Трехмерная графика. Использование трехмерной графики в медицине
Трехмерная графика. Использование трехмерной графики в медицине
Трехмерная графика
Общие понятия
Моделирование
Рендеринг (визуализация)
Трехмерная анимация
Программное обеспечение трехмерного моделирования
Трехмерная графика в медицине
3D сканеры
Контактные 3D сканеры
Бесконтактные 3D сканеры
Ультразвуковые 3D сканеры
Сканер для медиков
Трехмерные технологии в медицине
Трехмерные дисплеи
3D дисплей для хирургов
Волюметрический дисплей Perspecta Spatial 3D
Трехмерное УЗИ
4D виртуальный человек
Глоссарий
Список литературы
Ссылки на Интернет-источники
Использование трехмерной графики в медицине
Трехмерная графика
Общие понятия
Моделирование
Рендеринг (визуализация)
Трехмерная анимация
Программное обеспечение трехмерного моделирования
Трехмерная графика. Общие понятия
Компьютерная графика — область деятельности, в которой компьютеры используются как для синтеза изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Существующая компьютерная графика делится на двумерную графику и трехмерную.
Трёхмерная графика (3D) — раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, медицине, а также в науке.
Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.
При этом модель может, как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, органы, кости), так и быть полностью абстрактной. Пример трехмерного изображения приведен на рисунке 266.
Для получения трёхмерного изображения требуются следующие шаги: моделирование, анимация и рендеринг (визуализация).
Рисунок 266. Пример трехмерного изображения
Моделирование
Технология трехмерного моделирования позволяет показать в объеме различные объекты и композиции, которые еще не существуют в реальности или реальные объекты, которые по тем или иным причинам трудно сфотографировать и представить в нужном ракурсе.
Программы для работы с трехмерной графикой называются 3D-редакторами. Работу в трехмерном редакторе можно сравнить со съемкой настоящего фильма, в котором человек – режиссер. «Съемочная площадка» – это рабочее пространство 3D-редактора, обычно представленное одним или несколькими окнами проекций. Рассмотрим технологию трехмерного моделирования на примере программы 3ds max. Каждый проект, над которым проводится работа, называется трехмерной сценой.
Ее создание обычно происходит в несколько этапов:
создание геометрической модели сцены
подготовка и назначение материалов
настройка освещения и съемочных камер
(рендеринг) визуализация сцены
В трехмерной сцене могут участвовать следующие типы объектов:
геометрические примитивы (сфера, куб, конус, а также тела, описываемые квадратными и кубическими уравнениями);
источники света;
меши (группы связанных между собой «встык» треугольников, образующих иллюзию тела или поверхности среды);
среды (жидкости в стаканах, газы, например, воздух в атмосфере, дымы);
Есть и концептуально более сложные типы, как, например, искажения пространства или системы частиц.
Задача трёхмерного моделирования — описать эти объекты и разместить их на сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению. На рисунке 267 приведен пример геометрических примитивов, а на рисунке 268 изображение системы частиц.
Рисунок 267. Геометрические примитивы
Рисунок 268. Системы частиц
Этап настройки материалов.
Материал в 3ds max – это набор оптических характеристик, присваиваемых поверхности геометрической модели для придания ей визуального сходства с поверхностью реального объекта.
Основными характеристиками являются:
зеркальное отражение
диффузное рассеивание
глянцевитость
сила блеска
светимость
прозрачность и т.д.
Простейшие материалы могут быть усовершенствованы за счет применения текстурных карт. Карты текстур – это по большей части изображения (цифровые фотографии) позволяющие имитировать тот или иной специфический рисунок материала. В 3ds max реализовано 35 типов карт текстур, с помощью которых можно имитировать 12 оптических характеристик материалов, - этого более чем достаточно для того, чтобы воплотить в трехмерной сцене практически любые из реально существующих или фантастических материалов.
Важнейшим из этапов формирования трехмерной сцены является создание осветителей и видеокамер. В 3ds max реализовано 18 типов источников освещения сцены:
стандартные (всенаправленные, направленные, прожектор, имитатор света неба)
фотометрические (точечные, линейные, площадные) и др.
Источники света необходимы для придания трехмерной сцене эффекта реалистичного освещения.
Камеры необходимы для формирования изображения с нужного ракурса. Воображаемые объективы камер 3ds max, как и объективы реальных фото или видеокамер, могут иметь различные фокусные расстояния и регулируются по ширине поля зрения
На рисунке 269 приведена трехмерная сцена с созданной в ней камерой, а на рисунке 270 та же сцена, имеющая вид из виртуальной камеры.
Рисунок 269. Трехмерная сцена с созданной в ней виртуальной камерой
Рисунок 270. Вид из виртуальной камеры
Трехмерная графика. Рендеринг
На этапе рендеринга математическая (векторная) пространственная модель (разработанная 3D сцена) превращается в плоскую картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится (визуализируется) последовательность таких картинок, по одной для каждого кадра. Таким образом, рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселей. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если необходимо создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга — построение контуров моделей на экране компьютера с помощью проекции. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане).
