Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật tái tạo ảnh 3 chiều trong y khoa và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** TRẦN THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TÁI TẠO ẢNH 3 CHIỀU TRONG Y KHOA VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đồng Nai, 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** TRẦN THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TÁI TẠO ẢNH 3 CHIỀU TRONG Y KHOA VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mã số: 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN HÀNH Đồng Nai, 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực. Những tư liệu được sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng, đầy đủ. Học viên Trần Thị Hải Yến LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Hành đã hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này. Xin được đồng cảm ơn thầy TS. Đỗ Năng Toàn đã giúp đỡ và hỗ trợ thêm cho tôi những kiến thức bổ ích để có thể hoàn thành tốt luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn quí Thầy (Cô) trong Khoa Công Nghệ Thông Tin và Trung Tâm Thông Tin Tư Liệu - trường Đại học Lạc Hồng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quí Thầy (Cô) ngoài trường đã tận tâm dạy bảo tôi trong suốt quá trình học tập và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, cùng các anh chị em, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Đồng Nai, ngày tháng năm 2011 Học viên Trần Thị Hải Yến MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ ii MỤC LỤC .................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH ...................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ..................................................................................... ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 Chương 1 ....................................................................................................... 4 TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ TÁI DỰNG HÌNH ẢNH 3D ................ 4 1.1 Tổng quan về đồ hoạ 3D ....................................................................... 4 1.1.1 Một số khái niệm về đồ họa 3D ...................................................... 4 1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D ............................................... 6 1.2 Tái dựng hình ảnh 3D ........................................................................... 8 1.2.1 Sơ lược về quy trình hiển thị 3D ..................................................... 8 1.2.2 Lý thuyết về tái tạo khối (volume rendering) ................................ 12 1.2.3 Tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song .................................. 17 1.2.3.1 Một số thiết bị tạo lát cắt song song trong y tế ........................ 17 1.2.3.2 Chuẩn DICOM ....................................................................... 21 1.2.4 Phương pháp tái tạo ảnh 3D .......................................................... 30 1.2.4.1 Sắp xếp dữ liệu ....................................................................... 30 1.2.4.2 Biểu diễn (rendering) .............................................................. 31 1.2.4.3 Quy trình chuyển đổi khối dữ liệu thành hình ảnh .................. 34 1.2.4.4 Các phương pháp tạo bố cục ảnh (image composition) ........... 35 Chương 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D ...................... 38 2.1 Kỹ thuật Marching cubes .................................................................... 38 2.1.1 Ý tưởng......................................................................................... 38 2.1.2 Quy trình thực hiện ....................................................................... 38 2.1.3 Phương pháp thực hiện ................................................................. 39 2.1.4 Giải thuật Marching cubes ............................................................ 44 2.1.5 Ưu và nhược điểm của thuật toán Marching Cubes ...................... 44 2.1.6 Cải tiến kỹ thuật Marching cube ................................................... 45 2.1.6.1 Kỹ thuật Marching Tetrahedra ................................................ 45 2.1.6.2 Kỹ thuật Dividing cubes ........................................................ 