[논문]브릭 정점을 이용한 GPU 기반 볼륨 광선투사법 가속화

채수평; 신병석

초록
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최근에 GPU 기반의 볼륨 광선 투사법을 가속화하는 기법들이 많이 연구되고 있다. 하지만 이런 기법들은 CPU-GPU간 데이터 전송 시 병목 현상을 야기하고 계층구조를 표현하기 위한 추가적인 GPU 메모리 공간이 필요할 뿐만 아니라 불투명도 전이 함수가 변경되었을 때 실시간에 대응하지 못하는 문제점들이 발생할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 GPU 기반의 효율적인 빈 공간 도약 기법을 제안한다. 브릭(brick) 안에 포함되는 복셀들의 최대 밀도 값을 하나의 정점에 저장하고 불투명도 전이 함수에 의하여 투명하다고 판별된 정점들을 기하 쉐이더에서 삭제한다. 이 정점들을 랜더링 시간에 기하 쉐이더의 입력 값으로 사용해 투명하지 않은 영역의 바운딩 박스를 만들어 광선이 효과적으로 진행하도록 한다. 생성된 정점들은 렌더링 중에 시점의 변화에 무관하게 사용할 수 있지만 불투명도 전이 함수가 변경되면 투명하지 않은 정점들을 다시 생성해야 한다. 이는 기하 쉐이더를 통해서 GPU 안에서 고속으로 생성되기 때문에 대화식 처리가 가능하다. 제안하는 방법은 기존 광선 투사법의 결과와 동일한 영상을 생성하며 렌더링 속도는 기존의 방법에 비해 최대 10배 이상 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, various researches have been proposed to accelerate GPU-based volume ray-casting. However, those researches may cause several problems such as bottleneck of data transmission between CPU and GPU, requirement of additional video memory for hierarchical structure and increase of processing t...

Recently, various researches have been proposed to accelerate GPU-based volume ray-casting. However, those researches may cause several problems such as bottleneck of data transmission between CPU and GPU, requirement of additional video memory for hierarchical structure and increase of processing time whenever opacity transfer function changes. In this paper, we propose an efficient GPU-based empty space skipping technique to solve these problems. We store maximum density in a brick of volume dataset on a vertex element. Then we delete vertices regarded as transparent one by opacity transfer function in geometry shader. Remaining vertices are used to generate bounding boxes of non-transparent area that helps the ray to traverse efficiently. Although these vertices are independent on viewing condition they need to be reproduced when opacity transfer function changes. Our technique provides fast generation of opaque vertices for interactive processing since the generation stage of the opaque vertices is running in GPU pipeline. The rendering results of our algorithm are identical to the that of general GPU ray-casting, but the performance can be up to more than 10 times faster.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 기하 웨이 더(geometry shader)를 이용한 효과적인 빈 공간도약(empty space skipping) 기법을 제안한다. 기하 쉐이더는 GPU 파이프라인 안에서 입력된 정점을 추가, 삭제, 수정할 수 있고, 처리한 데이터를 프레그먼트 쉐이더로바로 전달하거나 정점 버퍼로 스트림 아웃(stream-out) 하여 사용하는 것이 가능하다[3].
본 논문에서는 이러한 과정을 간단하게 하는 방법을 제안한다. 스크린 좌표계에서 z값을 반전시켜 래스터라이즈하면 가장 후면의 깊이 값이 가장 가까운 값으로 바뀌기 때문에 바운딩 박스들 중에서 시점으로부터 가장 멀리 있는 면에 해당하는 깊이 값을 구할 수 있다.
본 논문에서는 렌더링 속도를 향상시키기 위해 모든 과정이 GPU를 통해 수행되는 빈 공간 도약 기법을 제안하였다. 기존의 제안된 빈 공간 도약 기법들은 계층 구조에 의해 추가적인 텍스처 정보를 필요로 하지만 본 논문에서 제안된 방법은 계층 구조를 위한 텍스처를 필요로하지 않는다.

