Kỹ thuật hiển thị mô hình 3d và ứng dụng vào hiển thị một số hệ xương người lào

Điều này có thể khẳng định được việc thiếu thốn này ngay tại Trường Đại học Y tế và Sức Khỏe thủ đô Viêng Chăn, Lào cũng thiếu thốn và chưa có xác người, các bộ phận hay hệ xương người

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

KỸ THUẬT HIỂN THỊ MÔ HÌNH 3D VÀ ỨNG DỤNG VÀO

HIỂN THỊ MỘT SỐ HỆ XƯƠNG NGƯỜI LÀO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

SINH VIÊN THỰC HIỆN: PHOUMPASEUD SIVONGSAY

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN HUÂN

THÁI NGUYÊN 2019

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Công nghệ Thông tin

và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên

Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đai học Thái Nguyên, đến nay em đã kết thúc khóa học 2 năm và hoàn thành luận văn tốt nghiệp Để có được kết quả này em xin chân thành cảm ơn:

Ban Giám hiệutrường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông cùng các thầy, cô giáo trong trường đã giảng dạy, quan tâm và điều kiện thuận lợi để chúng

em học tập và rèn luyện trong suốt thời gian theo học tại trường

PGS TS Nguyễn Văn Huân đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá

trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Thầy đã cho em một hướng đi mới, một cách tiếp cận mới với một công nghệ 3D còn rất mới mẻ ở CDN Lào, nhưng sẽ rất phát triển trong tương lai gần bởi những ứng dụng vô cùng quan trọng của nó và bởi những lợi ích thiết thực mà nó đem lại cho chúng ta

Thái Nguyên, ngày tháng năm HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Phoumpaseud SIVONGSAY

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: 13

KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH HÓA 3D XƯƠNG TRONG THỰC TẠI ẢO 13

1.1 Khái quát về đồ họa máy tính và thực tại ảo 13

1.1.1 Khái quát về đồ họa máy tính 13

1.1.2 Khái quát về thực tại ảo 16

1.1.3 Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo 20

1.2 Khái quát về giải phẫu, xây dựng bài giảng điện tử giải phẫu 21

1.2.1 Giải phẫu học và giảng dạy giải phẫu 21

1.2.2 Ứng dụng thực tại ảo vào giải phẫu trong y học 23

1.3 Mô hình hóa 3D xương trong thực tại ảo 27

1.3.1 Xương là gì 27

1.3.2 Cấu trúc và đặc trưng của xương 27

1.3.3 Phân loại xương 28

1.3.4 Mô hình hóa xương trong thực tại ảo 29

1.3.4.1 Các phần mềm thường sử dụng cho tạo mô hình 3D 29

1.3.4.2 Dựng mô hình từ ảnh thông thường 30

1.3.4.3 Dựng mô hình từ dữ liệu máy quét 3D 30

1.3.5 Công cụ xây dựng mô hình hóa 3D 32

Chương 2: 33

KỸ THUẬT HIỂN THỊ MÔ HÌNH 3D HỆ XƯƠNG NGƯỜI TRONG Y TẾ 33

2.1 Kỹ thuật Render Volume 33

2.1.1 Quy trình (Rendering Process) 34

2.1.2 Các phương pháp tạo bố cục ảnh (image composition) 35

2.2 Kỹ thuật biểu diễn bề mặt 38

2.3 Kỹ thuật Render Volume tương tác 44

2.3.1 Thăm dò và tương tác miền kép 44

2.3.2 Dữ liệu thăm dò vật dụng 45

2.3.3 Phân loại vật dụng 45

2.3.4 Bảng chọn màu sắc 46

2.4 Kỹ thuật Race Tracking 46

2.4.1 Tính toán đường đi của ánh sáng 46

2.4.1.1 Tia sáng và Tam giác 46

2.4.1.2 Tia sáng và Tứ giác 47

2.4.1.3 Tia sáng và các mặt bậc hai 48

2.4.1.4 Tia sáng và Mặt ẩn 49

2.4.1.5 Tia sáng và Mặt NURBS 49

2.4.1.6 Tia sáng và Mặt con 50

2.4.1.7 Tia sáng và Khối hộp 50

2.4.2 Xử lý đổ bóng với Ray tracing 51

2.4.3 Một số vấn đề khác về Ray tracing 51

2.4.4 Ray tracing Monte Carlo 53

2.5 Kỹ thuật hiện thị mono, stereo và kết nối tivi 3D 58

2.5.1 Thiết bị phần cứng phục vụ cho hiển thị stereo 58

2.5.2 Nguyên lý hiển thị Stereo 59

2.5.3 Hiển thị hình ảnh thông qua phép chiếu 61

2.5.3.1 Phép chiếu phối cảnh 61

2.5.3.2 Hiển Stereo dưới góc nhìn của phép chiếu 62

Chương 3: 64

CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 64

3.1 Phân tích yêu cầu bài toán 64

3.2 Phân tích thiết kế, phát triển mô-đun đọc và hiển thị mô hình xương 3D 65

3.2.1 Phân tích và thiết kế mô-đun đọc mô hình 3D bộ xương 65

3.2.2 Phân tích thiết kế và phát triển mô-đun hiển thị hình ảnh 3D bộ xương 69

3.2.2.1 Yêu cầu đối với mô-đun 69

3.2.2.2.Mô hình hệ thống 69

3.2.2.3 Phân tích và thiết kế hệ thống 70

3.3 Phân tích thiết kế mô - đun thao tác hình ảnh 3D 75

3.3.1 Đối tượng sử dụng 75

3.3.2 Giải pháp 76

3.3.3 Phân tích người sử dụng và phân tích nhiệm vụ 76

3.3.4 Phác họa thiết kế 78

3.4 Phân tích, lựa chọn công cụ 81

3.4.1 Mô tả yêu cầu 81

3.4.2 Phân tích 82

3.4.3.Thiết kế 83

3.5 Cài đặt phát triển ứng dụng hệ thống hỗ trợ giải phẫu 3D xương 83

3.5.1 Mục đích và yêu cầu 83

3.5.2 Cài đặt hệ thống 84

3.5.3 Các chức năng chính của hệ thống 84

3.5.4 Mô hình hóa xương người 85

3.5.5 Hiển thị mô hình xương người 3D 87

3.5.6 Phân tích đánh giá kết quả 88

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 ACM Applied Computational Geometry

2 CAMTech Centre for Advanced Media Technology

3 CAD/CAM (Computer-aided Design / Computer-aided Manufacturing)

4 CNTT Công nghệ thông tin

5 3D 3-Dimension (3 chiều)

6 GKS (Graphics Kernel System

7 PHIGS (Programmer’s Hierarchical Graphics System

16 ELP Edge Label Placement

17 GFLP Graphical Feature Label Placement

18 HMI Human-Machine Interaction

19 INI Net the International Network of Institutions

20 NLP Node Label Placement

21 NPVR Non-Photorealistic Volume Rendering

22 NURBS Non Uniform Rational B-Spline

23 MC MarchingCubes

24 MIP Maximum Intensity Projection

25 MinIP Minimum Intensity Projection

26 MRI Magnetic Resonance Imaging

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống đồ họa 14

Hình 1.2 Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức) 17

Hình 1.3 Ba đặc tính của VR 18

Hình 1.4 Các thành phần một VR 18

Hình 1.5 Phẫu thuật ảo – Phương pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công nghệ Thực tại ảo 24

Hình 1.6 Mô hình bộ xương 18

Hình 1.7 Dựng mô hình 3D bằng máy quét 18

Hình 1.8 Kết quả dựng mô hình từ dữ liệu máy quét 3D 30

Hình 2.1 Hình ảnh 3D biểu diễn theo kỹ thuật VR 34

Hình 2.2 Minh họa kỹ thuật object –order 34

Hình 2.3 Minh họa kỹ thuật image –order 35

Hình 2.4 Mô hình Blinn / Kajiya 35

Hình 2.5 Minh họa kỹ thuật đơn giản hóa tính toán cường độ ánh sang 36

Hình 2.6 Sơ đồ tổng quan của rendering MIP 37

Hình ảnh 2.7 Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phươg pháp SR 38

Hình ảnh 2.8 Minh họa thuật toán Marching square 39

Hình ảnh 2.9 trường hợp Marching Square 39

Hình ảnh 2.10 Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền 40

Hình ảnh 2.11 Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh 41

Hình ảnh 2.12 Các trườg hợp một mặt đi qua khối lập phương trong thuật toán Marching Cubes 41

Hình ảnh 2.13 Một trường hợp lỗi của Marching Cubes 42

Hình 2.14 Chia khối lập phương thành các khối tứ diện 42

Hình 2.15 Hai trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện trong thuật toán Marching

42

Hình 2.16 Minh họa thuật toán Dividing Cubes để vẽ đương trong mặt phẳng 43

Hình 2.17 Minh họa thuật toán Dividing Cubes trong không gian ba chiều 43

Hình 2.18 Thăm dò và tương tác miền kép 44

Hình 2.19 Tứ giác abcd và cặp tọa độ song tuyến (u, v) 47

Hình 2.20 Tứ giác abcd được tính xấp xỉ bằng hai tam giác 48

Hình 2.21 (a) Khối hộp thông thường; (b) Khối hộp trục liên kết 50

Hình 2.22.(a) Các tia đổ bóng; (b) Hai ấm trà được xử lý đổ bóng bằng RT 51

Hình 2.23 Biểu diễn hình học hướng phản xạ của tia sáng 52

Hình 2.24.(a) Hai ấm trà bằng cờ-rôm và hiệu ứng phản xạ; (b) Cận cảnh hiệu ứng

phản xạ của hai ấm trà 52

Hình 2.25 Biểu diễn hình học hướng khúc xạ của tia sáng 53

Hình 2.26 Hai ấm trà bằng thủy tinh với hiệu ứng phản xạ và khúc xạ 53

Hình 2.27 Cây phản xạ và khúc xạ tia sáng với Ray tracing phân tán 54

Hình 2.28.(a) Các tia đổ bóng; (b) Hai ấm trà đổ bóng mềm với nguồn sáng hẹp 55

Hình 2.29.(a) Các tia đổ bóng; (b) Hai ấm trà đổ bóng với nguồn sáng rộng 55

Hình 2.30.(a) Hai ấm trà với hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng; (b) Cận cảnh hiệu ứng phản xạ bề mặt bóng 56

