Nghiên cứu phương pháp tái tạo ảnh 3 chiều trong chẩn đoán hình ảnh y tế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐINH CÔNG ĐẠT

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO ẢNH 3 CHIỀU TRONG CHẨN
ĐỐN HÌNH ẢNH Y TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS Nguyễn Tiến Dũng

Hà Nội – Năm 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn
khoa học của PGS.TS Nguyễn Tiến Dũng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả đạt được là
hoàn toàn trung thực. Những số liệu, cơng thức được chính tác giả thu thập từ các nguồn
khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.

Hà Nội, ngày

tháng
Học viên

Đinh Công Đạt

1

năm 2016


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ 1
MỤC LỤC ........................................................................................................................... 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................... 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. 6
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ TÁI TẠO HÌNH ẢNH 3D .............. 10
1.1. Tổng quan về đồ hoạ 3D ......................................................................................... 10
1.1.1. Một số khái niệm về đồ họa 3D ........................................................................ 10
1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D ............................................................... 11
1.2. Tái dựng hình ảnh 3D ............................................................................................. 13
1.2.1. Sơ lược về quy trình hiển thị 3D ....................................................................... 13
1.2.2. Lý thuyết về tái tạo khối (volume rendering) .................................................... 17
1.2.3. Tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song .................................................... 22
1.2.3.1. Một số thiết bị tạo lát cắt song song trong y tế ............................................ 22
1.2.3.2. Chuẩn DICOM ............................................................................................... 24
1.2.4. Phương pháp tái tạo ảnh 3D ............................................................................ 30
1.2.4.1. Sắp xếp dữ liệu ............................................................................................... 30
1.2.4.2. Biểu diễn (Rendering) .................................................................................... 31
1.2.4.3. Quy trình chuyển đổi khối dữ liệu thành hình ảnh ........................................ 33
1.2.4.4. Các phương pháp tạo bố cục ảnh (Image composition)................................ 35
1.3. Tổng quan về lĩnh vực chẩn đốn hình ảnh y tế sử dụng hình ảnh 3D hiện nay .... 36
1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................................... 41
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TÁI TẠO ẢNH 3D ................................................ 42
2.1. Kĩ thuật Marching Cubes ........................................................................................ 42

2.1.2. Quy trình thực hiện ........................................................................................... 42
2.1.3. Phương pháp thực hiện ..................................................................................... 42
2.1.4. Giải thuật Marching Cubes .............................................................................. 46
2.1.5. Ưu và nhược điểm của thuật toán Marching Cubes ......................................... 47
2


2.1.6. Cải tiến kĩ thuật Marching Cubes ..................................................................... 47
2.1.6.1. Kĩ thuật Marching Tetrahedra....................................................................... 47
2.1.6.2. Kĩ thuật Dividing Cube .................................................................................. 48
2.2. Kĩ thuật Shear-wap ................................................................................................. 48
2.2.1. Ý tưởng .............................................................................................................. 48
2.2.2. Quy trình thực hiện ........................................................................................... 49
2.2.3. Phương pháp thực hiện ..................................................................................... 49
2.2.4. Ưu và nhược điểm ............................................................................................. 51
2.3. Kĩ thuật Ray Casting ............................................................................................... 51
2.3.1. Ý tưởng .............................................................................................................. 51
2.3.3. Phương pháp thực hiện ..................................................................................... 52
2.3.4. Giải thuật Ray Casting ..................................................................................... 55
2.3.5. Ưu và nhược điểm ............................................................................................. 55
2.3.6. Một số kĩ thuật tăng tốc cho Ray Casting ......................................................... 55
2.3.7. Cải tiến Ray Casting sử dụng cấu trúc phân cấp không gian .......................... 57
2.3.8. Giải thuật Ray Casting cải tiến sử dụng cấu trúc phân cấp không gian dữ liệu
..................................................................................................................................... 60
2.3.9. So sánh tốc độ của Ray Casting và Ray Casting cải tiến sử dụng cấu trúc phân
cấp không gian ............................................................................................................ 61
2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................... 61
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TÁI TẠO ẢNH 3D TRONG Y TẾ ...................................... 63
3.1. Giới thiệu chung về phần mềm 3DS Max................................................................ 63
3.1.1. Lịch sử hình thành phần mềm 3DS Max. .......................................................... 63

3.1.2. Một số ứng dụng của phần mềm 3DS Max ....................................................... 64
3.2. Mô phỏng tái tạo ảnh 3D thông qua sử dụng phầm mềm 3DS Max ....................... 67
3.2.1. Mô phỏng tạo ảnh gan người ................................................................................... 67
3.2.3. Mô phỏng tạo ảnh trái tim người ............................................................................. 75
3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................................... 80
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 80

3


TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 82

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Quy trình hiển thị đối tượng 3D. ...................................................................... 14
Hình 1. 2: Loại bỏ các đối tượng khơng nhìn thấy. .......................................................... 14
Hình 1. 3: Chiếu sáng đối tượng. ...................................................................................... 15
Hình 1. 4: Chuyển đối tượng sang không gian quan sát. .................................................. 15
Hình 1. 5: Loại bỏ đối tượng nắm ngồi view................................................................... 16
Hình 1. 6: Chuyển đối tượng thành pixel. ......................................................................... 16
Hình 1. 7: Hiển thị đối tượng. ........................................................................................... 17
Hình 1. 8: Voxel là một tế bào khối. .................................................................................. 17
Hình 1. 9: Voxel là một điểm dữ liệu tại một góc của tế bào. ........................................... 18
Hình 1. 10: Vector pháp tuyến của mặt phẳng. ................................................................. 21
Hình 1. 11: Vật thể 3 chiều được biểu diễn bằng khung kết nối. ...................................... 21
Hình 1. 12: Dicom và mơ hình tham chiếu OSI ................................................................ 25
Hình 1. 13: Thơng tin file DICOM. ................................................................................... 26
Hình 1. 14: Một trường của ảnh DICOM. ........................................................................ 27
Hình 1. 15: Cấu trúc flie DICOM. .................................................................................... 28
Hình 1. 16: Cấu tạo Data Set. ........................................................................................... 29
Hình 1. 17: Sắp xếp các lát cắt song song để tạo khối dữ liệu. ........................................ 31

