L'imagerie du petit animal est incontournable pour le développement des recherches dans les secteurs de labiologie, de la médecine et de l'industrie pharmaceutique. Parmi les différentes modalités d'imagerie développéeschez l'humain et adaptées à l'animal, l'imagerie tomographique à rayons X est devenue une référencepour l'analyse des caractères anatomiques et phénotypiques chez la souris. Elle permet de réaliser des étudeslongitudinales in vivo et des analyses haute résolution ex vivo de façon non invasives et en 3D. L'analyse deces images 3D nécessite des outils spécifiques à chaque problématique.Dans ce contexte, notre travail de thèse a permis d'apporter des contributions sur les thématiques suivantes :1. le développement d'outils d'analyse, à la fois quantitatifs et qualitatifs, pour l'imagerie des tissusminéralisés et adipeux2. l'application des méthodologies développées à des problématiques de recherche biomédicale3. l'étude comparative et "multi-échelle" de différentes technologies de tomographie X pour l'imagerie dupetit animal4. la mise au point d'une méthode originale par résonnance paramagnétique électronique pour la dosimétried'un acte d'imagerie X chez le petit animalEn conclusion, les outils d'imagerie 3D que nous avons développés représentent un nouvel apport pour la dissectionvirtuelle de l'animal de laboratoire, permettant l'exploration de nombreux tissus et organes et rivalisantavec les méthodes d'histologie et de microscopie électronique.L'application de ces méthodes d'imagerie pour la recherche fondamentale et pré-clinique ouvre la perspectived'une alternative nouvelle dans l'expérimentation animale.

Volume rendering is one of the branches of scientific visualization. Its popularity has grown in the recent years, and due to the increase in the computation speed of the graphics hardware of the desktop systems, became more and more accessible. Visualizing volumetric datasets using volume rendering technique requires a large amount of trilinear interpolation operations that are computationally expensive. This situation used to restrict volume rendering methods to be used only in high-end graphics workstations or with special-purpose hardware. In this thesis, an application tool has been developed using hardware accelerated volume rendering techniques on commercial graphics processing devices. This implementation has been developed with a 3D texture based approach using bump mapping for building an illumination model with OpenGL API. The aim of this work is to propose visualization methods and tools for rendering medical image datasets at interactive rates. The methods and tool are validated and compared with a commercially available software.

In this work we study the curvature visualization problem on surfaces implicitly defined by functions f: [0,1]³ → [0,1], using the ray casting technique. As we usually know only sampled values of f, we study the tricubic interpolation method to compute second order derivatives accurately. This work's implementation was designed as modules to the framework for volume rendering and image processing named Voreen, that uses the processing capability of graphics cards to improve the rendering tasks. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Neste trabalho, estudaremos a visualização da curvatura de superfícies definidas implicitamente por funções do tipo f:[0,1]³ [0,1], usando a técnica de lançamento de raios (ray casting). Como em geral conhecemos apenas valores amostrados de f, estudaremos um método de interpolação tricúbica, a fim de calcular as derivadas de segunda ordem precisamente. A implementação computacional deste trabalho foi desenvolvida na forma de módulos do framework de visualização e processamento de imagens Voreen, o qual se beneficia do poder de processamento das placas gráficas atuais para acelerar o processo de visualização.

[pt] Na indústria de petróleo, é imprescindível a visualização clara e desambigua de campos vetoriais resultantes de simulações numéricas de reservatórios de petróleo. Nesta dissertação, estudamos o uso da convolução de integral de linha (Line Integral Convolution – LIC) para gerar imagens de campos vetoriais 3D estacionários e aplicar o resultado em um visualizador volumétrico na GPU. Devido a densidade de informação presente na visualização volumétrica, estudamos os uso de texturas esparsas como entrada para o algoritmo de LIC e aplicamos funções de transferência para designar cor e opacidade a volumes de campos escalares, a fim de codificar informações visuais a voxels e aliviar o problema de oclusão. Além disso, tratamos o problema de codificação da direção de fluxo, inerente do LIC, usando uma extensão do algoritmo – Oriented LIC (OLIC). Por último, demonstramos um método de animação do volume a fim de ressaltar a direção do fluxo ainda mais. Comparamos então resultados do algoritmo LIC com o de OLIC. / [en] In the oil industry, clear and unambiguous visualization of vector fields resulting from numerical simulations of black-oil reservoirs is essential. In this dissertation, we study the use of line integral convolution techniques (LIC) for imaging 3D steady vector fields and apply the results to a GPU-based volume rendering algorithm. Due to the density of information present in volume renderings of LIC images, we study the use of sparse textures as input to the LIC algorithm and apply transfer functions to assign color and opacity to scalar fields in order to encode visual information to voxels and alleviate the occlusion problem. Additionally, we address the problem of encoding flow orientation, inherent to LIC, using an extension of the algorithm – Oriented LIC (OLIC). Finally, we present a method for volume animation in order to enhance the flow orientation. We then compare results obtained with LIC and with OLIC.