Hình 2.31 Hai ấm trà trên nền ca-rô với hiệu ứng phản xạ khuếch tán 56

Hình 2.32 (a) Đường đi của tia sáng gây ra độ mờ hữu hạn; (b) Hai ấm trà với hiệu ứng độ sâu trường ảnh 57

Hình2.33 Hai ấm trà với hiệu ứng làm mờ chuyển động 57

Hình 2.34 Kính AnaglyphGlass và hai hình ảnh đỏ, xanh của chiếc ghế 59

Hình 2.35 Nguyên lý hoạt động của kính ShutterGlass 59

Hình2.36 Quá trình thu nhận ảnh của con người 60

Hình 2.37 Quan sát đối tượng bằng một mắt (mắt phải) 60

Hình 2.38 Dùng hai camera để tạo ra hai hình ảnh của đối tượng 61

Hình 2.39 Phép chiếu phối cảnh một tâm chiếu 61

Hình 2.40 Phép chiếu hai tâm chiếu 62

Hình 2.41 Hiển thị stereo với người hai mắt 63

Hình 2.42 Hiển thị stereo trường hợp một phép chiếu kết hợp với 2 phép xoay 64

Hình 3.1 Biểu đồ Use Case Mô-đun đọc mô hình bộ xương 3D 66

Hình 3.2 Biểu đồ Use Case Mô-đun hiện thị hình ảnh mô hình bộ xương 3D 71

Hình 3.3 Thư mục chứa các file của phần mềm 84

Hình 3.4 Mô hình các xương vùng đầu mặt 85

Hình 3.5: Mô hình các xương sườn và xương ức 86

Hình 3.6 Mô hình xương cột sống 86

Hình 3.7 Mô hình hệ xương trục cơ thể người 87

Hình 3.8 Đọc và hiện thị mô hình 3D hệ xương 87

MỞ ĐẦU

Hiện nay, bài toán về các hệ xương người là một bài toán luôn chiếm được

sự nghiên cứu nhiều của các nhà khoa học về y học nói chung và giải phẫu học nói riêng trên thế giới quan tâm nghiên cứu Vì các hệ xương đóng vai trò quan trọng trên cơ thể mỗi người Tuy nhiên, các bệnh tật liên quan tới xương khớp xảy ra rất lớn, các vấn đề xảy ra khác trong cuộc sống hằng ngày như tai nạn giao thông, tai nạn lao động, nghề nghiệp thì hầu hết các sự viện xảy ra như vậy đều liên quan nhiều tới các xương khớp Vì vậy, để hỗ trợ tốt nhất cho vấn đề này thì trong ngành y học có những lĩnh vực hẹp nghiên cứu sâu liên quan giải phẫu học, cơ xương,…

Mặc dù, các quốc gia trên thế giới đã tích cực quan tâm tới lĩnh vực này,

đã có nhiều bác sĩ được đào tạo để có những phương pháp, kỹ năng chuẩn đoán bệnh xương tốt, phương pháp mới Nhưng hiện nay, số lượng bác sĩ được đào tạo trên mỗi quốc gia vẫn chưa đáp ứng được những yêu cầu thực tế, đặc biệt

về chất lượng và trình độ khám chữa bệnh thì nhiều bác sĩ ở vẫn chưa đáp ứng được như ở những quốc gia chậm phát triển, chẳng hạn như Lào,… Bời vì, quốc gia họ còn thiếu các trang biết bị, hệ thống thực hành thí nghiệm hỗ trợ đào tạo

và tập huấn cho bác sĩ Các trường đại học, cao đẳng cũng chưa đủ lực về tài chính để có thể đầu tư các trang thiết bị, phần mềm thực hành thí nghiệm Điều này có thể khẳng định được việc thiếu thốn này ngay tại Trường Đại học Y tế

và Sức Khỏe thủ đô Viêng Chăn, Lào cũng thiếu thốn và chưa có xác người, các bộ phận hay hệ xương người thật để thực hành, thí nghiệm cho học tập, giảng dạy và nghiên cứu, chưa có một bài giảng điện tử ảo nào để hỗ trợ giảng dạy liên quan tới giải phẫu hay phẫu thuật Vì vậy, có thể nói đây là một vấn đề thực tế đang được đặt ra và cần tìm những giải pháp hữu hiệu để khắc phục khó khăn này

Trong những năm gần đây, nhờ có sự phát triển của công nghệ đồ họa máy tính đã làm thay đổi hoàn toàn việc tương tác giữa người và máy Đã có một loạt các ứng dụng đồ họa máy tính ra đời, đáp ứng được nhiều nhu cầu của xã hội như trong lĩnh vực y tế Xuất phát từ tình hình thực tế như vậy, ngành Y

khoa cũng đang triệt để ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) để phục vụ cho nhu cầu của ngành mình Trên thế giới hiện nay đã sử dụng công nghệ mô hình hóa các thành phần trong trên người thật như các bộ phận tiêu hóa, hệ xương,… trên không gian 3 chiều ảo để phục vụ cho nghiên cứu, thực hành phẫu thuật và những mục đích có liên quan Với công nghệ mô phỏng trên máy tính hiện nay,

cơ thể người đã được hiện thị nhiều chiều trong không gian ảo, hay còn gọi là thực tại ảo

Qua quá trình học tập tại Việt Nam, tại trường Đại học Công nghệ thông tin

và Truyền thông, Đại học Thái Nguyên và xuất phát từ nhu cầu thực tế tạiTrường Đại học Y tế và Sức Khỏe thủ đô Viêng Chăn, Lào cũng như quốc

gia Lào, em lựa chọn đề xuất đề tài nghiên cứu một số kỹ thuật“Kỹ thuật hiển thị mô hình 3D và ứng dụng vào hiển thị một số hệ xương người Lào” dựa

trên lý thuyết xử lý ảnh, các thuật toán giải và ứng dụng vào mô hình thực tế và được xác định là sẽ có ý nghĩa về lý thuyết và ứng dụng trong cuộc sống nói chung, cho ngành Y khoa nói riêng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng

+ Hệ xương người Lào

+ Đặc tả đối tượng hệ xương người Lào trên công nghệ 3D

+ Các thuật toán giải và ứng dụng

+ Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh 3D cho đối tượng hệ xương Lào

+Nghiên cứu các thuật toán xử lý đồ họa 3D, lựa chọn thuật toán phù hợp

để cài đặt

Phạm vi nghiên cứu

+ Lý thuyết:

- Nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết xử lý ảnh, công nghệ thực tại ảo

- Công cụ mô hình hóa 3D về các đối tượng hệ xương

- Mô hình hóa hệ xương người Lào trên công nghệ 3D

- Phân tích, biểu diễn mô hình xương

+ Thực nghiệm:

- Nghiên cứu mô phỏng 3D hệ xương người Lào

- Biểu diễn, trích xuất dữ liệu về xương

Hướng nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết, thu thập, phân tích các tài liệu có liên quan đến đối tượng của đề tài

- Nghiên cứu, xây dựng mô hình 3D hệ xương người trong thực tại ảo

- Đánh giá, quan sát và hiệu chỉnh đối tượng 3D, kết xuất được một thành phần mô hình của đối tượng ra file định dạng nhằm phục vụ cho các yêu cầu thực tế

Nội dung nghiên cứu:

Dự kiến nội dung báo cáo của luận văn gồm: Phần mở đầu, 3 chương chính, phần kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục Bố cục được trình bày như sau:

CHƯƠNG 1:

KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH HÓA 3D XƯƠNG TRONG THỰC TẠI ẢO

1.1 Khái quát về đồ họa máy tính và thực tại ảo

1.1.1 Khái quát về đồ họa máy tính

Đồhọa máy tình (Computer Graphics) là một trong những chương trính thông dụng nhất, nó đã góp phần quan trọng làm cho giao tiếp giữa con người và máy tình trở nên thân thiện hơn Giao diện kiểu dòng lệnh đã được thay thế hoàn toàn bằng giao diện đồ họa, cùng với công nghệ đa phương tiện (multimedia) đã đưa ngành Công nghệ thông tin sang một phiên bản mới

Đồ họa máy tình đã phát triển rất nhanh, nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ như y học, kiến trúc, giải trì,…Đồ họa máy tình giúp chúng ta thay đổi cách cảm nhận và sử dụng máy tình, nó đã trở thành những công cụ trực quan không thể thiếu trong đời sống hàng ngày Ví vậy môn Đồ họa máy tình là một môn học chình trong chuyên ngành Công nghệ thông tin ở các trường Đại học, Cao đẳng

Ngày nay, đồ họa máy tình được ứng dụng rộng rãi trong ngành còng nghệ thông tin Khó mà tím được một ứng dụng thương mại của còng nghệ thông tin không

sử dụng một thành phần nào đó của hệ đồ họa máy tình Đồ họa máy tình ở vị trì quan trọng trong lĩnh vực thiết kế và giao tiếp kỹ thuật Nó là cơ sở để chuyển đổi các giải pháp tình toán số sang thể hiện hính ảnh tự nhiên cho thiết kế kỹ thuật hay muốn sáng

tỏ một vấn đề phức tạp Đồ họa máy tình biểu diễn được hính ảnh đối tượng, quan hệ,

dữ liệu, vị trì … Đồ họa máy tình còn có chức năng mô tả kìch thước của đối tượng, phân tìch dữ liệu Trong những thập niên cuối thế kỷ 20, sự phát triển mạnh của những

hệ đồ họa như CAD/CAM đã trở thành chuẩn còng nghiệp và trường học

Mục tiêu của đồ họa máy tình có chức năng tạo ra và thao tác các hính ảnh đồ họa, nên nó phải có khả năng tạo ra và hiệu chỉnh các hính ảnh bằng các tương tác và đáp ứng Các ứng dụng đồ họa đưa ra các chỉ dẫn thuật ngữ theo yêu cầu đồ họa người dùng Thư viện đồ họa thực hiện tương tác, làm cầu nối cho giao tiếp giữa người dùng

và các thiết bị đơn giản hơn

Hình 1.1 Hệ thống đồ họa

Một trong các yêu cầu chình của một hệ thống đồ họa là các ứng dụng, áp dụng cho nhiều hệ thiết bị, phải được phát triển không phụ thuộc vào phần cứng Để có được điều đó, phải có tiêu chuẩn hóa cho môi trường đồ họa ở mức chức năng, bằng việc cung cấp sự độc lập thiết bị và ngôn ngữ lập trính