Hình 1. 18: Minh họa thuật toán Marching square (đường cong mơ tả giá trị trong lưới
dữ liệu). .............................................................................................................................. 32
Hình 1. 19: 16 trường hợp Marching square. ................................................................... 32
Hình 1. 20: Minh họa tạo bề mặt từ các đường viền......................................................... 33
Hình 1. 21: Minh họa kỹ thuật Object- order. ................................................................... 34
Hình 1. 22: Minh họa kỹ thuật Ray casting. ...................................................................... 35
Hình 1. 23: Mơ hình qt hàm răng 3D ............................................................................ 37
Hình 1. 24: Mơ hình tạo chân chỉnh hình với qt 3D...................................................... 38
Hình 1. 25: Mơ hình mạch máu thơng qua cơng nghệ in 3D. ........................................... 39
Hình 1. 26: Mơ hình bộ hàm titan đúc từ máy in công nghệ 3D. ...................................... 40

Hình 2. 1: Chọn một tế bào từ dữ liệu khối. ...................................................................... 42
Hình 2. 2: So sánh giá trị tại đỉnh với isovalue................................................................. 43
4


Hình 2. 3: Đánh dấu những đỉnh nằm trong mặt phẳng. .................................................. 43
Hình 2. 4: Xây dựng bề mặt theo giá trị của các đỉnh. ..................................................... 44
Hình 2. 5: Các trường hợp đối xứng. ................................................................................ 44
Hình 2. 6: 15 trường hợp sau khi đã giản ước. ................................................................. 44
Hình 2. 7: Tạo chỉ số cho các đỉnh và cạnh. ..................................................................... 45
Hình 2. 8: Nội suy vị trí đỉnh của tam giác. ...................................................................... 46
Hình 2. 9: 2 mặt giao nhau tạo ra lỗ. ................................................................................ 46
Hình 2. 10: Những mặt khác nhau của cùng một trường hợp........................................... 46
Hình 2. 11: Chia khối lập phương thành các khối tứ diện. ............................................... 47
Hình 2. 12: 2 trường hợp mặt phẳng đi qua khối tứ diện. ................................................ 48
Hình 2. 13: Minh họa thuật tốn Dividing Cubes trong khơng gian 3 chiều.................... 48
Hình 2. 14: Minh họa thuật tốn Shear-wap. .................................................................... 49
Hình 2. 15: Các lát cắt của khối dữ liệu được dịch chuyển. ............................................. 50
Hình 2. 16: Ma trận xem. .................................................................................................. 51

Hình 2. 17: Hệ thống các tọa độ trong suốt quá trình tái dựng ảnh. ................................ 53
Hình 2. 18: Tổng hợp màu sắc và độ chắn sáng. .............................................................. 54
Hình 2. 19: Tổng hợp màu sắc và độ chắn sáng của tất cả các voxel dọc theo tia và hiển
thị giá trị cuối cùng lên mặt phẳng ảnh. ........................................................................... 54
Hình 2. 20: Tia đi qua khối nhị phân được phân chia ra khu vực đông nhất. .................. 56
Hình 2. 21: Minh họa ý tưởng tia thích nghi với chỗ giao cắt. ......................................... 57
Hình 2. 22: Sử dụng C-buffer. ........................................................................................... 57
Hình 2. 23: Liệt kê cấu trúc khơng gian đối tượng với N=5. ............................................ 58
Hình 2. 24; Minh họa 2 chiều cách 1 tia đi qua cấu trúc phân cấp. ................................. 60

Hình 3. 1: Hình ảnh mơ phỏng trong chương trình. ......................................................... 63
Hình 3. 2: Giao diện chương trình 3DS Max 2015. .......................................................... 66
Hình 3. 3: Tạo 1 plane rồi tiến hành gán ảnh 2D vào khung nhìn. .................................. 67
Hình 3. 4: Vẽ các đường viền để định hình từng phần để tái tạo ảnh. ............................. 68
Hình 3. 5: Kết nối các đường viền để tiến hành tạo hình khối.......................................... 68
Hình 3. 6: Tạo độ dày cho mơ hình. .................................................................................. 69
Hình 3. 7: Extrude bề mặt đối tượng. ................................................................................ 69
Hình 3. 8: Tạo hình cho bề mặt bộ phận với cơng cụ turbosmooth. ................................. 70
Hình 3. 9: Tạo độ nhẵn cho bề mặt bộ phận (1). .............................................................. 70
Hình 3. 10: Tạo độ nhẵn cho bề mặt bộ phận (2). ............................................................ 71
Hình 3. 11: Tạo độ nhẵn cho bề mặt bộ phận (3). ............................................................ 71
Hình 3. 12: Tiến hành tương tự với các phần còn lại của gan. ........................................ 72
5


