Nghiên cứu một số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3d từ hình chiếu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG  ĐỖ THÁI HÒA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Tiếng anh: (A number of technical studies show 3D images from the slideshow) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Ngun - 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG  ĐỖ THÁI HÒA NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Tiếng anh: (A number of technical studies show 3D images from the slideshow) Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên - 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii PHẦN MỞ ĐẦU .1 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 1.1 Khái quát đồ họa 3D .3 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa .4 1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) .4 1.1.2.2 Kỹ thuật đồ họa Vector 1.1.2.3 Các chuẩn giao diện hệ đồ hoạ .6 1.1.3 Phần cứng đồ họa (Graphics HardWare) 1.1.3.1 Các thành phần phần cứng hệ đồ hoạ tương tác 1.1.3.2 Máy in 1.1.3.3 Màn hình (monitor-display) 1.1.3.4 Bảng tra màu LUT (Look Up Table) 11 1.1.3.5 Sự kết nối hệ thống máy tính với thiết bị hiển thị 13 1.2 Hiển thị hình ảnh 3D 15 1.2.1.Nguyên lý 3D (three-Dimension) 15 1.2.2 Đặc điểm kỹ thuật đồ hoạ 3D 15 1.2.3 Các phương pháp hiển thị 3D 16 1.2.4 Tái tạo cấu trúc ba chiều từ hình chiếu 16 Chƣơng 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU 19 2.1 Biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR) 19 2.2 Biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) 26 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 34 3.1 Các công cụ 34 3.2 Chương tr ình cài đặt 39 3.3 Một số cửa sổ - Kết thử nghiệm 39 3.4 Đánh giá 41 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa 3D Dimentional chiều 2D Dimentional chiều VR Volume rendering Biểu diễn thể tích SR surface rendering Biểu diễn bề mặt CRT Cathode ray tube Màn hình CRT MC Marching Cube s Thuật tốn Marching Cubes MT Marching Tetrahedra Thuật toán Marching Tetrahedra MIP MinIP 10 LCD Maximum intensity projection Minimum intensity projection Liquid Crystal Display Digital Imaging and 11 DICOM COmmunications in Medicine Standars 12 VTK Visualization Toolkit Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Phương pháp tạo bố cục cho ảnh Phương pháp tạo bố cục cho ảnh Màn hình Tiêu chuẩn ảnh số truyền thơng y tế Bộ toolkit có mã nguồn mở http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ảnh đồ hoạ điểm Hình 1.2 Kỹ thuật đồ họa điểm Hình 1.3 Mơ hình đồ họa vector Hình 1.4 Các thành phần cứng hệ đồ hoạ tương tác Hình 1.5 Cấu tạo hình CRT Hình 1.6 Súng điện tử bố trí theo kiểu tam giác Hình 1.7 Dịng qt thiết bị Raster Hình 1.8 Tổ chức bảng tra màu LUT (Look Up Table) Hình 1.9 Tổ chức máy Hình 1.10 Nối kết mạng cục Hình 1.11 Các dạng ảnh 2D dùng để tái tạo ảnh 3D thường gặp Hình 2.1 Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp SR Hình 2.2 Minh họa thuật tốn Marching Square Hình 2.3 16 trường hợp Marching Square Hình 2.4 Minh họa tạo bề mặt từ đường viền Hình 2.5 Xây dựng bề mặt theo giá trị đỉnh Hình 2.6 Các trường hợp mặt qua khối lập phương thuật tốn Marching Cubes Hình 2.7 Một trường hợp lỗi Marching Cubes Hình 2.8 Chia khối lập phương thành khối tứ diện Hình 2.9 Hai trường hợp mặt phẳng qua khối tứ diện thuật toán Marching Tetrahedra Hình 2.10 Minh họa thuật tốn Dividing Cubes để vẽ đương mặt phẳng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv Hình 2.11 Minh họa thuật tốn Dividing