[pt] A visualização volumétrica é uma importante técnica para a exploração de dados tridimensionais complexos, como, por exemplo, o resultado de análises numéricas usando o método dos elementos finitos. A aplicação eficiente dessa técnica a malhas não-estruturadas tem sido uma importante área de pesquisa nos últimos anos. Há dois métodos básicos para a visualização dos dados volumétricos: extração de superfícies e renderização direta de volumes. Na primeira, iso-superfícies de um campo escalar são extraídas explicitamente. Na segunda, que é a utilizada neste trabalho, dados escalares são classificados a partir de uma função de transferência, que mapeia valores do campo escalar em cor e opacidade, para serem visualizados. Com a evolução das placas gráficas (GPU) dos computadores pessoais, foram desenvolvidas novas técnicas para visualização volumétrica interativa de malhas não-estruturadas. Os novos algoritmos tiram proveito da aceleração e da possibilidade de programação dessas placas, cujo poder de processamento cresce a um ritmo superior ao dos processadores convencionais (CPU). Este trabalho avalia e compara dois algoritmos para visualização volumétrica de malhas não-estruturadas, baseados em GPU: projeção de células independente do observador e traçado de raios. Adicionalmente, são propostas duas adaptações dos algoritmos estudados. Para o algoritmo de projeção de células, propõe-se uma estruturação dos dados na GPU para eliminar o alto custo de transferência de dados para a placa gráfica. Para o algoritmo de traçado de raios, propõe-se fazer a integração da função de transferência na GPU, melhorando a qualidade da imagem final obtida e permitindo a alteração da função de transferência de maneira interativa. / [en] Volume visualization is an important technique for the exploration of threedimensional complex data sets, such as the results of numerical analysis using the finite elements method. The efficient application of this technique to unstructured meshes has been an important area of research in the past few years. There are two basic methods to visualize volumetric data: surface extraction and direct volume rendering. In the first, the iso-surfaces of the scalar field are explicitly extracted. In the second, which is the one used in this work, scalar data are classified by a transfer function, which maps the scalar values to color and opacity, to be visualized. With the evolution of personal computer graphics cards (GPU), new techniques for volume visualization have been developed. The new algorithms take advantage of modern programmable graphics cards, whose processing power increases at a faster rate than the one observed in conventional processors (CPU). This work evaluates and compares two GPU- based algorithms for volume visualization of unstructured meshes: view- independent cell projection (VICP) and ray-tracing. In addition, two adaptations of the studied algorithms are proposed. For the cell projection algorithm, we propose a GPU data structure in order to eliminate the high costs of the CPU to GPU data transfer. For the raytracing algorithm, we propose to integrate the transfer function in the GPU, which increases the quality of the generated image and allows to interactively change the transfer function.

