Volume Rendering Tutorial

Dokum mentation: Caren-Maria C Jörß 18.12.2011

Volum menRen ndering g (Freak k-Client V1) Progra ammentwickler: Chrristian Ton nn

1. Einlleitung zu um Ziel von v Volum menRendering ualisierung von Volume enmesswerrten (z.B. vo om Ultrasch halltomogra ph, Raderm messungen, Zur Visu bauphyssikalische Simulations S ergebnisse ), wurde ein n Volumenrenderer im ersten FRE EAK Softwarreframeworkk implemen ntiert. Volum menrenderin ng ist in der Computerggrafik ein etabliertes Verfahre en um groß ße Volumendatensätze e zu visualis sieren. Der Neuwert N dees konzipierrten Verfahre ens bestehtt in der kom mbinierten V Visualisierun ng verschiedenster Erggebnisse un nd deren interaktiven Auswe ertung im Ko ontext des d digitalen Ba auwerksmod dells (Overl ay). Dieses s Volume enrendering soll vor alle em auch die e Möglichke eit bereit ste ellen mehreere Volumen nmesswerte e und and dere bildgeb bende Mess sverfahren in einem Modell darzustellen, zu üüberlagern, um so dem m Planer b bessere Info ormationen über das G Gebäudemo odell zu geb ben.

2. Programmob berfläche e

Abb.1 V VolumenRe endering Pro ogrammobe erfläche Fensterr Mitte: Palette rechts:

Perspek ktivenansich ht GLSL Shader Para ameter

3. Tuto orial In diese em Tutorial werden Sie e die das 3D D-Modell ein nes Hauses s mit dem V Volumen einer Lichtberrechnung überlagern, Wertebereic W che des Volumens anp passen und verschiede ene

Darstellungsvarianten kennen n lernen. Üb ber Volumen nRendering können follgende Date eiformate geöffnet werden: dat, csv, dzt und dat+pa ar (verschie edene Bänd der nebeneinnander einlesen).

1. Starte en Sie Servver Four.

2. Laden Sie dort das d 3D-Mod dell des Beisspielhauses s („LKG_Ra adiosity_x644.dbk“).

3. Sind die Daten geladen, g sta arten Sie Vo olumenRendering und verbinden ees mit dem Server übe er den B Button „@“..

4. Öffne en Sie über das Menü „Datei“ „ die V Volumenda atei der Lich htberechnunng („LKG G_Volume_ _66_128_58 8.dat“).

Für jede en geladene en Volumen ndatensatz wird ein Sh hader mit de em jeweiligeen Dateinam men und einem d dazugehörig gen Untermenü angele egt. Dort kön nnen die Da arstellungspparameter individuell eingeste ellt werden.. Sollten die e eingelesen nen Daten nicht n an ihre er richtigen Position lie egen, könne en diese im m Volumenm menüpunkt (Shader 1 „„LKG_Volum me_66_128 8_58.dat) „LLocation“ ve erschoben werden.

3D-Modell mit m dem übe erlagerten V Volumen ein ner Leuchtd dichteberech chnung Abb.2 3

3.1. We ertebereic ch einstellen Nachde em Sie die Dateien D gela aden haben n, muss zue erst der richtige Wertebbereich des Volumens eingeste ellt werden.. Ansonsten n kann es se ein, dass diie verschied denen Wertte in der Da arstellung nicht unterschieden werd den können n. Im folgen nden Beispie el geht es um u die Darsstellung der Leuchtd dichteverteillung im Inne eren des Ge ebäudes. Da D die Spanne der Leucchtdichte aber auch de en Außenra aum umfasst, ist der Wertebereic W h sehr groß ß und muss auf den Beereich des In nnenraums eingeste ellt werden.. Nur durch diese Anpa assung können Sie die e Werte im I nneren visu uell unterscheiden.

1. Gehe en Sie in de er 3D-Ansich ht in den Inn nenraum de es Gebäude es.

2. Klicke en Sie im Volumenmen V nü auf den Parameter „Color“.

3. In dem diagramm matischen Ansichtsfen A nster werden n die Daten des Volum mens grau dargestellt.

Daru unter können Sie den minimalen m b bzw. maxima alen Wert des d Wertebeereichs able esen.

Wechseln Sie in n den Farbm modus von „„linear“ auf „RGB“ in de em oberen Auswahlme enü. Die

Volumenwerte werden w in der 3D-Ansiccht jetzt enttsprechend farbig angeezeigt. Wie zu erkenne en ist, lie egen die Le euchtdichtew werte des I nnenraums s hauptsäch hlich im roteen Bereich.

4. Um d die Leuchtdiichtewerte im Innenrau um farblich unterscheid dbarer zu m machen, müs ssen die Wertte auf den roten Bereic ch skaliert w werden. Klic cken Sie daz zu auf das V Volumenme enü. Unter „sum mmand“ können Sie die e Daten add dieren und subtrahieren s n und unterr „factor“ die e Werte multiiplizieren. Der D rote Berreich liegt, w wie unter „C Color“ im RG GB-Modus zzu sehen istt, im vorderren Dritte el des Wertebereichs. Die Werte i m Bereich der d roten Kurve sind haauptsächlic ch die des Innen nraums. Um m diese Datten auf den gesamten RGB Farbb bereich auszzudehnen, müssen Sie e den „„factor“ auf 3.0000 stelllen.