Sự độc lập với thiết bị cho phép các chương trính ứng dụng đồ họa chạy trên các dạng phần cứng khác nhau Nó được thực hiện thông qua thiết bị nhập xuất logic cung cấp cho phần mềm ứng dụng thông qua thư viện đồ họa và ánh xạ thiết bị cụ thể

Cho tới nay, có những tiêu chuẩn đồ họa đã được phát triển trong nhiều năm, bao gồm: GKS(Graphics Kernel System - 1985), được phát triển riêng cho các thiết

bị nhập xuất 2 chiều GKS-3D bổ sung thêm khả năng lập trính 3 chiều PHIGS (Programmer’s Hierarchical Graphics System - 1984) hay PHIGS+ bao gồm khả năng lập trính không gian , tạo thành thao tác dữ liệu đồ họa phức tạp …

Các tiêu chuẩn đồ họa thực tế là kết quả của việc chấp nhận trong còng nghiệp các giao diện đặc trưng, được đề xuất bởi nhiều còng ty và không nëu ra trong các tiêu chuẩn chình thức Được nhắc đến trong số này là hệ X-Windows, cung cấp một loạt các chức năng nhập và thao tác đồ họa 2 chiều Sự mở rộng được bắt đầu vào giữa những năm 80 là hệ X-Windows 3 chiều

Để đảm bảo sự linh hoạt, các tiêu chuẩn đồ họa thiết lập cho ứng dụng các thay đổi tối thiểu, cho phép nó định địa chỉ các thiết bị nhập xuất khác nhau Khởi đầu, người lập trính tạo ra một hệ thống tọa độ mô hính, mô tả đối tượng gọi là hệ thống tọa độ thực Tiếp theo, là hệ tọa độ tiêu chuẩn và hệ tọa độ thiết bị Chương trính ứng dụng sẽ giao tiếp với hệ tọa độ chuẩn theo cách thức phù hợp, không quan tâm đến thiết bị xuất được dùng Do đó, tạo ra sự độc lập với thiết bị trong việc tạo ra hính ảnh của đối tượng

 Phần cứng đồ họa

Phần cứng đồ họa bao gồm các thành phần:

CPU: Thực hiện các chương trính ứng dụng

Bộ xử lý hiển thị (Display Processor): Thực hiện còng việc hiển thị dữ liệu

Phần mềm ứng dụng (Application Program): Phần mềm đồ hoạ ứng dụng

Bộ đệm ( Frame buffer): Chứa các hính ảnh hiển thị

Bộ điều khiển màn hính (Video Controller): Điều khiển màn hính, chuyển

dữ liệu dạng số ở frame buffer thành các điểm sáng trên màn hính

 Phần mềm đồ họa

Phần mềm đồ họa bao gồm các các còng cụ lập trính cung cấp một tập các hàm đồ họa có thể được dùng trong các ngôn ngữ lập trính cấp cao như C, Pascal, Các hàm cơ sở của nó bao gồm việc tạo các đối tượng cơ sở của hính ảnh như đoạn thẳng, đa giác, đường tròn,… thay đổi màu sắc, chọn khung nhín,

áp dụng các phép biến đổi

Các ứng dụng đồ họa được thiết kế cho những người dùng không phải là lập trính viên, cho phép người dùng tạo các đối tượng, hính ảnh, … mà không cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào Vì dụ như là Photoshop, AutoCAD, …

Mục tiêu căn bản của các phần mềm đồ họa được chuẩn là tình tương thìch Khi các còng cụ được thiết kế với các hàm đồ họa chuẩn, phần mềm có thể được

di chuyển một cách dễ dàng từ hệ phần cứng này sang hệ phần cứng khác và được dùng trong nhiều cài đặt và ứng dụng khác nhau

Chuẩn cho việc phát triển các phần mềm đồ họa đã ra đời đó là GKS (Graphics Kernel System – Hệ đồ họa cơ sở) Hệ thống nàyban đầu được thiết

kế cho tập các còng cụ đồ họa hai chiều, sau đó được phát triển và mở rộng cho

đồ họa ba chiều

Các hàm của GKS thực sự chỉ là các mô tả trừu tượng, độc lập với bất kí ngôn ngữ lập trính nào Để cài đặt một chuẩn đồ họa cho ngôn ngữ cụ thể nào, các cú pháp tương ứng sẽ được xác định và cụ thể hóa

GKS xác lập được các ý tưởng ban đầu cho các hàm đồ họa cơ sở, tuy nhiên nó không cung cấp một cách thức chuẩn cho việc giao tiếp đồ họa với các thiết bị xuất Nó cũng không xác định các cách thức cho các mô hính thời gian thực cũng như các cách thức lưu trữ và chuyển đổi hính ảnh

1.1.2 Khái quát về thực tại ảo

Thực tại ảo (virtual reality- VR) là thuật ngữ miêu tả một môi trường mô phỏng

bằng máy tính Đa phần các môi trường thực tại ảo chủ yếu là hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính hay thông qua kính nhìn 3 chiều, tuy nhiên một vài mô phỏng cũng

có thêm các loại giác quan khác khác như âm thanh hay xúc giác

Công nghệ thực tại ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng thực sự phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 Tại Mỹ và châu Âu thực tại ảo (VR) đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực và tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng dụng của nó

Các nhà khoa học đã nghiên cứu VR từ nhiều năm nay và đã thừa nhận VR là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn Nhiều bài báo, chương trình giới thiệu truyền hình, hội thảo, đã miêu tả VR theo nhiều cách khác nhau về ứng dụng

VR vào cuộc sống

Các yêu cầu đối với một hệ thống VR : Vậy VR như thế nào ? Trước hết chúng

ta hãy giải thích nó qua khía cạnh chức năng VR là một hệ thống mô phỏng trong đó

đồ họa máy tính được sử dụng để tạo ra một thế giới "như thật" Hơn nữa, thế giới

"nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn của người sử dụng Điều này xác định một đặc tính chính của VR, đó là tương tác thời gian thực (real-time interactivity) Thời gian thực ở đây có nghĩa là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người

sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này Điều này, chúng ta có thể nhận thấy ngay khi quan sát trẻ nhỏ chơi Video game Theo báo Bild (Đức), có hai trẻ nhỏ ở Anh bị thu hút và mải

mê chơi Nintendo đến nỗi ngay cả khi nhà chúng đang bị cháy cũng không hề hay biết! Tương tác và khả năng thu hút của VR góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm Nhưng VR còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi (như hình nổi ở trang cuối báo Hoa học trò đã đăng trước kia), điều khiển (xoay, di chuyển, ) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật Ngoài khả năng nhìn (thị giác),

nghe (thính giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác) Tuy nhiên, hiện nay trong VR các cảm giác này cũng ít được sử dụng đến

Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy định nghĩa sau đây của C Burdea và P.Coiffet về VR là tương đối chính xác: VR-Thực tại ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa Người sử dụng và Máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác Đó là ngũ giác gồm: thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác, vị giác Khái niệm này tương đối sát thực tế, tuy nhiên "trăm nghe không bằng một thấy", cho dù bạn có tưởng tượng đến đâu cũng chỉ có thể "hình dung" chứ không thể "cảm thấy" một VR Theo ý kiến của nhiều chuyên gia, mặc dù nghiên cứu lý thuyết nhiều về VR, nhưng chỉ tới khi họ được thực hành trực tiếp trong một CAVE (một hệ thống VR) thì mới cảm nhận hết một thế giới VR kỳ diệu như thế nào Hy vọng trong tương lai gần, tại Việt nam sẽ có một hệ thống VR đầy đủ để chúng ta có thể cảm nhận được sự sáng tạo vĩ đại của con người

Hình 1.2 Một hệ thống VR tại Viện Fraunhofer (CHLB Đức)

Như trên đã trình bày, 2 đặc tính chính của VR là Tương tác và Đắm chìm, đây

là hai "I" (Interactive, Immersion) mà nhiều người đã biết Tuy nhiên VR cần có 1 đặc tính thứ 3 mà ít người để ý tới VR không chỉ là một hệ thống tương tác Người- Máy tính, mà các ứng dụng của nó còn liên quan tới việc giải quyết các vấn đề thật trong kỹ thuật, y học, quân sự, Các ứng dụng này do các nhà phát triển VR thiết kế,

điều này phụ thuộc rất nhiều vào khả năng tưởng tượng của con người, đó chính là đặc tính "I" (Imagination) thứ 3 của VR Do đó, có thể coi VR là tổng hợp của 3 yếu tố: Tương tác-Đắm chìm-Tưởng tượng, (3 chữ I trong tiếng Anh: Interactive-Immersion- Imagination) như trong hình sau thể hiện

1 Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh)

2 Các thiết bị đầu vào (Input devices): là các thiết bị có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác hiện hữu trong thế giới ảo gồm có : Bộ dò vị trí (position tracking) để xác định vị trí quan sát Bộ giao diện định vị (Navigation interfaces) để di chuyển vị trí người sử dụng Bộ giao diện cử chỉ (Gesture

interfaces) như găng tay dữ liệu (data glove) để người sử dụng có thể điều khiển đối tượng

3 Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, mũ đội đầu có màn hiển thị HDM, ) để nhìn được đối tượng 3D nổi Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay, ) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi cưỡi ngựa, đạp

xe, đi đường xóc,

Phần mềm (Software) luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ

thống máy tính hiện đại nào Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR Ví dụ, như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop, Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng Các đối tượng của VR được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như AutoCAD, 3D Studio, ) Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng

Bộ giả lập thực tại (reality simulator) bao gồm hệ thống máy tính, phần cứng ngoại vi, thiết bị đồ họa và các thiết bị đa phương tiện cung cấp cho bộ tác động những thông tin giác quan cần thiết được xem là trái tim của hệ thống thực tế ảo Chẳng hạn, trong hệ thống mô phỏng cabin lái máy bay, ô tô, tàu biển… thì mô hình cabin là

“reality simulator” Các thiết bị mô phỏng hệ thống cabin tạo ra một môi trường ảo, trong đó người sử dụng điều khiển thiết bị giả lập và nhận được cảm giác như khi thao tác ở môi trường thực tế Thí dụ như một người sử dụng VR và có cảm nhận như đang học lái xe với các găng tay có cảm biến điều khiển thao tác lái xe bằng cách nhìn

vào màn hình nối với hệ thống máy tính mô phỏng đặt ở xa Ðây là một thí dụ về ứng dụng VR để luyện tập lái xe Khi nào cảm thấy thành thạo mới lái trong thực tế, như vậy rất an toàn và thành công

