TY - THES A1 - Wölk, Bertram T1 - Generierung hybrider Gitter für die Strömungssimulation auf komplexen anatomischen Geometrien T1 - Generation of hybrid grids for flow simulation on complex anatomical geometries N2 - Basierend auf einem vorhandenen Ansatz zur Einführung von anisotropen Tetraedern im Randbereich eines reinen Tetraedergitters wird ein Gittergenerator für hybride Gitter implementiert. Das hybride Gitter besteht in Randnähe primär aus anisotropen Prismen und im Inneren der Geometrie aus isotropen Tetraedern. Eine erhöhte Auflösung im Randbereich soll zu besseren Ergebnissen von numerischen Strömungssimulationen führen, für welche eine problemangepasste Diskretisierung des zu untersuchenden Gebietes benötigt wird. In dem zuvor genannten Ansatz wird eine Reihe von Übergangselementen vorgeschlagen, die an scharfen Kanten der Oberfläche platziert werden sollen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die Idee der Übergangselemente aufgegriffen und bei hybriden Gittern eingesetzt, um auch komplexe Eingabegeometrien vergittern zu können. Der ursprüngliche Gittergenerierungprozess wird überarbeitet und erweitert. Eine neue Menge an Übergangselementen wird eingeführt, es werden gekrümmte Extrusionsvektoren verwendet und es wird die Auswertung der medialen Oberfläche vorgenommen, um Überschneidungen im hybriden Gitter zu vermeiden. Der Gittergenerator wird als Modul in das Visualisierungs- und Analyseprogramm Amira implementiert und die erstellten hybriden Gitter werden auf ihre Elementqualität und die Güte der Strömungssimulationsergebnisse hin überprüft. N2 - Based on an existing approach for the introduction of anisotropic tetrahedra near the surface boundary of a tetrahedral grid a grid generator for hybrid grids is implemented. The hybrid grid consists near the surface boundary primarily of anisotropic prisms and inside the geometry of isotropic tetrahedra. An increased resolution near the boundary should lead to better results of numerical flow simulations, which needs a problem specific discretization of the analyzed domain. In the aforementioned approach a set of transition elements is suggested, which should be placed at sharp surface corners. As a part of this diploma thesis the concept of using transition elements is applied for creating hybrid grids even for very complex input geometries. The initial grid generation process is revised and enhanced. A new set of transition elements is introduced, curved extrusion vectors are used and the medial surface is evaluated to avoid intersections in the hybrid grid. The grid generator is implemented as a module for the visualization and analysis tool Amira and the element quality of the generated hybrid grids and the quality of flow simulations performed on the grids are tested. KW - Gittergenerierung KW - Hybrid KW - Randschicht KW - Anisotrope Prismen KW - Strömungssimulation KW - hybrid KW - mesh KW - grid KW - generation KW - boundary layer Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-11588 ER - TY - THES A1 - Prohaska, Steffen T1 - Skeleton-based visualization of massive voxel objects with network-like architecture T1 - Skelettbasierte Visualisierung großer Voxel-Objekte mit netzwerkartiger Architektur N2 - This work introduces novel internal and external memory algorithms for computing voxel skeletons of massive voxel objects with complex network-like architecture and for converting these voxel skeletons to piecewise linear geometry, that is triangle meshes and piecewise straight lines. The presented techniques help to tackle the challenge of visualizing and analyzing 3d images of increasing size and complexity, which are becoming more and more important in, for example, biological and medical research. Section 2.3.1 contributes to the theoretical foundations of thinning algorithms with a discussion of homotopic thinning in the grid cell model. The grid cell model explicitly represents a cell complex built of faces, edges, and vertices shared between voxels. A characterization of pairs of cells to be deleted is much simpler than characterizations of simple voxels were before. The grid cell model resolves topologically unclear voxel configurations at junctions and locked voxel configurations causing, for example, interior voxels in sets of non-simple voxels. A general conclusion is that the grid cell model is superior to indecomposable voxels for algorithms that need detailed control of topology. Section 2.3.2 introduces a noise-insensitive measure based on the geodesic distance along the boundary to compute two-dimensional skeletons. The measure is able to retain thin object structures if they are geometrically important while ignoring noise on the object's boundary. This combination of properties is not known of other measures. The measure is also used to guide erosion in a thinning process from the boundary towards lines centered within plate-like structures. Geodesic distance based quantities seem to be well suited to