Tài liệu Phục dựng hình ảnh 3d từ dữ liệu ảnh y tế dicom

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ---------------- NGUYỄN VĂN THẮNG PHỤC DỰNG HÌNH ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2012 Số hóa bởi 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 ---------------- NGUYỄN VĂN THẮNG PHỤC DỰNG HÌNH ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM 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 bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 8 chuyên ngành Khoa học máy tính tại Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông; Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Các thầy, cô luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo trong Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông; Viện công nghệ thông tin Việt Nam. Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các anh, chị phòng Công nghệ Thực tại ảo Viện Công nghệ thông tin Việt Nam. Đặc biệt thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã tận tình hƣớng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành quyển luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp và ngƣời thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi thiếu sót em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của em để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 Nguyễn Văn Thắng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do em tự sƣu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài. Nội dung luận văn này chƣa từng đƣợc công bố hay xuất bản dƣới bất kỳ hình thức nào và cũng không đƣợc sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần ứng dụng đều do em tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thƣ viện chuẩn và các thuật toán đƣợc các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 Ngƣời cam đoan Nguyễn Văn Thắng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi 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 ............................................ iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................... iv PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ ẢNH TRONG Y TẾ THEO CHUẨN DICOM .......................................................................................................3 1.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ ỨNG DỤNG .............................................3 1.1.1 Tổng quan về đồ họa 3D .............................................................................3 1.1.2. Phương pháp bi ểu diễn 3D ......................................................................3 1.1.3. Ứng dụng của đồ hoạ 3D ...........................................................................6 1.2. DỰNG ẢNH 3D TỪ DỮ LIỆU ẢNH Y TẾ DICOM .....................................13 1.2.1. Chuẩn DICOM .........................................................................................13 1.2.1.1. Giới thiệu ..........................................................................................13 1.2.1.2. Phần Header ......................................................................................14 1.2.1.3. Tập dữ liệu - Data Set .......................................................................15 1.2.2. Dựng hình 3D dựa vào ảnh DICOM .......................................................18 Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KỸ THUẬT DỰNG HÌNH 3D ....................28 2.1. TRÍCH CHỌN CÁC ĐIỂM ĐẶC TRƢNG THEO ĐƢỜNG BIÊN ...............28 2.1.1. Lựa chọn các đặc trưng ...........................................................................28 2.1.2. Biên và kỹ thuật phát hiện biên................................................................29 2.1.2.1. Một số khái niệm: ..............................................................................29 2.1.2.2. Phân loại các kỹ thuật phát hiện biên ..............................................30 2.1.2.3. Quy trình phát hiện biên ..................................................................31 2.1.2.4. Phương pháp phát hiện biên cục bộ ................................................31 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP BIỂU DIỄN BỀ MẶT ...............................................36 2.2.1. Bề mặt đa giác .........................................................................................37 2.2.1.1. Biểu diễn lƣới đa giác .......................................................................37 2.2.1.2. Phƣơng trình mặt phẳng ....................................................................40 a) Phƣơng trình hàm ẩn ..............................................................................40 b) Xác định điểm trên mặt phẳng ...............................................................42 2.2.2. Bề mặt bậc hai .........................................................................................43 2.2.2.1. Hình cầu ............................................................................................43 2.2.2.2. Ellipsoid ............................................................................................43 2.2.2.3. Hình xuyến ........................................................................................44 2.2.2.4. Bề mặt tròn xoay ...............................................................................45 2.2.3. Bề mặt có qui luật ....................................................................................45 2.2.4. Bề mặt bậc 3 Hermite ..............................................................................46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.2.5. Bề mặt Bezier ...........................................................................................48 2.2.6. Ghép nối các bề mặt bậc 3 ......................................................................49 2.2.7. Pháp tuyến với mặt phẳng .......................................................................50 2.3. THUẬT TOÁN “ĐO ĐỘ SAI SỐ BẬC HAI QEM” ......................................51 2.3.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ GIẢ THIẾT BAN ĐẦU CỦA BÀI TOÁN .......51 2.3.1.1. Qui ước về cách biểu diễn vật thể .....................................................51 2.3.1.2. Các yêu cầu về giữ nguyên hình dạng hình học của vật thể .............52 2.3.1.3. Phương pháp đánh giá độ xấp xỉ ......................................................53 2.3.2. Ý tưởng và các bước của thuật toán ........................................................56 2.3.2.1. Ý tưởng ..............................................................................................56 2.3.2.2. Các bước cơ bản của thuật toán .......................................................56 2.3.3. Tập các cặp đỉnh sẽ được