Hình 3. 13: Tạo độ nhẵn với các phần cịn lại của gan. ................................................... 72
Hình 3. 14: Tạo độ nhẵn với các phần cịn lại của gan (2). ............................................. 73
Hình 3. 15: Ghép các phần khi đã tái tạo ảnh 3 chiều với nhau....................................... 73
Hình 3. 16: Mơ hình tái tạo ảnh 3D của gan đã hồn thành. ........................................... 74
Hình 3. 17: Mơ hình tái tạo ảnh 3D gan hồn chỉnh. ....................................................... 74

Hình 3. 18: Chọn 1 Plane và chèn ảnh tim vào khung nhìn.............................................. 75
Hình 3. 19: Tạo ảnh từng phần của trái tim...................................................................... 76
Hình 3. 20: Mơ hình hốn từng phần của trái tim. ........................................................... 76
Hình 3. 21: Mơ hình hóa từng phần của trái tim (2). ........................................................ 77
Hình 3. 22: Mơ hình hóa từng phần của trái tim (3). ........................................................ 77
Hình 3. 23: Mơ hình hóa từng phần của trái tim (4). ........................................................ 78
Hình 3. 24: Mơ hình hóa từng phần của trái tim (5). ........................................................ 78
Hình 3. 25: Ghép các thành phần của trái tim với nhau. .................................................. 79
Hình 3. 26: Mơ hình trái tim người 3D đã hoàn thành. .................................................... 79

6


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DICOM : Digital Imaging and Communications in Medicine
HL7

: Health Level Seven

CT

: Computer Tomography

MRI

: Magentic Resonance Imaging

CS

: Conformance Statement

IOD

: Information Object Definition

SC

: Service Classes

VR

: Value Representation

VM

: Value Multiplicity

MPR

: Multiplanar Rendering

SR

: Surface Rendering

MIP:

: Maximum Intensity Projection

MinIP : Minimum Intensity Projection

NPVR : Non-Photorealistic Volume Rendering
SOP

: Service Object Pair

7


MỞ ĐẦU
Trong vài thập kỷ qua, công nghệ thông tin được đưa vào y tế mang lại những bước
tiến mới, chẳng hạn, sự ra đời nhiều thiết bị chẩn đoán hình ảnh giúp bác sĩ chẩn đốn
bệnh tốt hơn như máy chụp cắt lớp (CT), máy cộng hưởng từ (MRI)… Những thiết bị đó
được ứng dụng rất rộng rãi trong chẩn đoán lâm sàng cũng như trong sinh thiết. Với khả
năng cung cấp những hình ảnh 3 chiều (3D) của các cơ quan bên trong cơ thể con người
giống như chúng đang hiện hữu bên ngoài cơ thể bệnh nhân. Các thiết bị hoạt động theo
cơ chế dùng tia X-quang chụp cắt lớp các bộ phận cơ thể theo nhiều hướng khác nhau.
Tia Xquang được tìm ra bởi GS. William Roentgen năm 1895 gây chấn động giới y học
bởi nó cho phép các bác sĩ nhìn xuyên qua cơ thể con người không cần phẫu thuật. Hiện
nay, tia Xquang được sử dụng phổ biến trong chẩn đoán y học. Năm 1972 y học lại tiến
thêm bước mới với sự phát triển của kỹ thuật chụp CT,MRI cho phép máy vi tính xử lý
hình ảnh chụp cắt lớp nhằm cung cấp các hình ảnh hai chiều của cấu trúc ba chiều trên
đối tượng khảo sát. Những hình ảnh trên sẽ được chuyển cho máy vi tính xử lý để xây
dựng lại một mơ hình giống như ngun mẫu. Với những hình ảnh y tế được tái tạo 3
chiều đã giúp các bác sĩ có thể nhìn vào cơ thể sống với cả 2 thông tin giải phẫu và chức
năng theo nhiều hướng khác nhau để cho ra kết quả chẩn đoán chính xác nhất.
Hình ảnh 3 chiều ngày càng chiếm vai trị quan trọng trong chẩn đốn và điều trị,
nghiên cứu về hình ảnh y tế là lĩnh vực quan trọng của ngành kỹ thuật y sinh. Việc
nghiên cứu giải thuật tái tạo hình ảnh ba chiều trong y khoa nhằm xây dựng lý thuyết và
ứng dụng phục vụ trong công tác chẩn đoán và điều trị bệnh tốt hơn.

8


 Nội dung chính của luận văn:
- Tìm hiểu cấu trúc ảnh y khoa DICOM.
- Tìm hiểu các thuật giải nhằm tái tạo ảnh 3 chiều trong y khoa, đặc biệt là ảnh 3
chiều từ các lát cắt song song.
- Tìm ưu nhược điểm của mỗi phương pháp và chọn thuật giải phù hợp nhất.
 Những vấn đề cần giải quyết trong phạm vi luận văn:
- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu cấu trúc ảnh y khoa DICOM phục vụ cho việc xử lý hình ảnh để tái
tạo ảnh 3 chiều.
- Tìm hiểu về tái tạo khối (Volume Render).
- Các lý thuyết về tái tạo khối.
- Các giải pháp, phương thức tái tạo khối.
- Từ các lý thuyết và giải pháp tìm hiểu đưa ra các ưu khuyết điểm của mỗi giải
pháp và chọn ra một thuật giải tối ưu, cụ thể là Ray casting.
- Tìm hiểu và chạy chương trình mơ phỏng phục vụ cho chương trình.