robustly identify one- and two-dimensional skeletons. Chapter 6 applies the method to visualization of bone micro-architecture. Chapter 3 describes a novel geometry generation scheme for representing voxel skeletons, which retracts voxel skeletons to piecewise linear geometry per dual cube. The generated triangle meshes and graphs provide a link to geometry processing and efficient rendering of voxel skeletons. The scheme creates non-closed surfaces with boundaries, which contain fewer triangles than a representation of voxel skeletons using closed surfaces like small cubes or iso-surfaces. A conclusion is that thinking specifically about voxel skeleton configurations instead of generic voxel configurations helps to deal with the topological implications. The geometry generation is one foundation of the applications presented in Chapter 6. Chapter 5 presents a novel external memory algorithm for distance ordered homotopic thinning. The presented method extends known algorithms for computing chamfer distance transformations and thinning to execute I/O-efficiently when input is larger than the available main memory. The applied block-wise decomposition schemes are quite simple. Yet it was necessary to carefully analyze effects of block boundaries to devise globally correct external memory variants of known algorithms. In general, doing so is superior to naive block-wise processing ignoring boundary effects. Chapter 6 applies the algorithms in a novel method based on confocal microscopy for quantitative study of micro-vascular networks in the field of microcirculation. N2 - Die vorliegende Arbeit führt I/O-effiziente Algorithmen und Standard-Algorithmen zur Berechnung von Voxel-Skeletten aus großen Voxel-Objekten mit komplexer, netzwerkartiger Struktur und zur Umwandlung solcher Voxel-Skelette in stückweise-lineare Geometrie ein. Die vorgestellten Techniken werden zur Visualisierung und Analyse komplexer drei-dimensionaler Bilddaten, beispielsweise aus Biologie und Medizin, eingesetzt. Abschnitt 2.3.1 leistet mit der Diskussion von topologischem Thinning im Grid-Cell-Modell einen Beitrag zu den theoretischen Grundlagen von Thinning-Algorithmen. Im Grid-Cell-Modell wird ein Voxel-Objekt als Zellkomplex dargestellt, der aus den Ecken, Kanten, Flächen und den eingeschlossenen Volumina der Voxel gebildet wird. Topologisch unklare Situationen an Verzweigungen und blockierte Voxel-Kombinationen werden aufgelöst. Die Charakterisierung von Zellpaaren, die im Thinning-Prozess entfernt werden dürfen, ist einfacher als bekannte Charakterisierungen von so genannten "Simple Voxels". Eine wesentliche Schlussfolgerung ist, dass das Grid-Cell-Modell atomaren Voxeln überlegen ist, wenn Algorithmen detaillierte Kontrolle über Topologie benötigen. Abschnitt 2.3.2 präsentiert ein rauschunempfindliches Maß, das den geodätischen Abstand entlang der Oberfläche verwendet, um zweidimensionale Skelette zu berechnen, welche dünne, aber geometrisch bedeutsame, Strukturen des Objekts rauschunempfindlich abbilden. Das Maß wird im weiteren mit Thinning kombiniert, um die Erosion von Voxeln auf Linien zuzusteuern, die zentriert in plattenförmigen Strukturen liegen. Maße, die auf dem geodätischen Abstand aufbauen, scheinen sehr geeignet zu sein, um ein- und zwei-dimensionale Skelette bei vorhandenem Rauschen zu identifizieren. Eine theoretische Begründung für diese Beobachtung steht noch aus. In Abschnitt 6 werden die diskutierten Methoden zur Visualisierung von Knochenfeinstruktur eingesetzt. Abschnitt 3 beschreibt eine Methode, um Voxel-Skelette durch kontrollierte Retraktion in eine stückweise-lineare geometrische Darstellung umzuwandeln, die als Eingabe für Geometrieverarbeitung und effizientes Rendering von Voxel-Skeletten dient. Es zeigt sich, dass eine detaillierte Betrachtung der topologischen Eigenschaften eines Voxel-Skeletts einer Betrachtung von allgemeinen Voxel-Konfigurationen für die Umwandlung zu einer geometrischen Darstellung überlegen ist. Die diskutierte Methode bildet die Grundlage für die Anwendungen, die in Abschnitt 6 diskutiert werden. Abschnitt 5 führt einen I/O-effizienten Algorithmus für Thinning ein. Die vorgestellte Methode erweitert bekannte Algorithmen zur Berechung von Chamfer-Distanztransformationen und Thinning so, dass diese effizient ausführbar sind, wenn die Eingabedaten den verfügbaren Hauptspeicher übersteigen. Der Einfluss der Blockgrenzen auf die Algorithmen wurde analysiert, um global korrekte Ergebnisse sicherzustellen. Eine detaillierte Analyse ist einer naiven Zerlegung, die die Einflüsse von Blockgrenzen vernachlässigt, überlegen. In Abschnitt 6 wird, aufbauend auf den I/O-effizienten Algorithmen, ein Verfahren zur quantitativen Analyse von Mikrogefäßnetzwerken diskutiert. KW - Visualisierung KW - Bilddatenanalyse KW - Skelettberechnung KW - Geometrieerzeugung KW - I/O-effiziente Algorithmen KW - visualization KW - image data analysis KW - skeletonization KW - geometry generation KW - external