Diese Diplomarbeit widmet sich der Anwendung von Non-photorealistic Rendering (NPR) in der computergrafischen Visualisierung. Nach einer Einführung in die Grundtechniken des Non-photorealistic Renderings werden insbesondere die Anwendungsmöglichkeiten von NPR in der medizinischen Visualisierung untersucht und eine eigene Lösungsentscheidung für die konkrete Problemstellung einer verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen vorgestellt und implementiert.
Da das NPR einen sehr komplexen und umfangreichen Anwendungsbereich beschreibt, ist es erforderlich seine unterschiedlichen Ausprägungen hervorzuheben. Wichtiger Bestandteil aller Kapitel sind daher grafische Beispiele, die zwar den Umfang der Arbeit deutlich erhöhen, aber für die Veranschaulichung und zur Verdeutlichung von Unterschieden unerlässlich sind.
Einleitend (Kapitel 2) erfolgt zunächst ein Überblick über die Gesamtthematik NPR, der eine Definition sowie die geschichtliche Entwicklung und Struktur des Non-photorealistic Renderings einschließt. Im weiteren teilt sich die Arbeit in drei Hauptteile auf, die eine sukzessive Fokussierung auf die Problemlösung zur verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen verfolgen. Die einzelnen Teile bauen jeweils auf den Erkenntnissen und Grundlagen der vorherigen Teile auf und erlauben so das Nachvollziehen der vorgestellten Sachverhalte.
So werden in einem ersten Teil (Kapitel 3) verschiedene Grundtechniken, die als Basis der meisten NPR-Verfahren dienen, in einer Gliederung vorgestellt und untersucht. In diesem Kapitel ist die Blickrichtung allgemein und berücksichtigt sowohl mediale, künstlerische als auch erste medizinische Visualisierungsaspekte.
Darauf aufbauend, wird der Fokus im zweiten Teil (Kapitel 4) auf den medizinischen Bereich, insbesondere auf die Visualisierung von CT- (Computertomographie) und PET-Daten (Positronen-Emissions-Tomographie), konzentriert. Dabei werden zunächst Aspekte aus der handgefertigten Illustration medizinischer und anatomischer Strukturen sowie der Einsatz von bildgebenden Verfahren in der Medizin vorgestellt. Außerdem wird ein Bewusstsein für die die medizinische Visualisierung betreffenden Problemstellungen geschaffen. Ebenso werden die Einsatzmöglichkeiten von NPR in der medizinischen Visualisierung untersucht.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Überblick Non-photorealistic Rendering
2.1 Definition
2.2 Geschichtliche Entwicklung
2.3 Struktur
3 Grundtechniken von Non-photorealistic Rendering
3.1 Pixel Manipulation
3.1.1 Halftoning
3.1.2 Stippling
3.2 Simulation von Kunsttechniken
3.2.1 Pencil Rendering
3.2.2 Pen-and-Ink Rendering
3.2.3 Painterly Rendering
3.3 Erweiterte Illustrationstechniken
3.3.1 Edge Enhancement
3.3.1.1 Zweidimensionale Verfahren
3.3.1.2 Dreidimensionale Verfahren
3.3.2 Shading
3.3.2.1 Component-Based Lighting Model
3.3.2.2 Tone Shading
3.3.2.3 Hatching
4 Medizinische Visualisierung
4.1 Handgefertigte medizinische Illustrationen
4.1.1 Gesamtüberblick
4.1.2 Illustrationstechniken
4.1.2.1 Linien- und Punkttechniken
4.1.2.2 Farbgebung
4.2 Computergrafische medizinische Visualisierung
4.2.1 Anwendungsgebiete in der Medizin
4.2.2 Bildgebende Verfahren
4.2.2.1 Computertomographie
4.2.2.2 Positronen-Emissions-Tomographie
4.2.2.3 Datenstruktur für dreidimensionale bildgebende Verfahren
4.2.3 Volume Rendering
4.2.3.1 Direct Volume Rendering
4.2.3.2 Indirect Volume Rendering
4.2.4 Typische Problemstellungen medizinischer Visualisierung
4.2.4.1 Wahl zwischen Geschwindigkeit und optischer Qualität
4.2.4.2 Auflösung der Datensätze
4.2.4.3 Klassifikation durch Transferfunktionen
4.2.4.4 Segmentierung
4.2.4.5 Koregistrierung für kombinierte Darstellungen mehrerer Datensätze