Công cụ quan trọng khác là mũ đội đầu có màn hiển thị (HMD- Head-Mounted Display), mũ này có bộ ống nhòm vạn năng điều hướng (Boom - Binocular Omni Orientation Monitor) Người sử dụng đội mũ, đeo kính đặc biệt và qua ống nhòm nhìn trực tiếp lên màn hình của mũ đội đầu nối với máy tính mô phỏng, thấy rõ môi trường 3D Khi quay đầu sẽ thấy môi trường biến động theo chiều quay như trong thực tiễn

Bộ đôi găng tay dữ liệu sẽ tác động khi các ngón tay của người sử dụng chạm vào các bộ cảm biến, ra các lệnh điều khiển các đối tượng trên màn hình mô phỏng Còn có nhiều công cụ tinh vi khác, tùy theo nhu cầu tác động lên môi trường VR, làm cho hoạt động hết sức phong phú

Lịch sử phát triển của VR thực tế không phải là một phát minh mới, mà ngay từ năm 1962 Morton Heilig (Mỹ) đã phát minh ra thiết bị mô phỏng SENSORAMA Tuy nhiên, cũng như nhiều ngành công nghệ khác, VR chỉ thực sự được phát triển ứng dụng rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của tin học (phần mềm) và máy tính (phần cứng) Ngày nay VR đã trở thành một ngành công nghiệp và thị trường VR tăng trưởng hàng năm khoảng 21% và dự tính đạt khoảng 3,4 tỷ $ năm

2005 (theo Machover, 2004) => Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 và là hướng lựa chọn đầu tư phát triển tiềm năng của tương lai

1.1.3 Một số ứng dụng cơ bản của thực tại ảo

Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR Bên cạnh đó VR cũng được ứng dụng trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour), bất động sản Trong lĩnh vực quân sự,

VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của

VR như: VR ứng dụng trong sản xuất, VR ứng dụng trong ngành rôbốt, VR ứng dụng trong hiển thị thông tin (thăm dò dầu mỏ, hiển thị thông tin khối, ứng dụng cho ngành

du lịch, ứng dụng cho thị trường bất động sản ) VR có tiềm năng ứng dụng vô cùng

lớn Có thể nói tóm lại một điều: Mọi lĩnh vực "có thật " trong cuộc sống đều có thể ứng dụng "thực tế ảo" để nghiên cứu và phát triển hoàn thiện hơn

1.2 Khái quát về giải phẫu, xây dựng bài giảng điện tử giải phẫu

1.2.1 Giải phẫu học và giảng dạy giải phẫu

Giải phẫu học người (Human anatomy) là môn khoa học nghiên cứu cấu trúc

cơ thể con người Từ “anatomia” là từ Hy Lạp có nghĩa là “chia tách ra hay phẫu tích” Từ phẫu tích “dissection” bắt nguồn từ tiếng Latin có nghĩa là “cắt rời thành từng mảnh” Từ này lúc đầu đồng nghĩa với từ giải phẫu (anatomy) nhưng ngày nay

nó chỉ là từ dùng để chỉ một kỹ thuật để bộc lộ và quan sát các cấu trúc cơ thể nhìn thấy được bằng mắt thường (giải phẫu đại thể), trong khi đó từ giải phẫu là từ chỉ một chuyên ngành hay một lĩnh vực nghiên cứu khoa học mà những kỹ thuật được

sử dụng nghiên cứu bao gồm không chỉ phẫu tích mà cả những kỹ thuật khác như siêu âm, chụp X-quang

Ngoài phẫu tích, người ta có thể quan sát được các cấu trúc cơ thể (hệ xương - khớp

và các khoang cơ thể) bằng chụp tia X gọi là giải phẫu X-quang (radiological anatomy) Giải phẫu X-quang là một phần quan trọng của giải phẫu đại thể và là cơ sở của chuyên ngành X-quang Chỉ khi hiểu được sự bình thường của các cấu trúc trên phim chụp X-quang thì ta mới nhận ra được các biến đổi bất thường của chúng trên phim chụp do bệnh tật hoặc chấn thương gây ra Ngày nay, đã có thêm nhiều kỹ thuật mới làm hiện rõ hình ảnh cấu trúc cơ thể (chẩn đoán hình ảnh) như siêu âm, chụp cắt lớp vi tính (CT scanner), chụp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) chính vì vậy mà Giải phẫu học là một môn cơ bản,

mở đầu và khai sinh ra tất cả những môn phân hoá và phát triển đã nêu trên của nó Hình thái học là một lĩnh vực cơ bản đầu tiên của sinh học và cũng là cơ sở cho lĩnh vực sinh

tiếng của Nga đã khẳng định: “Người thầy thuốc mà không có kiến thức về giải phẫu

học thì chẳng những vô ích mà còn có hại“ Đặc biệt với các môn học hệ ngoại- sản,

kiến thức giải phẫu học lại càng cần thiết Không thể mổ xẻ tốt trên người sống nếu không nắm vững giải phẫu từng cơ quan, từng bộ phận cũng như từng vùng Nhà giải phẫu học nổi tiếng người Pháp: L Testut đã từng viết trong cuốn sách giải phẫu học

đồ sộ của mình rằng: “Có thể khẳng định mà không sợ quá đáng là chỉ có trường phái

giải phẫu và đặc biệt là giải phẫu định khu mới là nơi đào tạo những nhà phẫu thuật giỏi” Theo Trịnh Văn Minh, đầu ngành về giải phẫu Việt Nam hiện nay thì cho rằng:

"con người đứng vững bằng đôi bàn chân, Y học bắt đầu từ Giải phẫu học" Vì vậy,

kiến thức về giải phẫu học rất quan trọng cho tất cả các thầy thuốc

Để có kiến thức đầy đủ về giải phẫu học thì trong giảng dạy và học giải phẫu cần

có rất nhiều các phương tiện hỗ trợ như xác, xương rời, tiêu bản, tranh, mô hình để minh họa cho các cấu trúc của cơ thể người, giúp cho người học có thể xác định được hình thể cấu tạo của từng chi tiết giải phẫu một cách đầy đủ, chính xác Học xương thì phải trực tiếp cầm lấy xương mà mô tả, đối chiếu với hình vẽ trong sách hoặc trên tranh, học các phần mềm thì phải trực tiếp phẫu tích trên xác mà quan sát và hiểu nội

dung đã nêu trong bài giảng hoặc sách vở

Tuy nhiên để có xác phục vụ cho học tập, nghiên cứu thì không phải ở đâu, lúc nào cũng sẵn có Nó phụ thuộc vào phong tục tập quán, tôn giáo, văn hóa, kinh tế, trình

độ nhận thức của bản thân mỗi người, mỗi quốc gia Ở các nước phương tây xác là dụng cụ trực quan cho sinh viên và các thầy thuốc trong học tập và thực hành lâm sàng Trong quá trình học tập giải phẫu, ngoài xác phẫu tích mẫu để hướng dẫn cho sinh viên xem và nhận biết các chi tiết của cơ thể thì cứ khoảng 5-10 sinh viên được thực hành trên một xác và họ được trực tiếp phẫu tích các thành phần để xác nhận lại kiến thức của mình và giúp cho quá trình học tập các môn học khác cũng như thực hành lâm sàng trong chẩn đoán cũng như điều trị có hiệu quả cao

Ở Lào hiện nay, việc có xác để học tập và nghiên cứu là rất khó khăn, hầu hết Trường Đại học Y tế và Sức Khỏe thủ đô Viêng Chăn, Lào đều rất hiếm xác, nếu có thì cũng chỉ để sinh viên quan sát dưới sự hướng dẫn của giảng viên chứ không được trực tiếp sờ mó hoặc phẫu tích trên xác Việc quan sát của sinh viên cũng rất hạn chế, mỗi buổi học trên xác khoảng từ 15-20 sinh viên cùng đứng để nghe và nhìn thầy hướng dẫn nên rất khó khăn để nhận thức đầy đủ nội dung bài học Ngoài ra mỗi một khóa học hàng năm có khoảng 500-600 sinh viên với chỉ có một xác để học quay vòng, nên qua rất nhiều nhóm sinh viên như vậy thì các chi tiết không còn nguyên vẹn và sai lệch đi là đương nhiên nên việc nhận biết lại càng khó khăn hơn

Tại Trường Đại học Y tế và Sức Khỏe thủ đô Viêng Chăn, Lào mặc dù cũng có xác cho sinh viên học nhưng mỗi một xác được tận dụng để sử dụng trong vòng từ 2

đến 3 năm vì vậy khó có thể đáp ứng được chất lượng đào tạo Tuy nhiên, ngoài xác

ra, Bộ môn cũng có các phương tiện hỗ trợ khác như: các xương rời, tranh, mô hình, tiêu bản phẫu tích sẵn tuy nhiên số lượng còn hạn chế Mỗi một loại tranh, mô hình tiêu bản chỉ có khoảng 5-7 bộ trong khi mỗi nhóm sinh viên học thực hành khoảng 40

em nên chỉ có thể đáp ứng được ở mức tối thiểu nhất theo nhu cầu của người học Chính vì vậy, cần phải có một giải pháp để có thể phục vụ tốt hơn cho việc giảng dạy

và học tập của nhà trường, đó là xây dựng thêm các hình ảnh trực quan trên cơ sở dựa vào các phần mềm ứng dụng của công nghệ thông tin

1.2.2 Ứng dụng thực tại ảo vào giải phẫu trong y học

* Trên thế giới

Ngày nay, công nghệ hình ảnh 3D đang thu hút sự chú ý của nhiều người, nhiều lĩnh vực và lĩnh vực y học cũng không phải là một ngoại lệ Y học là một trong những lĩnh vực ứng dụng tiềm năng trong công nghệ thực tại ảo và là một trong số ít lĩnh vực ứng dụng thuộc ngành khoa học của thực tại ảo… Cho đến nay, lĩnh vực nổi bật trong

y học áp dụng thành công công nghệ thực tại ảo là giả lập giải phẫu (Surgical Simulation).Trên cơ sở các kỹ thuật đồ họa máy tính và thực tại ảo, hệ thống đào tạo

y học này bao gồm hai bộ phận cơ bản:

- Khối tương tác ba chiều là mô hình sinh thể ảo cho phép người sử dụng thực hiện các thao tác phẫu thuật thông qua các dụng cụ giải phẫu ảo;