46 2.2 Kỹ thuật Shear-warp ........................................................................... 46 2.2.1 Ý tưởng......................................................................................... 46 2.2.2 Quy trình thực hiện ....................................................................... 47 2.2.3 Phương pháp thực hiện ................................................................. 48 2.2.4 Ưu và nhược điểm ........................................................................ 50 2.3 Kỹ thuật Ray Casting .......................................................................... 50 2.3.1 Ý tưởng......................................................................................... 50 2.3.2 Quy trình Ray Casting .................................................................. 51 2.3.3 Phương pháp thực hiện ................................................................. 51 2.3.4 Giải thuật Raycasting .................................................................... 55 2.3.5 Ưu và nhược điểm ........................................................................ 55 2.3.6 Một số kỹ thuật tăng tốc cho Ray Casting ..................................... 56 2.3.6.1 Chấm dứt tia sớm ................................................................... 56 2.3.6.2 Space-Leaping ........................................................................ 56 2.3.6.3 Cấu trúc phân cấp không gian dữ liệu ..................................... 57 2.3.6.4 Adaptive ray traversal ............................................................. 57 2.3.6.5 Exploiting Temporal Coherence ............................................. 58 2.3.7 Cải tiến Ray casting sử dụng cấu trúc phân cấp không gian .......... 58 2.3.8 Giải thuật Ray casting cải tiến sử dụng cấu trúc phân cấp không gian dữ liệu ............................................................................................ 62 2.3.9 So sánh tốc độ của Ray casting và Ray casting cải tiến sử dụng cấu trúc phân cấp không gian................................................................. 63 Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ............................................ 65 3.1 Bài toán ............................................................................................... 65 3.2 Giới thiệu bộ công cụ mã nguồn mở VTK.......................................... 68 3.2.1 Cấu trúc một ứng dụng VTK......................................................... 69 3.2.2 Mô hình đối tượng (Object model) ................................................ 69 3.3 Kết quả đạt được ................................................................................. 73 PHẦN KẾT LUẬN ...................................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 79 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Quy trình hiển thị đối tượng 3D ...................................................... 9 Hình 1.2: Loại bỏ các đối tượng không nhìn thấy. ........................................ 10 Hình 1.3: Chiếu sáng đối tượng. ................................................................... 10 Hình 1.4: Chuyển đối tượng sang không gian quan sát ................................. 10 Hình 1.5: Loại bỏ đối tượng nằm ngoài view. .............................................. 11 Hình 1.6: Chuyển đối tượng thành pixel. ...................................................... 11 Hình 1.7: Hiển thị đối tượng. ........................................................................ 12 Hình 1.8 : Voxel là một tế bào khối .............................................................. 12 Hình 1.9 : Voxel là một điểm dữ liệu tại một góc của tế bào ........................ 13 Hình 1.10: Vector pháp tuyến của mặt phẳng ............................................... 16 Hình 1.11: vật thể 3 chiều được biểu diễn bằng khung kết nối ..................... 17 Hình 1.12: DICOM và mô hình tham chiếu OSI........................................... 22 Hình 1.13: Thông tin file DICOM ................................................................ 23 Hình 1.14: Một số trường của ảnh DICOM .................................................. 24 Hình 1.15: Cấu trúc file DICOM ................................................................. 25 Hình 1.16: Cấu tạo Data Set ......................................................................... 