Cubes khơng gian ba chiều Hình 2.12 Hình ảnh 3D biểu diễn theo phương pháp VR Hình 2.13 Minh họa kỹ thuật object -order Hình 2.14 Minh họa kỹ thuật image -order Hình 2.15 Mơ hình Blinn / Kajiya Hình 2.16 Minh họa kỹ thuật đơn giản hóa tính tốn cường độ ánh sáng Hình 2.17 Sơ đồ tổng quan rendering MIP Hình 3.1 Sơ đồ tương tác VTK với phần cứng Hình 3.2 Cấu trúc chương trình ứng dụng VTK Hình 3.3 Mơ hình đồ họa VTK Hình 3.4 Mơ hình trực quan hóa VTK Hình 3.5 Các loại tập liệu VTK Hình 3.6 Cách kết nối VTK ITK Hình 3.7 Pipeline chương trình cài đặt Hình 3.8 Chu trình biểu diễn liệu thành hình ảnh Hình 3.9 Giao diện hình Hình 3.10 Hình ảnh 3D hiển thị Hình 3.11 Các góc độ khác hình ảnh 3D hiển thị Hình 3.12 Hiển thị thêm mơ mềm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU Đồ họa máy tính đời kết hợp lĩnh vực thơng tin truyền hình Đầu tiên kỹ thuật đồ họa phát triển nhóm kỹ sư sử dụng máy tính lớn Trong giai đoạn đầu phát triển người ta phải tốn nhiều tiền cho việc trang bị thiết bị phần cứng Ngày nay, nhờ vào tiến vi xử lý, giá thành máy tính lúc phù hợp với túi tiền người sử dụng kỹ thuật ứng dụng đồ họa ngày cao nên có nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực Đồ họa máy tính lĩnh vực cơng nghệ thơng tin mà đó, việc nghiên cứu, xây dựng tập hợp công cụ (mơ hình lý thuyết, phần mềm ) khác nhằm kiến tạo, xây dựng, lưu trữ xử lý mơ hình (models) hình ảnh (images) vật-hiện tượng sống, sản xuất nghiên cứu Các mơ hình hình ảnh kết thu từ lĩnh vực khác nhiều ngành khoa học (chẳng hạn vật lý, toán học, thiên văn học, sinh học, sinh học, y học, v.v ) nhiều thể loại phong phú cấu trúc phân tử, cấu trúc sinh học, mơ hình vũ trụ v.v Ngày nay, việc sử dụng đồ họa máy tính thâm nhập vào nhiều lĩnh vực biểu diễn thông tin, in ấn xuất bản, thiết kế kỹ thuật, thiết kế kiến trúc, mô giới thực (thực ảo-Virtual reality), thiết kế giao diện máy-người sử dụng v.v ngày chứng tỏ quan trọng thiếu máy móc thiết bị cơng nghệ phục vụ cho lĩnh vực nói dần chuyển sang sử sụng công nghệ kỹ thuật số chí cịn trở thành nghệ thuật số (Digital art) Ở nhóm ứng dụng đồ họa chiều cung cấp khả thể biểu đồ, đồ thị (hình ảnh chiều); cịn nhóm ứng dụng đồ họa ba chiều ảnh động cung cấp khả thể hình ảnh, mơ hình không gian ba chiều, kỹ thuật mô giới thực, tạo ảnh sống động cho phim Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ảnh, truyền hình từ kỹ thuật mơ tả chuyển động mơ hình v.v Đồ họa máy tính nói chung tái tạo hình ảnh ba chiều vật thể thực từ hình chiếu lĩnh vực thu hút quan tâm nhiều giới nghiên cứu lĩnh vực công nghệ thông tin chục năm qua Hình ảnh tái tạo từ máy tính sử dụng có hiệu nhiều lĩnh vực khác giáo dục, giải trí, kiến trúc, đặc biệt chuẩn đốn hình ảnh y tế, Các kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu đề tài mẻ có ứng dụng lớn trong lĩnh vực tái tạo, chuẩn đoán phục đối tượng Trong luận văn này, tác giả tìm hiểu số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) ứng dụng thử nghiệm chương trình hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu Nội dung luận văn bao gồm chương: Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TOÁN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH Chương khái quát đồ họa 3D, Nguyên lý 3D Đặc điểm kỹ thuật đồ hoạ 3D Chương 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Chương giới thiệu số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn thể tích (volume rendering – VR) Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ BÀI TỐN HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 1.1 Khái quát đồ họa 3D 1.1.1 Lịch sử phát triển - Graphics năm 1950-1960 1959 Thiết bị đồ hoạ hình xuất Đức 1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất bút sáng thao tác với hình Màn hình thiết bị thông dụng hệ đồ hoạ, thao tác hầu hết hình dựa thiết kế ống tia âm cực CRT (Cathode ray tube) Khi giá để làm tươi hình cao, máy tính xử lý chậm, đắt khơng chắn (không đáng tin cậy) [4] - Graphics: 1960-1970 1963 Ivan Sutherland (hội nghị Fall Joint Computer - lần có khả tạo mới, hiển thị thay đổi thực thời gian thực CRT) Hệ thống dùng để thiết kế mạch điện: CRT, LightPen (bút sáng), computer (chứa chương trình xử lý thơng tin) Người sử dụng vẽ mạch điện trực tiếp lên hình thơng qua bút sáng - Graphics:1970-1980 Raster Graphics (đồ hoạ điểm) Bắt đầu chuẩn đồ hoạ ví dụ như: GKS(Graphics Kernel System): European effort (kết châu âu), Becomes ISO 2D standard - Graphics: 1980-1990 Mục đích đặc biệt phần cứng, thiết bị hình học đồ hoạ Silicon Xuất chuẩn cơng nghiệp: PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Standard) xác định phương pháp chuẩn cho mơ hình thời gian thực lập trình hướng đối tượng Giao diện người máy Human-Computer Interface (HCI) - Computer Graphics: 1990-2000 OpenGL API (Application Program Interface – giao diện chương trình ứng dụng) Completely computer-sinh ngành điện ảnh phim truyện (Toy Story) thành công Các tiềm tàng phần cứng mới: Texture mapping (dán ảnh cảnh thật lên bề mặt đối tượng), blending (trộn màu)… - Computer Graphics: 2000- Ảnh thực, cạc đồ hoạ cho máy tính (Graphics cards for PCs), game boxes and game players Công nghiệp phim ảnh nhờ vào đồ hoạ máy tính (Computer graphics becoming routine in movie industry): Maya (thế giới vật chất tri giác được)… 1.1.2 Các kỹ thuật đồ họa 1.1.2.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) - Các mơ hình, hình ảnh đối tượng hiển thị thông qua pixel (từng mẫu rời rạc) - Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính + Xố pixel mơ hình hình ảnh đối tượng + Các mơ hình hình ảnh hiển thị lưới điểm (grid) pixel rời rạc + Từng pixel có vị trí xác định, hiển thị với giá trị rời rạc (số nguyên) thông số hiển thị (màu sắc độ sáng) + Tập hợp tất pixel grid cho mơ hình, hình ảnh đối tượng mà muốn hiển thị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 32 Hình 2.17 Sơ đồ tổng quan rendering MIP - Phương pháp MinIP : phương pháp trực quan liệu cho phép phát cấu trúc mật độ thấp khối lượng định Thuật toán sử dụng tất liệu khối lượng quan tâm để tạo hình ảnh hai chiều, nói cách khác bao gồm dự voxel với giá trị suy giảm thấp điểm suốt khối lượng lên hình ảnh 2D Phương pháp trái ngược với phương pháp MIP sử dụng giá trị nhỏ dọc theo tia để tạo giá trị điểm ảnh - Phƣơng pháp alpha compositing : (Cịn có m ột số tên khác Translucency/opacity ) Đây phương pháp thường sử dụng phổ biến Trong phương pháp gia số (density value) đưa vào dọc theo tia để tạo màu sắc độ suốt cho ảnh Giá trị tia chiếu voxel tính theo cơng thức sau : Dạng “Back to Front” V(i) = V(i-1)(1 – a(i)) + c(i).a(i) Dạng “Front to Back” V(i) = V(i-1) +c(i).a(i).