- Khối giao diện người dùng hai chiều cung cấp những thông tin phản hồi trực quan

từ mô hình trong quá trình phẫu thuật cũng như những thông tin hướng dẫn trong phiên đào tạo

Phương pháp đào tạo có tính tương tác cao này mang nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như thực hành trên mô hình plastic hay trên bệnh nhân thực

- Thứ nhất, khác với phương pháp dùng mô hình plastic, sinh thể giải phẫu ảo

có khả năng cung cấp những thông tin phản hồi cho người học một cách tự nhiên như một sinh thể sống thực, dưới tác động của bác sỹ phẫu thuật, chẳng hạn như sự thay đổi về nhịp tim, huyết áp v.v Điều này tạo ra cho người học có cảm giác như đang trải qua một ca mổ trong một tình huống thực

- Thứ hai, khác với thực hành trên bệnh nhân thật, rõ ràng một sai lầm của học viên trong quá trình thực tập không phải trả giá bằng những thương tổn thực trên cơ thể người bệnh Điều này rất quan trọng, nó làm giảm áp lực tâm lý lên học viên khi thực hiện phẫu thuật ảo Từ đó, giúp họ tự tin và chủ động hơn trong học tập

Hình 1.5 Phẫu thuật ảo – Phương pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công

nghệ Thực tại ảo

Phương pháp này không chỉ cho phép các học viên y khoa thực hành các ca phẫu thuật trong tình huống thực, đem lại cho họ những kinh nghiệm cần thiết trước khi thực hiện phẫu thuật trên cơ thể con người, đây còn là cơ hội để các bác sỹ phẫu thuật nâng cao

kỹ thuật giải phẫu và kỹ năng phối hợp làm việc theo nhóm trong phòng mổ Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống khi phẫu thuật các trường hợp phức tạp và nhạy cảm

Các kỹ thuật thực tại ảo cũng được sử dụng để hỗ trợ các bác sỹ phẫu thuật trong giai đoạn lập kế hoạch tiền phẫu thuật Trước khi thực hiện quy trình phẫu thuật trên bệnh nhân thực, người bác sỹ có thể thử nghiệm các phương pháp tiến hành phẫu thuật khác nhau trên mô hình ảo của người bệnh mô hình này mô phỏng được đầy đủ các đặc điểm bệnh lý của người bệnh thật Theo cách này, người bác sỹ sẽ lựa chọn ra được cách thức phẫu thuật an toàn nhất, hiệu quả nhất và tốn ít thời gian nhất trong phòng mổ, hạn chế những tai biến trong quá trình phẫu thuật

Trên thế giới, nhiều bác sĩ cũng đang cố gắng tận dụng công nghệ mới này để điều trị bệnh nhân Ví dụ như vào một cuộc phẫu thuật nội soi có gắn camera 3D Camera sẽ truyền về những hình ảnh 3D chân thật, rõ nét để các phẫu thuật viên có thể điều khiển các dụng cụ phẫu thuật chạm vào các cơ quan bên trong khoang bụng một cách chính xác Công nghệ này đảm bảo độ an toàn hơn trong quá trình phẫu thuật Thêm nữa, công nghệ 3D có thể giúp ta chuyển các hình ảnh từ tia X bình thường hay các hình ảnh 2 chiều của chụp cắt lớp điện toán (CT)… sang thành các hình ảnh 3 chiều

Với các phương pháp chụp cắt lớp điện toán (CT) hay chụp cộng hưởng từ (MRI), các bác sĩ vừa nhìn hình ảnh vừa tiến hành phẫu thuật bằng cách đưa một cái kim hoặc một ống nhỏ gắn camera vào cơ thể bệnh nhân Phạm vi sai số ở đây phải ít hơn 0,5mm

vì nếu không như vậy các mạch máu có thể sẽ bị vỡ hoặc thậm chí bị rách toạc ra Các bác sĩ vừa phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tưởng tượng hình ảnh đó

sẽ như thế nào trong không gian 3 chiều, điều đó đã gây không ít khó khăn cho họ khi tiến hành các thao tác phẫu thuật Ngày nay với việc ứng dụng công nghệ hình ảnh 3D, các bác sỹ có thể nhìn được các hình ảnh 3 chiều rõ nét, từ đó tập trung hơn vào phẫu thuật Đây là điều chắc chắn để nâng cao hiệu quả của một ca phẫu thuật

Như vậy, công nghệ hình ảnh 3D sẽ giúp tăng độ chính xác của các ca phẫu thuật lên Trước đó, các bác sĩ thường phải tưởng tượng ảnh 3 chiều cơ thể người trong khi nhìn các hình ảnh phác họa 2 chiều Tuy nhiên giờ đây, họ có thể phẫu thuật cho bệnh nhân khi nhìn trực tiếp những hình ảnh 3 chiều Đặc biệt, phương pháp nội soi 3D có tác dụng giúp giảm thiểu rủi ro vỡ mạch máu trong quá trình phẫu thuật cũng như đảm bảo cho ca mổ được diễn ra nhanh chóng và an toàn hơn Thêm vào đó, các bác sĩ cũng có thể quan sát được các mạch máu xoắn tắc trong không gian 3 chiều và dễ dàng làm lưu thông các mạch máu bị nghẽn

Thực tại ảo là công nghệ sử dụng các kỹ thuật mô hình hoá không gian ba chiều với sự hỗ trợ của các thiết bị đa phương tiện hiện đại để xây dựng một thế giới mô phỏng bằng máy tính – môi trường ảo (Virtual Environment)

Trong thế giới ảo này, người sử dụng không còn được xem như người quan sát bên ngoài, mà đã thực sự trở thành một phần của hệ thống Một cách lý tưởng, người

sử dụng có thể tự do chuyển động trong không gian ba chiều, tương tác với các vật thể

ảo, quan sát và khảo cứu thế giới ảo ở những góc độ khác nhau về mặt không gian Ngược lại, môi trường ảo lại có những phản ứng tương ứng với mỗi hành động của người sử dụng, tác động vào các giác quan như thị giác, thính giác, xúc giác của người

sử dụng trong thời gian thực và tuân theo những quy tắc vật lý rất tự nhiên, làm người

ta có cảm giác như đang tồn tại trong một thế giới thực

Ứng dụng thực tại ảo trong thực tế không phải là một điều mới của thế giới, nhưng

ở nước ta ứng dụng thực tại ảo mới chỉ dừng ở mức nghiên cứu và chưa được phổ biến rộng rãi Chính vì vậy, Viện Công nghệ thông tin với mong muốn đưa thực tại ảo vào ứng dụng trong thực tế đã tổ chức triển khai và thực hiện một số các đề tài ứng dụng thực tại

ảo Trong quá trình xây dựng, nghiên cứu và triển khai, Viện đã đạt được những thành công nhất định

Từ năm 2004, xuất phát từ thực tế công việc, với sự trợ giúp của Trung tâm CAMTech (Centre for Advanced Media Technology) - Đại học Nanyang Technological University, Singapore Theo kế hoạch, hàng năm Viện cử một nhóm nghiên cứu viên sang Trung tâm CAMTech tìm hiểu công việc và học tập, trên cơ sở

đó tiến hành triển khai công việc ứng dụng thực tại ảo vào thực tế Các kết quả hợp tác

đã đạt được là các phương pháp xây dựng mô hình, phương pháp tạo chuyển động cho

mô hình và sản phẩm đạt được

Hơn nữa, việc xây dựng phần mềm ứng dụng trong ngành y tế còn có nhiều hạn chế, nhất là ở Lào các phần mềm hỗ trợ giảng dạy trong y tế vẫn là mảng đang bị bỏ ngỏ, chưa có đầu tư nào thích đáng phù hợp cho tình hình hiện nay Tương tự, những ứng dụng về mô phỏng trong chuẩn đoán bệnh hoặc rèn luyện nghề cho cán bộ y tế tại Trường Đại học Y tế và Sức Khỏe thủ đô Viêng Chăn, Lào

Trong khi, với các trang thiết bị hiện đại hiện nay của Viện Công nghệ thông tin cùng với kỹ năng và kinh nghiệm xây dựng các mô hình động vật ảo trong phần mềm Bảo tàng một số loài động vật quý hiếm của Lào thì việc xây dựng các phần mềm mô phỏng trong y tế là khả quan Với phần mềm này, giảng viên, sinh viên có điều kiên quan sát kỹ hơn, có thể xem xét từng thành phần bộ phận, quan sát ở nhiều góc độ khác nhau với một bộ phận cơ quan trong cơ thể, mà đáng lẽ trước đây chỉ có thể quan sát thông qua những ảnh 2D được chụp ở nhiều góc độ khác nhau Phần mềm mô phỏng có thể giúp giải thích rõ ràng hơn các bước, các quá trình thực hiện hoặc chỉ cho chúng ta thấy các kỹ thuật thực hiện các thao tác đó trong giảng dạy và học tập

Nội dung môn Giải phẫu học là trang bị cho người học có thể xác định được một hình ảnh ba chiều của các cơ quan, bộ phận trong cơ thể Từ hình ảnh ba chiều của các

cơ quan, bộ phận đó có thể tách rời các cơ quan bộ phận này ra để quan sát mô tả chi tiết cũng như thấy được sự sắp xếp, liên quan các thành phần, bộ phận cơ quan theo từng vùng cơ thể đặc biệt là các thành phần quan trọng trong từng vùng để từ đó cung cấp cho sinh viên và cán bộ Y tế ngoài kiến thức môn học còn có thái độ, kỹ năng khi thực hành thăm khám và đặc biệt là trong các thủ thuật, phẫu thuật tại các vùng đó Đồng thời giúp cho người học có kiến thức tổng hợp cũng như những định hướng liên quan đến các môn học khác của y học và một số áp dụng thực tiễn lâm sàng cần thiết trong thực hành nghề nghiệp của mình sau này Từ những lý do trên, việc xây dựng mô hình mô phỏng các cơ quan, bộ phận trong cơ thể người để phục vụ đào tạo

là rất cần thiết và thiết thực đúng theo định hướng chung của Bộ giáo dục và Thể thao

“về đổi mới căn bản, toàn diện nền giáo dục Lào”; thực hiện chuyển đổi phương pháp đào tạo, đổi mới quá trình đào tạo, đáp ứng theo nhu cầu xã hội và hội nhập quốc tế của đất nước ta trong giai đoạn hiện nay

