CT 프로토콜에 따른 3차원 Volume Rendering과 Surface Rendering의 비교 연구

홍선숙(Sun Suk Hong),김민정(Min Jeong Kim) 대한전산화단층기술학회 2012 대한CT영상기술학회지 Vol.14 No.1

목적 의료 영역에서 3차원 재구성은 병소의 해부학적 위치와 그 형태, 치료 방향의 설정 등 진단과 치료 분야에 유용한 역할을 하고 있다. 따라서 병소나 관심 장기의 정확한 볼륨의 측정은 진단과 치료의 정확성과 효율성을 증대시킬 것이다. 이러한 3차원 재구성 방법으로는 volume rendering과 surface rendering 방법이 대표적이며 본 연구에서는 phantom의 제작을 통하여 재구성 방법에 따른 볼륨을 측정하고 정확도를 비교분석하였다. 대상 및 방법 첫번째 phantom은 아세탈 재질의 cylinder 형태인 10개의 phantom, 두번째와 세번째 phantom은 RP system을 통해 waterdrop형태의 10개 phantom으로 각각 제작하였다. 두번째, 세번째 phantom은 그 모양과 볼륨은 동일하고 재질만 다르게 제작하였다. 각각 재질은 Vero White-Fullcure83와 TangoGray-Fullcure950 재질을 사용하였다. GE사의 64MDCT를 사용하여 5가지의 CT 프로토콜 조건으로 scan하였다. Scan data의 volume rendering:과 surface rendering으로 3차원 재구성하여 각각의 볼륨을 측정하고 실제부피와 측정부피의 오차를 비율로서 나타낸 뒤 Minitab을 이용하여 통계분석 처리하였다. 결과 또한 5가지 type 프로토콜 모두 volume rendering이 surface rendering에 비해 정확도가 높게 나타났다. 재질이 다른 Phantom 2와 3은 volume rendering과 surface rendering 모두 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 분석되었다. 형태가 일정한 phantom1과 곡면 형태가 포함 된 phantom2의 볼륨 측정 결과 volume rendering은 통계적으로 유의한 차이를 나타났으며 형태가 일정한 phantom1의 정확도가 높은 것으로 나타났다. Surface rendering은 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다. 결론 전체적으로 volume rendering 방법과 surface rendering 방법은 정확도가 우수하게 평가되었다. Ct 프로토콜에 따른 3차원 재구성 볼륨 측정 결과volume rendering이 surface rendering에 비해 더 높은 정확도를 나타낸다. 그러나 관심영역에 대한 3차원적인 구조물의 측정(부피, 각도, 길이 등)에 대해서 surface rendering은 volume rendering이 측정할 수 없는 부분까지 측정 가능한 특징을 나타냈다. I. Purpose 3Dimention reconstruction method is beneficial to diagnosis and cure that find location of a lesion and check the shape, because accurate measurement using 3dimention reconstruction for lesion or organ could be ringing(incraseing) accuracy and efficiency. There are two typical methods which are Volume rendering and surface rendering. In this study, We measured volume according to reconstruction methods, using a phantom which we made, and analyze its accuracy II. Materials and Method We made 3 type of phantoms which have a little bit different. First phantom is acetyl material and cylinder type. Second phantom is VeroWhite-Fullrure83 material and Waterdrop1 type which is produced by RP system. Third phantom is TangoGray-Fullcure950 material and waterdrop2 type. We used 5 protocols by GE 64MDCT to get a data. We measured each phantom volume which were reconstructed by surface rendering and volume rendering and we analyzed error ratio of sire and measured sire by Minitab III. Result Volume rendering is higher accuracy than surface rendering on 5 types of protocols. There were no statistical difference about volume and surface rendering on phantom number 2 and 3. In other examination, There was statistical difference about volume rendering on phantom 1 which shape is cycle and phantom 2 which shape is curved. On the contrary, in case of Surface rendering, there was no statistical difference IV. Conclusion Both Volume rendering and surface rendering methods have a good accuracy. An accuracy of Volume rendering is higher than that of surface rendering In the result of measuring about 3D reconstruction volume by CT protocol. On the contrary, Surface rendering had a different character with volume rendering. It’s a special ability to detect shaded interested region. In other words, Surface rendering could measure structures of 3dimention these are volume, angle and length

Volume Rendering using Grid Computing for Large-Scale Volume Data

Nishihashi, Kunihiko,Higaki, Toru,Okabe, Kenji,Raytchev, Bisser,Tamaki, Toru,Kaneda, Kazufumi Society for Computational Design and Engineering 2009 International Journal of CAD/CAM Vol.9 No.1