제안 방법

기하 쉐이더의 스트림 아웃 기능을 이용하면 생성된 정점버퍼를 메인 메모리에서 가져올 필요가 없으므로 기존 방법들에서 발생했던 CPU 와 GPU간의 병목현상이 발생하지 않는다. 본 논문에서는 볼륨 데이터를 사용자가 정한 크기의 브릭(brick)들로 나누고 특정 브릭 안에 포함된 모든 복셀들을 검사하여 최대 밀도 값을 구한 후 이것을 저장하는 브릭 정점 (brick vertex)을 생성한다. 생성된 정점들은 기하 쉐이더의 입력 값이 되며 OTF를 적용하여 이 중 투명하지 않은 정점들만을 생성한다.
샘플링이 필요 없는 빈 공간을 미리 계산하여 속도를 개선하는 빈 공간 도약 방법과 추적 광선의 종료 조건을 완화하여 렌더링 시간을 줄 이는 광선 조 기 종료(early ray termination)방법이 다 빈 공간 도약을 통한 가속화 기법은 육면체의 바운딩 박스를 깊이 텍스처(depth texture)에 투영하여 광선의 진행 방향과 시작점 그리고 종료 지점을 계산한다. 하지만 단순한 바운딩 박스를 이용하는 경우에는 빈 공간이 많은 큰 볼륨 데이터를 가시화 할 때 매우 비효율적이다 이를 해결하기 위해 Honge 옥트리를 이용한 효과적인 빈공간 도약 기법을 제안하였다[4]. 이 방법은 볼륨을 일정 단위의 브릭으로 나누고 시점에 따라 옥트리를 생성하여 브릭들을 정렬한다.
이 방법은 볼륨을 일정 단위의 브릭으로 나누고 시점에 따라 옥트리를 생성하여 브릭들을 정렬한다. 정렬된 브릭들을 개체 순서 (object order)로 순회하면서 각각 4패스에 걸쳐 특정 브릭이 투명하지 않은지의 여부와 조기 광선 종료 가능성을 검사한다. 조건에 해당되는 브릭들에 대해서만 광선 투사법을 진행한 후 깊이 순서에 따라 누적시킨다.
제안하는 방법은 그림 1과 같이 전처리 단계와 렌더링 단계로 구성되며 처음 브릭 정점을 구성하는 전처리 단계를 제외하고 모든 단계는 GPU에서 수행된다. 전처리단계에서는 복셀들을 사용자가 정한 크기의 브릭으로 나누어 정점으로 저장한다.
가장 기본적인 GPU기반 광선 투사법은 하나의 바운딩 박스를 사용하여 광선을 진행하는 것이다[2丄 본 논문의 방법은 3.2」에서 얻은 유효한 바운딩 박스들로부터 빈 공간이 제거된 상태의 광선 시작 깊이와 종료 깊이를 이용하여 광선 투사법을 진행한다. 기본적인 GPU기반 광선 투사법에서 광선은 그림 3의 海와 같이 진행된다.
제안하는 방법에서는 한 장의 3D 볼륨 텍스처, 유효한 브릭들을 감싸는 바운딩 박스의 광선 시 작 깊이값과 종료 깊이값이 저장된 2D텍스처 두 장, 그리고 OTF를 위한 1D 텍스처 한 장이 사용된다. 또한 브릭 정점과 유효 브릭 정점을 위한 저장하기 위해 두 개의 정점 버퍼를 사용한다’
기존의 제안된 빈 공간 도약 기법들은 계층 구조에 의해 추가적인 텍스처 정보를 필요로 하지만 본 논문에서 제안된 방법은 계층 구조를 위한 텍스처를 필요로하지 않는다. OTF에 변화가 있을 때, 새로 생성하는 유효한 정점들이 GPU 파이프라인 안에서 병렬로 처리되기 때문에 속도가 빠르며 기존의 방법들처럼 CPU와 GPU 사이의 병목 현상을 유발하지 않는다.

대상 데이터

되었다9]. Mensmaime 차폐 절두체(occlusion frustum)라는 기 하구 조를 사용하였다[8]. 이전의 렌더링 결과에 의존하여 광선의 시작점 깊이를 얻고 이 시작점을 사용하여 기하 쉐이더 에서 차폐절두체를 생 성 한다, 따라서 Mensmaim의 방법은 광선의 시작점 깊이 값만을 사용하여 빈 공간을 제거하므로 효율적인 빈 공간 제거가 이루어지지 않으며 OTF가 변화 하면 시작점 깊이 값이 무의미 하므로 최소한 한번은 광선이 가장 기본적인 바운딩 박스 시작점 위치 에서 투사되어 야 한다.
실험에 사용한 방법들은 3GHz의 AMD Phenom II X2 CPU와 1GB의 비디오 메모리를 가진 ATI Radeon HD 5870 그래픽 카드가 장착된 PC에서 실행하였다. DirectX 11을 사용하였으며 결과영상의 해상도는 1024x1024이다.
DirectX 11을 사용하였으며 결과영상의 해상도는 1024x1024이다. 본 논문에서 제안한 방법이 적용된 광선 투사법과 비교 대상인 기존의 기본적인 광선 투사법에는 광선이 진행하며 누적하는 값의 알파 값이 특정한 경계 값에 도달하면 광선의 진행을 종료하는 조기 광선 종료 알고리즘[1]이 적용되어 있다.
한 결과이다. 본 논문에서는 2七 43, 83, 163, 32, 의 브릭들을 사용하여 실험하였다. 표 1에 대한 결과 영상은 그림 4(a)와 그림5에 나타나 있다.