1.3 Mô hình hóa 3D xương trong thực tại ảo

1.3.1 Xương là gì

Xương hay Bộ xương người bao gồm tất cả các xương riêng lẻ hoặc nối liền với nhau được hỗ trợ và bổ sung bởi dây chằng, sụn, gân và cơ Nó đóng vai trò như một cái khung làm chỗ bám giữ cho các cơ, nâng đỡ cho các cơ quan nội tạng và bảo

vệ các cơ quan như tim, phổi, não Đây là một trong những lý do khiến khối lượng bộ xương người thường chiếm 12 đến 20% tổng khối lượng cơ thể người với giá trị trung bình là 15%.Những xương được nối với nhau gồm có xương của sọ người và khung xương chậu Không phải tất cả các xương đều nối liền trực tiếp với nhau: có 3 mảnh xương trong tai giữa gọi là xương nhỏ chỉ khớp được với mỗi một trong số những cái còn lại Xương móng nằm ở cổ có vai trò như giá đỡ cho lưỡi không dính với bất cứ xương nào khác trong cơ thể người mà được hỗ trợ bởi cơ và dây chằng

1.3.2 Cấu trúc và đặc trưng của xương

a) Giới thiệu chung về xương

Xương tương đối cứng và có thành phần nhẹ, tạo phần tạo bởi Canxi phosphate trong cách sắp xếp hóa học gọi là kiểu Ca5(PO4)3OH Có sức nén tương đối cao nhưng sức căng kém Trong khi xương giòn, có độ co giãn phụ thuộc vào thành phần sinh học (chủ yếu vào sụn) Xương có cấu trúc mắt lưới, và độ đặc tùy vào từng điểm Trên cơ thể người có 206 xương và được chia làm 3 phần: xương đầu, xương mình và xương chi

Xương có thể rắn chắc hay xốp Vỏ (lớp ngoài) xương thì rắn chắc; 2 đề ngữ có thể dùng thay thế cho nhau Lớp ngoài xương tạo nên phần lớn khối lương của xương; nhưng, bởi vì độ đặc của nó, nên có diện tích bề mặt ít Xương xốp có cấu trúc tổ ong,

có diện tích mặt ngoài cao, như chỉ tạo phần ít của xương

Xương có thể mềm hay cứng Xương mềm có thể thay thế trong qua trình phát triển hay hồi phục Được gọi như thế vì cấu trúc không đồng nhất và kết quả là có sức chịu kém Ngược lại thì xương cứng có cấu trúc song song và cứng hơn nhiều Xương mềm thường được thay thế bởi xương cứng trong khi lớn

Xương sọ

Hộp sọ cũng có khớp xương, nhưng theo kiểu khác Hộp sọ được cấu tạo gồm

22 mảnh xương riêng lẻ hợp thành, nhưng khớp xương giữa chúng không cử động được Các khớp hộp sọ khít chặt với nhau giống như những miếng ghép hình Vì thế hộp sọ rất chắc chắn, rất thích hợp để bảo vệ não cũng như giữ cho khuôn mặt ta được

ổn định, chứ không méo mó khi ta cử động

Xương tay

Cấu tạo xương tay khá linh hoạt để có thể hoạt động hằng ngày, ngay từ khi những tổ tiên ăn lông ở lỗ của chúng ta chuyển từ việc bò bằng 4 chân sang đứng thẳng trên hai chân, họ đã sử dụng đôi tay làm nhiều việc khác hơn Một bàn tay có tới 27 xương nhỏ để có thể cử động dễ dàng, và các ngón tay có thể chạm vào nhau

Xương chi dưới

Gồm có 31 xương: xương chậu, xương đùi, xương bánh chè, xương cẳng chân, xương cổ chân, xương bàn chân và xương ngón chân

b) Đặc trung của xương người Lào về cơ bản xương

Về cơ bản, xương của người trên thế giới cúa bất kỳ quốc gia nào đều giống nhau, có cấu trúc, đặc trưng, thành phần xương là như nhau Tuy nhiên, chỉ có sự khác nhau về độ lớn, to, nhỏ khác nhau, vì người Việt về cơ bản có chiều cao trung bình hơn người Lào khoảng từ 1 đến vài cm, còn người Lào có chiều cao trung bình thấp hơn người Việt Vì vậy, trong quá trình mô phỏng, mô hình hóa cần có sự thiết kế sao cho phù hợp với đặc trưng về kích thước của xương theo tỷ lệ phù hợp đúng với người

Lào

1.3.3 Phân loại xương

Bộ xương người chia làm ba phần là xương đầu (gồm các xương mặt và khối xương sọ), xương thân (gồm xương ức, xương sườn và xương sống) và xương chi (xương chi trên – tay và xương chi dưới – chân) Tất cả có 300 chiếc xương ở trẻem và

206 xương ở người trưởng thành, dài, ngắn, dẹt khác nhau hợp lại ở các khớp xương Trong bộ xương còn có nhiều phần sụn Khối xương sọ ở người gồm 8 xương ghép lại tạo ra hộp sọ lớn chữa não Xương mặt nhỏ, có xương hàm bớt thô so với động vật vì con người nhai thức ăn chín và không phải là vũ khí tự vệ Sự hình thành lồi cằm liên quan đến các cơ vận động ngôn ngữ Cột sống gồm 33 – 34 đốt sống khớp với nhau và cong ở 4 chỗ, thành 2 chữ S tiếp nhau giúp cơ thể đứng thẳng Các xương sườn gắn với cột sống và gắn với xương ức tạo thành lồng ngực, bảo vệ tim và phổi Xương tay và xương chân có các phần tương ứng với nhau nhưng phân hóa khác nhau phù hợp với chức năng đứng thẳng và lao động

Hình ảnh 1.6 Mô hình bộ xương

Các loại xương trong cơ thể người

Căn cứ vào hình dạng cấu tạo, người ta chia làm 3 loại xương là:

– Xương dài: Hình ống, giữa chứa tủy đỏ ở trẻ em và chứa mỡ vàng ở người trưởng

thành như xương ống tay, xương đùi, xương cẳng chân… Loại xương này có nhiều nhất trên cơ thể người

– Xương ngắn: Kích thước ngắn, chẳng hạn như xương đốt sống, xương cổ chân, cổ

tay…

– Xương dẹt: Hình bán dẹt, mỏng như xương bả vai, xương cánh chậu, các xương

sọ Loại xương này ít nhất

Chức năng chính của xương trong cơ thể người

– Nâng đỡ: Các xương liên kết với nhau tạo thành khung cứng và điểm tựa để nâng toàn

bộ cơ thể, giúp cho người có tư thế đứng thẳng

– Bảo vệ: Xương bảo vệ cho các cơ quan phía trong khỏi bị tổn thương như: Hộp sọ

bảo vệ bộ não, cột sống bảo vệ tủy sống…

– Vận động: Xương kết hợp với cơ tạo nên hệ đòn bẩy mà điểm tựa là các khớp xương,

đảm bảo cho hoạt động của cơ thể Như vậy xương đóng vai trò thụ động trong bộ máy vận động

– Tạo máu: Tủy xương là nơi tạo ra huyết cầu

– Trao đổi chất: Xương là nơi dự trữ các chất mỡ, các muối khoáng, đặc biệt là canxi

và phốt pho Khi xương cơ động làm điều hòa các chất này (Hệ xương chiếm 99% muối canxi của toàn bộ cơ thể, có thể coi hệ xương là kho chứa muối của cơ thể) Ngoài các chức năng trên, xương còn có ý nghĩa thông tin quan trọng trong pháp y, nhân chủng học và còn là đối tượng khảo sát của nhiều ngành khoa học

1.3.4 Mô hình hóa xương trong thực tại ảo

1.3.4.1 Các phần mềm thường sử dụng cho tạo mô hình 3D

Hiện nay, có rất nhiều phần mềm của nhiều hãng phần mềm lớn tên thế giới hỗ trợ việc dựng các mô hình ba chiều, có thể kể đến như: 3DSMAX, MAYA của Autodesk; Sketup của Google; Zbrush, 3D-Coat v.v

Trong đề tài này, chúng tôi lựa chọn sử dụng phần mềm hỗ trợ là 3DSMAX để thiết kế các mô hình ba chiều hệ tiêu hóa ở người 3DSMax là một trong những phần mềm thiết kế, tạo mô hình 3D rộng rãi nhất của Tập đoàn Autodesk Nó có khả năng dựng mô hình mạnh mẽ, kèm theo một tập hợp các mô đun phần mềm ghép thêm vào

có cấu trúc mềm dẻo và một nền tảng tương thích với Microsoft Windows Hầu hết nó được sử dụng cho việc phát triển game, các chương trình quảng cáo TV và các mô hình kiến trúc Nó cũng được sử dụng để tạo các hiệu ứng phim và thực tại ảo

Ngoài ra với các công cụ dựng hình và làm hoạt cảnh, phiên bản mới nhất của 3DS Max cũng có các đặc điểm cao cấp hơn như (tạo môi trường và phân bổ bề mặt),

mô phỏng động học - dynamic simulation, hệ thống hạt - particle system, bản đồ pháp tuyến - normal map, và các bộ tô bóng, kiết xuất hình ảnh - rendering mạnh mẽ Ngoài ra với các thiết kế giao diện không ngừng cải tiến và ngôn ngữ kịch bản - scripting language phục vụ cho việc lập trình, Đã có một số bộ plugin Render (mô đun phần mềm kết xuất ghép thêm) để kết xuất hình ảnh được thiết kế như V-Ray, Brazil r/s và finalRender

1.3.4.2 Dựng mô hình từ ảnh thông thường

Từ các ảnh mô tả ở các góc độ khác nhau của các loại xương trong cơ thể người (thường là 4 ảnh, mô tả 4 mặt của đối tượng: trên, dưới, trái, phải) kết hợp với thông tin mô tả về giải phẫu của các hệ xương này, chúng ta có thể dựng lại mô hình 3D của chúng Quy trình dựng mô hình 3D từ các ảnh được thể hiện qua các bước sau:

Phác thảo mô hình trên ảnh

Tại bước này, chúng ta tiến hành vẽ phác thảo các chi tiết của mô hình dựa vào ảnh