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ HỌA 3D VÀ TÁI TẠO HÌNH
ẢNH 3D
1.1. Tổng quan về đồ hoạ 3D
1.1.1. Một số khái niệm về đồ họa 3D
Đồ họa máy tính là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về các thuật toán cũng như kĩ
thuật cho phép tạo, hiển thị và điều khiển hình ảnh trên màn hình máy tính. Đồ họa máy
tính có liên quan đến đại số, hình học giải tích, hình học họa hình, quang học,... kĩ thuật
máy tính và chế tạo phần cứng (các loại màn hình, các thiết bị xuất, nhập, các vi mạch

đồ họa...).
Hệ đồ họa bao giờ cũng có hai thành phần chính đó là phần cứng và phần mềm.
Phần cứng gồm thiết bị hiển thị và nhập dữ liệu,… Phần mềm gồm cơng cụ lập trình và
các trình ứng dụng đồ họa. Cơng cụ lập trình cung cấp tập các hàm đồ họa có thể được
dùng trong các ngơn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal,... Các hàm cơ sở của đồ hoạ
bao gồm việc tạo đối tượng cơ sở của hình ảnh như đoạn thẳng, đa giác, đường trịn,…,
thay đổi màu sắc, chọn khung nhìn, áp dụng các phép biến đổi, …Ứng dụng đồ họa được
thiết kế cho những người dùng khơng phải là lập trình viên tạo được đối tượng, hình
ảnh,… mà khơng cần quan tâm tới việc chúng được tạo ra như thế nào. Ví dụ như:
Photoshop, AutoCAD,…
Việc thể hiện các đối tượng 3D trên máy tính là cần thiết vì phần lớn các đối tượng
trong thế giới thực là đối tượng 3D còn thiết bị hiển thị chỉ hiển thị ảnh 2 chiều. Do vậy
muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần phải giả lập. Biểu diễn đối tượng 3D bằng máy tính
phải tuân theo quy luật về phối cảnh, sáng, tối… giúp người xem nhìn thấy hình ảnh gần
đúng nhất. Chiến lược cơ bản là chuyển đổi từng bước. Hình ảnh sẽ được hình thành
ngày càng chi tiết hơn.
Khi mơ hình hóa và hiển thị một hình ảnh 3D chúng ta xét rất nhiều khía cạnh và
các vấn đề khác nhau không đơn giản là thêm một tọa độ thứ 3 cho các đối tượng. Bề
mặt đối tượng có thể được xây dựng bởi nhiều tổ hợp khác nhau của mặt phẳng và mặt
cong, đôi khi chúng ta cịn mơ tả một số thơng tin bên trong đối tượng. Khi biểu diễn đối
tượng 3 chiều bằng máy tính ta cần quan tâm các vấn đề sau:


Phương pháp biểu diễn:

Có 2 phương pháp biểu diễn đối tượng 3 chiều là phương pháp biểu diễn bề mặt và
biểu diễn theo phân hoạch không gian.

10

Phương pháp biểu diễn bề mặt mô tả đối tượng bằng một tập hợp các bề mặt giới
hạn phần bên trong của đối tượng với mơi trường bên ngồi. Thơng thường ta xấp xỉ các
bề mặt phức tạp bởi các mảnh nhỏ hơn gọi là các patch (mặt vá). Các mảnh này có thể là
các đa giác hoặc các mặt cong.
Phương pháp phân hoạch không gian thường dùng để mô tả các thuộc tính bên
trong đối tượng.


Các phép biến đổi hình học:

Khi áp dụng một dãy các phép biến đổi hình học có thể tạo ra nhiều phiên bản của
cùng một đối tượng. Do đó có thể quan sát vật thể ở nhiều vị trí, nhiều góc độ khác nhau
và cảm nhận về các hình ảnh vẽ ba chiều sẽ trực quan, sinh động hơn. Các phép biến
đổi thường được sử dụng là phép tịnh tiến, phép quy, phép biến dạng… được mô tả bằng
các ma trận. Ma trận của mỗi phép biến đổi có các dạng khác nhau.


Vấn đề chiếu sáng:

Tác dụng của việc chiếu sáng là làm cho các đối tượng hiển thị trong máy tính
giống với vật thể trong thế giới thực. Để thực hiện công việc này cần phải có các mơ hình
tạo sáng.
Vật thể được chiếu sáng nhờ vào ánh sáng đến từ khắp mọi hướng gọi là ánh sáng
xung quanh(ambient light) hay ánh sáng nền(background light)
Trên bề mặt có 2 loại hiệu ứng phát sáng là khuếch tán (diffuse light)- ánh sáng đi
theo mọi hướng và phản xạ gương (specular light).


Vấn đề tạo bóng:

Để tạo bóng ta ứng dụng các mơ hình xác định cường độ sáng theo nhiều kiểu khác
nhau tùy thuộc bài tốn cụ thể. Các vật có bề mặt phẳng chỉ cần tính cường độ sáng
chung cho một bề mặt là có thể hiển thị đối tượng tương đối thật. Các vật có bề mặt cong
phải tính cường độ sáng cho từng pixel trên bề mặt. Để tăng tốc độ ta xấp xỉ các mặt
cong bởi một tập hợp các mặt phẳng. Với mỗi mặt phẳng sẽ áp dụng mơ hình cường độ
không đổi (flat shading) hoặc cường độ nội suy (Gouraud shading, Phong shading) để tạo
bóng.
1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của đồ họa 3D
3D là công nghệ được xây dựng từ các phần mềm máy tính, giúp người sử dụng có
thể quan sát hình ảnh trong khơng gian ba chiều. Ứng dụng của công nghệ này được sử
dụng trong một số lĩnh vực đạt hiệu quả cao như Y học, xây dựng, kiến trúc, phim, trò
11


chơi... Tại Việt Nam công nghệ này chỉ mới được sử dụng phần lớn trong quảng cáo và
kiến trúc.