[pt] A visualização volumétrica direta (volume rendering) aplicada a dados sísmicos é uma técnica ainda emergente. Apenas recentemente alguns software comerciais tornaram-se disponíveis para a indústria de petróleo. Comparado ao método tradicional de interpretação sobre seções bidimensionais, essa técnica representa uma alternativa interessante que possibilita investigar o volume de dados na sua totalidade, dessa forma permitindo um melhor entendimento da geologia estrutural e da estratigrafia da subsuperfície. Este trabalho analisa diversos aspectos da natureza dos dados sísmicos e da forma como eles afetam os resultados obtidos pelas técnicas de visualização volumétrica direta tradicionalmente empregadas. Três aspectos são discutidos em maior detalhe: quantização das amplitudes medidas para representação digital de 8-bit, segmentação do volume e modelos de iluminação. O impacto da quantização é analisado experimentalmente utilizando diferentes algoritmos de quantização de cor adaptados para tratar com amplitudes. A quantização uniforme é selecionada pela sua simplicidade e eficiência. A segmentação dos eventos sísmicos é analisada teoricamente e verificada experimentalmente. São discutidas diversas características dos dados sísmicos que restringem o sucesso da segmentação. A validade da aplicação aos dados sísmicos de modelos de iluminação local comumente empregados em visualização volumétrica é analisada teoricamente. A estimativa dos vetores normais diretamente a partir dos valores de amplitude representa uma alternativa inadequada. Por fim, é identificada uma série de requisitos aos quais um sistema deve atender para que a visualização volumétrica de dados sísmicos seja bem sucedida. / [en] Volume rendering is an emerging technique in the field of seismic data visualization. Only recently commercial software has been made available to the oil industry. Volume rendering is particulary useful for understanding structural and stratigrafhic features present in seismic data in a more natural way than using the tradicional method of interpreting over a set of 2D slices. This work adresses several topics related to the nature of seismic data and to how they interrelate with techniques commonly used in volume redering.Special attention is given to three topics: quantization of acquired seismic amplitudes to 8-bit representations, segmentattion techiniques to highlight seismic events and use of illumination models.The quantatization effects are analyzed by appying different color quantization algorithms adapted to handle seiosmic amplitudes. Uniform quantization is selected due to its simplicity and efficiency. The segmentation of seismic events is studie theorecally and verified experimentally.Several characteristics of seismic data that prevent segmentation frombeing successful are discussed. The significance of shading obtained by applying common illumination models is studie theoretically. The estimation of normal vectors directly from amplitude values is shown to be inadequate. Finally, several basic requisites to be fulfilled by seismic data volume visualization algorithms are identified. / [es] La visualización volumétrica directa (volumen rendering) aplicada a datos sísmicos es una técnica de incipiente desarrollo. A sido recientemente que algunos software comerciales han disponibilizado ésta técnica para la indústria de petróleo. En comparación con el método tradicional de interpretación sobre secciones bidimensionales, esta técnica resulta una alternativa interesante para investigar el volumen de datos en su totalidad, permitiendo así una mejor comprensión de la geología extructural y de la estratigrafía de la subsuperfície. Este trabajo analiza diversos aspectos de la naturaleza de los datos sísmicos; y de la forma como ellos afectan los resultados obtenidos por las técnicas de visualización volumétrica directa, empleadas tradicionalmente. Se discuten tres aspectos importantes: cuantización de las amplitudes medidas para representación digital de 8-bit, segmentación del volumen y modelos de iluminación. Se analiza experimentalmente el impacto de la cuantización, utilizando diferentes algoritmos de cuantización de color adaptados para amplitudes. Se selecciona la cuantización uniforme por su simplicidad y eficiencia. La segmentación de los eventos sísmicos se analiza teóricamente y se verifica experimentalmente. Se discuten diversas características de los actos sísmicos que limitan el éxito de la segmentación. Se analiza teóricamente la validez de la aplicación de los modelos de iluminación local a los datos sísmicos, que comúnmente se emplean em la visualización volumétrica. La estimación de los vectores normales a partir de los valores de amplitud representa una alternativa inadecuada. Finalmente, se identifican una serie de requisitos que un sistema debe tener para una exitosa visualización volumétrica de datos sísmicos.

This thesis discusses rendering capabilities of web browsers of accelerated 3D scene rendering. It specifically deals with direct volumetric medical data visualization. It focuses on the usage of ray casting algorithm, its quality and its realistic rendering options. One of the goals was to create an application that demonstrates the ability to render three-dimensional volume data in a web browser using WebGL. The application is written in JavaSript and its 3D rendering core uses the Three.js library.