(1-a(i)) Trong : V(i) : giá trị tia chiếu khỏi voxel thứ i V(i-1) : giá trị tia chiếu sau khỏi voxel thứ i – a : giá trị chọn để điều khiển độ chắn sáng c : giá trị chọn để điều khiển độ chói (luminance) Volume Rendering kĩ thuật khó lí do: thứ bước Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn 33 shading (tính tốn màu sắc cho điểm liệu thể tích) classification (tính toán độ chắn sáng cho điểm liệu thể tích), ta phải xác định màu sắc độ chắn sáng (hoặc độ suốt) cho toàn khối; thứ hai khâu chiếu sáng, ta phải phải xét tương tác ánh sáng khuếch tán bên vật thể không bề mặt, ta phải tạo vật thể có dạng bán suốt (semi – transparent); thứ ba hiệu quả, liệu thể tích lớn có tính tương tác cao nên địi hỏi phải tính tốn nhiều liệu phát sinh q trình tính tốn lớn Để tăng tốc độ tính tốn phương pháp VR ngư ời ta thường tìm cách xếp lại liệu để đạt hiệu tính tốn cao Ví dụ xếp liệu lại dạng cho ta phương pháp Hierarchical Volume Rendering ,… Hiện người ta thực VR theo thời gian thực Phương pháp VR thường dùng để tạo ảnh 3D cho ảnh có độ tương phản thấp So với kĩ thuật SR th ì kĩ thuật VR địi hỏi phải tính tốn nhiều cần phần cứng mạnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 34 Chƣơng CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Các cơng cụ Trên sở tìm hiểu nhiều cơng cụ hỗ trợ lập trình đồ họa người viết chọn hai công cụ VTK , ITK để xây dựng phần mềm lí do: + VTK, ITK hai công cụ đ ược sử dụng nhiều giới Hầu hết giảng xử lí ảnh, đồ họa 3D trực quan hóa trường đại học lớn giới lấy VTK v ITK làm ví dụ minh họa, giới có nhiều phần mềm hay phát triển từ VTK ITK + VTK, ITK thiết kế chuyên nghiệp: hai toolkit viết C++ theo kiểu hướng đối tượng, sử dụng nhiều ngôn ngữ khác Java, Tcl, Python ,.NET ,…; hai toolkit có mã nguồn mở liên tục nâng cấp +VTK, ITK có nhi ều hỗ trợ cho xử lí ảnh y tế  VTK VTK toolkit có mã nguồn mở xuất lần đầu vào năm 1994, VTK quản lí phát triển Kitware Inc VTK ứng dụng vào đồ họa vi tính 3D v trực quan hóa VTK cung cấp hàng trăm thuật tốn xử lí ảnh trực quan hóa.VTK đ ược thiết kế theo kiểu hướng đối tượng ngơn ngữ C++ sử dụng cho ngôn ngữ khác Tcl/Tk, Python, Java.VTK thiết kế để chạy hệ máy Unix, PC (Windows 9x/2000/NT), Mac OSX Jaguar Phiên VTK 5.0 có khoảng 600 lớp với xấp xỉ 325 000 dòng mã Việc sử dụng VTK tuân theo quy định chung giới sử dụng mã nguồn mở Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 35  Cấu trúc ứng dụng VTK: VTK tương tác với phần cứng thơng qua OpenGL/Mesa Hình 3.1 Sơ đồ tƣơng tác VTK với phần cứng Sơ đồ giới thiệu cấu trúc chương trình ứng dụng VTK Nếu muốn kế thừa lớp từ VTK xây dựng phần mềm theo kiểu “binary” Ở hướng khác sửa mã VTK theo ý muốn Mơ hình đối tượng (object model) Mơ hình đối tượng VTK gồm hai thành phần: mơ hình đồ họa (graphics model ) mơ hình trực quan hóa (visualization model ) +Tcl/Tk shell +Tcl/Tk source +Java interpreter +Python interpreter +Java JDK +Python source Nhân (core) C++ File thư việnvà file tiêu đề Tất lớp mãnguồn (.dll file h file) (Khối lượngsẽ lớn) Xây dựng theo kiểu binary Xây dựng theo kiểu cài đặt mã nguồn Hình Cấu trúc chƣơng trình ứng dụng VTK Mơ hình đồ họa mơ hình cho đồ họa 3D Mơ hình dựa hệ thống đồ họa sử dụng rộng rãi cơng nghiệp Có chín đối tượng mơ hình đồ họa VTK: Render Master: định vị thiết bị tạo render window Nó độc lập với phương pháp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 36 Render Window: quản lí cửa sổ thiết bị hiển thị (display device) Một nhiều renderer vẽ render window để tạo nên cảnh Renderer : xác đ ịnh cách biểu diễn light, camera actor Light : chiếu sáng actor cảnh Hình 3.3 Mơ hình đồ họa VTK Camera : xác đ ịnh vị trí nhìn, tiêu điểm thông số khác camera Actor : Actor xác đ ịnh thời hạn hoạt động đối tượng mapper, property transform Property :xác đ ịnh thuộc tính Actor nh màu sắc, ánh sáng, texture map, kiểu vẽ,… Mapper : xác đ ịnh dạng hình học actor Transform : đối tượng gồm ma trận biến đổi 4x4 phương thức để