Earticle

의료 분야에서는 인체 조직을 정밀하게 분석해야 하므로, 높은 영상 품질이 요구된다. 이를 위해 전역 조명 효과를 활용하여 볼륨 데이터를 시각화함으로써 인체 조직의 재질을 보다 사실적으로 표현한다. 인체 대부분의 장기들이 반 투명성을 가지고 있기 때문에, 피하 산란 기법을 적용하는 것이 좋다. 메시 기반 렌더링에서 사용하는 알고리즘을 볼륨 데이터에 그대로 적용하는 것은 어려워, 볼륨 데이터에 최적화된 피하 산란 표현 방법이 필요하다. 기하 모델 처럼 명시적인 표면이 정의되지 않는 볼륨 렌더링에서는 표면 곡률과 두께를 계산하기가 어렵다. 본 논문에서는 볼 륨 데이터에 최적화된 곡률 및 두께 추정 방법을 제안한다. 복셀 간의 위치와 법선 벡터 차이를 통해 곡률을 추정하 여 산란 효과를 더 정밀하게 모델링하였다. 또한, 두께를 추정하기 위해 복셀의 밀도 값을 누적하여 얇은 인체 조직 의 반투명성을 효율적으로 표현함으로써, 피하 산란 현상까지 고려한 사실적인 영상 생성이 가능하다.

In the medical field, precise analysis of human organs necessitates high-quality imaging. To achieve this, we utilize global illumination effects to visualize volume data, thereby representing the materials of human organs more realistically. Since most human organs exhibit translucency, it is advantageous to apply subsurface scattering techniques. Algorithms used in mesh-based rendering are challenging to apply directly to volume data, necessitating subsurface scattering methods optimized for volume data. In volume rendering, where explicit surfaces like geometric models are not defined, calculating surface curvature and thickness is difficult. This paper proposes an optimized method for estimating curvature and thickness in volume data. By estimating curvature through the differences in positions and normal vectors between voxels, we model scattering effects more accurately. Additionally, to estimate thickness, we accumulate voxel density values, effectively representing the translucency of thin human organs. This results in the creation of realistic images that account for subsurface scattering phenomena.

In high-density urban environments, the visual exposure of a building's facade is a critical factor in pedestrian experience and commercial viability, yet conventional two-dimensional visibility methods such as Isovist theory and Visibility Graph Analysis remain limited in three-dimensional urban contexts. This study proposes an automated facade visibility analysis framework operating entirely within an integrated Revit-Dynamo environment, in which a Ray-casting algorithm implemented via Python Script determines geometric intersection between observation viewpoints and UV-parameterized facade evaluation points without reliance on external software. The resulting Hit Ratio (HR) indices are recorded directly into BIM Shared Parameters and visualized through Revit View Filters, establishing a quantitative data feedback loop that supports objective, data-driven facade design decision-making from the early stages of architectural planning.

We present a novel GPU-based ray-casting algorithm for volume rendering of unstructured grid data. Our volume rendering system uses a ray-casting method that guarantees accurate rendering results. We also employ the per-pixel intersection list concept in the Bunyk algorithm to guarantee an accurate result for non-convex meshes. For efficient memory access for the lists on the GPU, we represent the intersection lists for all faces as an array with our novel construction algorithm. With the intersection lists, we perform ray-casting on a GPU, and a GPU thread handles each ray. To increase ray-coherency in a thread block and improve memory access efficiency, we extend a prior image-tile-based work distribution method to fit modern GPU architectures. We also show that a prior approach using a per-thread local buffer to reduce redundant computation is not appropriate for modern GPU architectures. Instead, we take an on-demand calculation strategy that achieves better performance even though it allows duplicate computations. We applied our method to three unstructured grid datasets with different characteristics. With a GPU, our method achieved up to 36.5 times higher performance for the ray-casting process and 19.7 times higher performance for the whole volume rendering process compared with the Bunyk algorithm using a CPU core. Also, our approach showed up to 8.2 times higher performance than a GPU-based cell projection method while generating more accurate rendering results. These results demonstrate the efficiency and accuracy of our method.

