Nội dung

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGUYỄN THI ̣ THU HƯƠNG KỸ THUẬT RENDER VOLUME TRONG HIỂN THỊ DỮ LIỆU 3D TỪ HÌ NH CHIẾU Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: : 60.48.01 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2012 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐỖ NĂNG TOÀN Phản biện 1:…………………………… ……………………. Phản biện 2: ………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ......giờ.....ngày.......tháng......năm .............. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ............... 1 LỜI MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Cùng với phát triển của Đồ họa máy tính và Xử lý ảnh số trong máy tính làm thay đổi sự tương tác giữa người và máy, khi các kỹ thuật ứng dụng đồ hoạ ngày càng cao hơn nên nhiều người quan tâm nghiên cứu đến lĩnh vực này. Do đó mà các ứng dụng đồ hoạ trên máy tính được ra đời như: phim hoạt hình, Game với các hệ thống thực tại ảo… đã đóng góp cho sự phát triển chung của nghành Công nghệ thông tin. Vì vậy đồ hoạ máy tính trở thành một lĩnh vực hấp dẫn và có nhiều ứng dụng trong thực tế. Hiển thị dữ liệu 3 chiều (3D) từ hình chiếu được coi là các bước khởi đầu cho hệ thống mô phỏng thực tại ảo, góp phần tạo nên hệ thống mô phỏng hoàn chỉnh. Một trong những cách tiếp cận hiển thị dữ liệu 3 chiều phổ biến hiện nay là dựa trên kỹ thuật Render volume. Trong quá trình hiển thị dữ liệu 3 chiều ngoài các vấn đề hiển thị dữ liệu đảm bảo chất lượng còn phải đáp ứng yêu cầu về thời gian hiển thị cho các bước mô phỏng. Hiển thị hình ảnh ba chiều của các vật thể thực từ hình chiếu là một trong những lĩnh vực thu hút được sự quan tâm nhiều nhất của giới nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ thông tin trong mấy chục năm qua. Hình ảnh hiển thị từ máy tính đã được sử dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giáo dục, giải trí, kiến trúc, đặc biệt là chuẩn đoán hình ảnh trong y tế, ... Kỹ thuật Render volume trong hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu là một đề tài mới mẻ và có ứng dụng lớn trong trong lĩnh vực tái tạo và phục dựng đối tượng. Xuất phát từ thực tế đó luận văn lựa chọn đề tài: “Kỹ thuật render volume trong hiển thị dữ liệu 3D từ hình chiếu” Mục đích của đề tài - Nghiên cứu Kỹ thuật Render Volume trong hiển thị hình ảnh 3D từ hình chiếu. - Trên cơ sở kiến thức tìm hiểu được, cài đặt thử nghiệm chương trình hiển thị hình ảnh 3D từ các ảnh chụp cắt lớp trong y tế. Tổ chức của luận văn Nội dung của luận văn gồm có: Phần mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài và mục đích cũng như tổ chức của luận văn. 2 Chƣơng 1: Khái quát về đồ họa 3 chiều (3D) và hiển thị dữ liệu từ hình chiếu. Trong chương này trình bày khái quát về đồ họa 3D, các ứng dụng cơ bản của đồ họa ba chiều và bài toán cũng như các cách tiếp cận trong việc hiển thị dữ liệu từ hình chiếu. Chƣơng 2: Một số Kỹ thuật hiển thị ảnh 3 chiều từ hình chiếu. Trong chương này giới thiệu một số kỹ thuật về hiển thị hình ảnh 3D từ các hình ảnh hình chiếu 2D Chƣơng 3: Chương trình thử nghiệm. Trình bày cài đặt thử nghiệm kỹ thuật hiển thị hình ảnh Render Volumme từ các ảnh 2D của ảnh y tế DICOM Và cuối cùng kết luận của đồ án về những việc đã làm được và những hạn chế của luận văn. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HOẠ 3 CHIỀU VÀ HIỂN THỊ DỮ LIỆU TỪ HÌNH CHIẾU Trong chương này trình bày khái quát về đồ họa 3D, các ứng dụng cơ bản của đồ họa ba chiều, tiêu chuẩn ảnh Dicom sử dụng trong ngành y tế và bài toán cũng như các cách tiếp cận trong việc hiển thị dữ liệu từ hình chiếu. 1.1. Khái quát về đồ họa 3 chiều 1.1.1. Đồ họa 3D + Phƣơng pháp biểu diễn 3D Có hai phương pháp biểu diễn đối tượng ba chiều là phương pháp biểu diễn bề mặt (B-reps) và biểu diễn theo phân hoạch không gian (space -partitioning representation). + Các phép biến đổi hình học : Các phép biến đổi thường sử dụng là phép tịnh tiến, phép quay, phép biến dạng,…Các phép biến đổi được mô tả bằng các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi có dạng khác nhau. + Vấn đề chiếu sáng (illumination) : Vật thể được chiếu sáng nhờ vào các ánh sáng đến từ nguồn sáng sau khi phản xạ nhiều lần qua các vật thể xung quanh vật thể ta đang quan sát. Do vậy ánh sáng đến được vật là ánh sáng tổ hợp từ khắp mọi hướng, ta gọi đó là ánh sáng xung quanh (ambient light) hay ánh sáng nền (background light) . + Trực quan hóa (Visualization) Trực quan hóa trong đồ họa máy tính là sử dụng máy tính để tính toán dữ liệu sau đó sử dụng đồ họa máy tính, đặc biệt là đồ họa 3D để minh họa, biểu diễn dữ liệu thành 3 những hình ảnh mà con người có thể hiểu được dễ dàng và giúp cho con người có thể tương tác với dữ liệu[4]. Dữ liệu đó có thể là các dữ liệu phát sinh do mô phỏng hoặc do đo đạc trong thực tế. Kết quả biểu diễn phải biểu diễn chính xác tính chất của tập dữ liệu. 1.1.1.1 Các kỹ thuật đồ họa 1.1.1.1.1 Kỹ thuật đồ hoạ điểm (Sample based-Graphics) - Các mô hình, hình ảnh của các đối tượng được hiển thị thông qua từng pixel (từng mẫu rời rạc) - Đặc điểm: Có thể thay đổi thuộc tính + Xoá đi từng pixel của mô hình và hình ảnh các đối tượng. + Các mô hình hình ảnh được hiển thị như một lưới điểm (grid) các pixel rời rạc + Từng pixel đều có vị trí xác định, được hiển thị với một giá trị rời rạc (số nguyên) các thông số hiển thị (màu sắc hoặc độ sáng) + Tập hợp tất cả các pixel của grid cho chúng ta mô hình, hình ảnh đối tượng mà chúng ta muốn hiển thị. 1.1.1.1.2. Kỹ thuật đồ họa Vector - Mô hình hình học (geometrical model) cho mô hình hoặc hình ảnh của đối tượng. - Xác định các thuộc tính của mô hình hình học này - Quá trình tô trát (rendering) để hiển thị từng điểm của mô hình, hình ảnh thực của đối tượng. Có thể định nghĩa đồ hoạ vector: Đồ hoạ vector = geometrical model + rendering 1.1.1.2. Các chuẩn giao diện của hệ đồ hoạ Mục tiêu căn bản của phần mềm đồ hoạ được chuẩn là tính tương thích. Khi các công cụ được thiết kế với hàm đồ hoạ chuẩn, phần mềm có thể được di chuyển một cách dễ dàng từ hệ phần cứng này sang hệ phần cứng khác và được dùng trong nhiều cài đặt và ứng dụng khác nhau. 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của đồ hoạ 3D Những lĩnh vực đang được nghiên cứu ứng dụng đồ hoạ 3D một cách mạnh mẽ hiện nay là: Y học, Giáo dục, Tin học, Thương mại, Giao thông, Hàng không, Xây dựng Thiết kế nội thất và trang chí nhà cửa, Giải trí, Quân sự, Điện ảnh… Ý nghĩa của việc ứng dụng đồ hoạ 3D 4 Như vậy chúng ta thấy được ý nghĩa to lớn của việc ứng dụng đồ hoạ 3D, bởi những vấn đề khó khăn mà nếu không có đồ hoạ 3D thì có thể nói là khó lòng mà giải quyết, hay nếu có thể giải quyết được thì hiệu quả không cao và chi phí sẽ rất tốn kém. Còn khi ứng dụng đồ hoạ 3D