In this paper, we propose a volume rendering method using grid computing for large-scale volume data. Grid computing is attractive because medical institutions and research facilities often have a large number of idle computers. A large-scale volume data is divided into sub-volumes and the sub-volumes are rendered using grid computing. When using grid computing, different computers rarely have the same processor speeds. Thus the return order of results rarely matches the sending order. However order is vital when combining results to create a final image. Job-Scheduling is important in grid computing for volume rendering, so we use an obstacle-flag which changes priorities dynamically to manage sub-volume results. Obstacle-Flags manage visibility of each sub-volume when line of sight from the view point is obscured by other subvolumes. The proposed Dynamic Job-Scheduling based on visibility substantially increases efficiency. Our Dynamic Job-Scheduling method was implemented on our university's campus grid and we conducted comparative experiments, which showed that the proposed method provides significant improvements in efficiency for large-scale volume rendering.

선천성 내이 기형: MR CISS 기법을 이용한 3차원 Volume Rendering 영상

김학진,Kim, Hak-Jin 대한영상의학회 2003 대한영상의학회지 Vol.49 No.4

목적: 선천성 내이 기형 환자에서 MR CISS 기법을 이용하여 내이의 3차원 용적 연출(volume rendering : VR)영상 소견을 알아보고자 하였다. 대상과 방법: 선천성 내이 기형이 의심되는 15명의 환자(남자 10명, 여자 5명; 연령 3개월 - 15세; 평균 연령 6.5세)를 대상으로 1.5 Tesla 초전도형 MR기기(Magnetom vision, Simens, Erlangen, Germany)를 이용하여 양측 내이의 CISS 영상(TR/TE/FA : 12.25ms/5.9ms/70$^{\circ}$)을 얻은 후 workstation (advanced workstation, volume analysis, Voxtol 3.0.0, GE system)에서 VR을 시행하였다. 3차원 VR 내이 영상에서 와우와 반규관의 형성 유무와 구조적 이상을 분석하였다. 결과: 15명의 환자에서 좌우 내이 총 30예의 3차원 VR 영상을 얻었으며 25예의 내이 영상에 서 와우의 이상을 보였으며 불완전한 분할 18예, 저형성 2예, 심한 저형성 5예였다. 불완전 분할을 보인 경우는 1과1/2에서 1과1/3의 분할을 보였다. 상측 반규관은 정상 15예, 후측 반규관과의 공통 다리 무형성이 6예, 저형성 4예, 무형성 3예, 짧고 넓은 외형 2예, 낭성 방을 보인 경우가 2예였다. 후측 반규관은 정상 13예, 상측 반규관과의 공통 다리 무형성이 6예, 짧고 넓은 외형 5예, 무형성 4예, 저형성 3예였다. 외측 반규관은 정상 12예, 짧고 넓은 외형 7예, 늘어난 다리를 보인 경우가 5예, 넓은 외형 4예, 무형성 2예였다. 14명의 환자에서 양측 내이에 기형을 보였으며 7명의 환자가 양측 귀에 동일한 기형을 보였다. 결론: 3차원 VR 영상을 통해 다양한 와우 및 반규관의 형태학적 이상 소견을 관찰 할 수 있었으며 반규관의 기형은 와우 보다 복잡하고 다양한 양상을 보였다. MR CISS 기법을 이용한 3차원 VR 영상은 고식적 2차원 영상이 보여줄 수 없는 복잡한 와우 및 반규관의 형태학적 이상을 잘 보여 주며 내이에 생기는 선천성 기형의 평가에 유용하다. Purpose: To evaluate three-dimensional volume-rendering of congenital inner-ear malfornations using the MR CISS (Constructive Interference in Steady State) sequence. Materials and Methods: MR CISS images of 30 inner ears of 15 patients (M:F=10:5; mean age, 6.5years) in whom inner-ear malfornation was suspected were obtained using a superconducting Magnetom Vision System (Simens, Erlangen, Germany), with TR/TE/FA parameters of 12.25 ms/5.9 ms/70 degree. The images obtained were processed by means of the volume rendering technique at an advanced workstation (Voxtol 3.0.0; GE Systems, advanced workstation, volume analysis). The cochlea and three semicircular canals were morphologically evaluated. Results: Volume-rendered images of 25 inner ears of 13 patients demonstrated cochlear anomalies in the form of incomplete partition (n=18), hypoplasia (n=2), and severe hypoplasia (n=5). For the superior semicircular canal, findings were normal in 15 ears, though common crus aplasia (n=6), hypoplasia (n=4), aplasia (n=3), and a short and broad shape (n=2) were also observed. The posterior semicircular canal of 13 ears was normal, but common crus aplasia (n=6), a short and broad shape (n=5), aplasia (n=4), hypoplasia (n=3) were also identified. Twelve lateral semicircular canals, were normal, but other images depicted a short and broad shape (n=7), a dilated crus (n=5), a broad shape (n=4), and aplasia (n=2). In 14 patients the anomalies were bilateral, and in seven, the same anomalies affected both ears. Conclusion: Three-dimensional volume rendering images of the inner ear depicted various morphological abnormalities of the cochlea and semicircular canals. At that locations, anomalies were more complicated and varied than in the cochlea. Three-dimensional volume rendering imaging using the MR CISS technique provides anatomical information regarding the membranous labyrinth, and we consider this useful in the evaluation of congenital inner ear malformations.