The study aims to develop a novel, lead-free, flexible and lightweight composite shielding material against ionizing radiation. For this, it was used bismuth oxide (Bi₂O₃) in RTV-2 silicon matrix. The shielding tests were carried out in both diagnostic X-ray energies and intermediate gamma-ray energy range of up to 662 keV to determine the radiation attenuation properties of this material in terms of attenuation ratio, half value layer, tenth value layer, mean free path and lead equivalency of samples in weight of 30%, 40%, 50% in Bi₂O₃. In the diagnostic X-ray energy range, half value layer, tenth value layer and lead equivalency (in mm Pb) of the produced samples were measured at 80 and 100 kVp narrow beam conditions according to the requirements of EN IEC 61331-1 standard. The results show that lead equivalent values of the produced novel sheets was measured to be 0.16 mm Pb, corresponding to a 6 mm thickness of the flexible sample when it contains 30% wt. Bi₂O₃ in RTV matrix. The experimental findings for durability and flexibility also indicated that this new RTV-based flexible, lead -free shielding composite can be used safely for especially for manufacturing aprons, garments and thyroid guards used in mammography, radiology, nuclear medicine and dental applications in practice.

CPU기반의 볼륨 광선 투사법을 위하여 빈 공간을 도약하는 많은 방법들이 소개되었다. 하지만 광선의 샘플점이 투명한 공간과 비투명한 공간 사이에 있는 반투명-셀에 놓일 경우 기존의 방법들은 투명도 값을 매번 계산해야 하는 문제점이 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 기존 마칭큐브를 이용하는 방법이 제안되었다. 광선이 반투명-셀에 도착하면 마칭큐브 방법을 이용하여 생성된 삼각형들을 둘러싸고 있는 육면체를 구하고, 현재 샘플점이 육면체 내/외부에 있는지 계산한다. 샘플점이 육면체 외부에 위치하면 투명하다고 판단되어 재샘플링 연산없이 다음 샘플점으로 이동한다. 하지만 기존의 마칭큐브 테이블 구조를 그대로 이용하면 인접한 복셀의 테이블 값을 여러 번 참조해야 하므로 비효율적이다. 본 논문에서는 볼륨 광선 투사법에 적합한 마칭큐브 테이블을 제안함으로써 렌더링 속도를 높인다.

Several empty-space leaping methods have been proposed for CPU-based volume ray casting. When sample points are located in semi-transparent cells, however, previous leaping methods perform unnecessary resamplings even if the scalar values on those points are confined within transparent range. A semi-transparent cells leaping method for volume ray casting using the Marching Cubes algorithm is proposed to solve this problem in our previous work. When a ray reaches a semi-transparent cell, our method performs in-out test between current sample point and the bounding box enclosing the triangles generated by the Marching Cubes. If the sample point lies on outside of the bounding box, we estimate the point is regarded as transparent. In this case, the ray advances to the next sample point without performing a resampling operation. We can frequently refer the tables for neighboring voxels, however, when we exploit conventional data structures of the Marching Cubes. We propose modified Marching Cubes tables for solving this problem.

