Программные средства и методы трехмерной визуализации в томографии

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Институт проблем регистрации информации НАН Украины ул. Шпака, 2, 03113 Киев, Украина

Программные средства и методы трехмерной визуализации в томографии

Э.Е. Самбыкина, Е.А. Цыбульская

Аннотация

Описаны методы, используемые при трехмерной визуализации реконструированных объектов: структуры данных, методы сегментации и методы рендеринга, основанные либо на поверхностном представлении объекта, либо на его воксельном представлении. Приведены примеры современных систем трехмерной визуализации.

Ключевые слова: компьютерная томография, 3D-визуализация, объемный рендеринг, поверхностный рендеринг

Введение

С помощью томографической аппаратуры можно получить снимки множества сечений объекта и математическими методами реконструировать внутреннюю структуру объекта. Эта структура представляется в виде трехмерной матрицы распределения той или иной характеристики вещества внутри объекта, а каждый элемент матрицы вычислен по влиянию этого вещества на физическое поле или излучение, пронизывающее объект. Имея такую матрицу, можно построить графическое изображение сечений объекта, взяв соответствующий «срез» матрицы и присвоив каждому пикселу цвет в зависимости от значения элемента матрицы. Но, как показывает опыт, «умозрительная реконструкция» объектов по изображениям их сечений очень трудна и сильно зависит от опыта и воображения наблюдателя. Поэтому важной является задача создания точных и реалистичных визуальных представлений объектов.

1. Программные средства 3D-визуализации

В настоящее время создано довольно много программных средств трехмерной визуализации.

Современные системы визуализации, как правило, рассчитаны на интерактивную работу с пользователем.

Простейшие системы позволяют генерировать объемный вид и основные сечения объекта, а большинство систем дают возможность производить различные манипуляции с реконструированным объектом: вращение, разрезы, выделение областей с максимально возможной детализацией.

Приведем некоторые из них.

1. В 1998 г. разработан программный пакет 3D-CTViewer, использующий в качестве рабочего язык описания графических интерфейсов IDL.

3D-CTViewer поддерживает оба метода 3D-рендеринга: поверхностный и объемный. В объемных данных он позволяет создавать до трех изоповерхностей, каждая из которых имеет свой цвет и уровень прозрачности.

Пакет дает возможность манипулировать объемным изображением, представлять контуры и измерения отдельных сечений в ортогональной и косой проекциях, применять различные стандартные фильтры обработки графических данных.

2. В Суперкомпьютерном центре в Сан-Диего в 1999 г. разработана программная система рендеринга трехмерных изображений MPIRE (Massively Parallel Interactive Rendering Environment).

Она позволяет обрабатывать многогигабайтные наборы данных с помощью суперкомпьютеров Cray-3E и MTA. Система интегрирована в Web, т.е. дает возможность запускать обработку данных с удаленного компьютера с помощью стандартного браузера.

MPIRE состоит из трех компонент:

-- подсистемы, реализующей выполнение вычислений рендеринга изображений;

-- подсистемы преобразования исходных данных для вычисления на суперкомпьютере и обратного преобразования полученных результатов вычислений;

-- подсистемы графического интерфейса для интерактивного управления процессом рендеринга на удаленном суперкомпьютере.

3. В 2000 г. в Йогпуре (Defence Laboratory, Joghpur, India) была создана система медицинской визуализации ANAMICA.

Она поддерживает и поверхностный, и объемный методы восстановления изображений, т.к. каждый объект представляется и как набор трехмерных точек, и как набор поверхностных полигонов.

Позволяет манипулировать объемным изображением, выполнять срезы в различных плоскостях.

4. В 2001 г. в университете Суррея ( Radiation Imaging Group, University of Surrey, U.K.) разработана система трехмерной визуализации томографических данных.

Она имеет удобный графический интерфейс пользователя, в качестве рабочего использует язык описания графических интерфейсов IDL.

Позволяет легко манипулировать объемным изображением, создавать изоповерхности с различным цветом и уровнем прозрачности.

2. Методы визуализации 3D-объектов

Процесс визуализации 3D-объектов проходит в несколько этапов, которые изображены на рисунке.