다중 깊이 영상을 이용한 볼륨-표면 혼합 가시화

계희원(Kye, Heewon) 한국게임학회 2013 한국게임학회 논문지 Vol.13 No.2

컴퓨터 게임에 볼륨 가시화 기법이 적용되면서, 하나의 화면에 표면 데이터와 볼륨 데이터를 혼합하여 가시화하려는 요구가 발생하고 있다. 최신 그래픽스 하드웨어의 범용 연산 기능을 사용하면 혼합 가시화를 수행할 수 있으나, 컴퓨터 게임은 저사양 하드웨어에서도 동작해야 하는 경우도 있어 혼합 가시화를 수행하기 어렵다. 본 연구는 DirectX 9.0 기반의 범용 하드웨어에서 볼륨-표면 혼합 가시화를 수행하는 방법을 제안한다. 우선, 표면 데이터를 가시화하여 다중 깊이 영상을 생성하는 방법을 제안한다. 이때, 생성 시간을 단축하는 깊이 복잡도 축소 방법을 제안한다. 이후, 생성된 다중 깊이 영상을 이용하여, 볼륨-표면 혼합 가시화를 수행한다. 혼합 가시화 과정에서 표면 데이터와 볼륨 데이터 사이의 좌표계 변환 방법과 혼합 가시화의 가속화 방법을 제안한다. 이를 통해 볼륨-표면 혼합 가시화를 효율적으로 수행할 수 있다. As volume rendering has been applied for computer game, the visualization of volume data with surface data in one scene has been required. Though a hybrid rendering of volume and surface data have been developed using the GPGPU functionality, computer games which run on low-level hardware are difficult to perform the hybrid rendering. In this paper, we propose a new hybrid rendering based on DirectX 9.0 and general hardware. We generate the layered depth images from surface data using a new method to reduce the depth complexity and generation time. Then, we perform the hybrid rendering using the layered depth images. In the rendering process, we suggest a new method to transform the coordinate system from a surface coordinate to a volume coorinate and propose an accelerated rendering technique. As the result, we can perform volume-surface hybrid rendering in an efficient way.

가상현실을 통한 볼륨렌더링 깊이 인식 향상

최준영,정해진,정원기 (사)한국컴퓨터그래픽스학회 2018 컴퓨터그래픽스학회논문지 Vol.24 No.2

Direct volume rendering (DVR) is a commonly used method to visualize inner structures in 3D volumetric datasets. However, conventional volume rendering on a 2D display lacks depth perception due to dimensionality reduction caused by ray casting. In this work, we investigate how emerging Virtual Reality (VR) can improve the usability of direct volume rendering. We developed real-time high-resolution DVR system in virtual reality, and measures the usefulness of volume rendering with improved depth perception via a user study conducted by 38 participants. The result indicates that virtual reality significantly improves the usability of DVR by allowing better depth perception. 직접볼륨렌더링(DVR)은 3차원 볼륨 데이터의 내부 구조를 시각화하는 데 일반적으로 사용되는 방법이다. 그러나, 2차원 디스플레이 상의 기존의 볼륨 렌더링은 광선 투사법에 의한 차원 감소로 인해 깊이 인식이 부족하다. 본 연구에서는 가상현실이 볼륨렌더링의 유용성을 어떻게 향상시킬 수 있는지 조사한다. 우리는 가상 현실에서 실시간 고해상도 볼륨렌더링 시스템을 개발하고 38명의 참가자를 통한 사용자 연구를 통해 깊이 인식의 향상에 따른 볼륨렌더링의 유용성을 측정한다. 결과는 가상 현실이 뛰어난 깊이 인식을 가능하게 함으로써 볼륨렌더링의 유용성을 향상 시킨다는 것을 보여준다.

