Visualisation et traitements interactifs de grilles régulières 3D haute-résolution virtualisées sur GPU. Application aux données biomédicales pour la microscopie virtuelle en environnement HPC.

Interactive visualisation and processing of high-resolution regular 3D grids virtualised on GPU. Application to biomedical data for virtual microscopy in HPC environment.

• Auteur / Autrice : Nicolas Courilleau
• Direction : Yannick Remion, Laurent Lucas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Info - Informatique
• Date : Soutenance le 29/08/2019
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Numérique et de l’Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Reims, Marne ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Renaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Remion, Laurent Lucas, Min Hyuk Kim, Jean-Luc Mari, Vincent Nozick
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Min Hyuk Kim, Jean-Luc Mari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Data visualisation

Imagerie médicale -- Qualité de l'image

Imagerie

Processeurs graphiques

Mots clés libres

Out-Of-Core

Microscope virtuel

Visualisation interactive

Multi-Résolution

Gpu

Interactive visualisation

Virtual microscope

Multi-Resolution

Résumé

La visualisation de données est un aspect important de la recherche scientifique dans de nombreux domaines.Elle permet d'aider à comprendre les phénomènes observés voire simulés et d'en extraire des informations à des fins notamment de validations expérimentales ou tout simplement pour de la revue de projet.Nous nous intéressons dans le cadre de cette étude doctorale à la visualisation de données volumiques en imagerie médicale et biomédicale, obtenues grâce à des appareils d'acquisition générant des champs scalaires ou vectoriels représentés sous forme de grilles régulières 3D.La taille croissante des données, due à la précision grandissante des appareils d'acquisition, impose d'adapter les algorithmes de visualisation afin de pouvoir gérer de telles volumétries.De plus, les GPUs utilisés en visualisation de données volumiques, se trouvant être particulièrement adaptés à ces problématiques, disposent d'une quantité de mémoire très limitée comparée aux données à visualiser.La question se pose alors de savoir comment dissocier les unités de calculs, permettant la visualisation, de celles de stockage.Les algorithmes se basant sur le principe dit "out-of-core" sont les solutions permettant de gérer de larges ensembles de données volumiques.Dans cette thèse, nous proposons un pipeline complet permettant de visualiser et de traiter, en temps réel sur GPU, des volumes de données dépassant très largement les capacités mémoires des CPU et GPU.L'intérêt de notre pipeline provient de son approche de gestion de données "out-of-core" permettant de virtualiser la mémoire qui se trouve être particulièrement adaptée aux données volumiques.De plus, cette approche repose sur une structure d'adressage virtuel entièrement gérée et maintenue sur GPU.Nous validons notre modèle grâce à plusieurs applications de visualisation et de traitement en temps réel.Tout d'abord, nous proposons un microscope virtuel interactif permettant la visualisation 3D auto-stéréoscopique de piles d'images haute résolution.Puis nous validons l'adaptabilité de notre structure à tous types de données grâce à un microscope virtuel multimodale.Enfin, nous démontrons les capacités multi-rôles de notre structure grâce à une application de visualisation et de traitement concourant en temps réel.

Data visualisation is an essential aspect of scientific research in many fields.It helps to understand observed or even simulated phenomena and to extract information from them for purposes such as experimental validations or solely for project review.The focus given in this thesis is on the visualisation of volume data in medical and biomedical imaging.The acquisition devices used to acquire the data generate scalar or vector fields represented in the form of regular 3D grids.The increasing accuracy of the acquisition devices implies an increasing size of the volume data.Therefore, it requires to adapt the visualisation algorithms in order to be able to manage such volumes.Moreover, visualisation mostly relies on the use of GPUs because they suit well to such problematics.However, they possess a very limited amount of memory compared to the generated volume data.The question then arises as to how to dissociate the calculation units, allowing visualisation, from those of storage.Algorithms based on the so-called "out-of-core" principle are the solutions for managing large volume data sets.In this thesis, we propose a complete GPU-based pipeline allowing real-time visualisation and processing of volume data that are significantly larger than the CPU and GPU memory capacities.The pipeline interest comes from its GPU-based approach of an out-of-core addressing structure, allowing the data virtualisation, which is adequate for volume data management.We validate our approach using different real-time applications of visualisation and processing.First, we propose an interactive virtual microscope allowing 3D auto-stereoscopic visualisation of stacks of high-resolution images.Then, we verify the adaptability of our structure to all data types with a multimodal virtual microscope.Finally, we demonstrate the multi-role capabilities of our structure through a concurrent real-time visualisation and processing application.