xem xét & loại bỏ ...........................................57 2.3.3.1. Tập các cặp đỉnh ...............................................................................57 2.3.3.2. Phép loại bỏ cặp đỉnh .......................................................................57 2.3.4. Hàm xác định giá .....................................................................................57 2.3.4.1. Đại lượng sai số bậc hai ( QEM ) .....................................................60 2.3.4.2. Xác dịnh trọng số của các mặt ..........................................................61 2.3.4.3. Xác định vị trí đỉnh mới ....................................................................62 2.3.5. Kiểm tra tính toàn vẹn .............................................................................63 Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ...................................................65 3.1. BÀI TOÁN ........................................................................................................65 3.2. CHƢƠNG TRÌNH ...............................................................................................67 PHẦN KẾT LUẬN ..................................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT 1 Ký hiệu/ Chữ viết tắt B -reps Viết đầy đủ Ý nghĩa Boulldary representationl DICOM CT 6 MRI 7 PET 8 SPECT 9 CAD biểu diễn bề mặt lƣu Communications in trữ, thu/nhận Medicine 5 pháp Tiêu chuẩn để bắt tay, Digital Imaging and 3 phƣơng in ấn hình và ảnh trong y tế Computed Tomography Scanner Magnetic Resonance Chụp cắt lớp vi tính Chụp cộng hƣởng từ Imaging Positron Emission Cắt Tomography lớp phát xạ posirtron Chụp cắt lớp ddienj Single Photon Emission Computed Tomography toán phát xạ Photon Computer Aided Draft Sử dụng máy tính trong hoặc Computed Assisted quá trình thiết kế và lập Design bản vẽ Thuật toán đơn giản 10 QEM Quadric Error Metric biểu diễn bề mặt đa diện sử dụng độ đo sai số bậc hai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Dạng của ma trận biến đổi trong hệ tọa độ thuần nhất Hình 1. 2. Bề mặt đƣợc chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng Hình 1.3. Hình ảnh của dự án nghiên cứu CHARM về tay của con ngƣời Hình 1.4. Hình ảnh về việc nghiên cứu hộ sọ của con ngƣời theo tạp chí tại địa chỉ: http://www.ahs.uic.edu Hình 1.5. Câu trúc file DICOM Hình 1.6. Cấu trúc phần tử dữ liệu phần Header Hình 1.7. Cấu trúc phần tử dữ liệu trong DICOM Hình 1.8. Biểu diễn một lớp cắt trong không gian tọa độ xyz Hình. 2.1. Lƣới đa giác xác định bằng các chỉ số trong Hình 2.2. Lƣới đa giác xác định bởi danh sách các cạnh cho mỗi đa giác ( λ biểu diễn giá trị rỗng). Hình 2.3. Biểu diễn mặt cầu bằng lƣới đa giác Hình 2.4. Tham số  và  sử dụng để biểu diễn hình cầu Hình 2.5. Phác họa một ellipsoїd. Hình 2.6. Một hình xuyến có tâm tại gốc toạ độ. Hình 2.7. a) Xƣơng của bề mặt tròn xoay b) Mặt cắt đứng của bề mặt tròn xoay. c) Bề mặt tròn xoay Hình 2.8. Biểu diễn theo tham số bề mặt có qui luật Hình 2.9. Bề mặt Bezier với 16 điểm điều khiển chúng Hình 2.10. Kết nối hai bề mặt cong Hình 2.11. Kết nối hai bề mặt Bezier với các điểm điều khiển chung là P14, P24, P34 và P44 Hình 2.12. Một vật thể gồm nhiều khối hộp đặt sát nhau đƣợc giảm thiểu theo 2 cách Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v Hình 2.13. Mô phỏng tình huống trong không gian