Ứng dụng đồ hoạ 3D trong y tế

Ứng dụng cơng nghệ hình ảnh 3D thu hút sự chú ý của nhiều người trong lĩnh vực
y học. Nhiều bác sĩ cũng tận dụng công nghệ mới này phục vụ điều trị bệnh nhân giúp
tăng độ chính xác và hiệu quả.
Với phương pháp chụp cắt lớp điện toán (CT) hay chụp cộng hưởng từ (MRI). Bác
sĩ phải theo dõi hình ảnh 2D trên màn hình, vừa phải tưởng tượng hình ảnh trong khơng
gian 3 chiều đã gặp khơng ít khó khăn. Ứng dụng cơng nghệ hình ảnh 3D, bác sĩ nhìn
được các hình ảnh 3 chiều rõ nét ngay lập tức và tập trung hơn vào phẫu thuật.


Ứng dụng đồ hoạ 3D trong xây dựng kiến trúc

Đối với người thiết kế: có thể vẽ lên không gian 3 chiều, ứng dụng vật liệu thật vào
khơng gian, phối trí và phân tích ánh sáng, thơng gió hợp lý nhất cho cơng trình thiết kế
xây dựng làm cho sự kết hợp giữa các yếu tố, bố trí các vật dụng trở nên hài hồ. Tính
tốn tải trọng kết cấu chính xác nhất, đưa ra giải pháp tiết kiệm vật tư và chi phí nhằm
nâng cao năng lực cạnh tranh.
Đối với người khách hàng: ứng dụng 3D trong kiến trúc làm cho người xem như
đứng ngay trong không gian trong thực tế.


Ứng dụng đồ hoạ 3D trong phim, trị chơi

Cơng nghệ 3D trong phim ảnh đang là xu hướng phát triển của điện ảnh thế giới.
Ứng dụng tạo hình 3D mang đến cho người xem những trải nghiệm thực sự, những hình
ảnh sống động và hấp dẫn. Nó cũng được sử dụng để tạo các hiệu ứng phim và thực tại
ảo, khán giả sẽ trải nghiệm những hành động, cử chỉ sống động như thật.
Trong game, ứng dụng cơng nghệ 3D để xây dựng mơ hình, và chuyển động cho
hình ảnh sắc nét giúp người chơi bao qt được tồn bộ góc nhìn với chất lượng hình ảnh
tốt nhất và không bị gián đoạn.
 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong mô phỏng, đào tạo
Hệ thống phần mềm mơ phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh họa sống động,
giúp học sinh dễ nhận biết, tiếp thu và tạo sự hứng thú với môn học. Cho phép học sinh,
sinh viên được quan sát trực quan các mơ hình cụ thể, thấy được những hoạt động,
chuyển động của các sự vật, sự kiện được giảng viên trình bày.
12


Học sinh được hình dung một cách rõ ràng và đầy đủ các khái niệm về hình học
khơng gian, địa lý vũ trụ, mơ hình sinh học hoặc các khái niệm khó tưởng tượng ra trong

thế giới hai chiều.
 Ứng dụng đồ hoạ 3D trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh
Những sản phẩm mô phỏng sẽ được áp dụng trong giảng dạy các môn khoa học như
Giáo dục quốc phịng, qn sự. Người học có thể quan sát chi tiết các hoạt động của các
bộ phận cơ khí, quy trình hoạt động và tương tác, những hiện tượng xảy ra trong các hoạt
động của vũ khí. Cơng nghệ mơ phỏng 3D mô tả chi tiết cụ thể hiện tượng bắn, quá trình
chuyển vận của các bộ phận trong tương tác sự vật, hiện tượng giúp cho học sinh dễ
nhận biết, tiếp thu tạo sự hứng thú với mơn học.
Có thể nói các ứng dụng tiềm năng của cơng nghệ hình ảnh 3D là vơ hạn và để làm
được điều đó ta phải nắm được quy trình hiển thị ảnh 3D.
1.2. Tái dựng hình ảnh 3D
Các đối tượng trong thế giới thực phần lớn là các đối tượng 3 chiều cịn thiết bị
hiển thị chỉ 2 chiều. Muốn có hình ảnh 3 chiều ta cần giả lập bằng cách chuyển đổi từng
bước. Hình ảnh sẽ được hình thành từ từ, ngày càng chi tiết hơn.
1.2.1. Sơ lược về quy trình hiển thị 3D
Quy trình xử lí thơng tin trong đồ họa 3 chiều là chuỗi các bước nối tiếp nhau, kết
quả của mỗi bước là đầu vào của bước tiếp theo.
Quy trình bắt đầu bằng việc xây dựng các mơ hình đối tượng trong khơng gian ba
chiều (x, y, z). Các mơ hình thường thể hiện vật thể (solid) hoặc bề mặt (boundaries) của
đối tượng. Như vậy có hai kiểu mơ hình hóa.
Trong solid modeling các đối tượng đồ họa mơ tả các đối tượng thể tích (volume).
Trong boundary representations(B-reps), các đối tượng được định nghĩa bởi bề mặt.
Các mô hình thường được biểu diễn trong hệ tọa độ đối tượng. Trong hệ tọa độ này
chỉ có đối tượng được định nghĩa, vì vậy gốc tọa độ và đơn vị đo lường thường được
chọn sao cho việc biểu diễn đối tượng tiện lợi nhất.