thay đổi ma trận Nó xác định vị trí định hướng actor, camera light - Mơ hình trực quan hóa mơ hình dòng chảy liệu (data flow , pipeline) quy trình tr ực quan hóa Mơ hình trực quan hóa VTK dựa mơ hình sử dụng hệ thống thương mại Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 37 Hình 3.4 Mơ hình trực quan hóa VTK Các đối tượng xử lí (process objects) A, B, C nhận xuất hay nhiều đối tượng liệu (data objects) Đối tượng liệu biểu diễn cung cấp phương thức truy cập liệu; đối tượng xử lí thực liệu Các đối tượng A, B, and C theo thứ tự source,filter, mapper objects - Trong mơ hình tr ực quan hóa có hai loại đối tượng đối tượng xử lí (process object) đối tượng liệu (data object) (như hình 3.4) + Đối tượng xử lí: module thuật tốn Đối t ượng xử lí chia làm loại : sources, filter v mapper + Đối tượng liệu: tập liệu (dataset ).Trong VTK có loại liệu.(hình 3.5) Hình 3.5 Các loại tập liệu VTK a) polygonal data, b) structured points, c) structured grid, d) unstructured grid, e) unstructured points, f) sơ đồ đối tượng theo sơ đồ OMT Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 38  ITK ITK công cụ phát triển Thư viện y khoa quốc gia ( NLM - National Libarary of Medicine ) thuộc Ủy ban sức khỏe quốc gia Hoa Kỳ (NIH - National Institutes of Health ) số công ty Hiện ITK quản lý phát triển công ty Kitware Inc ITK khơng cung cấp thuật tốn trực quan hóa VTK mà chủ yếu cung cấp thuật tốn xử lí phân tích hình ảnh ITK thiết kế theo kiểu hướng đối tượng ngôn ngữ C++, phiên thời điểm 2.6 Cách sử dụng ITK t ương tự VTK  Kết nối VTK ITK ứng dụng : VTK chủ yếu cung cấp thuật tốn trực q uan hóa xử lý đối tượng ba chiều ITK lại mạnh khả xử lý ảnh Sự kết hợp hai toolkit ứng dụng giúp cho ứng dụng có khả mạnh Mặc dù hai toolkit hoàn toàn độc lập thiết kế cho chuyển liệu theo kiểu ITK sang VTK ngược lại Thông thường ta dùng ITK để phân vùng (segmentation) hay registration dùng VTK biểu diễn kết thành hình ảnh ba chiều Hình 3.6 Cách kết nối VTK ITK Khi thiết kế VTK ITK nhà lập trình hướng đến lĩnh vực lĩnh vực hình ảnh y tế Do VTK ITK cung cấp nhiều phương thức Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 39 cho ứng dụng lĩnh vực khả đọc xuất loại liệu thường dùng y t ế (DICOM, Analyze,…), chức phân v ùng, registration … ảnh 3.2 Chƣơng tr ình cài đặt Pipeline Pipeline chuỗi bước xử lý liệu hiển thị thành hình ảnh Pipeline chương trình cài đặt sau Hình 3.7 Pipeline chƣơng trình cài đặt - Đọc liệu : sử dụng lớp vtkImageReader Dữ liệu đọc vào gán cho biến kiểu vtkImageData, bước có tác dụng việc xếp lát cắt thành khối liệu - Xử lý liệu - Biểu diễn : liệu từ biến kiểu vtkImageData (sources) biểu diễn thành hình ảnh theo chu trình sau: Hình 3.8 Chu trình biểu diễn liệu thành hình ảnh 3.3 Một số cửa sổ - Kết thử nghiệm Chương trình viết theo kiểu dialog -based, thiết kế gồm có cửa sổ số trang (tab) Dữ liệu đầu vào chương trình tập hợp lát cắt lưu theo định dạng DICOM Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 40 Chương trình cho phép người sử dụng xem kết ảnh ba chiều góc độ khác cách dùng chuột Người sử dụng copy hình vào clipboard để đưa vào chương trình khác Các hình ảnh sau kết thử nghiệm với liệu CT demo - Cửa sổ trang duyệt tập ảnh dạng file Dicom Hình 3.9 Giao diện hình - Trang Render volume : Kết biểu diễn theo bề mặt Trong trang người sử dụng lựa chọn biểu diễn góc cạnh hình ảnh 3D hiển thị Hình 3.10 Hình ảnh 3D đƣợc hiển thị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn 41 Hình 3.11 Các góc độ khác hình ảnh 3D đƣợc hiển thị Hình 3.12 Hiển