This thesis details work carried out by two students working as contractors at the Community Coordinated Modelling Center at Goddard Space Flight Center of the National Aeronautics and Space Administration. The thesis is made possible by and aims to contribute to the OpenSpace project. The first track of the work implemented is the handling of and putting together new data for a visualization of coronal mass ejections in OpenSpace. The new data allows for observation of coronal mass ejections at their origin by the surface of the Sun, whereas previous data visualized them from 30 solar radii out from the Sun and outwards. Previously implemented visualization techniques are used together to visualize different volume data and fieldlines, which together with a synoptic magnetogram of the Sun gives a multi-layered visualization. The second track is an experimental implementation of a generalized and less user involved process for getting new data into OpenSpace, with a priority on volume data as that was a subject of experience. The results show a space weather model visualization, and how one such model can be adapted to fit within the parameters of the OpenSpace project. Additionally, the results show how a GUI connected to a series of background events can form a data pipeline to make complicated space weather models more easily available.

Clouds are ubiquitous and ever-changing feature of the outdoors. They are an integral factor in Earth's weather systems. Component of water circulation in a nature and a strong indicator of weather patterns and changes. Clouds are important component of the visual simulation of any outdoor scene, but the complexity of cloud formation, dynamics, and light interaction makes cloud simulation and rendering difficult in real time. In an interactive flight simulation, users would like to fly in and around realistic, volumetric clouds. I Present, two main ways of representation cloud in computer graphic, where one way use for modelling Perlin noise and second one use for modelling fluid dynamic system.

[pt] A visualização volumétrica é uma técnica amplamente utilizada para visualizar dados escalares tridimensionais. Para melhorar a percepção de profundidade e forma, diversas técnicas de iluminação foram propostas, adicionando diferentes tipos de efeitos. Neste trabalho, foi explorada uma nova estratégia para calcular oclusão de ambiente direcional e sombras para volume ray casting. Ela consiste em avaliar a oclusão de um traçado de cone atraves de integrais Gaussianas posicionadas de maneira discreta ao longo do eixo do cone. O valor resultado é utilizado para adicionar oclusão de ambiente direcional e sombras. A partir dos coeficientes de extinção dados pela função de transferência, um volume extra é gerado computando amplitudes representativas de distribuições Gaussianas. O Mipmapping também é utilizado para avaliar de maneira efetiva integrais Gaussianas em diferentes tamanhos posicionadas ao longo do eixo principal do cone, adaptando uma estratégia de circle packing in a circle. Nos resultados, é demonstrado que o método proposto obteve um melhor balanço entre performance e qualidade, comparado com trabalhos propostos anteriormente, com a vantagem de combinar oclusão de ambiente direcional e sombras utilizando o mesmo framework. Em seguida, exploramos três estratégias de visualização volumétrica para reservatórios de petróleo, representados por malhas irregulares contendo distorções geométricas e descontinuidades. Estes algoritmos foram implementados a partir de uma representação compacta que guarda o modelo em GPU. Testes comparativos de performance e qualidade foram feitos utilizando diferentes modelos de reservatório. Por fim, investigamos o ganho de percepção ao adicionar a nossa proposta de oclusão de ambiente direcional. Os algoritmos foram todos implementados utilizando programação de shaders para capacitar a geração de visualizações interativas. / [en] Volume rendering is a widely used technique to visualize 3D scalar data. To enhance visual shape and depth perception, distinct illumination techniques have been proposed, adding different types of lighting effects. In this thesis, we explore a new strategy to compute directional ambient occlusion and shadows for volume ray casting. Our algorithm computes occlusion of traced cones by evaluating Gaussian integrals at discrete samples along the cone axis. The computed occlusion is then used to add directional ambient occlusion effects and to generate shadows. Given the extinction coefficient data volume, we create one extra volume computing representative amplitudes of Gaussian functions. Mipmapping is then used to effectively evaluate Gaussian integrals with different sizes placed along the cone axis, adapting a circle packing approach. We demonstrate that the proposed method delivers a better balance between quality results and performance when compared to previous specialized procedures, with the advantage of combining directional ambient occlusion and shadow generation under the same framework. We also explore three volume rendering algorithms for black oil reservoir models, represented by irregular hexahedral meshes with geometry distortions and discontinuities. These algorithms were implemented under a compact representation that stores the model in the GPU. We compare performance and image quality delivered by each strategy by running a set of experiments with different models. We then investigate the gain in perception when applying our technique to compute directional ambient occlusion effects. The algorithms were entirely implemented on graphics card to produce interactive visualizations.