Наиболее популярными системами рендеринга можно назвать:
Mental Ray
V-Ray
FinalRender
На рисунке 271 показана трехмерная сцена без использования осветителей и материалов, а на рисунке 272 визуализированная сцена с использованием осветителей и материалов.
Итак, подводя итог вопроса создания трехмерной сцены и ее визуализции будет не лишним еще раз повторить, что основными этапами создания трехмерной сцены являются:
Построение геометрической модели
Настройка материалов
Настройка освещения
Визуализация (Rendering) сцены
Итог – плоская картинка или анимация.
Рисунок 271. Трехмерная сцена без использования осветителей и материалов.
Рисунок 272. Визуализированная сцена с использованием осветителей и материалов
Трехмерная графика в медицине
В последние годы трехмерная графика активно используется в медицине. Существует несколько направлений использования 3D технологий.
Прежде всего, это направленность трехмерной графики на процесс обучения студентов. Преподаватели медицинских учебных заведений могут использовать 3D моделирование в наглядных методах обучения для демонстрации приборов, технических установок, а также всевозможных физиологических процессов, таких, как движение крови по сосудам, формирование холестериновых бляшек, размножение вирусов, процесс рождения ребенка и т.д. Все это позволяет создавать красочные, интересные и наиболее запоминающиеся занятия. Таким образом, обучающиеся могут в динамике увидеть многие процессы, которые раньше могли усваивать по статическим изображениям в учебниках.
Механизмы трехмерной графики используют для создания трехмерных моделей органов и суставов. На сегодняшний день в Интернете можно найти большое число 3D моделей. Часть из можно приобрести за деньги, некоторые распространяются свободно. Многие модели продаются с высококачественными текстурами, созданными на основе цифровых фотографий настоящих органов. Данные объекты могут быть доступны для разных программ трехмерного моделирования: Maya, 3DS Max, Lightwave и др.
На рисунках 273, 274 изображены трехмерные модели органов человека – сердце и почка.
|
|
Рис 273. Трехмерная модель сердца человека |
Рис 274. Трехмерная модель почки человека |
Рисунок 275. Трехмерная модель человека
|
|
Рис 276. Трехмерная модель человеческого зуба |
Рис 277. Трехмерная модель челюсти |
Широкое распространение получили трехмерные обучающие атласы. На рисунке 275 изображена трехмерная модель человека (из трехмерного мультимедийного атласа Glasklar Human).
В этой области также очень популярны распространяемые в Интернете трехмерные атласы хирургической анатомии челюстно-лицевой области. Для создания подобных моделей могут использоваться такие уникальные технологии, которые позволяют создавать трехмерные изображения лица из обычных фотографий. На рисунке 276 изображена трехмерная модель человеческого зуба. На рисунке 277 показана трехмерная модель челюсти. Изображения взяты с сайта 3dscience.com.
Используя трехмерные атласы, можно визуально просматривать в трехмерной проекции и вращать 3D объекты органов, костей, зубов и т.д. в реальном масштабе времени на PC. Такой материал может быть полезен всем: стоматологам, пластическим хирургам, косметологам, студентам медицинских учебных заведений.
Трехмерная анимация
С помощью программ трехмерного моделирования можно создавать анимацию.
Анимация – процесс создания множества изображений, демонстрации изменений объекта во времени и воспроизведение этих изображений с такой скоростью, что они сливаются в плавное движение. В объёмной анимации кадры являются фотографиями объёмных объектов — кукольных, барельефных, пластилиновых. В компьютерной анимации кадры синтезируются (обсчитываются) специальными компьютерными программами.
Трехмерная анимация создается при помощи специальных программ (например, 3DS Max). Картинки получаются путем визуализации сцены, а каждая сцена представляет собой набор объектов, источников света, текстур.
В следующем учебном фильме можно наблюдать трехмерную анимацию.
Используя готовые (или сделанные самостоятельно) трехмерные модели, можно создавать анимационные ролики для студентов медицинских учебных заведений, стажеров, медицинского персонала, которые найдут широкое применение в учебном процессе.
Анимационный ролик может представлять собой простое схематическое отображение процессов или это может быть фотореалистическая картина, демонстрирующая такие детали, которые нельзя увидеть никаким другим способом, даже под микроскопом. 3D графика и анимация, изначально придуманные для развлечения, способны также сымитировать любые явления - от сокращения сердечной мышцы до размножения живых клеток.
Следующий фильм отражает процесс работы сердца. Анимация взята с сайта www.primalpictures.com
В следующем фильме показана трехмерная модель человека и некоторые его составляющие.
В последние годы в ведущих медицинских клиниках мира появилось правило - демонстрировать принцип проведения операций при помощи технологий 3D графики и анимации. Подобные видео ролики создают для того, чтобы объяснить человеку с поверхностным представлением о медицине, как пройдет операция, убедить его в том, что она безопасна для жизни и здоровья. Современные технологии 3D графики и анимации способны наглядно и условно (без изображения крови и других моментов, вызывающих у большинства людей неприязнь) показать пациенту процесс лечения.