vào, thì những vấn đề đó trở lên hết sức đơn giản, và hiệu quả của nó mang lại thì thực sự là to lớn, kể cả vật chất lẫn tinh thần. 1.2 Hiển thị dữ liệu từ hình chiếu 1.2.1. Giới thiệu Đồ họa 3 chiều (3D computer graphics) bao gồm việc bổ xung kích thước về chiều sâu của đối tượng, cho phép ta biểu diễn chúng trong thế giới thực một cách chính xác và sinh động hơn. 1.2.1.1. Đặc điểm của kỹ thuật đồ hoạ 3D Có các đối tượng phức tạp hơn các đối tượng trong không gian 2D. - Bao bởi các mặt phẳng hay các bề mặt. - Có các thành phần trong và ngoài. Các phép biến đổi hình học phức tạp. Các phép biến đổi hệ toạ độ phức tạp hơn. Thường xuyên phải bổ sung thêm phép chiếu từ không gian 3D vào không gian 2D luôn phải xác định các bề mặt hiển thị. 1.2.1.2 Các phƣơng pháp hiển thị 3D Với các thiết bị hiển thị 2D thì chúng ta có các phương pháp sau để biểu diễn đối tượng 3D: - Kỹ thuật chiếu(projection):Trực giao (orthographic)/phối cảnh(perspective) - Kỹ thuật đánh dấu độ sâu (depth cueing) - Nét khuất (visible line/surface identification) - Tô chát bề mặt (surface rendering) - Cắt lát (exploded/cutaway scenes, cross-sections) Các thiết bị hiển thị 3D: - Kính stereo - Stereoscopic displays* - Màn hình 3D – Holograms 1.2.1.4. Tái tạo cấu trúc ba chiều từ các hình chiếu Quá trình lấy mẫu thông thường là dùng các thiết bị để thu thông tin bên trong vật thể dưới dạng các lát cắt 2D. Các tập ảnh 2D gồm một số dạng: các ảnh cắt lớp song song 5 (parallel, serial, translation), các ảnh cắt lớp xuyên tâm (oscillation, rotation), các ảnh cắt lớp tự do (freehand). Ảnh cắt lớp song song thường do các hệ thống máy CT, MRI, siêu âm…tạo ra, đây cũng là dạng thường gặp nhất. Ảnh cắt lớp xuyên tâm thường do máy siêu âm tạo ra. Ảnh cắt lớp theo kiểu tự do thường gặp ở các hệ thống siêu âm. Các ảnh 2D trong tái tạo ảnh nổi là một dạng khác, đây là các hình chiếu thu được từ các cảm biến hoặc các camera đặt xung quanh vật thể. a) b) c) e) a) Ảnh quét song song (translation), b)Ảnh quét oscillation c)Ảnh quét rotation, d)Ảnh quét tự do (freehand) e) Ảnh nổi (stereo) 6 Hình 1.8 Các dạng ảnh 2D dùng để tái tạo ảnh 3D thƣờng gặp Nguyên tắc của quá trình tái tạo ảnh ba chiều từ các tập ảnh cắt lớp là tìm cách sắp xếp lại các dữ liệu từ các lát cắt sao cho phù hợp với vị trí không gian thực tế của chúng, sau đó dùng đồ họa máy tính để biểu diễn thành các hình ảnh. Ví dụ với các lát cắt song song ta sẽ sắp xếp các lát cắt này song song với nhau như xếp các đĩa CD trên giá. Với các lát cắt tự do thì việc sắp xếp khá phức tạp, chúng ta cần các cảm biến vị trí không gian tại các đầu dò để xác định chính xác vị trí của lát cắt. 1.2.2. Chuẩn Dicom trong Y tế. 1.2.2.1. Giới thiệu Tiêu chuẩn DICOM cho phép việc tích hợp dễ dàng các máy thu nhận hình ảnh, server, trạm làm việc (workstation), máy in và các thiết bị phần cứng khác có nối mạng từ các nhà sản xuất khác nhau vào trong hệ thống PACS (Hệ thống PACS được ứng dụng trong quá trình thu thập, truyền tải, lưu trữ, quả lý, chẩn đoán, xử lý thông tin của các thiết bị trị liệu kĩ thuật số như CT, MR, US, X quang, DSA, CR.). Các thiết bị khác nhau được đi kèm một bảng đáp ứng các tiêu chuẩn DICOM để làm rõ các lớp dịch vụ mà thiết bị này hỗ trợ. DICOM đã dần dần được chấp nhận rộng rãi ở các bệnh viện và phòng khám. 1.2.2.2. Phần Header 1.2.2.3. Tập dữ liệu - Data Set 1.3 Kết