hai chiều Hình 2.14. Mặt vuông đƣợc “lát” bằng các hình tam giác khác nhau Hình 2.15. Sau khi loại bỏ một cặp thì xuất hiện 1 mặt bị ngƣợc. Hình 2.16. Giải pháp của QEM Hình 3.1. Đọc ảnh DICOM Hình 3.2. Dữ liệu ảnh chƣa đƣợc xác định biên Hình 3.3. Dữ liệu ảnh sau khi đã xác định biên của mô hình Hình 3.4. Kết quả tạo mô hình 3D bằng kỹ thuật tạo lƣới dữ liệu 3D Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 PHẦN MỞ ĐẦU Ngày nay, Công nghệ thông tin đóng vai trò quan trọng trong công tác quản lý, điều hành và ứng dụng thành công trong công tác khám chữa bệnh tại các bệnh viện nhƣ chụp cắt lớp, mổ nội soi v.v… Chẩn đoán hình ảnh y khoa góp phần quan trọng nâng cao tính chính xác, kịp thời và hiệu quả cao trong chẩn đoán bệnh. Các phƣơng pháp chẩn đoán hình ảnh rất phong phú nhƣ chẩn đoán qua hình ảnh X quang, hình ảnh siêu âm, nội soi, hình ảnh chụp cắt lớp vi tính, hình ảnh chụp cộng hƣởng từ. Điều đáng quan tâm ở đây là những hình ảnh này không phải là các định dạng ảnh thông thƣờng nhƣ: jpg, bitmap, gif…. mà nó đƣợc định dạng theo chuẩn. Lý thuyết về tái tạo ảnh 3D nói riêng trên thế giới đã có những bƣớc tiến rất xa do đã đƣợc phát triển trong khoảng vài chục năm gần đây. Ở thời điểm hiện tại vẫn liên tục có những công trình đƣợc đƣa ra nhằm cải tiến các phƣơng pháp đã có nhiều nghiên cứu đƣa ra các phƣơng pháp mới. Cách đây không lâu, hiển thị hì nh ảnh y khoa chỉ gói gọn trong kỹ thuật tạo hình trên phim , tuy rất hƣ̃u í ch trong nhƣ̃ng đánh giá tổng quát nhƣng nhƣ̃ng kỹ thuật này thƣ̣c sƣ̣ gặp trở ngại trong nhƣ̃ng trƣờng hợp chẩn đoán phƣ́c tạp . Trong chẩn đoá n tiền giải phẫu và lập kế hoạch điều trị , hình ảnh của những vùng quan tâm rất cần đƣợc đánh giá chính xác (nhƣ khối u chẳng hạn… ). Khi sƣ̉ dụng ảnh trên phim sẽ rất khó để đánh giá hì nh dạng hoặc độ sâu theo 3 chiều không gian. Để giải quyết vấn đề này , cần phải có một chuỗi liên tiếp các hì nh ảnh cắt ngang vùng cần khảo sát ở nhƣ̃ng điểm khác nhau. Sau đó để đánh giá trƣ̣c quan phải dƣ̣a vào kinh nghiệm của ngƣời chẩn đoán . Theo đó , không thể thƣ̣c hiện thêm nhƣ̃ng thao tác xƣ̉ lý khác và mô hì nh tạo ra không thể mô phỏng hiển thị hay lƣu trƣ̃ chí nh xác hơn khả năng mƣờng tƣợng của ngƣời chẩn đoán đƣợc. Để giúp cho việc đó đòi hỏi ta phải xây dựng đƣợc công cụ hữu hiệu dựa vào các kỹ thuật dựng hình để tạo lên không gian ba chiều có độ tƣơng tác cao với công tác chẩn đoán. Do đó t ôi chọn đề tài “Phục dựng hình ảnh 3D từ dữ liệu ảnh Y tế DICOM”. Nội dung luận văn bao gồm 3 chƣơng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ ẢNH TRONG Y TẾ THEO CHUẨN DICOM Chƣơng này khái quát về đồ họa 3D, giới thiệu về chuẩn DICOM, cấu trúc của ảnh trong y tế theo chuẩn DICOM Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ KỸ THUẬT DỰNG HÌNH 3D Chƣơng này giới thiệu một số vấn đề về dựng hình 3D bằng kỹ thuật dựng lƣới dữ liệu. Chương 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ ẢNH TRONG Y TẾ THEO CHUẨN DICOM 1.1 Khái quát về đồ họa 3D và ứng dụng 1.1.1 Tổng quan về đồ họa 3D Đồ họa máy tính là tất cả những gì liên quan đến việc sử dụng máy tính để phát sinh ra hình ảnh. Các vấn đề liên quan tới công việc này bao gồm: lƣu trữ, thao tác trên các mô hình (các mô tả hình học của đối tƣợng) và các ảnh[1]. Một hệ đồ họa bao giờ cũng gồm có hai thành phần chính là phần cứng và phần mềm [1]. Phần cứng bao gồm các thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu nhƣ màn hình, chuột, bàn phím,… Phần mềm bao gồm các công cụ lập trình và các chƣơng trình ứng dụng đồ họa. Nếu xét theo số chiều đƣợc mô tả trên máy tính ta có đồ họa hai chiều v à đồ họa ba chiều. Việc thể hiện các đối tƣợng ba chiều trên máy tính là một công việc cần thiết vì phần lớn các đối tƣợng trong thế giới thực là đối tƣợng ba chiều. Cũng giống nhƣ các cách biểu diễn các đối tƣợng ba chiều trên mặt phẳng khác (giấy, camera,…), biểu diễn bằng máy tính cũng phải tuân theo các quy luật về phối cảnh, sáng, tối,… nhằm giúp ngƣời xem có thể tƣởng tƣợng lại hình ảnh một cách gần đúng nhất. Khi chúng ta mô hình hóa và hiển thị một cảnh 3 chiều chúng ta cần phải xem xét rất nhiều khía cạnh về vấn đề khác nhau chứ không đơn giản là thêm vào tọa độ thứ ba cho các đối tƣợng[1]. Bề mặt đối tƣợng có thể đƣợc xây dựng bởi nhiều tổ hợp khác nhau của các mặt phẳng và mặt cong, đôi khi chúng ta còn cần mô tả một số thông tin bên trong đối tƣợng. Khi biểu diễn đối tƣợng ba chiều bằng máy tính ta cần quan tâm các vấn đề sau: 1.1.2. Phƣơng pháp bi ểu diễn 3D Có hai phƣơng pháp biểu diễn đối tƣợng ba chiều là phƣơng pháp biểu diễn bề mặt (B-reps) và biểu diễn theo phân hoạch không gian (space -partitioning representation). Phƣơng pháp B -reps mô tả đối tƣợng bằng một tập hợp các bề mặt giới hạn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 phần bên trong của đối tƣợng với môi trƣờng bên ngoài. Thông thƣờng ta xấp xỉ các bề mặt phức tạp bởi các mảnh nhỏ hơn gọi là các mặt vá (patch). Các mảnh này có thể là các đa giác hoặc các mặt cong trơn. Phƣơng pháp phân hoạch không gian thƣờng dùng để mô tả các thuộc tính bên trong của đối tƣợng. + Các phép biến đổi hình học : Khi ta áp dụng một dãy các phép biến đổi hình học ta có thể tạo ra nhiều phiên bản của cùng một đối tƣợng. Do đó ta có thể quan sát vật thể ở nhiều vị trí, nhiều góc độ khác nhau và cảm nhận của chúng ta về các hình vẽ ba chiều sẽ trực quan hơn, sinh động hơn. Các phép biến đổi thƣờng sử dụng là phép tịnh tiến, phép quay, phép biến dạng,…Các phép biến đổi đƣợc mô tả bằng các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi có dạng khác nhau. a b c 0  d e f 0  [x' y' z' 1]=[x y z 1].   g h i 0    trx try trz 1   Hình 1.1. Dạng của ma trận biến đổi trong hệ tọa độ thuần nhất + Vấn đề chiếu sáng (illumination) : Tác dụng của việc làm này là làm cho các đối tƣợng hiển thị trong máy tính giống với vật thể mà ta nhìn trong thế giới thực. Để thực hiện công việc này ta cần các mô hình tạo sáng. Vật thể đƣợc 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 đƣợc vật là ánh sáng tổ hợp từ khắp mọi hƣớng, ta gọi đó là ánh sáng xung quanh (ambient light) hay ánh sáng nền (background light) . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Trên các bề mặt có hai loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light)(ánh sáng phát đi theo mọi hƣớng) và phản xạ gương (specular light). . nguồn sáng tự phát nguồn sáng phản xạ mắt ngƣời Hình 1. 