Detail předmětu

Vizualizace biomedicínských dat

FEKT-FVIZAk. rok: 2016/2017

Předmět je orientován na získání znalostí z oboru počítačové grafiky aplikované na biomedicínská data. Jde převážně o metody vizualizace 3D obrazových dat získaných pomocí zobrazovacích systémů magnetické rezonance CT tomografie, PET a SPECT. Jedná se o využití metod OpenGL pro vykreslování základních geometrických primitiv a tvorbu 3D scén. Dále jsou náplní předmětu metody vizualizace vícerozměrných dat.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav biomedicínského inženýrství (UBMI)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- Popsat barevné prostory v počítačové grafice
- Popsat základní principy komprese digitálních obrazů
- Popsat principy vytváření 3D scény
- Vytvářet základní grafická primitiva v OpenGL
- Vysvětlit model světel 3D scény
- Popsat metody pro vytváření 3D obrazů z objemových dat (CT, MRI)
- Upravovat nastavení vykreslování scény v OpenGL

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti programování a algoritmizace na úrovni bakalářského studia. Znalost a schopnost praktického použití cyklů for, while, struktur if, switch-case, základních datových typů proměnných, a znalosti základních metod pro zpracování digitálních obrazů.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

Způsob a kritéria hodnocení

Až 30 bodů za cvičení (test a projekt)
Až 70 bodů za zkoušku (písemná)
Zkouška je zaměřená na orientaci v principech využívaných v počítačové grafice, metody pro vykreslování grafiky pomocí OpenGL, přístupy pro nastavení scény.

Osnovy výuky

1. Klasifikace vizualizačních technik.
2. Barevné prostory.
3. Reprezentace základních 2D objektů.
4. Hranice oblasti, vyplňování geometricky i rastrově zadané hranice.
5. Křivky - vlastnosti, generování, modelování.
6. Plochy – vlastnosti, generování, modelování.
7. Povrchová a objemová reprezentace 3D objektů.
8. Stíny v počítačové grafice.
9. Typy textur, texturování.
10. Metody promítání.
11. Osvětlovací modely.
12. Technické prostředky pro vizualizaci.

Učební cíle

Získání náhledu na reprezentaci jednoduchých geometrických objektů s jejich využitím pro popis reálných objektů v lékařském zobrazování. Zvládnutí metod vizualizace biomedicínských dat.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Základní literatura

UDUPA, J. K., HERMAN, G. T.: 3D imaging in medicine (2nd edition). CRC Press, 1991, ISBN:0-8493-4294-5 (EN)
ŽÁRA, J., BENEŠ, B., SOCHOR, J., FELKEL, P: Moderní počítačová grafika (2. vydání). Computer Press, 2005, ISBN 80-251-0454-0. (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BTBIO-F magisterský navazující

    obor F-BTB , 2 ročník, zimní semestr, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D.

Osnova

1. Úvod do vizualizace biomedicínských dat. Klasifikace metod vizualizace, Příklady využití vizualizace v lékařských aplikacích.
2. Reprezentace základních 2D objektů: lomené čáry, kružnice, elipsy, interpolační a aproximační křivky, oblasti
3. Reprezentace povrchu 3D objektů I: polygonální reprezentace, parametrické plochy (Beziérovy plochy, B-spline plochy).
4. Reprezentace povrchu 3D objektů II: sada obrysů v rovnoběžných řezech, implicitní plochy.
5. Reprezentace 3D objektů: hraniční reprezentace těles, šablonování, oktalové stromy, konstruktivní geometrie těles.
6. Převod 3D obrazových dat na povrchovou reprezentaci: metody marching cubes, marching tetrahedra, dividing cubes.
7. Základy prostorového zobrazování 3D dat: rovnoběžné a středové promítání, pohledové transformace, teorie světla.
8. Osvětlovací modely v povrchové reprezentaci objektů: difúzní a zrcadlové složky odraženého světla, fyzikálně založené a empirické modely.
9. Osvětlovací modely v objemové reprezentaci objektů: metody vrhání paprsku, formulace jevů pohlcování, rozptylu a odrazu světla na různých úrovních zjednodušení.
10. Zdroje světla a stínování: bodové a plošné zdroje, zdroje rovnoběžného světla, zdroj typu reflektor a obloha; stínování konstantní, Gouraudovo a Phongovo.
11. Virtuální realita: generování stereoskopických pohledů, popis jazyka VRML pro modelování virtuální reality.
12. Metody zobrazování vícerozměrných dat: vizualizace pro klasifikaci na základě příznakového popisu.
13. Technické prostředky pro vizualizaci: hardwarové prostředky pro akceleraci grafických výpočtů, technologie displejů a 3D vizualizačních systémů.

Cvičení na počítači

39 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D.
Ing. Branislav Hesko

Osnova

1. Úvod do počítačových laboratoří. Seznámení se s formáty obrazových dat.
2. Reprezentace základních 2D objektů - implementace interpolačních a aproximačních křivek (Matlab)
3. Polygonální reprezentace povrchu jednoduchého 3D objektu (Matlab)
4. Parametrická reprezentace povrchu jednoduchého 3D objektu (Matlab)
5. Převod 3D obrazových dat na povrchovou reprezentaci pomocí metody marching cubes, aplikace na reálných datech (Matlab, VTK).
6. Praktický test 1.
7. Implementace jednoduchého osvětlovací modelu pro povrchovou reprezentaci objektů (Matlab)
8. Porovnání osvětlovacích modelů pro povrchovou reprezentaci objektů (VTK Designer)
9. Implementace jednoduchého osvětlovací modelu pro objemovou reprezentaci objektů (Matlab)
10. Porovnání osvětlovacích modelů pro objemovou reprezentaci objektů (VTK Designer)
11. Experimentální akvizice stereoskopických scén, zobrazení pomocí anaglyfů a aktivních 3D brýlí.
12. Kalibrace a měření kvality LCD displejů určených pro využití v radiologii.
13. Praktický test 2.