초음파 영상 기법은 장기, 연조직, 혈류를 검사하는데 쓰이는 영상 진단법이다. 초음파 장비를 통해 얻어진 초음파 볼륨 데이터는 장비 특성상 많은 잡음(speckle noise)을 포함하기 때문에, 깨끗한 영상을 얻기 위해서는 잡음 필터링(noise filtering)이 필요하다. 그런데, 볼륨 데이터 모든 영역에 대해 잡음 필터링을 적용할 경우 전처리 시간이 길어져 실시간으로 초음파 볼륨 데이터를 렌더링하기 어렵다. 본 논문에서는 실시간으로 입력되는 초음파 볼륨 데이터를 가시화 하기위하여 전처리 시간 없이 잡음을 제거하는 방법을 제안한다. 전처리 시간에 전체 볼륨 데이터에 대해 잡음 필터링을 적용하지 않고, 영상을 생성하는 동안 참조되는 복셀(voxel)에 대해서만 잡음 필터를 적용하여 얻은 값을 사용한다. 이때 필터링에 소요되는 시간을 최소화하기 위해 가장 단순한 평균화 필터를 사용한다. 그리고 복셀에 적용되는 3차원 필터를 3단계의 1차원 필터 연산 단계로 분할 한 후, 각 단계별 연산을 거친 복셀들에 대해서는 다시 연산을 하지 않도록 하여 중복을 피한다. 이를 통해 전처리 시간 없이 기존 방법과 동일한 화질을 유지하는 최종 영상을 만들어 낸다.

기존의 병렬 볼륨 렌더링 방법들은 프로세서간의 발생하는 많은 통신량 때문에 통신 속도가 매우 빠른 병렬컴퓨터를 이용하였고 통신속도가 느린 분산 환경에서는 구현이 불가능해 보였다. 또한 가시화하려는 볼륨 데이터도 점점 방대해지고 있는 실정이다. 이에 본 논문에서는 통신 속도에 구애받지 앉을뿐더러 매우 큰 볼륨데이터를 다루는 병렬/분산 볼륨 렌더링을 제안한다. 본 방법은 고비용을 필요로 하는 원격 메모리 접근 대신에 압축을 기반으로 하여 필요한 데이터를 지역 메모리에서 빠르게 복원함으로써 좋은 성능향상(speedup)을 나타낸다. 이것은 각 프로세서가 전체 볼륨 데이터를 모두 적재하고 있다는 것을 의미한다. 다라서 렌더링 과정중에 발생하는 프로세서간의 통신을 최소화할 수 있었고, 이런 방식은 높은 통신 비용으로 효율적 병렬/분산 처리가 힘든 분산 메모리 병렬 컴퓨터나 PC/워크스테이션 클러스터상에서 매우 적합하다.

본 연구에서는, 결과물의 우수함을 유지하면서도 기존 연구결과의 성능을 4-7배 향상시킨 실시간 GPU 등가면 볼륨 레이케스터를 제시한다. 이러한 성능 향상은 효율적인 빈공간 생략법과 분석적 그레디언트 계산법을 도입함으로써 가능하다. 빈공간 생략법은 스플라인 조각들의 BB-형식으로부터 만등어진 최소/최대값 옥트리에 기반하고 있고, 분석적 그레디언트 계산법은 보다 정확한 렌더링 결과를 제공할 뿐 아니라 더욱 빠른 계산이 가능하도록 한다.

This paper presents a real-time GPU (Graphics Processing Unit) isosurface ray-caster that improves the performance by 4-7 folds from our previous method, while keeping the superior visual quality. Such an improvement is achieved by incorporating an efficient empty-space skipping scheme and an analytic normal computation. The empty-space skipping scheme is done by building an min/max octree computed from the BB(Bernslein-B$\acute{e}$zier)-form of spline pieces and the analytic normal Formula provides not only a nice visual quality but also an improved evaluation performance.

이 논문에서는 레이캐스팅을 고속화하는 단순하고 효율적인 알고리즘을 제안한다. 범용 PC에서 볼륨데이터를 이용하여 애니메이션을 하기 위해서는 초당 30 프레임의 영상을 생성하여야하나 아직 이에 도달하지 못하여 고속화가 필요하다. 지금까지의 바운딩서피스 기반의 레이캐스팅의 고속화에서는 임의의 시점에서 객체(object)의 깊이(depth)값을 그 객체의 바운딩서피스를 깊이 버퍼에 투영하여 구하였다. 이와는 다르게 이 논문에서 제안하는 방법은 시점과 무관하게 x, y, z 세 방향의 깊이 버퍼를 설치하고 이 것을 이용하여 임의의 방향에서 시정에 대한 물체의 깊이 값을 구한다. 이렇게 함으로서 임의의 시점에서 객체의 깊이 값을 구하는 시간을 N$^3$에서 8$N_2$으로 줄일 수 있다. 여기서 N은 차원당 복셀의 개수이다.