thị thêm mơ mềm 3.4 Đánh giá Chương trình xây dựng Visual C++ đóng gói, cài đặt sử dụng chương trình máy tính có hệ điều hành Windows 98/2000/XP mà khơng cần (platform) khác Chương trình phải làm việc với lượng liệu lớn nên cấu hình máy phải tương đối mạnh Tốc độ CPU nên từ 1,8GHz trở lên, RAM từ 256MB trở lên Giao diện chương trình thiết kế thân thiện với người sử dụng, phận bố trí tương tự phần mềm sử dụng thực Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 42 tế Dữ liệu vào chương trình kiểu liệu thường gặp thực tế: tập ảnh theo định dạng DICOM Chương trình chạy thử nghiệm với tập ảnh liệu DICOM bệnh viên trường Đại học y Thái Nguyên Chương trình cài đặt minh họa kỹ thuật tái tạo ảnh ba chiều từ lát cắt song song Hiển thị hình ảnh dạng 3D liệu CT Các điểm cần khắc phục: + Chương trình chưa đọc tập ảnh theo định dạng khác Analyze, ảnh DICOM multi -frame, Chương trình chưa kiểm tra với liệu siêu âm liệu MRI + Tính chương trình chưa nhiều, đặc biệt tính xử lý ảnh trước tái tạo ảnh ba chiều, chức đo đạc, cho phép người dùng chọn khu vực cần tái tạo ba chiều , + Chương trình chạy cịn chậm so với số phần mềm thương mại phát triển từ VTK VolView Kitware Người viết cho cần có biện pháp xử lý liệu trước tái tạo ba chiều chưa thực kịp + Người viết có ý định đưa tiếng Việt lên giao diện nên chọn chế độ biên dịch theo UNICODE Visual C++, nhiên lại gặp số khó khăn việc kết hợp chế độ biên dịch UNICODE Visual C++ v số lớp VTK Khó khăn khiến tính chương trình bị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 43 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN  Những việc thực đƣợc : - Tìm hiểu vấn đề chung liên quan đến việc tái tạo hình ảnh ba chiều vật thể từ hình chiếu Tìm hiểu tình hình sử dụng phần mềm xử lý hình ảnh y tế Việt Nam - Tìm hiểu nguyên lý tái tạo ảnh ba chiều từ ảnh cắt lớp nói chung ảnh cắt lớp song song nói riêng - Tìm hiểu vấn đề liên quan đến kỹ thuật tái tạo ảnh Nắm kĩ thuật tương ứng theo cường độ - Tìm hiểu số lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật tái tạo số đề tài nghiên cứu trên giới - Viết phần mềm mang tính minh họa, sử dụng phục vụ đào tạo, nghiên cứu phát triển phần mềm ứng dụng tương lai  Những hạn chế : Những nghiên cứu tập trung vào lý thuyết phần mềm, chưa tích hợp với phần cứng Do thời gian nghiên cứu có hạn nên người viết chưa nắm cách đầy đủ hệ thống sở lý thuyết kỹ thuật stereo matching, đặc biệt vấn đề hiệu chỉnh camera (camera calibration ) để phát triển tối ưu cho phần mềm ứng dụng, vấn đề tích hợp hỗ trợ phần cứng  Hƣớng phát triển - Đối với vấn đề tái tạo ảnh ba chiều từ lát cắt song song : Hướng phát triển bổ sung thêm chức năng, tiếp tục tìm hiểu toolkit VTK ITK Tiếp tục tìm hiểu thực tế để phát triển thành phần mềm có khả sử dụng Việt Nam Tiếp tục nghiên cứu phương pháp tái tạo ảnh ba chiều với dạng ảnh cắt lớp khác cắt xuyên tâm, cắt tự Nghiên cứu đặc tính loại ảnh cắt lớp siêu âm, MRI, hình ảnh y học hạt nhân từ có Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 44 phương án tái tạo tốt cho loại Sau trình nghiên cứu làm luận văn với dẫn nhiệt tình thầy giáo hướng dẫn em học cách tìm hiểu, phân tích nghiên cứu vấn đề khoa học Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, thân nỗ lực, cố gắng, đầu tư nhiều thời gian, công sức cho việc tìm hiểu nghiên cứu đề tài nhận bảo, định hướng tận tình thầy giáo hướng dẫn anh, chị trước hạn chế mặt thời gian khó khăn việc tìm kiếm tài liệu, hạn chế mặt kiến thức thân, nên chưa có kết thực hồn hảo Kính mong thầy giáo bạn