memory algorithms Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14888 UR - http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2007/1488/ ER - TY - GEN A1 - Rosanwo, Olufemi A1 - Petz, Christoph A1 - Prohaska, Steffen A1 - Hotz, Ingrid A1 - Hege, Hans-Christian T1 - Dual Streamline Seeding - Method and Implementation N2 - This work introduces a novel streamline seeding technique based on dual streamlines that are orthogonal to the vector field, instead of tangential. The greedy algorithm presented here produces a net of orthogonal streamlines that is iteratively refined resulting in good domain coverage and a high degree of continuity and uniformity. The algorithm is easy to implement and efficient, and it naturally extends to curved surfaces. N2 - In dieser Arbeit wird eine neue Strategie zur Platzierung von Stromlinien vorgestellt. Hierzu werden zusätzliche duale Stromlinien verwendet, die --im Gegensatz zur üblichen Definition-- orthogonal zum Vektorfeld verlaufen. Der vorgestellte Greedy-Algorithmus berechnet ein Netz aus orthogonalen Stromlinien, welches iterativ verfeinert wird, was zu einer guten Abdeckung der Domäne und einer gleichmäßigen Verteilung der Stromlinien führt. Es handelt sich um einen einfach zu implementierenden und effizienten Algorithmus, der direkt auf gekrümmten Oberflächen anwendbar ist. T3 - ZIB-Report - 08-49 Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-11032 SN - 1438-0064 ER - TY - THES A1 - Lamecker, Hans T1 - Variational and statistical shape modeling for 3D geometry reconstruction N2 - The reconstruction of geometric shapes plays an important role in many biomedical applications. One example is the patient-specific, computer-aided planning of complex interventions, which requires the generation of explicitly represented geometric models of anatomical structures from medical image data. Only solutions that require minimal interaction by medical personnel are likely to enter clinical routine. Another example is the planning of surgical corrections of deformities where the target shape is unknown. Surgeons are often forced to resort to subjective criteria. These applications still pose highly challenging reconstruction problems, which are addressed in this thesis. The fundamental hypothesis, pursued in this thesis, is that the problems can be solved by incorporating a-priori knowledge about shape and other application-specific characteristics. Here, we focus mainly on the aspect of geometric shape analysis. The basic idea is to capture the most essential variations of a certain class of geometric objects via statistical shape models, which model typical features contained in a given population, and restrict the outcome of a reconstruction algorithm (more or less) to the space spanned by such models. A fundamental prerequisite for performing statistical shape analysis on a set of different objects is the identification of corresponding points on their associated surfaces. This problem is particularly difficult to solve if the shapes stem from different individuals. The reason lies in the basic difficulty of defining suitable measures of similarity. In this thesis, we divide the correspondence problem into feature and non-feature matching. The feature part depends on the application, while the non-feature part can be characterized by a purely geometric description. We propose two different approaches. The first approach has proved useful in many applications. Yet, it suffers from some practical limitations and does not yield a measure of similarity. Our second, variational, approach is designed to overcome these limitations. In it, we propose to minimize an invariant stretching measure, constrained by previously computed features. An important property, which sets our method apart from previous work, is that it does not require the computation of a global surface parameterization. KW - correspondence problem KW - surface matching KW - image segmentation KW - model-based shape reconstruction KW - 2d-3d shape reconstruction Y1 - 2008 UR - http://www.diss.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000005805 ER - TY - GEN A1 - Günther, Andreas A1 - Lamecker, Hans A1 - Weiser, Martin T1 - Direct LDDMM of Discrete Currents with Adaptive Finite Elements N2 - We consider Large Deformation Diffeomorphic Metric Mapping of general $m$-currents. After stating an optimization algorithm in the function space of admissable morph generating velocity fields, two innovative aspects in this framework are presented and numerically investigated: First, we spatially discretize the velocity field with conforming adaptive finite elements and discuss advantages of this new approach. Second, we directly compute the temporal evolution of discrete $m$-current attributes. T3 - ZIB-Report - 11-22 KW - Large Deformation KW - Diffeomorphic Registration KW - Matching KW - Currents KW - Adaptive Finite Elements Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-13090 ER -