Abb.3 L Leuchtdichtte im Innenrraum (RGB B-Modus) Abb.4 A Ange epasster Leeuchtdichte--Wertebereiich

3.2. Mo odell besc chneiden

Sie werrden in diese em Abschnitt das 3D-G Gebäudemo odell und da as Volumennmodell derr Leuchtdich hte so bescchneiden, da ass Sie von n außen ung gehindert in n den Innenraum hineinnschauen können.

1. Zuersst beschneiden Sie das s 3D-Gebäu udemodell. Schalten Sie dazu diee Sichtbarke eit des Volumenmodells aus (Para ameter „sho ow“ = 0 unte er dem Volu umenmenü) .

2. Stelle en Sie auße erdem im Ba aummenü u unter „Mode el Clipping“ die Option „use clippin ng ?“ auf 1.

3. Um d das Haus qu uer aufzusc chneiden, m muss eine y--Beschneidu ungsachse verschoben n werden.

Stelle en Sie den Wert „min-y y“ auf 3.000 00. Zwische en der minim malen und m maximalen Bescchneidungsa achse wird das 3D-Mo odell darges stellt. Außerrhalb diesess Zwischenrraumes wird d es niicht angeze eigt.

4. Das V Volumenmo odell beschn neiden Sie unter „Min Max“ im Vo olumenmenüü. Stellen Sie S dort den Wertt „min-y“ auch auf 3.0000.

Abb.5 Q Querschnittt

3.3. Da arstellungs svarianten n (Shader)) In diese em Kapitel werden w Sie die verschi edenen Shader-Darste ellungsvariaanten auf da as Volume enmodell an nwenden. Mit den Shad dern können n die Volum mendaten unnterschiedlic ch dargeste ellt werden.

Klicken Sie auf dass Volumenm menü („Shad der 1 „LKG_ _Volume_6 66_128_58.ddat““) um die dazugehörigen Parrameter auffzurufen. Vo oreingestellt ist der „sum shader“. Durch zieh hen am Slider können sie die nacchfolgend au ufgelisteten n Shader ak ktivieren.

3.3.1. s sum shade er Alle We erte der jewe eiligen Durc chgangssch hritte werden addiert un nd dargesteellt. Die Farben können n Sie unte er dem Volu umenmenüp punkt „Colo or“ einstellen n (siehe Kapitel „Farbäänderung de es Wertebe ereichs“).

Abb.6 ssum shaderr Darstellun ng

3.3.2. m max shade er Nur die maximalen n Datenwertte der jewei ligen Durch hgangsschriitte werden dargestellt.

Abb.7 m max shaderr Darstellun ng

3.3.3. s surface sh hader Dieser S Shader ist am a besten f체r f die Gren nzfl채chenda arstellung einsetzbar. E Es wir eine Oberfl채che O dargesttellt, die auss einem bes stimmten Grrenzwert inn nerhalb derr Durchganggsschritte entstanden ist.

Zur bessseren Darsstellung solltten Sie den n Farbmodus im Volumenmenüpunnkt „Color“ von „RGB“ auf „line ear“ ändern. Die Grenz zfläche wird in diesem Farbmodus s in Graustuufen angeze eigt. Unter dem Me enüpunkt „S Surface“ beffinden sich die Parame eter, die hau uptsächlich Auswirkung gen auf Darstellungseigensschaften de er Grenzfläcchen haben. Der Param meter „bordeer density“ unter diesem Menü ve erändert die e Genauigk keit der Obe erfläche. Auch sind verschiedene LLichtparameter („ambie ent“, „diffuse e“, „specular“), die Obe erflächenfarbe und der Alphawert eeinstellbar. Die Lichtrich htung könne en Sie unte er dem Volu menmenüp punkt „Light““ definieren .

ader Darstelllung Abb.8 ssurface sha

Abb.9 A Ände erung der boorder densiity

3.3.4. ttransp. surface Es wird, wie beim „surface „ sha ader“, eine Grenzfläche dargestellt, die jedocch transpare ent ist. Auch die Einsstellungen der d Parameter verhalte en sich ähnlich.

er Darstellun ng Abb.10 transp. surrface shade

3.3.5. c cuts shade er „Cuts sh hader“ legt einen Längs- und eine en Querschn nitt durch da as Volumenn. Das Volumen ist dan nn nur an d den Schnittfflächen sich htbar. Die P Parameter dieses d Shad ders befindeen sich haup ptsächlich unter de em Volumenmenüpunk kt „Cuts“. Do ort wird die Position un nd Sichtbarkkeit der x- bzw. b ySchnittffläche festge elegt. Durch h ziehen de er Positionsslider „cut x/y x position““ verschiebe en Sie die

Achsen. Deaktivierren können Sie den jew weiligen Schnitt durch ziehen der Slider „cut x/y x used ?“ von 1 auf 0.