데이터처리

그림 3. 기존 방법과 제안하는 방법에서의 광선 진행경로 비교. 외곽은 기본 광선 투사법의 바운딩 박스 짙은 음영 구역은 볼륨 데이터, 옅은 음영 구역은 빈 공간이 제거된 바운딩 박스이다 AD는 기본 광선 투사법에서 광선의 진행경로이고 BC는 본 논문에서 제안한 방법 광선 진행 경로를 나타낸다.

이론/모형

DirectX 11을 사용하였으며 결과영상의 해상도는 1024x1024이다. 본 논문에서 제안한 방법이 적용된 광선 투사법과 비교 대상인 기존의 기본적인 광선 투사법에는 광선이 진행하며 누적하는 값의 알파 값이 특정한 경계 값에 도달하면 광선의 진행을 종료하는 조기 광선 종료 알고리즘[1]이 적용되어 있다.

성능/효과

생성된 투명하지 않은 정점들은 기하 쉐이더를 통해 바운딩 박스(bounding box)를 생성하고, 생성된 바운딩 박스들로만 광선이 진행되도록 한다. 제안한 방법은 빈 공간에 대한 샘플링을 최소화함으로써 기존 광선 투사법과 비교하여 효율적인 처리가 가능하다. GPU 파이프라인 안에서 투명하지 않은 브릭 정점들이 생성되므로 GPU 와 CPU간의 병목현상이 없고, SIMD 병렬처리기능으로 고속 처리된다.
시간을 나타낸다. 2, 의 브릭 크기를 사용하였을 때 브릭 정점 버퍼로부터 유효한 브릭 정점을 추출하여 정점 버퍼에 저장하는데 소요되는 시간은 25ms이고, 이것 보다 큰 브릭들은 약 0.3ms가 소요된다. 2, 브릭 크기를 사용하면 GPU에서 유효한 브릭 정점을 추출하기 위해 처리해야 할 정점은 256, 개가 된다.
이는 실험에서 사용한 GPU의 허용 쓰레드 한계를 초과하기 때문에 疽 이상의 브릭을 사용했을 때보다 훨씬 더 많은 시간이 걸린다. 실험 결과에 의하면 렌더링 중에 OTF가 변경되어도 렌더링 속도에 영향을 줄 만큼 큰 시간이 걸리지 않는다는 것을 알 수 있다. 특히 43이상의 브릭 크기를 사용한다면 속도 저하가 거의 없다.

참고문헌 (11)

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J. Kruger, R. Westermann, "Acceleration tech-niques for GPU-based volume rendering," In Pro-ceedings IEEE Visualization, pp. 287-292, 2003.
S. Patidar, S. Bhattacharjee, J. Singh, and P. Narayanan, "Exploiting the shader model 4.0 architecture," Technical Report IIIT Hyderabad, 2006.
W. Hong, F. Qiu, and A. Kaufman, "GPU-based object-order ray-casting for large datasets," In Volume Graphics, pp. 177-185, 2005.
V. Vidal, X. Mei, and P. Decaudin, "Simple empty-space removal for interactive volume rendering," Journal of Graphics, GPU, and Game Tools, 13:2, 21-36, 2008.
B. Liu, G. J. Clapworthy, and F. Dong, "Accelerating volume raycasting using proxy spheres," Computer Graphics Forum, Volume 28, Issue 3, pp. 839-846, 2009.

상세보기
G. Ziegler, A. Tevs, C. Theobalt, and H. P. Seidel, "On-the-fly point clouds through histogram pyramids," Vision, modeling, and visual-ization : proceedings, November 22-24, 2006.
J. Mensmann, T. Ropinski, and K. Hinrichs, "Accelerati ng volume raycasting using occlusion frustums," In lEE EIEG International Symposium on Volume and Point-Based Graphics, pp. 147-154, 2008.
N. Tatarchunk, J. Shopf, and C. DeCoro, "Advanced int eractive medical visualization on the GPU," Journal of Parallel and Distributed Computing, Volume 68, Issue 10, pp. 1319-1328, 2008.

상세보기
W. E. Lorensen, and H. E. Cline, "Marching cube: a high resolution 3D surface construction algorithm," ACM SIGGRAPH Computer Graphics(Proceedings of SIGGRAPH 87), Volume 21, Issue 4, pp. 163-169, 1987.
P. Shirley, and A. Tuchman, "A polygonal approximati on to direct scalar volume rendering," SIGGRAPH Computer Graphics, Volume 24, Issue 5, pp. 63-70, 1990.

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