26 Hình 1.17: Xắp sếp các lát cắt song song để tạo khối dữ liệu........................ 30 Hình 1.18: Minh họa thuật toán Marching square (đường cong mô tả giá trị trong lưới dữ liệu) ................................................................................. 32 Hình 1.19: 16 trường hợp Marching square .................................................. 32 Hình 1.20: Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền ...................................... 33 Hình 1.21: Minh họa kỹ thuật Object – order. .............................................. 35 Hình 1.22: Minh họa kỹ thuật Ray casting.................................................... 35 Hình 2.1 : Chọn một tế bào từ khối dữ liệu................................................... 39 Hình 2.2 : So sánh giá trị tại đỉnh với isovalue ............................................. 40 Hình 2.3 : Đánh dấu những đỉnh nằm trong mặt phẳng ................................ 40 Hình 2.4: Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh .................................... 40 Hình 2.5: Các trường hợp đối xứng .............................................................. 41 Hình 2.6: 15 trường hợp sau khi đã giản ước ................................................ 41 Hình 2.7 : Tạo chỉ số cho các đỉnh và cạnh................................................... 42 Hình 2.8 : Nội suy tính vị trí đỉnh của tam giác ............................................ 43 Hình 2.9: 2 mặt giao nhau tạo ra lỗ. .............................................................. 43 Hình 2.10: Những mặt khác nhau của cùng một trường hợp ......................... 43 Hình 2.11: Chia khối lập phương thành các khối tứ diện .............................. 45 Hình 2.12: 2 trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện................................ 45 Hình 2.13: Minh hoạ thuật toán Dividing Cubes trong không gian 3 chiều.. 46 Hình 2.16 : Minh họa thuật toán Shear-warp. ............................................... 47 Hình 2.14: Các lát cắt của khối dữ liệu được dịch chuyển ............................ 48 Hình 2.15 : Ma trận xem .............................................................................. 50 Hình 2.17: Hệ thống các toạ độ trong suốt quá trình tái dựng ảnh ................ 53 Hình 2.18: Tổng hợp màu sắc và độ chắn sáng ............................................. 54 Hình 2.19 : Tổng hợp màu sắc và độ chắn sáng của tất cả các voxel dọc theo tia và hiển thị giá trị cuối cùng lên mặt phẳng ảnh ................................. 54 Hình 2.20: Tia đi qua khối nhị phân được chia ra khu vực đồng nhất ........... 57 Hình 2.21 : Minh hoạ ý tưởng tia thích nghi với chỗ giao cắt ....................... 58 Hình 2.22: Sử dụng C-buffer ........................................................................ 58 Hình 2.23: Liệt kê cấu trúc không gian đối tượng với N =5 .......................... 60 Hình 2.24: Minh hoạ 2 chiều cách 1 tia đi qua cấu trúc phân cấp ................. 62 Hình 3.1: Mô hình đồ họa của VTK ............................................................. 70 Hình 3.2 : Mô hình trực quan hóa của VTK ................................................. 71 Hình 3.3 : Các tập dữ liệu của VTK ............................................................. 72 Hình 3.4: Sơ đồ các đối tượng theo sơ đồ OMT [18] .................................... 72 Hình 3.5 : Giao diện chính của chương trình ................................................ 73 Hình 3.6: Chọn thư mục chứa tập DICOM. .................................................. 74 Hình 3.7: Kết quả hiện thị ảnh 3D được tái tạo. ............................................ 74 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 : Các khái niệm trong DICOM ...................................................... 27 Bảng 1.2 : Quy ước quy định thứ tự xuất hiện của các byte trong file DICOM .............................................................................................................. 29 Bảng 2.1 Thời gian thực hiện tái dựng bằng kỹ thuật Ray casting và Ray cating cải tiến ........................................................................................ 64 Bảng 3.1 Thời gian tái dựng của Ray casting và Shear warp ........................ 