessite de définir de nouveaux algorithmes adaptés aux modèles de programmation parallèle qui leur sont spécifiques. Nos contributions sont les suivantes : (1) Une méthode générique de visualisation tirant partie de la puissance de calcul des GPU pour extraire des isosurfaces à partir de grandes grilles fortement non-structurées. (2) Une méthode de classification de cellules qui permet d'accélérer l'extraction d'isosurfaces grâce à une pré-sélection des seules cellules intersectées. (3) Un algorithme d'interpolation temporelle d'isosurfaces. Celui-ci permet de visualiser de manière continue dans le temps l'évolution d'isosurfaces. (4) Un algorithme massivement parallèle de résolution de grands systèmes linéaires non-structurés creux sur le GPU. L'originalité de celui-ci concerne son adaptation à des matrices de motif arbitraire, ce qui le rend applicable à n'importe quel système creux, dont ceux issus de maillages fortement non-structurés / This thesis proposes new tools for visualization and computation on strongly unstructured grids. Visualization of such grids that have variable geometry and topology, poses the problem of how to store data and how algorithms could handle such variability. Doing computations on such grids poses the problem of solving large sparse unstructured linear systems. The ever-growing parallel power of GPUs makes them more and more valuable for handling theses tasks. However, using GPUs calls for defining new algorithms highly adapted to their specific programming model. Most recent algorithms for Geometry Processing or Computational Fluid Dynamics (CFD) are using new types of grids made of arbitrary polyhedra, in other words strongly unstructured grids. In case of CFD simulations, these grids can be mapped with scalar or vector fields representing physical properties (for example : density, porosity, permeability). Our contributions are: (1) An efficient generic visualization method that uses GPU's power to accelerate isosurface extraction for large unstructured grids. (2) An adaptative cell classification method that accelerates isosurface extraction by pre-selecting only intersected cells. (3) An efficient algorithm for temporal interpolation of isosurfaces. This algrithm helps to visualize in a continuous maner the evolution of isosurfaces through time. (4) A massively parallel algorithm for solving large sparse unstructured linear systems on the GPU. Its originality comes from its adaptation to sparse matrices with random pattern, which enables to solve any sparse linear system, thus the ones that come from strongly unstructured grids

Este trabalho apresenta uma análise dos principais algoritmos de poligonização de isosuperfícies na GPU. O resultado desta análise mostra tanto como a GPU pode ser modificada para oferecer suporte a este tipo de algoritmo quanto como os algoritmos podem ser modificados para se adaptar as características das GPUs atuais. As técnicas usadas em versões de GPU do Marching Cubes são extendidas e uma poligonização com menos artefatos é gerada. São propostas versões paralelas do Dual Contouring e do Macet, algoritmos que melhoram a aproximação e a forma das malhas de triângulos, respectivamente. Ambas técnicas extraem isosuperfícies a partir de grandes volumes de dados em menos de um segundo, superando versões de CPU em até duas ordens de grandeza. As contribuições desse trabalho incluem uma versão orientada a tabelas do Dual Contouring (DC) para grids estruturados. A tabela é utilizada na especificação da topologia dos quadriláteros, que ajuda a implementação e a eficiência de cache em cenários paralelos. A tabela é adequada para a expansão de streams na GPU em ambos geometry shader e Histogram Pyramids. Além disso, nossa versão de aproximação de características das isosuperfícies é mais simples que a Decomposição de Valores Singulares e também que a Decomposição QR. O posicionamento dos vértices não requer uma diagonalização de matrizes. Ao invés disso, usa-se uma simples interpolação trilinear. Afim de avaliar a eficiência das técnicas apresentadas neste trabalho, comparamos nossas técnicas com versões do Marching Cubes na GPU do estado da arte. Também incluímos uma análise detalhada da arquitetura de GPU para a extração de isosuperfícies, usando ferramentas de avaliação de desempenho da indústria. Essa análise apresenta os gargalos das placas gráficas na extração de isosuperfícies e ajuda na avaliação de possíveis soluções para as GPUs das próximas gerações.