В следующем фильме продемонстрированы принципы проведения операции. При помощи трехмерной графики в фильме показана операция с физически невозможных ракурсов, в срезе и даже изнутри, визуализированы сложные биологические процессы. Фильм взят с сайта www.medicine3d.com
Ниже показан фильм, изображающий процесс рождения человека. Фильм взят с сайта www.nucleusinc.com.
Следующий фильм (http://www.hybridmedicalanimation.com/) показывает различные физиологические процессы на микроуровне: процесс микроциркуляции, выработки гормонов, движение эритроцитов по кровеносному руслу, процесс фагоцитоза и многое другое.
3D сканеры
В современном мире изобретены устройства, позволяющие очень быстро и точно создавать трехмерные модели. Эти приборы называются 3D-сканеры. С помощью таких приборов можно отсканировать любой объект для создания цифрового 3D изображения, которое может редактироваться и обрабатываться на PC, эффективно расширяя потенциал для 3D дизайна.
3D сканеры делятся на два основных типа:
сенсорные (контактные)
лазерные (бесконтактные)
Контактные 3D сканеры
Г
лавным
достоинством и недостатком одновременно
этого типа устройств является их
полуавтоматичность: модель, по сути,
производит оператор, а не само устройство,
что значительно медленнее, более дорогих
3d сканеров, использующих лазерную
технологию. К тому же, в отличие от
лазерных, бесконтактных сканеров,
сенсорные сканеры не считывают текстуру,
что в принципе является определяющим
критерием при выборе сканера для его
дальнейшего использования.
Подобные сканеры большинство специалистов уже списали со счетов, заявив, что их потолок- это сканирование небольших объектов. Тем не менее, спрос на эти сканеры по-прежнему достаточно высок в силу невысокой, даже низкой стоимости. На рисунке 278 изображен сенсорный 3D-сканер.
Рис 278. Сенсорный 3D-сканер
Безконтактные 3D сканеры
Бесконтактные трехмерные сканеры используют более сложную и передовую лазерную технологию. Большинство из данного типа устройств совмещают в себе следующие приборы: лазерные датчики, которые заменяют контактный сенсор, а также цифровую фототехнику, которая используется для большей точности сканирования и, самое главное, она позволяет получить модель объекта с текстурами.
Недостатком данного типа устройств является их очень высокая стоимость (от 4 до 300 тыс. долларов) и невозможность управлять процессом сканирования. После сканирования модели данным типом сканеров, объект приходится создавать практически заново, потому что модель получается в большинстве случаев малопригодной для анимации. К достоинствам отнесем возможность сканирования трехмерной текстуры, которая требует минимальной доработки. В этом плане бесконтактные лазерные сканеры бьют по всем статьям контактные с их нежеланием работать с текстурой. К тому же лазерные сканеры работают с гораздо более крупными объектами, нежели их механические собратья. На рисунке 279 представлен лазерный 3D-сканер, а на рисунке 280 – трехмерная модель, созданная с помощью сканера.
Между прочим, существует предубеждение, что лазерные сканеры опасны для человеческих глаз. В действительности же так было раньше, а современные 3D сканеры, использующие лазерную технологию, безвредны для глаз человека.
-
Рис 279. Лазерный 3D-сканер
Рис 280. Трехмерная модель, созданная с помощью 3D-сканера.
Ультразвуковые 3D сканеры
Необходимо упомянуть бесконтактные сканеры, которые базируются на ультразвуковых установках. К достоинствам этого типа сканеров следует отнести возможность сканирования тел, находящихся в однородной среде или имеющих внутреннюю структуру. К недостаткам относят высокую стоимость и чрезмерную чувствительность к изменениям окружающей среды. Кроме того, ультразвуковые и магнитные сканеры обладают низкой точностью - 1/16 и 1/32 дюйма соответственно. Данный тип сканеров используется преимущественно в медицине.
На рисунке 281 приведен ультразвуковой 3D-сканер.
Рисунок 281. Ультразвуковой 3D-сканер
Сканер для медиков
Компания Philips Medical Systems представила революционный сканер, позволяющий получать трехмерные изображения органов и скелета с недоступной до сих пор детализацией. Сканер Brilliance iCT использует рентгеновское излучение, однако позволяет уменьшить время сканирования и дозу радиации, которую получает при этом пациент. Сканирование всего тела человека занимает меньше минуты. Затем с помощью специальной компьютерной технологии множество рентгеновских снимков объединяются в общую подробную картину – трехмерное изображение.
У врачей появляется возможность рассматривать сканируемые органы под разными углами, более точно определять признаки заболевания. На рисунке 282 показаны трехмерные модели, созданные при помощи сканера Brilliance iCT.
Рисунок 282.
Трехмерные модели, созданные при помощи сканера Brilliance iCT
Трехмерные технологии в медицине
Трехмерные технологии в медицине
Трехмерные дисплеи