본 논문에서는 체적 데이터에 대한 효율적인 볼륨 랜더링을 수행하기 위해서, 기존의 광선 추적 기법에 광선 보간을 통해 광선을 추적하는 기법인 IRCF를 제안한다. IRCF 과정은 이웃 화소에 대해 광선추적을 통해서 얻은 불투명도의 정보를 이용하여 보간한 위치에서 새롭게 광선추적을 해가는 방식이다 기존의 광선 추적 랜더링의 경우 고화질의 영상을 얻지만, Volume Rendering Operations의 계샨량이 많아 랜더링 속도가 떨어져 현재 개선된 랜더링 기법들이 많이 제안되고 있는 실정이다. 본 논문은 다른 각도로의 접근하고자 하여 제안한 IRCF 과정을 통해 Volume Rendering Operations의 계샨량을 최대한 줄여 랜더링 속도를 높이고 기존 방식의 고화질 영상에 가깝게 결과를 얻을 수가 있었다. 또한, 본 논문에서는 기존의 광선 추적 기법에서 표현하는 일반적인 회전, 절단, 불투명 등 제어 효과들을 제안한 기법을 통해 비교 분석한다.

볼륨 데이타에 대한 팔진트리와 같은 계층 자료구조를 사용하는 광선 추적법은 모든 광선이 계층구조를 순회하는 것으로 인한 중복된 계산을 포함하고 있으며, 좋은 화질의 영상을 얻기 위한 3차원 보간으로 인하여 많은 계산 비용을 요구한다. 본 논문은 볼륨 데이타의 계층구조에 대한 중복된 방문을 피하고， 오직 한 번만 계층구조를 방문하면서 효과적으로 광선의 리샘플링 지점을 결정하여 색상과 투병도를 구하는 볼륨 렌더링 알고리듬을 제안한다. 이 방법은 물체 순서로 광선 추적법을 수행하면서, 각 복셀 주위에서의 리샘플링 지점을 점진적으로 찾아가면서 각 슬라이스 상에서의 2차원 보간에 기반을 둔 리샘플링을 수행한다. 또한 물체 순서 렌더링에서는 조기 광선 종결과 같은 최적화 기법을 구현하기 힘든데, 영상공간에서의 동적 자료구조를 이용하여 이를 효과적으로 해결하였다 본 논문이 제안한 방법은 구현하기 쉽고 속도 향상을 위하여 추가적으로 요구되는 메모리가 매우 적기 때문에 광선 추적법과 쉬어 와핑 방법 사이의 성능 차이를 메워주는 효과적인 방법으로 사용될 수 있을 것이다.

The standard volume ray-tracing, optimized with octree, needs to repeatedly traverse hierarchical structures for each ray that often leads to redundant computations. It also employs the expensive 3D interpolation for producing high quality images. In this paper, we present a new ray-casting method that efficiently computes shaded colors and opacities at resampling points by traversing octree only once. This method traverses volume data in object-order, finds resampling points on slices incrementally, and performs resampling based on 2D interpolation. While the early ray-termination, which is one of the most effective optimization techniques, is not easily combined with object-order methods, we solved this problem using a dynamic data structure in image space. Considering that our new method is easy to implement, and need little additional memory, it will be used as very effective volume method that fills the performance gap between ray-casting and shear-warping.

