3D vector fields visualization using graphics processing units

Abstract

The paper describes a method of visualization of three-dimensional vector fields adapted for GPUs. The aim of this work is to develop and implement a method of visualization of three-dimensional vector fields, effectively using GPUs. The software for visualization of three-dimensional vector field based on algorithms developed by the authors is created. This application provides visualization of three-dimensional vector fields through an interactively controlled animation sequence. The main criteria for evaluating the performance of visualization algorithms are the ease of interpretation and performance. The paper deals with the problems of adaptation of the computational model of vector field visualization algorithms to the implementation based on the GPU. Effective data representation for methods implemented based on vertex and pixel shaders of graphic processors is developed. The generalized model of calculations based on the graphic processor is offered. The program for interactive visualization of sections of a three-dimensional field of speeds by means of animation is created. A method of decomposition of a three-dimensional texture cube to represent a three-dimensional vector field is developed. All proposed algorithms are implemented in the form of software modules that can be used to build a visualization system. This paper describes a method of ray casting for visualizing three-dimensional vector fields. The distinguishing features of this method are the separation of the screen into cells (spans) and the pipelining of calculations using an intermediate description of the frame in the form of a list of primitives. Splitting calculations into two phases using an intermediate frame description allows achieving maximum performance at the stage of pixel calculations that require the most resources and determine the performance of the system as a whole. The advantages of such an approach over the frame-buffer visualization method are shown. The use of modern graphics equipment allows achieving the best results in terms of performance. Three-dimensional vector fields are used in scientific visualization, image processing and for special effects.

У статті описаний метод візуалізації тривимірних векторних полів, адаптованих для графічних процесорів. Метою даної роботи є розробка та реалізація методу візуалізації тривимірних векторних полів з ефективним використанням GPU. Створено програмне забезпечення для візуалізації тривимірного векторного поля на основі алгоритмів, розроблених авторами. Програма забезпечує візуалізацію тривимірних векторних полів через інтерактивно керовану послідовність анімації. Основними критеріями оцінки продуктивності алгоритмів візуалізації є простота інтерпретації та продуктивності. У статті розглянуто проблеми адаптації обчислювальної моделі алгоритмів візуалізації векторного поля до реалізації на основі GPU. Розроблено ефективне представлення даних для методів, що реалізуються на основі вершинного та піксельного шейдерів графічних процесорів. Запропоновано узагальнену модель обчислень на основі графічного процесора. Створена програма для інтерактивної візуалізації ділянок тривимірного поля швидкостей за допомогою анімації. Розроблено метод декомпозиції тривимірного текстурного куба для зображення тривимірного векторного поля. Всі запропоновані алгоритми реалізовані у вигляді програмних модулів, які можна використовувати для побудови системи візуалізації. У роботі описаний метод лиття рейкастингу для візуалізації тривимірних векторних полів. Відмінними особливостями цього методу є поділ екрана на комірки (проміжки) та конвеєрне обчислення за допомогою проміжного опису кадру у вигляді списку примітивів. Розбиття обчислень на дві фази з використанням проміжного опису кадру дозволяє досягти максимальної продуктивності на етапі піксельних обчислень, які потребують найбільше ресурсів, та визначити продуктивність системи в цілому. Показано переваги такого підходу над методом візуалізації кадру-буфера. Використання сучасної графічної техніки дозволяє досягти найкращих результатів у плані продуктивності. Тривимірні векторні поля використовуються для наукової візуалізації, обробки зображень та для спеціальних ефектів

В статье описан метод визуализации трехмерных векторных полей, адаптированных для графических процессоров. Целью данной работы является разработка и реализация метода визуализации трехмерных векторных полей с эффективным использованием GPU. Создано программное обеспечение для визуализации трехмерного векторного поля на основе алгоритмов, разработанных авторами. Программа обеспечивает визуализацию трехмерных векторных полей через интерактивно управляемую последовательность анимации. Основными критериями оценки производительности алгоритмов визуализации является простота интерпретации и производительности. В статье рассмотрены проблемы адаптации вычислительной модели алгоритмов визуализации векторного поля к реализации на основе GPU. Разработан эффективное представление данных для методов, реализуемых на основе вершинного и пиксельного шейдеров графических процессоров. Предложена обобщенная модель вычислений на основе графического процессора. Создана программа для интерактивной визуализации участков трехмерного поля скоростей с помощью анимации. Разработан метод декомпозиции трехмерного текстурной куба для изображения трехмерного векторного поля. Все предложенные алгоритмы реализованы в виде программных модулей, которые можно использовать для построения системы визуализации. В этой работе описан метод литья лучей для визуализации трехмерных векторных полей. Отличительными особенностями этого метода является разделение экрана на ячейки (промежутки) и конвейерное вычисления с помощью промежуточного описания кадра в виде списка примитивов. Разбивка вычислений на две фазы с использованием промежуточного описания кадра позволяет достичь максимальной производительности на этапе пиксельных вычислений, требующих больше ресурсов, и определить производительность системы в целом. Показаны преимущества такого подхода над методом визуализации кадра-буфера. Использование современной графической техники позволяет достичь лучших результатов в плане производительности. Трехмерные векторные поля используются для научной визуализации, обработки изображений и для специальных эффектов.