2. Bề mặt được chiếu sáng bởi cả hai loại nguồn sáng Độ sáng của một vật sẽ là độ sáng tổng hợp của 3 loại ánh sáng trên. + Vấn đề tạo bóng (shading) : Để tạo bóng, ta có thể ứng dụng các mô hình xác định cƣờng độ sáng theo nhiều kiểu khác nhau tùy thuộc bài toán cụ thể. Đối với các vật có bề mặt phẳng ta có thể chỉ cần tính một cƣờng độ sáng chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tƣợng tƣơng đối thật. Các vật có bề mặt cong ta phải tính cƣờng độ sáng cho từng pixel trên bề mặt của nó. Để tăng tốc độ ta có thể xấp xỉ các mặt cong bởi một tập hợp các mặt phẳng.Với mỗi mặt phẳng này ta có thể áp dụng mô hình cường độ không đổi (flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo bóng. + 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 những hình ảnh mà con ngƣời có thể hiểu đƣợc dễ dàng và giúp cho con ngƣời có thể tƣơng tác với dữ liệu[13]. 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. Nhìn chung trực quan hóa là một quá trình phức tạp. Các thuật toán sẽ phụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 thuộc vào tính chất của dữ liệu cũng nhƣ yêu cầu biểu diễn. Ta có thể biểu diễn hình ảnh sự phân bố của các giá trị vô hƣớng nhƣ nhiệt độ trong một căn phòng hay các giá trị có hƣớng nhƣ hình dạng các dòng chảy trong lòng khối chất lỏng…. Quá trình tái tạo cấu trúc ba chiều của các vật thể thực cũng là một quá trình trực quan hóa, ta gọi là trực quan hóa ba chiều (3D Visualization). Dữ liệu thu đƣợc từ các phép lấy mẫu, sau đó tùy theo cách lấy mẫu và tính chất của dữ liệu ta sẽ có những phƣơng pháp thích hợp để tái tạo các cấu trúc ba chiều. 1.1.3. Ứng dụng của đồ hoạ 3D Những lĩnh vực đang đƣợc nghiên cứu ứng dụng đồ hoạ 3D một cách mạnh mẽ hiện nay là: Y học, Giáo dục, Tin học, Thƣơng mại, Giao thông, Hàng không, Xây dựng Thiết kế nội thất và trang chí nhà cửa, Giải trí, Quân sự, Điện ảnh… Nhƣ vậy chắc hẳn bạn muốn biết tại sao các lĩnh vực trên lại ứng dụng đồ hoạ 3D, và ý nghĩa của việc ứng dụng đồ hoạ 3D vào các lĩnh vực đó ra sao. Thành quả thực tế đem lại nhƣ thế nào, những vấn đề đó chúng ta sẽ cùng xem xét ở phần dƣới đây. Tại sao các lĩnh vực trên lại ứng dụng đồ hoạ 3D và thành quả ứng dụng ra sao. Trong Y Học: Khi xã hội ngày càng phát triển thì vấn đề sức khoẻ con ngƣời ngày càng đƣợc quan tâm hơn. Càng ngày ngƣời ta càng cố gắng tìm ra các phƣơng pháp, các cách thức chữa trị bệnh cho con ngƣời một cách tốt hơn. Khi Tin học phát triển và những ứng dụng của nó vào thực tế trở lên phổ biến, đồng thời những thành quả to lớn của nó đem lại thì không ai có thể phủ nhận đƣợc, một trong các lĩnh vực mà ứng dụng tin học một cách hiệu quả hiện nay là y học. Tôi xin đƣa ra một số hình ảnh về việc nghiên cứu và ứng dụng tin học trong y học: Hình 1.3. Hình ảnh của dự án nghiên cứu CHARM về tay của con người Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Đây là dự án nghiên cứu của châu âu vào tháng 11 năm 1993, dự án này cho phép xây dựng lại mô hình cánh tay của con ngƣời trong không gian 3D từ những dữ liệu hình ảnh trong y học và mô phỏng tất cả sự thay đổi có thể có của các bộ phận nhƣ sự co dãn cơ… Trong dự án này thì đồ hoạ 3D làm nhiệm vụ mô phỏng lại cánh tay của con ngƣời và cung cấp các dịnh vụ sử lý thể hiện sự thay đổi của cánh tay con ngƣời khi có sự tƣơng tác của ngƣời sử dụng. Các bạn có thể tìm hiểu thêm về dự án này tại trang Web có địa chỉ nhƣ sau: http://www.ligww.epf1.ch Hình 1.4. Hình ảnh về việc nghiên cứu hộ sọ của con người theo tạp chí tại địa chỉ: http://www.ahs.uic.edu Đây là dự án nghiên cứu nhằm đƣa đồ hoạ 3D vào việc chữa trị bệnh cho con ngƣời. Bằng cách xây dựng một chƣơng trình mà cho phép các bác sĩ trên khắp thể giới có thể cùng tham