Abb.11 cuts shade er Darstellu ung

3.3.6. ttrans. +op pak Der „tra ans. +opak shader“ s Ste ellt gleichzeiitig eine opa ake und ein ne transpareente Grenzffläche dar.

Der Farrbmodus un nter „Color“ sollte zur be esseren Sic chtbarkeit auf „linear“ eeingestellt werden. w Die e Genauig gkeit der jew weiligen Grrenzfläche w wird unter dem Volume enmenüpun kt „Surface“ definiert.

Der Parrameter „bo order density y“ steuert d ie opake Grenzfläche, während „bborder dens sity2“ die transparente Grenzzfläche steu uert.

Abb.12 trans. +opak shader Darstellung D

3.3.7. c cloud Der „clo oud shader““ verhält sich wie der „ssum shaderr“ und berüc cksichtigt auußerdem no och die Beleuch htung.

Abb.13 cloud shad der Darstelllung Unter de em Volume enmenü befinden sich a außer den vorher v besc chriebenen S Shadern au uch noch weitere Darstellung gsparamete er, die haup tsächlich da as Licht bee einflussen:

„color fie eld mode“: Der Wert 0 steht für diie Anzeige der d Lichtstä ärke an jedeem Punkt im m Raum. De er Wert 1 ssteht für die e Anzeige der Lichtfarb be an jedem m Punkt im Raum.

R „color adaption“: Die Helligkeitt an die Um mgebungssittuation anpa assen. „color normalize“: Die D Helligke eit wird norm malisiert auff das Volum men gelegt ((Farben werden norma al dargesttellt).

3.4. Fa arbänderun ng des We ertebereic chs (Colorr) Die Übe ersetzung der Daten in Farben ka nn unter de en Volumenmenüpunktt „Color“ deffiniert werde en.

Voreing gestellt ist de er Farbmod dus „linear“.. Sie können n aber auch h andere vooreingestelltte Farbvarrianten wählen: „invers s“, „RGB“, „B BGR“. Ihr eigenes Farb bschema köönnen Sie über ü die Buttonss „New“ und „Rename“ erstellen. D Durch versc chieben der Splines an den Anfass sern (Kontrollpunkte) kö önnen die Farbwerte ve erändert we erden. Durch Rechtsklicck auf eine Spline wird d ein neue er Kontrollp punkt hinzug gefügt und d durch einen n Doppelklic ck wieder geelöscht. De er Button „Spline““ wechselt zur z linearen Darstellung g der Linien n.

In der F Farbleiste, die d unter dem Graph lie egt, erscheinen die deffinierten Farrben des Wertebereich W hs.

Mit den Buttons „R Red“, „Green n“, „Blue“ un nd „Alpha“ können k die jeweiligen K Kontrollpunkte an und ausgescchaltet werd den. Mit „Alpha“ wird d die Transparrenz der Fa arben geste uert. Durch anlegen un nd verschie eben mehre ere Kontrollpunkte auf der schwarrzen Alphalinie sind aucch verschie eden Transpa arenzen inn nerhalb des Farbbereicches möglich.

er: RGB-Da arstellung Abb.14 cuts shade

Abb.15 A cuts s shader: R RGB-Darstelllung

3.5. Üb berlagerun ng zweier Volumen (Condition) In Volum menRenderring können n zwei verscchiedene Vo olumen übe erlagert werd rden. Wie diiese beiden n Volume en sich zuein nander verh halten, kann n unter dem m Punkt „Co ondition“ dess jeweiligen n Volumens eingeste ellt werden.. Ein Beispiel wäre, dasss das erste e Volumen an den gem meinsam üb berlagerten Bereichen nur dann dargestellt wird, wen nn der Werte ebereich de es zweiten V Volumens bestimmte b Vorgabe en erfüllt.

Der erstte Paramete er legt die Art A der Bediingung fest: „no condition“: kein ne Bedingun ngen werde en angewen ndet. „other vvolume“: den n anderen Volumenwe V ert als Bedin ngung setze en. „volume e sum“: die Summe alle er Volumen nwerte an eiiner Stelle als a Bedingu ng setzen. „volume e product“: das d Produkt aller Volum menwerte an a einer Ste elle als Bediingung setz zen. eite Parame eter: Der zwe „out of rrange value e“: Wird als Wert verwe endet an Ste ellen, wo sic ch die Volu men nicht überlagern. ü meter: Die weitteren Param Man kann drei versschiedene Bereiche B („rrange 1-3“) definieren. Wenn die V Volumenwe erte außerha alb dieser fe estgelegten n Bereiche liegen werd den Sie nich ht dargestelllt. Innerhalbb der Bereic che ist das

Volumen sichtbar. Ob ein Bereich angewendet werden soll, wird über den Befehl „use range 1-3“ gesteuert (0 = nein, 1 = ja).