томография трехмерный визуализация рендеринг

Алгоритм получения трехмерного изображения

I этап. Процесс построения 3D-изображений начинается непосредственно с объемных данных, заданных на регулярной сетке. Для улучшения качества данные, описывающие объект, можно подвергнуть процедуре фильтрации, подобно тому, как это делается при обработке 2D-изображений.

II этап. Следующий шаг состоит в идентификации различных объектов, представленных в объемных данных так, чтобы их можно было выделить для визуализации или, наоборот, сделать невидимыми. Этот шаг включает сегментацию и интерпретацию. Простейший способ состоит в бинаризации данных с использованием порога интенсивности.

III этап. После сегментации необходимо выбрать, какой из методов рендеринга использовать далее. Один из способов основан на представлении объектов их поверхностями. Сначала создается промежуточная модель, где выделяется поверхность объекта, а данные, относящиеся к его внутренней части, игнорируются. Далее выполняется рендеринг с использованием любого стандартного метода машинной графики. Второй способ основан на воксельном представлении объемов, который создает трехмерные изображения объекта непосредственно из объемных данных. Этот метод использует полную информацию о значениях интенсивности полутонового изображения для рендеринга поверхностей, разрезов или прозрачных и полупрозрачных объемов. Оба эти подхода имеют свои достоинства. Решение о том, какой из методов следует использовать для конкретного приложения, зависит как от размера памяти и мощности компьютера, так и от целей визуализации. Кроме того, существует еще один подход к визуализации 3D-объектов, использующий методы рендеринга, основанные на преобразованиях.

Структуры данных. Одним из принципиальных положений во всех методиках объемной визуализации является способ представления объемных данных. Наиболее важными структурами для описания объемных данных являются:

-- бинарная воксельная модель: воксели могут принимать два значения -- 1 (объект) или 0 (нет объекта). Эта очень простая модель и используется редко. Для того чтобы уменьшить необходимый для хранения объем памяти, бинарные объемы могут быть рекурсивно разбиты на меньшие объемы, содержащие воксели равной величины; результирующая структура данных называется 8-деревом или октантным деревом;

-- полутоновая воксельная модель: каждый воксель содержит информацию об интенсивности;

-- обобщенная воксельная модель: кроме информации об интенсивности каждый воксель содержит атрибуты, характеризующие его принадлежность к различным объектам;

-- «интеллектуальные объемы»: в качестве развития обобщенной воксельной модели рассматривается модель, в которой свойства объектов (такие как цвет, имена в различных языках, указатели на дополнительную информацию) и их взаимосвязи моделируются на символьном уровне.

Сегментация. Полутоновой объем обычно включает большое число различных структур, затеняющих друг друга. Для того, чтобы изобразить одну из них, следует решить, какую часть данных необходимо использовать, а какую игнорировать. Процесс разделения полутонового объема на разные области, которые являются однородными по отношению к некоторому формальному критерию и соответствуют реальным объектам, называется сегментацией. Для представления результатов подходящей структурой данных является обобщенная воксельная модель.

Сейчас существует большое количество методов сегментации для 3D-изображений, которые можно разбить на три типа методов: на основе точек, границ и областей. При сегментации на основе точек воксели классифицируются только в соответствии с величиной их интенсивности. При сегментации на основе границ в изображаемом объеме определяют неоднородности в распределении интенсивности, используя для этого первые или вторые производные. При сегментации на основе областей рассматриваются свойства целых областей, такие как размер или форма. Часто используется комбинация нескольких разных подходов.

Рендеринг поверхностей. Основная идея -- построение промежуточного описания поверхности требуемых объектов по объемным данным, используя для этого результаты сегментации. После сегментации объект преобразован в мозаичную модель, т.е. разделен на множество многоугольников (полигонов). Дальше проводятся геометрические преобразования полигонов для преобразования из системы координат объекта в систему координат внешнего наблюдателя и установки характеристик полигонов: цвета, прозрачности, освещенности. Построенное описание используется затем для рендеринга, в результате которого создается двумерное изображение трехмерного объекта.

К явным достоинствам методов на основе поверхностей можно отнести очень большое уменьшение количества данных при переходе от объемного представления к поверхностному и уменьшение времени получения изображения. С другой стороны, на этапе реконструкции поверхности отбрасывается большое количество ценной информации, содержащейся в изображениях сечений. Если представление в виде поверхности уже сформировано, вернуться назад и получить исходные значения интенсивности невозможно. Разрезы объекта в этом представлении бессмысленны, так как информации о его внутренней части нет. Кроме того, каждое изменение критериев для определения поверхности, например, порогов, требует пересчета всей структуры данных.