본 논문에서는 BCC (body-centered cubic) 볼륨 데이터의 등 가면을 GPU(graphics processing unit)에서 실시간으로 레이 캐스팅 렌더링하는 방법을 제시한다. 우선 준-보합 전치필터를 적용한 후 7-방향 박스-스플라인 필터를 기반으로 하여 4차 스플라인 함수로 볼륨데이터를 복구한다. 그래픽스 하드웨어에서 실시간 렌더링을 하기 위해, 참조테이블 및 조건 분기를 사용하지 않고 데이터 인출시의 비용을 줄이도록 쉐이더 코드를 최적화하였다. 본 방법을 기존의 BCC 레이 캐스팅과 비교해 본 결과, 비슷한 성능의 기존 방법에 비해 렌더링 속도는 20% 이상 빨라졌고 렌더링 이미지의 품질은 가장 좋았다.

This paper presents a real-time GPU (graphics processing unit) ray casting scheme for rendering isosurfaces of BCC (body-centered cubic) volume datasets. A quartic spline field is built using the 7-direction box-spline filter accompanied with a quasi-interpolation prefilter. To obtain an interactive rendering speed on the graphics hardware, the shader code was optimized to avoid lookup table and conditional branches and to minimize data fetch overhead. Compared to previous implementations, our work outperforms the comparable one by more than 20% and the rendering quality is superior than others.

본 논문에서는 3차원 모델을 검색하기 위한 형태 기반 기술자를 추출하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 모델의 기하학적인 특성을 고려하여 레이 캐스팅 샘플링과 구면조화함수를 이용하는 방법이다. 레이 캐스팅 기법은 모델의 외형을 고려한 적응적인 방법으로 샘플링 하여 기술자에 포함되는 형태 정보를 증가시켜 기술자의 식별성을 높인다. 또한 구면조화함수 계수 추출에서는 기하학적인 주파수 특성을 고려하여 적응적인 계수를 추출한다. 이 방법은 검색 성능에 영향을 미치지 않고 기술자를 조밀하고 간결하게 만든다. 최종적으로 두 방법을 결합함으로써 검색 엔진에서 이용 가능한 기술자를 생성한다. 실험 결과에서는 제안된 알고리즘의 성능이 기존 방법에 비해 약 $12.5\%$ 향상 된 것을 확인 할 수 있다.

본 논문에서는 3차원 모델을 검색하기 위한 형태 기반 기술자를 추출하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 모델의 기하학적인 특성을 고려하여 레이 캐스팅 샘플링과 구면조화함수를 이용하는 방법이다. 레이 캐스팅 기법은 모델의 외형을 고려한 적응적인 방법으로 샘플링 하여 기술자에 포함되는 형태 정보를 증가시켜 기술자의 식별성을 높인다. 또한 구면조화함수 계수 추출에서는 기하학적인 주파수 특성을 고려하여 적응적인 계수를 추출한다. 이 방법은 검색 성능에 영향을 미치지 않고 기술자를 조밀하고 간결하게 만든다. 최종적으로 두 방법을 결합함으로써 검색 엔진에서 이용 가능한 기술자를 생성한다. 실험 결과에서는 제안된 알고리즘의 성능이 기존 방법에 비해 약 $12.5\%$ 향상 된 것을 확인 할 수 있다.

Several optimization techniques have been proposed for volume ray casting, but these cannot achieve real-time frame rates. In addition, it is difficult to apply them to some applications that require perspective projection. Recently, hardware-based methods using 3D texture mapping are being used for real-time volume rendering. Although rendering speed approaches real time, the larger volumes require more swapping of volume bricks for the limited texture memory. Also, image quality deteriorates compared with that of conventional volume ray casting. In this paper, we propose a data structure for real-time volume ray casting named PERM (Precomputed dEnsity and gRadient Map). The PERM stores interpolated density and gradient vector for quantized cells. Since the information requiring time-consuming computations is stored in the PERM, our method can ensure interactive frame rates on a consumer PC platform. Our method normally produces high-quality images because it is based on conventional volume ray casting.