MR Angio영상의 Ray Casting 가속화 Algorithm에 관한 연구

정용규,권영만,김욱동 凡石學術奬學財團 2001 凡石學術論文集 Vol.5 No.1

Volume render is to visualize 3D (3 Dimension) information, which is used in diverse applications, such as medical imaging, fluid dynamics, meteorology, failure analysis, and molecular modeling. Medical applications are mainly diagnosis. virtual surgery. image guided surgery and others. Most widely used 3D method in MR and CT Images is Ray Casting, It has some shortcomings of the slow rendering speed. In this reason, many 3D volume visualization methods have been developed. General methods are surface and volume rendering. This paper intends to, show that the job related 3D volume visualization let' us be capable of displaying more realistic images than surface rendering. Proposed method is Ray Casting witch Octree algorithm, Which follows as bellow steps. First of all, depth information is made by threshold segmentation. Secondly, depth range is adjusted. Finally, area within specified depth range is processed to produce the result image. In this step, sampling point which is acquired by interpolating voxel is blended as. semitransparent material. Using blending operation, overlapped objects can be displayed correctly. It accelerates the job more than general Ray Casting.

볼륨데이터에 최적화된 피하 산란 기법을 이용한 의료 영상 표현

정예은,윤상연,신병석 한국차세대컴퓨팅학회 2024 한국차세대컴퓨팅학회 논문지 Vol.20 No.3

의료 분야에서는 인체 조직을 정밀하게 분석해야 하므로, 높은 영상 품질이 요구된다. 이를 위해 전역 조명 효과를 활용하여 볼륨 데이터를 시각화함으로써 인체 조직의 재질을 보다 사실적으로 표현한다. 인체 대부분의 장기들이 반투명성을 가지고 있기 때문에, 피하 산란 기법을 적용하는 것이 좋다. 메시 기반 렌더링에서 사용하는 알고리즘을 볼륨 데이터에 그대로 적용하는 것은 어려워, 볼륨 데이터에 최적화된 피하 산란 표현 방법이 필요하다. 기하 모델처럼 명시적인 표면이 정의되지 않는 볼륨 렌더링에서는 표면 곡률과 두께를 계산하기가 어렵다. 본 논문에서는 볼륨 데이터에 최적화된 곡률 및 두께 추정 방법을 제안한다. 복셀 간의 위치와 법선 벡터 차이를 통해 곡률을 추정하여 산란 효과를 더 정밀하게 모델링하였다. 또한, 두께를 추정하기 위해 복셀의 밀도 값을 누적하여 얇은 인체 조직의 반투명성을 효율적으로 표현함으로써, 피하 산란 현상까지 고려한 사실적인 영상 생성이 가능하다. In the medical field, precise analysis of human organs necessitates high-quality imaging. To achieve this, we utilize global illumination effects to visualize volume data, thereby representing the materials of human organs more realistically. Since most human organs exhibit translucency, it is advantageous to apply subsurface scattering techniques. Algorithms used in mesh-based rendering are challenging to apply directly to volume data, necessitating subsurface scattering methods optimized for volume data. In volume rendering, where explicit surfaces like geometric models are not defined, calculating surface curvature and thickness is difficult. This paper proposes an optimized method for estimating curvature and thickness in volume data. By estimating curvature through the differences in positions and normal vectors between voxels, we model scattering effects more accurately. Additionally, to estimate thickness, we accumulate voxel density values, effectively representing the translucency of thin human organs. This results in the creation of realistic images that account for subsurface scattering phenomena.

Occlusion-based Direct Volume Rendering for Computed Tomography Image

Jung, Younhyun Korea Multimedia Society 2018 The journal of multimedia information system Vol.5 No.1

Direct volume rendering (DVR) is an important 3D visualization method for medical images as it depicts the full volumetric data. However, because DVR renders the whole volume, regions of interests (ROIs) such as a tumor that are embedded within the volume maybe occluded from view. Thus, conventional 2D cross-sectional views are still widely used, while the advantages of the DVR are often neglected. In this study, we propose a new visualization algorithm where we augment the 2D slice of interest (SOI) from an image volume with volumetric information derived from the DVR of the same volume. Our occlusion-based DVR augmentation for SOI (ODAS) uses the occlusion information derived from the voxels in front of the SOI to calculate a depth parameter that controls the amount of DVR visibility which is used to provide 3D spatial cues while not impairing the visibility of the SOI. We outline the capabilities of our ODAS and through a variety of computer tomography (CT) medical image examples, compare it to a conventional fusion of the SOI and the clipped DVR.

GPU 기반 반투과 매체 렌더링의 향상 기법

차득현(Deukhyun Cha),이용일(Yong-il Yi),임인성(Insung Ihm) 한국정보과학회 2010 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.16 No.12

구름, 연기, 가스 등과 같은 반투과 매체(participating media)를 사실적으로 가시화해주기 위해서는 그 내부에서 빛이 진행하는 과정을 물리적으로 시뮬레이션 해주어야 한다. 이 과정은 볼륨 렌더링 방정식이라는 적분 방정식을 통하여 표현할 수 있으나, 이를 정밀하게 푸는 것은 상당한 계산 시간을 요한다. 최근 GPU의 성능 향상에 힘입어, 반투과 매체에 대한 고속의 렌더링 기법들이 소개되고 있으나, 아직도 해결해야할 문제들이 많이 남아있다. 본 논문에서는 기존의 GPU 기반의 반투과 매체 렌더러의 기능/성능 향상을 위하여 적용한 렌더링 기법들을 설명하고, 그러한 노력들이 어떠한 개선 효과를 달성하였는지 분석한다. 이러한 기법들은 추후 각종 디지털콘텐츠 제작에 있어 특수 효과 생성을 위한 고속의 사실적인 볼륨 렌더러 구축에 유용하게 적용될 수 있을 것이다. In order to realistically visualize such participating media as cloud, smoke, and gas, the light transport process must be physically simulated inside the media. While it is known that this process is well described physically through the volume rendering equation, it usually takes a great deal of computation time for obtaining high-precision solutions. Recently, GPU-based, fast rendering methods have been proposed for the realistic simulation of participating media, however, there still remain several problems to be resolved. In this article, we describe our rendering techniques applied to enhance the performances and features of our GPU-assisted participating media renderer, and analyze how such efforts have actually improved the renderer. The presented techniques will be effectively used in volume renderers for creating various digital contents in the special effects industries.

웹 기반 볼륨 가시화를 위한 vtk.js의 셰이더 효과 연구

이윤호,조세홍,계희원 한국차세대컴퓨팅학회 2021 한국차세대컴퓨팅학회 논문지 Vol.17 No.5

의료영상 데이터를 이용하여 볼륨 가시화를 할 때, 대부분의 볼륨 가시화를 수행하는 응용프로그램들은 운영체제 및 특정 컴퓨터 장치에 제약을 받는다. 우리는 이러한 문제점을 해결하고자 운영체제와 특정 컴퓨터 장치로부터 상대적 으로 자유로운 웹 환경에서 볼륨 가시화 응용프로그램을 웹 기반 그래픽 프레임워크인 vtk.js를 이용하여 구현하였 다. vtk.js에서는 가장 핵심적인 기능인 볼륨 가시화를 구현할 때 셰이더 프로그램을 이용한다. 본 논문에서는 셰이 더 프로그램을 수정해 기존에 없던 기능을 확장하여 더 많은 기능을 사용자에게 제공할 수 있음을 보인다. 그 예시로 인체조직의 표면만을 가시화할 때 발생하는 노이즈를 제거하는 기법인 전적분(pre-integration) 기법과 인체조직의 표면을 복잡한 과정 없이 간단하게 볼륨 가시화할 수 있는 그래디언트를 이용한 투명도 조절(gradient opacity) 기 법을 구현하였다. 그리고 이 두 기법은 vtk.js에서 제공하는 기능인 블렌드 모드에 통합하는 데 성공하였다. When performing volume rendering using medical image data, most applications that perform volume rendering are limited by operating systems and specific computer devices. To solve this problem, we implemented a volume visualization application using vtk.js, a web-based graphic framework, in a web environment that is relatively free from the operating system and specific computer devices. In vtk.js, a shader program is used to implement the most core function volume rendering. In this paper, it is shown that more functions can be provided to users by modifying this shader program to extend functions that did not exist before. As an example, we implemented the pre-integration technique, which is a technique to remove noise generated when only the surface of human tissue is visualized, and the gradient opacity technique, which can simple volume rendering of the surface of human tissue without a complicated process. And these two techniques succeeded in integrating into the blend mode, a function provided by vtk.js.