67 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, Công Nghệ Thông Tin xâm nhập vào Y tế mang lại những bước tiến mới, chẳng hạn, sự ra đời nhiều thiết bị chẩn đoán hình ảnh giúp bác sĩ chẩn đoán bệnh tốt hơn như máy chụp cắt lớp (CT), máy cộng hưởng từ (MRI)… Những thiết bị đó được ứng dụng rất rộng rãi trong chẩn đoán lâm sàng cũng như trong sinh thiết. Với khả năng cung cấp những hình ảnh 3 chiều (3D) của các cơ quan bên trong cơ thể con người giống như chúng đang hiện hữu bên ngoài cơ thể bệnh nhân. Các thiết bị hoạt động theo cơ chế dùng tia X-quang chụp cắt lớp các bộ phận cơ thể theo nhiều hướng khác nhau. Tia Xquang được tìm ra bởi GS. William Roentgen năm 1895 gây chấn động giới y học bởi nó cho phép các bác sĩ nhìn xuyên qua cơ thể con người không cần phẫu thuật. Hiện nay, tia Xquang được sử dụng phổ biến trong chẩn đoán y học. Năm 1972 y học lại tiến thêm bước mới với sự phát triển của kỹ thuật chụp CT,MRI cho phép máy vi tính xử lý hình ảnh chụp cắt lớp nhằm cung cấp các hình ảnh hai chiều của cấu trúc ba chiều trên đối tượng khảo sát. Những hình ảnh trên sẽ được chuyển cho máy vi tính xử lý để xây dựng lại một mô hình giống như nguyên mẫu. Với những hình ảnh y tế được tái tạo 3 chiều đã giúp các bác sĩ có thể nhìn vào cơ thể sống với cả 2 thông tin giải phẫu và chức năng theo nhiều hướng khác nhau để cho ra kết quả chẩn đoán chính xác nhất. Trên thế giới việc tái tạo ảnh 3D được phát triển trong khoảng vài chục năm gần đây, có khá nhiều phần mềm thương mại tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt như: 3D-Doctor, eFilm, Vitrea2, DICOMWork… và cài đặt trên máy tính hệ thống của nhà sản xuất với giá thành khá đắt. Tại Việt Nam, việc nghiên phần mềm nhằm xử lý hình ảnh y tế còn khá mới mẻ và chỉ có một vài nghiên cứu nhỏ được công bố. Ví dụ như VDoctor 2 (2004) của Đại học Bách Khoa Hà Nội với chức năng chính là mô phỏng trong đào tạo giải phẫu người, động vật cùng một số ứng dụng khác. Các bệnh viện nhỏ, bệnh viện địa phương không đủ khả năng trang bị những thiết bị chẩn đoán hình ảnh vì giá cả thiết bị và phần mềm chuyên dụng rất đắt (khoảng 2 triệu USD cho một máy MRI và hơn 100.000 USD cho một máy CT, siêu âm). Việc hỗ trợ khám chữa bệnh liên tuyến giữa các bệnh viện là điều rất khó khăn, đặc biệt trong lĩnh vực giải phẫu, phẫu thuật chỉnh hình. Hình ảnh ba chiều ngày càng chiếm vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị, nghiên cứu về hình ảnh y tế là lĩnh vực quan trọng của ngành kỹ thuật y sinh. Việc nghiên cứu thuật giải tái dựng hình ảnh ba chiều trong y khoa nhằm xây dựng lý thuyết và ứng dụng phục vụ trong công tác điều trị bệnh đáp ứng tốt hơn. Bài toán đặt ra là “Nghiên cứu kỹ thuật tái tạo ảnh 3 chiều trong y khoa và ứng dụng”. Mục tiêu của luận văn: - Tìm hiểu cấu trúc ảnh y khoa DICOM - Tìm hiểu các thuật giải nhằm tái tạo ảnh 3 chiều trong y khoa, đặc biệt là ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song. - Dựa trên nhiều giải thuật công bố tác giả tìm ưu nhược điểm của mỗi phương pháp và chọn thuật giải phù hợp nhất. Những vẫn đề cần giải quyết trong phạm vi luận văn: - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. - Nghiên cứu cấu trúc ảnh y khoa DICOM phục vụ cho việc xử lý hình ảnh để tái tạo ảnh 3 chiều - Tìm hiểu về tái tạo khối (volume render) 3 - Các lý thuyết về tái tạo khối. - Các giải pháp, phương thức tái tạo khối. - Từ các lý thuyết và giải pháp tìm hiểu đưa ra các ưu khuyết điểm của mỗi giải pháp và chọn ra một thuật giải tối ưu, cụ thể là Ray casting. - Nghiên cứu và kế thừa các chương trình mã nguồn mở (VTK) phục vụ cho chương trình. - Xây dựng ứng dụng thử nghiệm dựa trên thuật giải ray casting. Bố cục trình bày của luận văn Chương 1: Tổng quan về đồ họa 3D và tái dựng hình ảnh 3D Chương 2: Một số kỹ thuật tái dựng ảnh 3D Chương 3: Chương trình thử nghiệm Kết luận và hướng phát triển 4 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ TÁI DỰNG HÌNH ẢNH 3D 1.1 Tổng quan về đồ hoạ 3D 1.1.1 Một số khái niệm về đồ họa 3D Đồ họa máy tính là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về các thuật toán cũng như kĩ thuật cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính [3]. Đồ họa máy tính có liên quan đến đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học,... kĩ thuật máy tính và chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vi mạch đồ họa...). Hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm [3]. Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu, … Phần mềm gồm công cụ lập trình và các trình ứng dụng đồ họa. Công cụ lập trình cung cấp tập các hàm đồ họa có thể được dùng trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal, ... Các hàm cơ sở của đồ hoạ bao gồm việc tạo đối tượng cơ sở của hình ảnh như đoạn thẳng, đa giác, đường tròn, …, thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn, áp dụng các phép biến đổi, …Ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng không phải là lập trình viên tạo được đối tượng, hình ảnh, … mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào. Ví dụ như là Photoshop, AutoCAD, … Việc thể hiện các đối tượng 3D trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các đối tượng trong thế giới thực là đối tượng 3D còn thiết bị hiển thị chỉ hiển thị ảnh 2 chiều. Do vậy muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập. Biểu diễn đối tượng 3D bằng máy tính phải tuân theo quy luật về phối cảnh, sáng, tối… giúp người xem nhìn thấy hình ảnh gần đúng nhất.Chiến lược cơ bản là chuyển đổi từng bước . Hình ảnh sẽ được hình thành ngày càng chi tiết hơn. 5 Khi mô hình hóa và hiển thị một hình ảnh 3D chúng ta xét rất nhiều khía cạnh và các vấn đề khác nhau không đơn giản là thêm một tọa độ thứ 3 cho các đối tượng [3]. Bề mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi nhiều tổ hợp khác nhau của mặt phẳng và mặt cong, đôi khi chúng ta còn mô tả một số thông tin bên trong đối tượng. Khi biểu diễn đối tượng 3 chiều bằng máy tính ta cần quan tâm các vấn đề sau[1]:  Phương pháp biểu diễn Có 2 phương pháp biểu diễn đối tượng 3 chiều là phương pháp biểu diễn bề mặt và biểu diễn theo phân hoạch không gian Phương pháp biểu diễn bề mặt mô tả đối tượng bằng một tập hợp các bề mặt giới hạn phần bên trong của đối tượng với môi trường bên ngoài. Thông thường ta xấp xỉ các bề mặt phức tạp bởi các mảnh nhỏ hơn gọi là các patch (mặt vá). Các mảnh này có thể là các đa giác hoặc các mặt cong. Phương pháp phân hoạch không gian thường dùng để mô tả các thuộc tính bên trong đối tượng  Các phép biến đổi hình học Khi áp dụng một dãy các phép biến đổi hình học có thể tạo ra nhiều phiên bản của cùng một đối tượng. Do đó có thể quan sát vật thể ở nhiều vị trí, nhiều góc độ khác nhau và cảm nhận về các hình ảnh vẽ ba chiều sẽ trực quan, sinh động hơn. Các phép biến đổi thường được sử dụng là phép tịnh tiến, phép quy, phép biến dạng… được mô tả bằng các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi có các dạng khác nhau  Vấn đề chiếu sáng Tác dụng của việc chiếu sáng là làm cho các đối tượng hiển thị trong máy tính giống với vật thể trong thế giới thực. Để thực hiện công việc này cần 6 phải có các mô hình tạo sáng. Vật thể được chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hướng gọi là ánh sáng xung quanh(ambient light) hay ánh sáng nền(background light) Trên bề mặt có 2 loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light) ánh sáng đi theo mọi hướng và phản xạ gương (specular light).  Vấn đề tạo bóng Để tạo bóng ta ứng dụng các mô hình xác định cường độ sáng theo nhiều kiểu khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể. Các vật có bề mặt phẳng chỉ cần tính cường độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương đối thật. Các vật có bề mặt cong phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt. Để tăng tốc độ ta xấp xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng. Với mỗi mặt phẳng sẽ áp dụng mô hình cường độ không đổi (flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo bóng. 1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D 3D là công nghệ được xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp người sử dụng có thể quan sát hình ảnh trong không gian ba chiều. Ứng dụng của công nghệ này được sử dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao như Y học, xây dựng, kiến trúc, phim, trò chơi... Tại Việt Nam công nghệ này chỉ mới được sử dụng phần lớn trong quảng cáo và kiến trúc.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong y tế Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D thu hút sự chú ý của nhiều người trong lĩnh vực y học. Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mới này phục vụ điều trị bệnh nhân giúp tăng độ chính xác và hiệu quả. Với phương pháp chụp cắt lớp điện toán (CT) hay chụp cộng hưởng từ (MRI). Bác sĩ phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tưởng tượng 7 hình ảnh trong không gian 3 chiều đã gặp không ít khó khăn. Ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D, bác sĩ nhìn được các hình ảnh 3 chiều rõ nét ngay lập tức và tập trung hơn vào phẫu thuật.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong xây dựng kiến trúc Đối với người thiết kế: có thể vẽ lên không gian 3 chiều, ứng dụng vật liệu thật vào không gian, phối trí và phân tích ánh sáng, thông gió hợp lý nhất cho công trình thiết kế xây dựng làm cho sự kết hợp giữa các yếu tố, bố trí các vật dụng trở nên hài hoà. Tính toán tải trọng kết cấu chính xác nhất, đưa ra giải pháp tiết kiệm vật tư và chi phí nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh. Đối với người khách hàng: ứng dụng 3D trong kiến trúc làm cho người xem như đứng ngay trong không gian trong thực tế.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong phim, trò chơi Công nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện ảnh thế giới. Ứng dụng tạo hình 3D mang đến cho người xem những trải nghiệm thực sự, những hình ảnh sống động và hấp dẫn. Nó cũng được sử dụng để tạo các hiệu ứng phim và thực tại ảo, khán giả sẽ trải nghiệm những hành động, cử chỉ sống động như thật. Trong game, ứng dụng công nghệ 3D để xây dựng mô hình, và chuyển động cho hình ảnh sắc nét giúp người chơi bao quát được toàn bộ góc nhìn với chất lượng hình ảnh tốt nhất và không bị gián đoạn.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong mô phỏng, đào tạo Hệ thống phần mềm mô phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh họa sống động, giúp học sinh dễ nhận biết, tiếp thu và tạo sự hứng thú với môn học. Cho phép học sinh, sinh viên được quan sát trực quan các mô hình cụ thể, thấy được những hoạt động, chuyển động của các sự vật, sự kiện được 8 giảng viên trình bày. Học sinh được hình dung một cách rõ ràng và đầy đủ các khái niệm về hình học không gian, địa lý vũ trụ, mô hình sinh học hoặc các khái niệm khó tưởng tượng ra trong thế giới hai chiều.  Ứng dụng đồ hoạ 3D trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh Những sản phẩm mô phỏng sẽ được áp dụng trong giảng dạy các môn khoa học như Giáo dục quốc phòng, quân sự. Người học có thể quan sát chi tiết các hoạt động của các bộ phận cơ khí,quy trình hoạt động và tương tác, những hiện tượng xảy ra trong các hoạt động của vũ khí. Công nghệ mô phỏng 3D mô tả chi tiết cụ thể hiện tượng bắn, quá trình chuyển vận của các bộ phận trong tương tác sự vật, hiện tượng giúp cho học sinh dễ nhận biết, tiếp thu tạo sự hứng thú với môn học. Có thể nói các ứng dụng tiềm năng của công nghệ hình ảnh 3D là vô hạn và để làm được điều đó ta phải nắm được quy trình hiển thị ảnh 3D. 1.2 Tái dựng hình ảnh 3D Các đối tượng trong thế giới thực phần lớn là các đối tượng 3 chiều còn thiết bị hiển thị chỉ 2 chiều. Muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần giả lập bằng cách chuyển đổi từng bước. Hình ảnh sẽ được hình thành từ từ, ngày càng chi tiết hơn. 1.2.1 Sơ lược về quy trình hiển thị 3D Quy trình xử lí thông tin trong đồ họa 3 chiều là chuỗi các bước nối tiếp nhau, kết quả của mỗi bước là đầu vào của bước tiếp theo. Quy trình bắt đầu bằng việc xây dựng các mô hình đối tượng trong không gian ba chiều (x, y, z). Các mô hình thường thể hiện vật thể (solid) hoặc bề mặt (boundaries) của đối tượng. Như vậy có hai kiểu mô hình hóa. 9 Trong solid modeling các đối tượng đồ họa mô tả các đối tượng thể tích (volume). Trong boundary representations(B-reps), các đối tượng được định nghĩa bởi bề mặt . Các mô hình thường được biểu diễn trong hệ tọa độ đối tượng. Trong hệ tọa độ này chỉ có đối tượng được định nghĩa, vì vậy gốc tọa độ và đơn vị đo lường thường được chọn sao cho việc biểu diễn đối tượng tiện lợi nhất. Hình 1.1: Quy trình hiển thị đối tượng 3D Các bước trong quy trình hiển thị đối tượng 3D được hiểu như sau: Bước 1: biến đổi đối tượng từ không gian đối tượng (object-space) vào một không gian chung gọi là không gian thực (world space). Trong không gian thực các đối tượng, nguồn sáng, và người quan sát cùng tồn tại. Bước 2 : loại trừ tất cả các đối tượng không thể nhìn thấy tránh xử lí một số phần không cần thiết.