13


Hình 1. 1: Quy trình hiển thị đối tượng 3D.

Các bước trong quy trình hiển thị đối tượng 3D được hiểu như sau:
Bước 1: biến đổi đối tượng từ không gian đối tượng (object-space) vào một không
gian chung gọi là không gian thực (world space). Trong không gian thực các đối tượng,
nguồn sáng, và người quan sát cùng tồn tại.
Bước 2: loại trừ tất cả các đối tượng không thể nhìn thấy tránh xử lí một số phần
khơng cần thiết.

Hình 1. 2: Loại bỏ các đối tượng khơng nhìn thấy.
14


Bước 3: chiếu sáng (illumination) các đối tượng có thể nhìn thấy được bằng cách
gán cho chúng màu sắc dựa trên các đặc tính của các chất tạo nên vật và các nguồn sáng
tồn tại trong cảnh.

Hình 1. 3: Chiếu sáng đối tượng.
Bước 4 : biến đổi hệ tọa độ quan sát (viewing position) về gốc tọa độ và mặt phẳng
quan sát (viewing plane).

Hình 1. 4: Chuyển đối tượng sang khơng gian quan sát.
Bước 5: loại bỏ hồn tồn các đối tượng (các mảnh đối tượng) khơng nhìn thấy
được trong ảnh.

15


‘

Hình 1. 5: Loại bỏ đối tượng nắm ngồi view.
Bước 6: chiếu các đối tượng xuống mặt phẳng hai chiều.

Bước 7: chuyển đối tượng thành các pixel.

Hình 1. 6: Chuyển đối tượng thành pixel.

16


Bước cuối cùng: toàn cảnh sẽ được hiển thị lên màn hình.

Hình 1. 7: Hiển thị đối tượng.
Để có thể thực hiện được các bước trong quy trình hiển thị đối tượng 3D ta cần
phải nắm rõ một số định nghĩa và cách biểu diễn về tái tạo khối.
1.2.2. Lý thuyết về tái tạo khối (volume rendering)
Trong đồ hoạ máy tính, các đối tượng lập thể có thể được mơ tả bằng các bề mặt
(surface) của chúng. Ví dụ: hình lập phương được xây dựng từ sáu mặt phẳng, hình trụ
được xây dựng từ sự kết hợp của một mặt cong và hai mặt phẳng, hình cầu được xây
dựng từ một mặt cong.
Thông thường để biểu diễn một đối tượng bất kì, ta dùng phương pháp xấp xỉ để
đưa các mặt về dạng các mặt đa giác (polygon face).

Voxel: điểm trong khơng gian 3 chiều có toạ độ (x, y, z) mơ tả một vị trí
trong khơng gian.
Voxel là một tế bào khối có một giá trị duy nhất trong tồn bộ khối.

’

Hình 1. 8: Voxel là một tế bào khối.
17

Voxel là một điểm dữ liệu tại một góc của các tế bào khối, giá trị của một điểm bên
trong tế bào được xác định bởi nội suy.

Hình 1. 9: Voxel là một điểm dữ liệu tại một góc của tế bào.
Typedef struct {
Int x;
Int y;
Int z;
} Point_3D;
 Vector: xác định bởi 3 toạ độ dx, dy, dz mô tả một hướng và độ dài của vector.
Vector khơng có vị trí trong khơng gian.
⃗ |=√𝑑𝑥 2 + 𝑑𝑦 2 + 𝑑𝑧 2
|𝑉

(1.1)

Tích vơ hướng của 2 vector:
𝑉1 ∗ 𝑉2 = 𝑑𝑥1 . 𝑑𝑥2 + 𝑑𝑦1 . 𝑑𝑦2 + 𝑑𝑧1 . 𝑑𝑧2

(1.2)

Hay: 𝑉1 ∗ 𝑉2 = |𝑉1 |. |𝑉2 |. cos 𝜃
Typedef struct {
Int dx;
Int dy;
Int dz;
} Vector;
 Đoạn thẳng trong khơng gian 3 chiều biểu diễn tổ hợp tuyến tính của 2 điểm.

18

Để biểu diễn dạng tham số của đoạn thẳng , ta có:
𝑃 = 𝑃1 + 𝑡(𝑃1 − 𝑃2 )

(1.3)

Typedef struct {
Point P1;
Point P2;
} Segment;
 Tia (Ray) : là một đoạn thẳng với một đầu nằm ở vô cực.
Biểu diễn dạng tham số của tia:
P =P1+ t*V (0 ≤ t <∞)

(1.4)

Typedef struct {
Point P1;
Vector V;
} Ray;
 Đường thẳng (Line) : là một đoạn thẳng với cả 2 đầu nằm ở vô cực.
Biểu diễn dạng tham số số của đường thẳng:l
P = P1+ t*V (∞ ≤ t < ∞)

(1.5)

Typedef struct {
Point P1;
Vector V;

} Line;
 Đa giác (Polygon): là một vùng giới hạn bởi dãy các điểm đồng phẳng (các điểm
được cho theo thứ tự ngược kim đồng hồ).
Typedef struct {
Point *Points;
19