Рендеринг на основе вокселей. При рендеринге на основе вокселей изображение формируется непосредственно из объемных данных. Основное преимущество этого метода по сравнению с методами на основе поверхностей, заключается в том, что вся начальная информация об интенсивностях сохраняется в течение процесса рендеринга. Это делает данный метод идеальной техникой для интерактивного исследования данных. При этом интерактивно можно менять величины порогов и другие параметры, которые изначально не известны. Кроме того, рендеринг на основе вокселей позволяет комбинировать изображения разных типов: непрозрачные и полупрозрачные поверхности, разрезы и проекции максимальных интенсивностей. Недостатком методов на основе вокселей является необходимость обрабатывать большое количество данных. Это затрудняет решение прикладных задач на современных компьютерах в реальном времени.

Способы воксельного рендеринга различаются, главным образом, стратегией сканирования: пиксель за пикселем (упорядочение по изображению) или воксель за вокселем (упорядочение по объему).

При сканировании с упорядочиванием по изображению объемные данные выбираются на лучах вдоль направления наблюдения. Метод отслеживания луча является очень гибким и хорошо понятным приемом сканирования. Сравнительно легко совмещать методы рендеринга для непрозрачных, полупрозрачных и прозрачных поверхностей. Кроме того, сканирование по изображению можно одновременно использовать для рендеринга как воксельных, так и поверхностных данных. Качество изображения можно изменять, увеличивая или уменьшая шаг выборки данных.

При сканировании с упорядочиванием по объему входные объемные данные выбираются вдоль строк и столбцов трехмерного массива, и производится проецирование выбранного вида на плоскость изображения в направлении наблюдения.

Рендеринг на основе преобразований. Оба метода рендеринга, как на основе поверхностей, так и на основе вокселей, работают в трехмерном пространстве. Однако, 3D-изображения можно получить, исходя и из других представлений данных. Один из таких методов -- рендеринг в частотных областях, который создает 3D-изображения в пространстве Фурье. Это очень быстрый метод, однако его применимость ограничена достаточно простыми интегральными проекциями.

Более перспективный подход используют вейвлетные преобразования (wave-let transforms). Эти методы создают мультимасштабное представление 3D-объектов, что позволяет локально регулировать размеры отображаемых деталей. Таким образом, можно очень сильно сократить количество данных и время рендеринга.

Заключение

Обработка трехмерных изображений -- сложный и трудоемкий вычислительный процесс. В неразрушающем контроле промышленных изделий на передний план выходит проблема получения высокого разрешения как пространственного, так и плотностного. При этом средства, отображающие информацию, должны соответствовать необходимым характеристикам. Анализ показывает, что найти универсальное средство объемного отображения информации затруднительно, и выбор устройства отображения должен производиться с учетом конкретных требований к томографическому изделию в целом.

Литература

1. Андреас Поммерт, Бернард Пфлессер, Мартин Риемер, Томас Шиеманн, Райнер Шуберт, Вульф Тиеде, Карл Хейнц Хон. Визуализация объема в медицине // Открытые системы. -- 1996. -- № 5.

2. Allan Snavely, Greg Johnson and Jon Genett. Data Intensive Volume Visualization on the Tera MTA and Cray T3E. -- San Diego Supercomputer Center at University of California San Diego // Proc. of the High Performance Computing Symposium - HPC '99. -- 1999. -- Р. 59-64.

3. Saxena Nisheet, Baheti G.L., Khatri P.K. 3D-Visualization in Industrial Computed Tomographic Imaging -- Defence Laboratory, Joghpur, India, NDT.net. -- 2000, May. -- Vol. 5, N 05.

4. David T. Gering. Object Modelling using Tomography and Photography. -- MIT Artifisial Intelligence Laboratory Cambridge, 1999.

5. Claffy K., Tracie E. Monk, Daniel McRobb. Internet tomography. -- England: Nature © Macmillan Publishers Ltd, 1999.

6. Three-Dimensional Visualization of Micro-Tomography Data at the University of Surrey Made Possible with IDL. -- Research Systems, Inc, 2001.

Размещено на Allbest.ru