đồng nghiệp bảo giúp đỡ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt: [1] Lương Chi Mai, Huỳnh Thị Thanh Bình (2000), Nhập mơn đồ họa máy tính, Nxb Khoa học Kỹ thuật [2] Minh Hoàng, Châu Ngọc (2002), Đồ họa máy tính, Nxb Đà Nẵng [3] Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thủy (1999), Nhập môn xử lý ảnh số, Nxb Khoa học Kỹ thuật [4] Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng (2000), Kỹ thuật đồ họa, Nxb Khoa học Kỹ thuật [5] Đỗ Năng Toàn (2002), tập giảng "Đồ họa máy tính", Viện Cơng nghệ thơng tin_Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam [6] Lương Chi Mai, Đỗ Năng Toàn (2002), “Ứng dụng khoảng cách Hausdorff phân tích trang tài liệu”, Tạp chí Tin học Điều khiển học, Tập 18, số 1, tr 35-43 [7] Đỗ Năng Toàn (2002), "Biên ảnh số tính chất", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, số ĐB:40, tr 41-48 [8] Huỳnh Quyết Thắng, Lê Tấn Hùng (2006), “Ứng dụng thư viện BK_GRAPHICS xây dựng phần mềm xử lý ảnh y học V_DOCTOR theo chuẩn DICOM” Tiếng Anh : [9] Richard Szeliski (1999), Stereo Algorithms and Representations for Image Based Rendering.BMVC99 [10] Daniel Scharstein Richard Szeliski (11/2001), A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-Frame Stereo Correspondence Algorithms Technical Report MSR-TR-2001-81 [11] Robyn Owens (1997).Stereo [12] Christian Heipke (Lehrstuhl für Photogrammetrie und Fernerkundung Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 46 Technische Universitäi Müchen) ,Overview of Image Matching Technique [13] Nassir Navab (12/2005), 3D Computer Vison Camera Models , Courses CAP5415 [14] Marc Pollefeys (1/2003), Multiple View Geometry in Computer Vision Courses Comp 290-089 [15] Mubarak Shah (7/1997), Fundamentals of Computer Vision , University of Central Florida [16] Richard Szeliski (2001), Image and Video-Based modeling and rendering [17] Richard Szeliski Polina Gollan ,Stereo Matching with Transparency and Matting IJCV 1998 [18] Danail Stoyanov et al , Dense 3D depth recovery for soft tissue deformation during robotically assisted laparoscopic surgery Computer Aided surgery 7/20 05, p199-208 [19] David Demirdjian, (2000) EStereo v1.0, www.sourceforge.net [20] Christian Wengert, 3D reconstruction from endoscopic video sequences , http://www.vision.ee.ethz.ch/~cwengert/ [21] Ignazio Gallo et al (2005), Neural adaptive stereo matching Italia [22] Ahmad Farshoukh Adel Fakih , 3D Reconstruction of Scoliotic Spines from 2D Plain Radiographs [23] Visualization Toolkit, Insight Segmentation and Registration Toolkit , VolView : www.kitware.org [24] Các tài liệu MMX SSE : www.intel.com [25] http://web.cs.wpi.edu/~matt/courses/cs563/talks/powwie/ p1/ray-cast.htm [26] http://medical.nema.org [27] http://www.quazar.de/uk/produkt/dicom/DicomNetOffice/ dicomnetoffice.htm [28] http://www.medcommons.net Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... 3D Chương 2: KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU Chương giới thiệu số kỹ thuật hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu kỹ thuật biểu diễn bề mặt (surface rendering – SR), kỹ thuật biểu diễn... trình biểu diễn liệu thành hình ảnh Hình 3.9 Giao diện hình Hình 3.10 Hình ảnh 3D hiển thị Hình 3.11 Các góc độ khác hình ảnh 3D hiển thị Hình 3.12 Hiển thị thêm mơ mềm Số hóa Trung tâm Học liệu... ba chiều từ hình chiếu ảnh 2D Số hình chiếu phải từ trở lên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 Chƣơng KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3D TỪ HÌNH CHIẾU 2.1