4.2.4.6 Verbesserte Kontrastierung durch NPR-Techniken
4.3 Anwendung von NPR in der medizinischen Visualisierung
4.3.1.1 Grundlagen
4.3.1.2 Hatching
4.3.1.3 Stippling
4.3.1.4 Konturen
4.3.1.5 Zusammenfassung
4.4 Lösungsentscheidung zur verbesserten Kontrastierung
5 Softwaretechnische Lösung
5.1 Grundlagen
5.1.1 Einführung Volume Studio
5.1.2 Theoretische Grundlagen
5.1.3 Verwendete Technologien
5.1.3.1 C++
5.1.3.2 OpenSG
5.1.3.3 OpenGL
5.1.3.4 Qt
5.1.4 Themenverwandte Arbeiten
5.2 Konzeption und Realisierung des Systems
5.2.1 Wahl des Kantenfindungsverfahrens
5.2.2 Vorstellung des Kantenfindungsverfahrens
5.2.3 Optimierungen und Erweiterungen
5.2.3.1 Reduzierung des Berechnungsaufwands
5.2.3.2 Optische und Funktionale Erweiterungen
5.2.4 Weitere Aspekte der Realisierung
5.2.4.1 Prüfungsverfahren der Volumenwürfel
5.2.4.2 Zeichnen der Konturlinien
5.2.5 Zusammenfassung
5.3 Einsatz des Systems
5.3.1 Ergebnispräsentation
5.3.2 Aufgetretene Probleme
5.3.3 Auswertungen
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Zusammenfassung
6.2 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, die Anwendung von Non-photorealistic Rendering (NPR) in der medizinischen Visualisierung zu untersuchen, um die Kontrastierung von CT/PET-Daten zu verbessern. Die zentrale Forschungsfrage befasst sich mit der Entwicklung eines effizienten Lösungsvorschlags zur Darstellung tiefenabhängig eingefärbter Konturlinien, der nahtlos in bestehende Systeme integriert werden kann.
- Grundlagen und Geschichte des Non-photorealistic Renderings (NPR)
- Analoge und digitale Illustrationstechniken in der Medizin
- Volume Rendering und dessen Anwendung auf medizinische Volumendaten
- Entwicklung und Optimierung eines Kantenfindungsverfahrens für "Volume Studio"
- Evaluierung der Leistungsfähigkeit durch Integration von Konturlinien und Depth Cueing
Auszug aus dem Buch
3.1 Pixel Manipulation
Die folgend vorgestellten Techniken lassen sich anhand ihrer Charakteristik unter dem Begriff „Pixel Manipulation“ zusammenfassen, da sie auf Basis der Umwandlung von Pixeln operieren. Als Quelle dient eine einfache Matrix, beispielsweise erstellt aus einem zweidimensionalen Bild, in der jeder Eintrag entweder einen Grau- oder Farbwert für einen Pixel darstellt. [vgl. Strothotte/Schlechtweg 2002, S. 31f.]
Das so genannte Halftoning (Rasterung oder Halbton-Verfahren) beschreibt eine Methode, die im klassischen Druckbereich ihren Ursprung hat und erst später zur Erstellung von nicht fotorealistischen Darstellungen übernommen und angepasst wurde. So diente das Halftoning ursprünglich zur Umwandlung einer Vorlage in ein Bild, welches nur durch den Einsatz von schwarzer Tinte gedruckt werden konnte. Es gab also lediglich die Möglichkeit, einen Bereich entweder schwarz oder weiß darzustellen. Einfach ausgedrückt, unterteilte das Halftoning ein Bild in ein Raster, in dem jedes Feld mit einem schwarzen Punkt gefüllt wird, dessen Größe in relativer Abhängigkeit zur Intensität des darzustellenden Bereichs steht. Das Feld eines solchen Rasters entsprach der kleinsten Auflösungseinheit, die das Ausgabegerät drucken konnte. Die Halftoning Technik nutzt dabei aus, dass das menschliche Auge die einzelnen Punkte aus einer gewissen Entfernung nicht mehr differenzieren kann und somit viele Punkte zu einem Bereich zusammenfasst, welcher so wiederum den Grauwert oder die Intensität des Vorlagenbilds annimmt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Arbeit führt in die Thematik der Anwendung von NPR in der medizinischen Visualisierung ein und beschreibt den Aufbau der Untersuchung von theoretischen Grundlagen bis hin zur softwaretechnischen Implementierung.