Từ các đường vẽ phác thảo này, chúng ta sử dụng các phương pháp dựng hình

cơ bản như: Polygon hoặc Subdivision Surface hay mô hình đường cong NURBS NURBs là phương pháp biểu diễn bề mặt dựa trên cơ sở biểu diễn toán học của những đường cong không đồng nhất (hệ số, bậc) Một bề mặt NURBS bao gồm một

số đường cong được kết nối lại với nhau

Một đường cong bậc n sẽ có n+1 đỉnh điều khiển, ở đây thường n=3 Thông qua việc điều khiển các đỉnh điều khiển để điều khiển hình dạng đường cong cũng như bề mặt đối tượng Bên cạnh đó NURBs hỗ trợ rất nhiều kỹ thuật chỉnh sửa như: kết nối các bề mặt, khép kín bề mặt, kéo, đẩy một vùng bề mặt…cũng như các kỹ thuật tạo mặt phẳng từ các đường cong như loft, revolve…Và đây là kết quả sau khi đã làm mịn

Các bước xây dựng mô hình 3D này được thực hiện trên phần mềm 3DS–Max

1.3.4.3 Dựng mô hình từ dữ liệu máy quét 3D

Một cách tiếp cận khác trong việc dựng mô hình ba chiều, đó là sử dụng máy quét 3D Từ tiêu bản thật, hay các mô hình học cụ cơ quan hệ xương chúng ta có thể

mô hình hóa chúng thông qua máy quét 3D

Mô hình 3D chúng ta thu được từ máy quét thường rất chi tiết, đồng nghĩa với

nó là dữ liệu sẽ rất lớn làm chậm quá trình đọc, hiển thị và tương tác Để có thể sử

dụng một cách hiệu quả các mô hình quét này, chúng ta phải tiến hành dựng lại mô hình tương ứng để giảm thiểu dữ liệu cũng như làm tinh mô hình

Hình 1.7 Dựng mô hình 3D bằng máy quét

Có hai phương pháp chính xây dựng lại mô hình từ dữ liệu máy quét: một là rút gọn

bề mặt biểu diễn, hai là dựng lại lưới từ mô hình gốc Với phương pháp xây dựng lại mô hình bằng cách rút gọn bề mặt biểu diễn, phương pháp này có ưu điểm là khá nhanh và đơn giản, nhưng lại gặp ngược điểm là bề mặt lưới đa giác phân bố không đều và khó khăn trong quá trình phủ chất liệu Phương pháp dựng lại lưới từ mô hình gốc bằng phần mềm 3D -Coat, phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp thứ nhất, nhưng nhược điểm của phương pháp này là độ chính xác của mô hình Nếu muốn tăng độ chính xác thì phải làm thủ công khá nhiều công đoạn

a) Mô hình quét b) Mô hình dựng lại bằng phần mềm 3D-Coat

Hình 1.8 Kết quả dựng mô hình từ dữ liệu máy quét 3D

1.3.5 Công cụ xây dựng mô hình hóa 3D

VR là một hệ mô phỏng có tương tác hai chiều và xử lý thời gian thực, đặc biệt với kỹ thuật Stereo 3D cho phép người quan sát được chìm đắm trong không gian ảo

Để xây dựng hệ VR thì việc xây dựng mô hinh 3D là khâu quan trọng đầu tiên Cho đến nay, nhìn chung có 2 xu hướng để thực hiện mô phỏng hình 3D:

 Cách thú nhất: thể hiện các mô hình 3D nhờ các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C#, cách này không đòi hỏi sự chạy đua về công nghệ cũng như cấu hình mạnh của phần cứng, hơn nữa nó có thể thực hiện các mô phỏng phức tạp đòi hỏi sự chính xác cao Tuy nhiên nó không được nhiều người sửdụng vì đó không phải là công việc đơn giản, nó đòi hỏi trình độ lập trình cao, các thuật toán phức tạp, mất nhiều thời gian và nhất là rất khó trong việc tạo ra những cảnh rộng lớn Mặc dù ít được ưa thích nhưng đôi khi nó lại là lựa chọn duy nhất cho những ai muốn mô phỏng chính xác các hiện tượng thiên nhiên đúng với bản chất của nó Tuy nhiên nó chỉ phù hợp với những

mô phỏng có quy mô nhỏ, phù hợp với việc học tập

 Cách thú hai: sử dụng các công cụ mô phỏng đã được xây dựng sẵn Cách không đòi hỏi trình độ lập trình cao Một nhược điểm là nó yếu cầu cấu hình hệ thống mạnh để cài đặt và chạy chương trình, nhất là khi kết xuất Tuy nhiên, hiện nay cách này đang rrast phổ biến, rất được ưa chuộng, nhất là trong các công việc làm Game 3D, Web3D.v.v Một số bộ công cụ mô phỏng thông dụng là: 3DsMax, Maya, Autocad, Painter3D, VirtualML, Softimage, Renderman, Houdili, Lightware, Flash.v.v

Trạng thái đối tượng mô phỏng có 2 dạng chính: mô phỏng tĩnh và mô phỏng động

 Mô phỏng tĩnh: Là dạng mô phỏng chỉ thể hiện được mô hình tĩnh, trong kết quả mô phỏng không có sự biến đổi Đây là dạng mô phỏng thường chỉ áp dụng cho các vật tĩnh Đây là dạng mô phỏng đơn giản nhất

 Mô phỏng động: mô phỏng động được tách thành 2 loại, đó là mô phỏng động theo thời gian thực và mô phỏng động không theo thời gian thực:

- Mô phỏng động theo thời gian thực: là dạng mô phỏng đối tượng có sự chuyển động hoặc có tính chất thay đổi theo thời gian, không gian, và khi có tương tác thì hệ phải đáp ứng sự kiện đó trong một khoảng thời gian nhất định (quá thời gian đó thì kết quả không còn có ý nghĩa ) Đây là dạng mô phỏng phức tạp nhất, khó khăn nhất Nhưng đó lại là một đặc tính của Virtual Reality

- Mô phỏng động không theo thời gian thực: Đây là dạng mô phỏng không quan tâm tới thời gian đáp ứng của yêu cầu Nó phù hợp cho xây dựng các hệ mô phỏng không có sự tương tác nhiều, không cần đáp ứng thời gian

Chương 2:

KỸ THUẬT HIỂN THỊ MÔ HÌNH 3D HỆ XƯƠNG NGƯỜI TRONG Y TẾ

2.1 Kỹ thuật Render Volume

Volume Rendering là kĩ thuật chuyển các mẫu dữ liệu vào trong một bức ảnh Đây

là kiểu biểu diễn trực tiếp tức là chuyển trực tiếp các dữ liệu thể tích từ khối dữ liệu đã được sắp xếp thành các pixel trên màn hình

Hình 2.1 Hình ảnh 3D biểu diễn theo kỹ thuật VR

2.1.1 Quy trình (Rendering Process)

Thông thường biểu diễn thể tích có 3 bước sau :

- Tạo một RGBA volume từ khối dữ liệu

- Xây dựng một hàm liên tục từ các giá trị rời rạc

- Chiếu lên một mặt phẳng ảnh từ một điểm nhìn nào đó: Có nhiều kĩ thuật chiếu nhưng đa số đều thuộc một trong hai loại: object - order và image – order

Đối với kĩ thuật SR thuộc loại object – order, ta quét xuyên qua (tranverse) khối từ sau phía sau (back to front hoặc from 3D scene to 2D image), dữ liệu được chiếu lên trên một mặt phẳng ảnh Kết quả mà mỗi voxel để lại trên mặt phẳng ảnh gọi là các footprint Một dạng của phương pháp này trải dữ liệu lên một mặt phẳng gọi là Splatting (Lee Westover,1990)

a) Texture mapping plane – by – plane; b) Splatting cell – by – cell

Hình 2.2 Minh họa kỹ thuật object –order

Đối với kĩ thuật VR thuộc loại image – order, ảnh được quét lần lượt từng pixel, các tia chiếu ra (cast) từ mỗi pixel đi xuyên qua thể tích (from 2D image to 3D scene) để xác định giá trị màu sắc cuối cùng cho mỗi pixel Biểu diễn thể tích kiểu image – order còn gọi

là phương pháp ray –casting

Tốc độ phương pháp image – order phụ thuộc vào kích thước ảnh trong khi tốc độ của phương pháp object – order phụ thuộc vào kích thước khối

Hình 2.3 Minh họa kỹ thuật image –order

2.1.2 Các phương pháp tạo bố cục ảnh (image composition)

Các phương pháp tạo bố cục cho ảnh thường đuợc sử dụng là X- ray, MIP, MinIP ,alpha compositing và NPVR…

- X-ray : Phương pháp này tính tổng tất cả các giá trị ghi nhận được trên tia chiếu

đểtạo nên giá trị điểm ảnh

Nội dung kỹ thuật Volume rendering với Ray casting như sau:

Mục tiêu cơ bản của kỹ thuật Ray casting là cho phép sử dụng một cách tốt nhất dữliệu ba chiều không có cấu trúc hình học Nó đặc biệt phù hợp với hìnhảnh y tế

Cơ sở lý thuyết

Hiện nay, hầu hết các kỹ thuật Volume rendering sử dụng Ray casting dựa trên mô hình Blinn / Kajiya Trong mô hình này, chúng tôi có một hình bao có mật độ là D(x,y,z), một đường Ray lọt vào

Hình 2.4 Mô hình Blinn / Kajiya

Tại mỗi điểm dọc theo Ray có một chiếu sáng I(x,y,z) đạt điểm (x,y,z) từ nguồn sáng Mắt nhìn sẽ phụ thuộc vào mật độ D(x,y,z) địa phương dọc theo Ray Hàm mật độ biểu diễn bằng tham số dọc theo Ray như sau:

Xác định I (t) không phải là đơn giản - nó liên quan đến việc tính toán như thế nào

từ các nguồn bức xạ ánh sáng thông qua số lượng các điểm quan tâm Tính toán này giống vớitính toán ánh sáng rải rác tại điểm (x, y, z) ảnh hưởng đến kết quả của Ray tại điểm nhìn.Trong hầu hết các thuật toán, tuy nhiên, tính toán này được bỏ qua và I(x, y, z) được thiếtlập để được thống nhất trong cả hình bao Đối với hầu hết các ứng dụng thực tế chúng tôiđang quan tâm đến ảnh kết quả, và bao gồm cả dòng tách rời từ một điểm (x, y, z) vớinguồn ánh sáng thực tế có thể không mong muốn Trong hình ảnh y tế, ví dụ, nó sẽ

không thể nhìn thấy vào các khu vực bao quanh bởi xương nếu xương bị coilà dày đặc Mặt khác, trong các ứng dụng mà bóng nội bộ được mong muốn, tách rời này phải được tính toán