luận chƣơng 1 Chương này đã trình bày khái quát về đồ họa 3D, các kỹ thuật đồ họa như đồ họa điểm, đồ họa vector đồng thời đi tìm hiểu các chuẩn giao diện đồ họa, các ứng dụng cơ bản của đồ họa ba chiều như ứng dụng trong y học, trong quân đội, trong vũ trụ, trong dịch vụ giải trí,... tìm hiểu cách tái tạo ảnh 3 chiều từ hình chiếu và giới thiệu tiêu chuẩn ảnh Dicom sử dụng trong ngành y tế và bài toán cũng như các cách tiếp cận trong việc hiển thị dữ liệu từ hình chiếu. Trong chương sau ta sẽ đi tìm hiểu một số kỹ thuật hiển thị ảnh 3 chiều từ hình chiếu CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT HIỂN THỊ HÌNH ẢNH 3 CHIỀU TỪ HÌNH CHIẾU Trong chương này giới thiệu một số kỹ thuật về hiển thị hình ảnh 3D từ các hình ảnh hình chiếu 2D như ky thuật Render volume, kỹ thuật biểu diễn bề mặt. 2.1. Kỹ thuật Render Volume 7 Hình 2.1 Hình ảnh 3D biểu diễn theo kỹ thuật VR Volume Rendering là kĩ thuật chuyển các mẫu dữ liệu (sampled data) vào trong một bức ảnh. Đây là kiểu biểu diễn trực tiếp (direct display) tức là chuyển trực tiếp các dữ liệu thể tích từ khối dữ liệu đã được sắp xếp thành các pixel trên màn hình. 2.1.1. Quy trình (Rendering Process) Quy trình chuyển khối dữ liệu thành hình ảnh gọi là biểu diễn thể tích. Thông thường biểu diễn thể tích có 3 bước sau : - Tạo một RGBA volume từ khối dữ liệu - Xây dựng một hàm liên tục từ các giá trị rời rạc. - Chiếu lên một mặt phẳng ảnh (image plane) từ một điểm nhìn nào đó: Có nhiều kĩ thuật chiếu nhưng đa số đều thuộc một trong hai loại: object - order và image – order Đối với kĩ thuật SR thuộc loại object – order, ta quét xuyên qua (tranverse) khối từ sau phía sau (back to front hoặc from 3D scene to 2D image), dữ liệu được chiếu lên trên một mặt phẳng ảnh. Kết quả mà mỗi voxel để lại trên mặt phẳng ảnh gọi là các footprint. Một dạng của phương pháp này trải dữ liệu lên một mặt phẳng gọi là Splatting (Lee Westover,1990). a) b) a) Texture mapping plane – by – plane; b)Splatting cell – by – cell Hình 2.2 Minh họa kỹ thuật object -order Đối với kĩ thuật VR thuộc loại image – order, ảnh được quét lần lượt từng pixel, các 8 tia chiếu ra (cast) từ mỗi pixel đi xuyên qua thể tích (from 2D image to 3D scene) để xác định giá trị màu sắc cuối cùng cho mỗi pixel. Biểu diễn thể tích kiểu image – order còn gọi là phương pháp ray –casting Hình 2.3 Minh họa kỹ thuật image -order Tốc độ phương pháp image – order phụ thuộc vào kích thước ảnh trong khi tốc độ của phương pháp object – order phụ thuộc vào kích thước khối. 2.1.2. Các phƣơng pháp tạo bố cục ảnh (image composition) Các phương pháp tạo bố cục cho ảnh thường đuợc sử dụng là X- ray, MIP (maximum intensity projection), MinIP (minimum intensity projection),alpha compositing và NPVR ( non-photorealistic volume rendering),… - X-ray : Phương pháp này tính tổng tất cả các giá trị ghi nhận được trên tia chiếu để tạo nên giá trị điểm ảnh. Nội dung kỹ thuật Volume rendering với Ray casting nhƣ sau: Mục tiêu cơ bản của kỹ thuật Ray casting là cho phép sử dụng một cách tốt nhất dữ liệu ba chiều không có cấu trúc hình học. Nó đặc biệt phù hợp với hình ảnh y tế. Cơ sở lý thuyết Hiện nay, hầu hết các kỹ thuật Volume rendering sử dụng Ray casting dựa trên mô hình Blinn / Kajiya. Trong mô hình này, chúng tôi có một hình bao có mật độ là D(x,y,z), một đường Ray lọt vào. Hình 2.4 Mô hình Blinn / Kajiya