2 Überblick Non-photorealistic Rendering: Es werden grundlegende Definitionen, die geschichtliche Entwicklung und die zugrundeliegenden Strukturen von NPR vorgestellt.
3 Grundtechniken von Non-photorealistic Rendering: Dieses Kapitel erläutert Basistechniken wie Halftoning, Stippling, Pencil-, Pen-and-Ink- und Painterly-Rendering sowie erweiterte Ansätze wie Edge Enhancement und Shading.
4 Medizinische Visualisierung: Fokus auf die Anwendung von NPR-Techniken im medizinischen Kontext zur Verbesserung der Kontrastierung von CT- und PET-Daten, inklusive der Analyse handgefertigter Illustrationen.
5 Softwaretechnische Lösung: Beschreibung der Implementierung des Lösungsvorschlags in "Volume Studio", inklusive Konzeption, Wahl des Kantenfindungsverfahrens und der Evaluierung der Ergebnisse.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Abschließende Reflexion der erzielten Ergebnisse und Diskussion zukünftiger Optimierungsmöglichkeiten durch Grafikkarten-Beschleunigung oder Segmentierungsverfahren.
Schlüsselwörter
Non-photorealistic Rendering, Medizinische Visualisierung, Computertomographie, Positronen-Emissions-Tomographie, Volume Rendering, Edge Enhancement, Konturlinien, Depth Cueing, Stippling, Hatching, Volume Studio, Bildverarbeitung, Segmentierung, Tonal Art Map, Kontrastierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der vorliegenden Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Nutzung von Non-photorealistic Rendering (NPR) zur Verbesserung der visuellen Kontrastierung in der medizinischen computergestützten Visualisierung.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf den Grundlagen von NPR, der Übertragung künstlerischer Illustrationstechniken auf Computergrafiken und deren spezifische Anwendung auf medizinische CT- und PET-Datensätze.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist die Entwicklung und Implementierung eines Verfahrens zur Erkennung und Darstellung von Konturlinien, um die räumliche Orientierung und Lesbarkeit komplexer medizinischer Volumendaten zu optimieren.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer Literaturanalyse zu NPR und medizinischer Visualisierung, kombiniert mit einer softwaretechnischen Entwicklung in C++ (unter Nutzung von OpenSG und Qt) und anschließender empirischer Evaluierung der Ergebnisse.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil analysiert bestehende NPR-Techniken und überträgt diese auf die medizinische Bildgebung, bevor er detailliert die Konzeption und Realisierung eines Kantenfindungsalgorithmus in "Volume Studio" darlegt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Non-photorealistic Rendering (NPR), medizinische Visualisierung, Volume Rendering, Konturlinien und die spezifischen Implementierungstechnologien wie OpenSG und Qt.
Welchen Vorteil bietet das Verfahren von Dong et al. in "Volume Studio"?
Es handelt sich um ein rein volumenbasiertes Verfahren, das direkt auf den Daten operiert, ohne den rechenintensiven Umweg über eine explizite Oberflächengenerierung (z.B. mittels Marching Cubes) gehen zu müssen.
Wie trägt das Depth Cueing zur visuellen Verbesserung bei?
Depth Cueing nutzt die Entfernung der Kontursegmente vom Betrachtungspunkt, um diese unterschiedlich einzufärben, was dem Betrachter intuitive Tiefeninformationen liefert und die räumliche Struktur besser erfassbar macht.
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- Dipl. Medienwiss. / B. Sc. Simon Beisel (Author), 2007, Non-photorealistic Rendering in der medizinischen Visualisierung zur verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/91850
