НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Акимишин Орест Ігорович
УДК 004.932; 004.04
Методи та засоби зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів комп’ютерної томографії
05.13.05 – комп’ютерні системи та компоненти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів-2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України
| Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор Мельник Анатолій Олексійович, Національний університет “Львівська політехніка”,завідувач кафедри електронних обчислювальних машин |
| Офіційні опоненти - | доктор технічних наук, професор Русин Богдан Павлович, Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України,завідувач відділу методів і систем обробки, аналізу та ідентифікації зображень доктор технічних наук, професор Самотий Володимир Васильович, Вища Школи Бізнесу в Домброві Гурнічій Міністерства освіти і науки Польщі,професор кафедри інформаційних технологій |
Захист відбудеться “ 11 ” липня 2008 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С. Бандери,
12) З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул. Професорська,
1) Автореферат розісланий “ 10 ” червня 2008 р.
| Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д. т. н., проф. | Я.Т. Луцик |
Актуальність теми. Важливим завданням у високотехнологічних галузях промисловості, зокрема авіаційній, космічній, атомній, машинобудуванні тощо є неруйнівний контроль та дефектоскопія. Дистанційне знаходження дефектів (порожнин, тріщин, неоднорідностей матеріалів) забезпечують методи, що ґрунтуються на комп’ютерній томографії. У неруйнівному контролі вони дозволяють визначити розміри, форму, місцеположення дефектів у суцільних середовищах та конструкційних матеріалах.
Із розвитком технології комп’ютерної томографії актуальною стає задача обробки об'ємних зображень, зокрема виділення та опис об’єктів, класифікація об’єктів, сегментація зображень. Для подання тривимірних об’єктів комп’ютерної томографії застосовується опис їхніх поверхонь тріангуляційними сітками. Як правило, такі описи забезпечують заданий рівень деталізації, проте часто містять мільйони трикутників, що для подання багатьох об’єктів є надлишковими.
За останні кілька років значно зросла роздільна здатність промислових комп’ютерних томографів, що, в свою чергу, зумовило стрімке збільшення кількості даних у вихідних тривимірних томограмах. При відтворенні об’єктів із воксельних зрізів (сканів) реальні моделі містять велику кількість даних. У зв’язку з цим виникають дві основні проблеми:
обробка моделей, об’єми даних для представлення яких не поміщаються в основній пам’яті комп’ютера, що суттєво сповільнює їх обробку;
забезпечення швидкого відображення моделі тривимірного об’єкту на дисплеї комп’ютера;
Друга проблема є складнішою, оскільки в багатьох випадках є вимога роботи в реальному масштабі часу. Тому актуальною є задача зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів перед їх обробкою та візуалізацією.
Крім того, час, за який необхідно забезпечити зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів, є обмежений специфікою використання комп’ютерного томографа. Незважаючи на стрімке зростання характеристик універсальної обчислювальної техніки, їх можливостей замало для розв’язання цієї задачі за прийнятний час. Тому актуальною є задача розроблення спеціалізованих прискорювачів зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів комп’ютерної томографії.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Представлені в дисертації дослідження виконувалися згідно з планом наукових досліджень, що проводились кафедрою електронних обчислювальних машин Національного університету "Львівська політехніка" в рамках держбюджетної теми ДБ-АВАГ (номер держреєстрації 0104U002284)"Конфігуровані вимірювально-обчислювальні мережі інтелектуальних автономних агентів для вирішення задач моніторингу навколишнього середовища" 2004-2006 рр. та Державної програми "Інформаційні та телекомунікаційні технології в освіті і науці" на 2006-2010 роки (номер 0107U009397)"Розробка структури львівського ресурсно-операційного Grid центру та його ресурсів" №1 ІТ506-2007).
Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є розроблення нових методів та спеціалізованих обчислювальних пристроїв зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів комп’ютерної томографії. Реалізація мети передбачає розв’язання таких завдань:
проаналізувати відомі методи зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів у тривимірному просторі та структури даних для представлення тривимірних об’єктів комп’ютерної томографії в пам'яті комп'ютера;
розробити методи обчислення відхилення між тріангуляційними сітками для забезпечення зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів, відтворених за даними комп’ютерної томографії, в межах заданого відхилення;
на основі запропонованих методів розробити програмне забезпечення для зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів комп’ютерної томографії та дослідити характеристики його роботи на реальних об'ємних зображеннях;
розробити алгоритми та структури пристроїв для виконання базових операцій зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об'єктів комп’ютерної томографії;
розробити апаратно-орієнтований метод зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів, а також для пришвидшення обробки даних розробити метод розбиття вхідних даних на окремі елементи опрацювання;
розробити базову структуру та моделі спеціалізованих обчислювальних пристроїв для зменшення обсягів даних та виконати їх синтез, використовуючи засоби автоматизованого проектування комп’ютерних систем.
Об’єкт дослідження: подання тривимірних об’єктів комп’ютерної томографії.
Предмет дослідження: методи та комп’ютерні засоби зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів комп’ютерної томографії.
Методи дослідження: У роботі використано методи аналітичної геометрії та обчислювальної математики, що дозволило синтезувати алгоритми обчислення геометричних функцій у тривимірному просторі та методи проектування комп’ютерних пристроїв, що дозволило синтезувати структури апаратних прискорювачів на основі розроблених у роботі методів. Для перевірки працездатності отриманих моделей та структур пристроїв, а також висвітлення отриманих результатів використано експериментальні дані і методи математичного та імітаційного моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
Запропоновано метод зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів комп’ютерної томографії, що, на відміну від відомих, базується на використанні квадрату відстані від вершини до площини та суми квадратів відстаней від вершини до множини інцидентних площин. Це дозволило в 1,2 рази зменшити обсяги даних об’єктів порівняно із відомими методами.
Розроблено апаратно-орієнтовані алгоритми зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів, на основі яких побудовано відповідні моделі обчислювальних структур, що базуються на представленні алгоритму графом, та досліджено їхні характеристики. Це дало можливість розробити базову структуру пристроїв зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів комп’ютерної томографії.
Набув подальшого розвитку метод розбиття тріангуляційних сіток на окремі елементи, в частині розділення вхідних даних та незалежним виконанням операцій над цими даними, що дозволило пришвидшити обробку даних, шляхом їх конвеєрної обробки.
На підставі запропонованих у роботі методів розроблено базову структуру та принципи функціонування спеціалізованих апаратних прискорювачів для зменшення обсягів даних тріангуляційного опису тривимірних об’єктів комп’ютерної томографії, що дає можливість пришвидшити процедуру зменшення обсягів даних шляхом її апаратного виконання.
Практичне значення отриманих результатів. Використання розробленої моделі зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів, відтворених за даними комп’ютерної томографії, в складі математичного, алгоритмічного та програмного забезпечення рентгенівського комп’ютерного томографа дозволяє зменшити об’єми даних для представлення тривимірних об’єктів на 50-90% залежно від геометричної форми об’єктів.
розроблена та досліджена VHDL-модель спеціалізованого апаратного прискорювача зменшення обсягів даних тріангуляційного опису тривимірних об’єктів дозволяє реалізацію на її основі спеціалізованих пристроїв зменшення обсягів даних тріангуляційного опису об’єктів комп’ютерної томографії.
отримані в дисертаційній роботі наукові результати реалізовано у вигляді програмного забезпечення, яке використовується для зменшення обсягів даних тріангуляційного опису тривимірних об’єктів, відтворених за даними комп’ютерної томографії. Також результати роботи можуть бути застосовані для зменшення обсягів даних тріангуляційних моделей рельєфів, моделей, отриманих іншими засобами об'ємного сканування, зокрема лазерними сканерами, конвертування форматів даних при поданні тривимірних об’єктів та їх обробки комп’ютерними засобами.
Використання результатів. Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи використано і впроваджено при розробці системи автоматизованого пошуку дефектів у суцільних середовищах та конструкційних матеріалах за даними рентгенівської комп’ютерної томографії, що виконана на науково-виробничому підприємстві "Інтрон", а також при виконанні держбюджетних тем на кафедрі електронних обчислювальних машин Національного університету "Львівська політехніка";