gia quan sát, thảo luận để đƣa ra phƣơng pháp chữa trị hiệu quả nhất. Trong dự án này đồ hoạ 3D làm nhiệm vụ kết hợp hình ảnh trong không gian 3D với môi trƣờng truyền thông. Cung cấp môi trƣờng làm việc chia sẻ qua Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 mạng cho những ngƣời cùng hợp tác làm việc môi trƣờng mô phỏng nhằm cùng nhau thực hiện việc điều trị hay nghiên cứu.Các bạn có thể tìm hiểu thêm về vấn đề này theo trang web có địa chỉ: http://www.ahs.uic.edu. Trong y học con ngƣời còn gặp rất nhiều những vấn đề mà nếu không có đồ hoạ 3D thì không dễ để tìm ra phƣơng pháp giải quyết, ví dụ nhƣ việc cung cấp môi trƣờng thực hành cho nghiên cứu và học tập, theo nhƣ tôi đƣợc biết thì môi trƣờng và những mẫu để thực tập và nghiên cứu trong y học là một trong những vấn đề bức xúc và gặp rất nhiều khó khăn hiện nay, chúng ta thiếu các mẫu để thực tập phẫu thuật, hay môi trƣờng thực để quan sát. Đôi khi vì khả năng của con ngƣời, ví dụ nhƣ tầm quan sát của mắt chúng ta không thể quan sát đƣợc những mạch máu của chúng ta nhƣ thế nào, cấu trúc của một tế bào da nhƣ thế nào, hay cấu trúc lƣợc đồ ghen của chúng ta ra sao…hay trong phẫu thuật nhiều khi không thể thực hiện đƣợc, do đối tƣợng thực hiện không có điều kiện sức khoẻ để thực hiện ca phẫu thuật lớn. Theo nghĩa là vùng phẫu thuật phải rộng, diện tích phải mở lớn làm cho bệnh nhân lâu lành vết mổ, hoặc để lại những di chứng không thể tránh khỏi…mà nếu không phẫu thuật thì bệnh nhân lại lâm vào tình trạng nguy hiểm. Những vấn đề trên đƣợc giải quyết một cách hiệu quả khi có ứng dụng đồ hoạ 3D. Chỉ bằng cách xây dựng các mô hình đồ hoạ 3D cần thiết cho các đối tƣợng là chúng ta đã có ngay môi trƣờng quan sát, nghiên cứu thực tập tốt thậm chí có thể nói là tốt hơn thực tế. Những ca phẫu thuật trở nên chính xác hơn, bệnh nhân mau lành bệnh hơn khi vết phẫu thuật nhỏ hơn so với vết phẫu thuật theo cách phẫu thuật truyền thống khi có ứng dụng đồ hoạ 3D. Hay bệnh nhân đƣợc chữa trị bởi đồng thời nhiều bác sĩ giỏi trên khắp thế giới, thì chắc chắn hiệu quả mang lại thì không cần nói gì thêm chắc hẳn ai cũng biết. Hiện nay có rất nhiều dự án tập trung vào việc xây dựng các mô hình, mô phỏng các cơ quan bộ phận của con ngƣời. Đồng thời mô phỏng những sự thay đổi cơ bản khi có sự tƣơng tác, thay đổi, hay sự biến đổi của các bộ phận khi con ngƣời Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 có sự hoạt động. Xây dựng các mô hình cho phép thực hiện các ca phẫu thuật giả, xây dựng các mô hình cho phép chuẩn đoán bệnh… Trong giáo dục: Giáo dục phát triển con ngƣời là vấn đề hàng đầu của các quốc gia dân tộc trên thế giới. Tìm hiểu nghiên cứu nhằm đƣa ra phƣơng pháp giáo dục hiệu quả đã khó, song còn có nhƣng vấn đề còn khó khăn hơn đó là làm sao kích thích đƣợc niềm say mê học tập, nghiên cứu của con ngƣời và tính tự giác, khả năng tƣ duy và tƣởng tƣợng của mỗi con ngƣời và làm sao để cung cấp môi trƣờng học tập nghiên cứu tốt nhất, nhằm phát huy hết những khả năng của con ngƣời. Theo nhƣ cách giáo dục truyền thống nhiều khi chúng ta không thể cung cấp đƣợc môi trƣờng nghiên cứu học tập, không khơi dậy đƣợc niềm say mê, hứng thú, hay không thể phát huy đƣợc hết khả năng tƣởng tƣợng và tƣ duy của con ngƣời làm cho hiệu quả giáo dục không cao. Chúng ta đã thấy hiệu quả to lớn của việc ứng dụng tin học vào trong giáo dục trên thế giới