Int Points;
} Polygon;
Có thể biểu diễn một mặt đa giác bằng tập hợp các đỉnh và các thuộc tính kèm theo.
Khi thông tin của mỗi mặt đa giác được nhập, dữ liệu sẽ được dùng cho các xử lý tiếp
theo, hiển thị và biến đổi.
Các bảng dữ liệu mô tả mặt đa giác có thể chia thành 2 loại :
Bảng hình học: chứa toạ độ các đỉnh và các tham số cho biết định hướng trong
không gian của mặt đa giác.
Bảng thuộc tính: chứa tham số mơ tả độ trong suốt, tính phản xạ và các thuộc tính
kết cấu của đối tượng.
Để lưu trữ thuận tiện các dữ liệu hình học là tạo ra 3 danh sách lưu các giá trị:
Đỉnh: các giá trị toạ độ cho mỗi đỉnh.
Cạnh: chứa các con trỏ trỏ đến bảng đỉnh cho biết đỉnh nào nối với cạnh nào.
Đa giác: chứa các con trỏ trỏ đến bảng lưu cạnh cho biết những cạnh tạo nên đa
giác.
 Mặt phẳng ( Plane):
Typedef struct {
Vector N;
Int d;
} Plane;
Phương trình biểu diễn mặt phẳng có dạng : Ax + By + Cz + D=0 (*)
Trong đó (x,y,z) là một điểm bất kì của mặt phẳng và A, B, C, D là các hằng số diễn

tả thông tin không gian của mặt phẳng.
Để xác định phương trình mặt phẳng ta cần xác định 3 điểm không thẳng hàng hay
sử dụng toạ độ 3 đỉnh đầu tiên (𝑥1 , 𝑦1 ), (𝑥2 , 𝑦2 ), (𝑥3 , 𝑦3 ) của đa giác.
Hướng của mặt phẳng thường được xác định qua vector pháp tuyến 𝑛⃗ =(A, B, D)

20


Hình 1. 10: Vector pháp tuyến của mặt phẳng.
 Mơ hình Wireframe: phương pháp thơng dụng và đơn giản để mơ hình hố đối
tượng là mơ hình khung kết nối. Mơ hình khung kết nối gồm một tập các đỉnh và
tập các cạnh nối với các đỉnh đó. Khi thể hiện bằng mơ hình này các đối tượng 3
chiều thường rỗng và tốc độ nhanh nên thường dùng vào việc phác thảo đối tượng.
Để hoàn thiện hơn ta dùng các kỹ thuật tạo bóng, và loại bỏ các đường khuất và
mặt khuất.

Hình 1. 11: Vật thể 3 chiều được biểu diễn bằng khung kết nối.
Ta vẽ các đối tượng theo mơ hình khung kết nối bằng cách sử dụng các phép chiếu
song song hay phép chiếu phối cảnh.
 Phương pháp chiếu: thực hiện chiếu từ không gian quan sát xuống khơng gian màn
hình.
Có 2 phương pháp chiếu: chiếu song song và chiếu phối cảnh.
21


1.2.3. Tái tạo ảnh 3 chiều từ các lát cắt song song
Nguyên tắc chung của thiết bị cắt lớp là gửi các tương tác vật lý vào cơ thể để ghi
nhận thông tin cấu trúc bên trong rồi tái tạo các thơng tin này thành hình ảnh dưới dạng
các lát cắt. Đa số các thiết bị thu bố trí đầu dị để có thể dịch chuyển trên một trục thẳng,
từ đó ta có các lát cắt song song.

1.2.3.1. Một số thiết bị tạo lát cắt song song trong y tế
 CT (Computer Tomography)
Cơ sở lý thuyết của CT dựa trên thuật toán Randon được đưa ra năm 1917. Radon
cho rằng hình ảnh của một vật thể có thể được tạo ra nếu chúng ta có một số những hình
chiếu xun qua vật thể.
Để tạo ra hình ảnh ta dùng một chùm tia X chiếu xuyên qua cơ thể bệnh nhân. Có 2
dạng chùm là chùm tia song song (parallel beam) và chùm tia hình quạt (fan beam). Một
bức ảnh cắt lớp ta cần khoản 800 tia chiếu theo nhiều góc khác nhau.
Nếu tia X phát ra có cường độ I0 thì cường độ tia thu được trên các cảm biến sau khi
đã đi qua cơ thể bệnh nhân là:
𝐼𝑡 = 𝐼0 . 𝑒 −𝜇𝑡

(1.6)

Với: t là độ dày lớp mô tia X đi qua
µ là hệ số suy giảm tuyến tính dọc theo tia
Khi đó ta có thể tính được:
𝜇𝑡 = ln(𝐼0 /𝐼)
Thông số này cho biết cấu trúc giải phẫu của mơ
Sau khi có dữ liệu thơ (các hình chiếu) ta dùng các thuật toán tái tạo CT (CT
reconstruction algorithm) để tái tạo hình ảnh CT. Thuật tốn được sử dụng phổ biến hiện
nay là filtered backprojection.
Sau quá trình tái tạo CT mỗi pixel trên ảnh sẽ được gán một số thực (floating point
number). Tuy các biểu diễn này rất thuận lợi cho tính tốn nhưng lại khơng thuận lợi để
biểu diễn vì hầu hết các phần cứng đồ họa đều dùng các ảnh số nguyên. Do đó, sau q
trình tái tạo CT ảnh CT phải được chuẩn hóa (normalize) và làm tròn thành các số
nguyên trước khi dùng để hiển thị và lưu trữ. Các số nguyên đó còn gọi là các số CT (còn
gọi là đơn vị Hounsfield, kí hiệu HU). Số CT của mỗi pixel được tính theo cơng thức sau:
22