Sự giảm đi của hàm mật độ có thể được tính như sau:

exp (− 𝜏 ∫ 𝐷(𝑠)𝑑𝑠

𝑡2

𝑡 1

)

Trong đó 𝜏 là một hằng số thể hiện sự giảm đi của hàm mật độ

Cường độ ánh sáng tới điểm nhìn theo hướng của Ray cho bởi:

Additive reprojection sử dụng một mô hình chiếu sáng mà là một sự kết hợp của phản ánh và truyền ánh sáng từ các voxel Tất cả các phương pháp tiếp cận là một tập con của mô hình trong hình dưới đây

Hình 2.5 Minh họa kỹ thuật đơn giản hóa tính toán cường độ ánh sang

Trong hình trên, ánh sáng đi được tạo thành:

- Ánh sáng phản chiếu theo hướng nhìn từ nguồn ánh sáng

- Ánh sáng đến bằng cách lọc các voxel

- Ánh sáng bất kỳ phát ra bởi các voxel

Đối với mỗi điểm ảnh trong ảnh đầu ra, là kết quả của một tia bắn vào khối dữ liệu Tại một số điểm thì giá trị màu sắc và độ trong suốt sẽ được tính toán bằng cách nội suy Các giái trị này sau đó sẽ được kết hợp với nền để tính toán ra màu sác cho từng pixel ảnh đầu ra

- Phương pháp MIP : Sử dụng giá trị lớn nhất của các biến trong khối dọc theo

một tia vuông góc với mặt phẳng nhìn (view plane) để tạo giá trị (optical property) của mỗi điểm ảnh Phương pháp MIP ban đầu có nhiều bất tiện vì phải truy cập rất nhiều voxel Tuy nhiên hiện nay đã có rất nhiều cải tiến cho phương pháp này

Hình 2.6 Sơ đồ tổng quan của rendering MIP

- Phương pháp MinIP : là một phương pháp trực quan dữ liệu cho phép phát hiện

cấu trúc mật độ thấp trong một khối lượng nhất định Thuật toán sử dụng tất cả các dữ liệu trong một khối lượng quan tâm để tạo ra một hình ảnh duy nhất hai chiều, nói cách khác bao gồm các dự voxel với giá trị suy giảm thấp nhất trên mỗi điểm trong suốt khối lượng lên một hình ảnh 2D Phương pháp này trái ngược với phương pháp MIP khi chúng ta sử dụng giá trị nhỏ nhất dọc theo tia để tạo giá trị của điểm ảnh

- Phương pháp alpha compositing: Còn có một số tên khác như

(Translucency/opacity ) Đây là phương pháp thường được sử dụng phổ biến nhất Trong phương pháp này các gia số (density value) được đưa vào dọc theo tia để tạo ra màu sắc và

độ trong suốt cho ảnh Giá trị của tia chiếu tại mỗi voxel có thể tính theo công thức sau:

Dạng “Back to Front”

V(i) = V(i-1)(1 – a(i)) + c(i).a(i) Dạng “Front to Back”

V(i) = V(i-1) +c(i).a(i).(1-a(i)) Trong đó : V(i) : giá trị của tia chiếu khi ra khỏi voxel thứ i

V(i-1) : giá trị của tia chiếu sau khi ra khỏi voxel thứ i – 1 a : giá trị được chọn để

điều khiển độ chắn sáng

c : giá trị được chọn để điều khiển độ chói (luminance) Volume Rendering là kĩ thuật khó vì những lí do: thứ nhất là ở bước shading (tính

toán màu sắc cho mỗi điểm dữ liệu trong thể tích) và classification (tính toán độ chắn sang cho mỗi điểm dữ liệu trong thể tích), ta phải xác định màu sắc và độ chắn sáng (hoặc độ trong suốt) cho toàn bộ khối; thứ hai là khâu chiếu sáng, ta phải phải xét sự tương tác của ánh sáng khuếch tán bên trong vật thể chứ không chỉ trên bề mặt, ta phải tạo ra vật thể có dạng bán trong suốt (semi – transparent) ; thứ ba là hiệu quả, dữ liệu thể tích rất lớn và có tính tương tác cao nên đòi hỏi phải tính toán rất nhiều và dữ liệu phát sinh trong quá trình tính toán là rất lớn

Để tăng tốc độ tính toán trong phương pháp VR ngư ời ta thường tìm cách sắp xếp lạidữ liệu để đạt hiệu quả tính toán cao Ví dụ sắp xếp dữ liệu lại dưới dạng cây cho ta phươngpháp Hierarchical Volume Rendering ,… Hiện nay người ta đã có thể thực hiện VR theothời gian thực.Phương pháp VR thường dùng để tạo ảnh 3D cho các ảnh có độ tương phản thấp Sovới kĩ thuật SR thì kĩ thuật VR đòi hỏi phải tính toán nhiều hơn do đó cần các phần cứngmạnh hơn

2.2 Kỹ thuật biểu diễn bề mặt

Điều này rất có ý nghĩa đối với ảnh y tế vì các ảnh y tế thường là các ảnh đa mức xám Trên các ảnh cắt lớp các mô cùng loại được thể hiện với cùng một độ xám (gray level) Dùng kĩ thuật này chúng ta có thể tái tạo lại bề mặt của các mô

Ví dụ chúng ta có thể tái tạo hình ảnh của xương sọ hay hình ảnh các mạch máu não

từ các ảnh cắt lớp đầu Các isosurface thường được tô cùng một màu để dễ theo dõi

Có nhiều thuật toán khác nhau để tạo bề mặt từ các điểm dữ liệu rời rạc Trong đó chia ra làm hai loại là tạo bề mặt từ các đường viền và tạo bề mặt từ dữ liệu khối

Hình ảnh 2.7 Hình ảnh 3D được biểu diễn theo phươg pháp SR

- Tạo bề mặt từ các đường viền (contour based data):

Để tạo bề mặt từ các đường viền cần hai bước: trích biên và tái tạo bề mặt

+ Trích biên: Dùng các thuật toán trích biên để tạo các đường biên trên mỗi lát cắt

Việc trích biên có thể thực hiện tự động hoặc thực hiện thủ công Nếu thực hiện tự độngngười ta dùng một số thuật toán trích biên như LOG của Marr và Canny, thuật toán Snake model của Terzopoulos , thuật toán balloon model của Cohen, thuật toán Level Set của Leventon,…Với các dữ liệu có cấu trúc như các ảnh cắt lớp ta có thể dùng thuật toán Marching Square

+ Marching Square: Sử dụng cho dữ liệu dạng lưới 2 chiều Ý tưởng của phương pháp

này là tạo ra một đường cong mô tả cho một giá trị vô hướng trong lưới dữ liệu, giá trị

này gọi là isovalue

Hình ảnh 2.8 Minh họa thuật toán Marching square Đường cong mô tả giá trị 5 trong l ưới dữ liệu

Đường nối giữa hai cạnh của một ô của lưới (cell) trong phương pháp này là đường

thẳng Giao điểm của đường nối này với các cạnh được tính bằng nội suy tuyến tính từ các

giá trị ở các đỉnh nằm trên cạnh đó Ta giả sử các đỉnh của ô sẽ nằm trong đường nối nếu

giá trị tại đó lớn hơn giá trị isovalue và nằm ngoài nếu nhỏ hơn Có 24 = 16 cách tạo ra các

đường này

Hình ảnh 2.9 trường hợp Marching Square

Các bước thực hiện Marching Square :

+ Chọn một ô

+ Tính toán trạng thái trong,ngo ài của mỗi đỉnh của ô

+ Tìm “topological state” của ô để quyết định đường nối sẽ đi qua cạnh nào của “cell”

+ Tính toán giao đi ểm của các đường với các cạnh của ô + Chuyển (march) tới ô khác

Phương pháp Marching Square có ưu điểm là giúp tính toán nhanh nhưng nhược

điểm là trong một số trường hợp ta có thể có nhiều cách tạo ra các đường đi qua “cell” v

àcó thể tạo ra những lỗ

+Tái tạo bề mặt: Sau khi đã xác định được các đường viền ta xây dựng một mặt từ

các đường này Các phương pháp được sử dụng hiện nay có phương pháp của Keppel

(1975); phương pháp của Fush (1977): xây dựng một mặt giữa hai đường biên kề nhau; hay của Ekoule,Peyrin, Odet (1991)

Hình ảnh 2.10 Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền

- Tạo bề mặt từ dữ liệu khối (volume data, voxel based reconstruction):

Trước hết cần sắp xếp lại dữ liệu thành dạng khối Đối với các ảnh cắt lớp song song

ta sẽ xếp các lát cắt liên tục nhau, xác định khoảng cách giữa các lát cắt, mỗi pixel trên các ảnh cắt lớp sẽ biến thành một voxel trong khối dữ liệu Sau đó dùng các thuật toán để tạo

bề mặt từ khối dữ liệu này Các thuật toán được sử dụng phổ biến hiện nay là:

+ Marching Cube s (MC): Thuật toán này được phát minh bởi William E orensen

và Harvey E Cline và đã được cấp bản quyền sở hữu vào tại Mỹ vào ngày 5/6/1985 Heo quy định chung các tác giả được bảo hộ bản quyền trong 20 năm Do đó, ở thời điểm này giấy phép đã hết hiệu lực và chúng ta có quyền tự do sử dụng thuật toán này cho các mục đích thương mại

Thuật toán này tương tự như thuật toán Marching Square đã trình bày ở trên nhưng được thực hiện cho dữ liệu 3 chiều Nguyên tắc của thuật toán này là chia khối dữ liệu thành các hình lập phương, mỗi hình lập phương được tạo từ 8 voxel nằm kề hau.Sau đó xác định một mặt đi xuyên qua mỗi hình lập phương, tính toán các véc tơ pháp tuyến, phát triển (march) đến hình lập phương tiếp theo Từ đó ta có thể xấp xỉ một isosurface bởi một lưới tam giác (triangle mesh)

Ta xây dựng mặt phẳng này với giả thiết nếu giá trị tại đỉnh lớn hơn giá trị isovalue thì đỉnh đó nằm bên trong mặt và ngược lại Để xác định giao điểm của mặt phẳng này với các cạnh của hình lập phương ta cần nội suy tuyến tính từ giá trị tại hai đỉnh trên cạnh đó