<p>Locating and segmenting objects such as bones or internal organs is a common problem in medical imaging. Existing segmentation methods are often cumbersome to use for medical staff, since they require a close initial guess and a range of different parameters to be set appropriately. For this work, we present a two-stage segmentation framework which relies on an initial isosurface interactively extracted by topological analysis. The initial isosurface seldom provides a correct segmentation, so we refine the surface using an iterative level set method to better match the desired object boundary. We present applications and improvements to both the flexible isosurface interface and level set segmentation without edges.</p>

Este trabalho apresenta uma análise dos principais algoritmos de poligonização de isosuperfícies na GPU. O resultado desta análise mostra tanto como a GPU pode ser modificada para oferecer suporte a este tipo de algoritmo quanto como os algoritmos podem ser modificados para se adaptar as características das GPUs atuais. As técnicas usadas em versões de GPU do Marching Cubes são extendidas e uma poligonização com menos artefatos é gerada. São propostas versões paralelas do Dual Contouring e do Macet, algoritmos que melhoram a aproximação e a forma das malhas de triângulos, respectivamente. Ambas técnicas extraem isosuperfícies a partir de grandes volumes de dados em menos de um segundo, superando versões de CPU em até duas ordens de grandeza. As contribuições desse trabalho incluem uma versão orientada a tabelas do Dual Contouring (DC) para grids estruturados. A tabela é utilizada na especificação da topologia dos quadriláteros, que ajuda a implementação e a eficiência de cache em cenários paralelos. A tabela é adequada para a expansão de streams na GPU em ambos geometry shader e Histogram Pyramids. Além disso, nossa versão de aproximação de características das isosuperfícies é mais simples que a Decomposição de Valores Singulares e também que a Decomposição QR. O posicionamento dos vértices não requer uma diagonalização de matrizes. Ao invés disso, usa-se uma simples interpolação trilinear. Afim de avaliar a eficiência das técnicas apresentadas neste trabalho, comparamos nossas técnicas com versões do Marching Cubes na GPU do estado da arte. Também incluímos uma análise detalhada da arquitetura de GPU para a extração de isosuperfícies, usando ferramentas de avaliação de desempenho da indústria. Essa análise apresenta os gargalos das placas gráficas na extração de isosuperfícies e ajuda na avaliação de possíveis soluções para as GPUs das próximas gerações.

Este trabalho apresenta uma análise dos principais algoritmos de poligonização de isosuperfícies na GPU. O resultado desta análise mostra tanto como a GPU pode ser modificada para oferecer suporte a este tipo de algoritmo quanto como os algoritmos podem ser modificados para se adaptar as características das GPUs atuais. As técnicas usadas em versões de GPU do Marching Cubes são extendidas e uma poligonização com menos artefatos é gerada. São propostas versões paralelas do Dual Contouring e do Macet, algoritmos que melhoram a aproximação e a forma das malhas de triângulos, respectivamente. Ambas técnicas extraem isosuperfícies a partir de grandes volumes de dados em menos de um segundo, superando versões de CPU em até duas ordens de grandeza. As contribuições desse trabalho incluem uma versão orientada a tabelas do Dual Contouring (DC) para grids estruturados. A tabela é utilizada na especificação da topologia dos quadriláteros, que ajuda a implementação e a eficiência de cache em cenários paralelos. A tabela é adequada para a expansão de streams na GPU em ambos geometry shader e Histogram Pyramids. Além disso, nossa versão de aproximação de características das isosuperfícies é mais simples que a Decomposição de Valores Singulares e também que a Decomposição QR. O posicionamento dos vértices não requer uma diagonalização de matrizes. Ao invés disso, usa-se uma simples interpolação trilinear. Afim de avaliar a eficiência das técnicas apresentadas neste trabalho, comparamos nossas técnicas com versões do Marching Cubes na GPU do estado da arte. Também incluímos uma análise detalhada da arquitetura de GPU para a extração de isosuperfícies, usando ferramentas de avaliação de desempenho da indústria. Essa análise apresenta os gargalos das placas gráficas na extração de isosuperfícies e ajuda na avaliação de possíveis soluções para as GPUs das próximas gerações.

Locating and segmenting objects such as bones or internal organs is a common problem in medical imaging. Existing segmentation methods are often cumbersome to use for medical staff, since they require a close initial guess and a range of different parameters to be set appropriately. For this work, we present a two-stage segmentation framework which relies on an initial isosurface interactively extracted by topological analysis. The initial isosurface seldom provides a correct segmentation, so we refine the surface using an iterative level set method to better match the desired object boundary. We present applications and improvements to both the flexible isosurface interface and level set segmentation without edges.