CT(x, y) = 1000

(1.7)

µ(x, y) là số thực tại pixel(x, y)
𝜇𝑛𝑢𝑜𝑐 là hệ số suy giảm tuyến tính của nước. (𝜇𝑛𝑢𝑜𝑐 = 0.195 cho hầu hết các máy CT hiện
nay).
Sau khi chuẩn hóa số CT sẽ nằm trong khoảng -1000 đến 3000, trong đó -1000 đại
diện cho khơng khí; mơ mềm từ -300 đến -100; nước là 0; xương đặc và một số khu vực
có tác nhân tạo tương phản số CT có thể lên tới 3000. Ảnh CT có độ tương phản cao đặc
biệt là các mô cứng như xương. Muốn quan sát rõ các mô mềm hay mạch máu cần tiêm
các chất cản quang vào cơ thể bệnh nhân.k
 MRI (Magnetic Resonance Imaging)
Khi được đặt trong một từ trường ngồi B0 thì một hạt nhân có thể có một trong 2I+1
mức năng lượng (trong đó I là số spin của hạt nhân), mỗi mức năng lượng tương ứng:
Em=-𝛾ħ𝐵0 𝑚

(1.8)

m = -I, -(I-1), …, I-1, I.
𝛾 : tỉ số Larmor (tỉ số hồi chuyển từ, đơn vị: Hz/T)
ħ=h/2𝜋, trong đó h là hằng số Plank.
Khi hạt nhân chuyển mưsc năng lượng nó có thể phát ra một photon có năng lượng
đúng bằng chênh lệch giữa 2 mức năng lượng. Nếu hai mức năng lượng đó kế tiếp nhau
thì tần số của photon có thể tính qua cơng thức Larmor. Các thiết bị MRI hiện nay thường
sử dụng từ trường cường độ 0,5 đến 1,5T với cường độ đó các hạt nhân hydro phát ra tín
hiệu có bước sóng từ 21,3MHz đến 63,9 MHz (nằm trong dải tần radio).
Để chuẩn mức năng lượng cho hạt nhân ta sử dụng các chuỗi xung radio (RF pulse
sequence). Do tác dụng của các xung này các vector Mxy, Mz sẽ đổi hướng và trong quá

trình hồi phục lại sẽ phát ra các photon, tín hiệu photon này được gọi là tín hiệu cộng
hưởng từ (magnet resonance signal). Nguyên tắc thu tín hiệu dựa trên hiện tượng cảm
ứng điện từ (định luật Faraday) cho biết một số thơng tin trong cấu trúc mạng.
Tín hiệu cộng hưởng từ càng mạnh nếu mật độ photon càng cao. Do đó ảnh MRI cho
kết quả tốt với các loại mơ mềm như não, tủy sống nhưng khơng có hiệu quả cao với các
loại mô cứng như xương.

23


 Siêu âm
Trong phương pháp siêu âm ta thương dùng các tinh thể áp điện phát các xung siêu
âm trong khoảng 1MHz đến 20 MHz xun qua mơ, sau đó thu tín hiệu phản hồi trên các
mơ và tái tạo thành hình ảnh.
Ảnh siêu âm có kết quả tốt với các mô thuộc vùng bụng như thai nhi, gan, thận…
nhưng không hiệu quả với những loại mô xương và mô có chứa nhiều khí như phổi,…
Do ảnh siêu âm có độ phân giải thấp nên kĩ thuật dựng ảnh 3D từ ảnh cắt lớp siêu âm
phức tạp hơn so với ảnh cắt lớp CT và MRI.
Các ảnh được sinh ra từ cá máy sinh ảnh CT, MRI,… là các ảnh 2D được lưu trữ
dưới định dạng DICOM. Ngày nay hầu hết các bệnh viện trên thế giới đều áp dụng
DICOM vào trong các thiết bị y khoa.
1.2.3.2. Chuẩn DICOM
DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine): Tiêu chuẩn ảnh và
truyền thông trong y tế, được phát triển từ năm 1988, là quy chuẩn về định dạng và trao
đổi ảnh y tế cùng các thơng tin liên quan, từ đó tạo ra một phương thức chung nhằm đáp
ứng nhu cầu của các nhà sản xuất cũng như người sử dụng trong việc kết nối, lưu trữ, trao
đổi, in ấn ảnh y tế. Một File ảnh DICOM ngồi dữ liệu hình ảnh cịn chứa những thông
tin dạng Text như: thông tin bệnh nhân, loại thiết bị chụp chiếu tạo ra hình ảnh…
a. Mục tiêu của chuẩn DICOM
Định ra ngữ nghĩa của lệnh và các dữ liệu liên quan, đưa ra các chuẩn cho các thiết bị

tương tác lệnh và dữ liệu với nhau.
Định ra ngữ nghĩa của dịch vụ file, định dạng file và các thư mục thông tin cần thiết
cho truyền tin ngoại tuyến.
Định rõ các yêu cầu thích nghi của ứng dụng thực hiện chuẩn, cụ thể một bản báo cáo
thích nghi phải định ra đầy đủ thông tin để xác định các chức năng có thể đáp ứng.
Tạo thuận lợi cho hoạt động trong mơi trường mạng thơng tin.
Có cấu trúc thuận lợi cho phép đáp ứng với các dịch vụ mới, vì thế có thể hỗ trợ các
ứng dụng hình ảnh y tế trong tương lai.
b. Cấu trúc của chuẩn ảnh DICOM
 Các thành phần của định dạng DICOM:
24