cũng nhƣ ở nƣớc ta. Song phần lớn các ứng dụng tin học vào trong giáo dục mà chúng ta biết lại chỉ là những giáo trình tin học nhằm rèn luyện tƣ duy tin học cho con ngƣời còn những ứng dụng nhằm rèn luyện những khả năng khác của con ngƣời vẫn chƣa phổ biến. Những chƣơng trình nhằm rèn luyện tƣ duy nói chung, những chƣơng trình rèn luyện khả năng tƣởng tƣợng, những chƣơng trình cung cấp mô hình thực nghiệm, những chƣơng trình kích thích trí tò mò… là chƣa nhiều hay có thể nói là chƣa có nhiều chƣơng trình hiệu quả. Vì sao lại nhƣ vậy? Bởi vì các chƣơng trình đƣợc xây dựng chƣa có khả năng phát huy đƣợc hết sự cảm nhận của con ngƣời trong nhận thức, chƣa gây đƣợc ấn tƣợng sâu sắc vấn đề cần truyền đạt cho đối tƣợng cần truyền đạt, môi trƣờng truyền đạt không gây đƣợc trí tò mò, hay niềm đam mê của ngƣời học. Hiện nay có một xu hƣớng mới trong việc ứng dụng tin học trong giáo dục mà rất đƣợc quan tâm nghiên cứu và phát triển đó là xây dựng các mô hình đồ hoạ 3D trên máy vi tính nhằm cung cấp các môi trƣờng học tập và nghiên cứu. Những mô hình đƣợc xây dựng ở đây phải xây dựng làm sao để chuyển tải đƣợc thực tế của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 chúng ta vào môi trƣờng mô phỏng đó, cung cấp khả năng tƣơng tác của con ngƣời với môi trƣờng mô phỏng đó, có khả năng gây kích thích cao với ngƣời tham gia, cho phép chia sẽ tài nguyên về môi trƣờng qua môi trƣờng mạng…, chúng ta có thể thấy rằng đó chính là đồ hoạ 3D. Trong Thiết Kế Xây Dựng : Những chƣơng trình đồ hoạ mạnh nhất hiện nay chủ yếu phục vụ vào các lĩnh vực thiết kế và xây dựng nhƣ AUCAD, AUTODEST, 3DMAX, SHAPRE,…Những chƣơng trình đã giúp cho những nhà thiết kế xây dựng giảm đƣợc rất nhiều chi phí về thời gian và công sức thiết kế. Đồ hoạ 3D tạo cho ngƣời ta cảm giác chìm đắm trong một không gian nhƣ trên thực tế mà đã đƣợc xây dựng trên máy vi tính sẽ giúp cho chúng ta có thể có một cái nhìn chi tiết về công trình đã đƣợc thiết kế. Trong Quân Sự: Vấn đề môi trƣờng thực tế, điều kiện kinh tế, kỹ thuật, vấn đề an toàn về tính mạng con ngƣời là những vấn đề khó khăn hàng đầu của các quốc gia trong Quân Sự. Một trong những lý do đầu tiên mà đồ hoạ 3D ra đời là nhằm phục vụ cho quân sự. Nhƣ vậy đồ hoạ 3D giải quyết những vấn đề khó khăn ở trên ra sao, hiệu quả thực tế mang lại nhƣ thế nào chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong phần này. Chắc hẳn ai cũng biết rằng không phải lúc nào cũng có chiến tranh, song khi có chiến tranh không phải là lúc chúng ta chuẩn bị lực lƣợng, vậy thì lấy đâu ra môi trƣờng thực tế để rèn luyên, chuẩn bị lực lƣợng…Hay trên thực tế có thể tạo ra đƣợc môi trƣờng tập luyện thực sự. Do điều kiện kinh tế kỹ thuật không cho phép hay việc tập luyện ấy quá nguy hiểm tới tính mạng của con ngƣời. Nhƣ vậy vấn đề ở đây là làm sao tạo ra đƣợc môi trƣờng tập luyện nhƣ trên thực tế mà lại không quá tốn kém hay nguy hiểm đến tính mạng con ngƣời. Mà đem lại hiệu quả tập luyện lại tốt nhƣ trên thực tế. Ngƣời ta đã giải quyết những vấn đề trên một cách thực sự hiệu quả khi ứng dụng đồ hoạ 3D. Điều này có thế thấy rõ nhƣ ở một số nƣớc có liên quân sự mạnh nhƣ Mỹ, Nga, Trung Quốc…Ngƣời ta đã xây dựng các hệ thống mô phỏng phục vụ cho việc tập luyện của bộ binh, hay những hệ thống mô phỏng hệ thống an ninh, mô phỏng trận địa… phục vụ cho việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn