Aquesta tesi proposa una estructura de dades per emmagatzemar imatges tridimensionals. L'estructura da dades té forma d'arbre i codifica les components connexes dels conjunts de nivell de la imatge. Aquesta estructura és la eina bàsica per moltes aplicacions proposades: operadors morfològics tridimensionals, visualització d'imatges mèdiques, anàlisi d'histogrames de color, seguiment d'objectes en vídeo i detecció de vores. Motivada pel problema de la completació de vores, la tesi conté un estudi de com l'eliminació de soroll mitjançant variació total anisòtropa es pot fer servir per calcular conjunts de Cheeger en mètriques anisòtropes. Aquests conjunts de Cheeger anisòtrops es poden utilitzar per trobar òptims globals d'alguns funcionals per completar vores. També estan relacionats amb certs invariants afins que s'utilitzen en reconeixement d'objectes, i en la tesi s'explicita aquesta relació. / This thesis proposes a tree data structure to encode the connected components of level sets of 3D images. This data structure is applied as a main tool in several proposed applications: 3D morphological operators, medical image visualization, analysis of color histograms, object tracking in videos and edge detection. Motivated by the problem of edge linking, the thesis contains also an study of anisotropic total variation denoising as a tool for computing anisotropic Cheeger sets. These anisotropic Cheeger sets can be used to find global optima of a class of edge linking functionals. They are also related to some affine invariant descriptors which are used in object recognition, and this relationship is laid out explicitly.

Marching Cubes is a rendering technique that has many advantages for a lot of areas. It is a technique for representing scalar fields as a three-dimensional mesh. It is used for geographical applications as well as scientific ones, mainly in the medical industry to visually render medical data of the human body. But it's also an interesting technique to explore for the usage in computer games or other real-time applications since it can create some really interesting rendering. The main focus in this paper is to present a novel hybrid solution using marching cubes and heightmaps to render terrain; moreover, to find if it’s suitable for real-time applications. The paper will follow a theoretical approach as well as an implementational one on the hybrid solution. The results across several tests for different scenarios show that the hybrid solution works well for today's real-time applications using a modern graphics card and CPU (Central Processing Unit).

Spel idag kräver en enorm mängd arbetstimmar för att skapas, därför behövs alltid sätt att spara tid och automatisera processer. Algoritmer för polygoniseringen av skalärfält, som Marching Cubes, har under de senaste åren blivit ett allt vanligare tillvägagångssätt för att automatiskt generera terräng. Scenkomplexiteten och kraven för visuell kvalitet i dagens spel ökar ständigt. Därmed kommer också kravet för prestandaeffektiva renderingsmetoder. Deferred rendering är en renderingsmetod som kan hantera scener med stora mängder ljuskällor och hög scenkomplexitet samtidigt. För att undersöka integreringen mellan procedurellt skapad terräng och en deferred rendering pipeline, skapades en applikation i DirectX 11 för att undersöka implementeringen och potentiella optimeringar av denna integration. / Detta projekt handlar om slumpmässig procedurell skapning av digital terräng för bruk inom datorspel, och hur man i denna kontext kan ta nytta av en grafikmotor som använder renderingstekniken deferred rendering. / Carl Engström can be reached at: Phone: 076-102 86 00 Mail: Lemmibl@gmail.com Felix Nawrin Oxing can be reached at: Mail: felix@nawrin-oxing.se

Particle simulations in real-time become reality only a few years before, when in computer science occured the idea of GPGPU. This new technology allows use the massive force of graphics card for general purposes. Today, the trend is to accelerate existing algorithms by rewriting into parallel form. On this priciple operate the particle systems too. An interesting area of particle systems are fluid simulations. The simulations are based on the theory of Navier-Stokes equations and their numerical solutions with SPH (Smoothed particle hydrodynamics). Liquids are part of everyday life, and therefore it is important to render them realistically. They are used in modern computer games and different visualizations that run in real time, therefore they must be quickly displayed.

The objective of this thesis is to design an algorithm used for localization of scalp electrodes in MRI structural data. The algorithm is based on fact that electrodes are visible on visualized head surface. The surface of a head is subdivided into smaller fragments, which are transformed from 3D space into 2D. The electrodes are then located in 2D space by use of registration techniques. The proposed algorithm is able to correctly locate up to 73% EEG electrodes, assuming that the subject has short hair. In case when a subject has long hair, the portion of correctly detected electrodes is 49%. The probability of false detection is 22% when the object is short-haired and 35% when long-haired. The algorithm should facilitate the process of EEG electrodes localization during examinations combining imaging modalities of type EEG and MRI.

This master thesis deals with modern technologies in graphic hardware and using their for general purpose computing. It is primary focused on architecture of unified processors and algorithm implementation via CUDA programming interface. Thesis base is to choose suited algorithm for GPU horsepower demonstration. Main aim of this work is implementation of multiplatform library offering algorithms for discrete volumetric data vectorization. For this purpose was chosen algorithm Marching cubes that is able to find surface of processed object. In created library will be contained algorithm runnable on graphic device and also one runnable on CPU. Finally we compare both variants and discuss their pros and cons.

Dans les nouveaux protocoles thérapeutiques par voie inhalée, le dosage des particules actives reste un problème complexe qui dépend de trois principaux facteurs : leur taille, la dynamique des flux et les variations de calibre bronchique. La solution nécessite de disposer d'un modèle de distribution des gaz et aérosols administrés dans les poumons. Ventilation pulmonaire et effets du cycle respiratoire sur la dynamique des fluides deviennent deux enjeux clés de la pratique clinique.<br /><br />Dans ce contexte, le projet RNTS RMOD a pour objectif de développer un simulateur morpho-fonctionnel des voies respiratoires pour l'aide au diagnostic, au geste médico-chirurgical et à l'administration de médicaments par inhalation.<br /><br />Contribuant au projet RMOD, la recherche développée dans cette thèse propose une modélisation in-silico de la structure des voies aériennes supérieures (VAS) et proximales (VAP) à partir d'examens tomodensitométriques (TDM). L'investigation morphologique et la simulation fonctionnelle bénéficient alors de géométries 3D réelles, adaptées au patient et spécifiques des pathologies rencontrées.<br /><br />La modélisation développée fait coopérer des méthodes originales de segmentation, de construction de surface maillée et d'analyse morpho-fonctionnelle.<br /><br />La segmentation des VAP est obtenue par un schéma diffusif et agrégatif gouverné par un modèle markovien, dont l'initialisation repose sur l'opérateur de coût de connexion sous contrainte topographique. De cette segmentation, l'axe central de l'arbre bronchique est extrait de manière robuste et précise en combinant information de distance, propagation de fronts, et partition conditionnelle locale. Cet axe central est représenté sous forme d'une structure hiérarchique multivaluée synthétisant caractéristiques topologiques et géométriques de l'arbre bronchique. Une surface maillée est ensuite construite en appliquant une procédure de Marching Cubes adaptative, les paramètres des différents filtres mis en jeu étant automatiquement ajustés aux caractéristiques locales du réseau bronchique conditionnellement aux attributs de l'axe central.<br /><br />La segmentation des VAS repose sur une propagation markovienne exploitant les variations locales de densité. L'initialisation combine morphologie mathématique et information de contour afin de garantir la robustesse à la topologie. Une procédure de type triangulation de Delaunay restreinte à une surface fournit ensuite la représentation maillée des VAS. Il est établi que la topologie et la géométrie des structures complexes composant les VAS sont effectivement préservées.<br /><br />Pour permettre aux médecins de valider les modèles maillés ainsi construits, un environnement virtuel 3D convivial et interactif a été réalisé. En outre, la morphologie des voies aériennes exo- et endo-luminale est analysée de façon automatique à partir de simulations d'écoulement pour des géométries réelles.<br /><br />Enfin, une modélisation unifiée des VAP et VAS est obtenue pour la première fois. Elle démontre la pertinence des approches développées. Elle ouvre la voie à la construction de modèles in-silico complets de l'appareil respiratoire ainsi qu'aux études fonctionnelles prenant en compte les paramètres morphologiques susceptibles d'influer localement ou globalement sur la dynamique des écoulements.

Cette thèse porte sur l'extraction de représentations géométriques à partir d'images tridimensionnelles. Ces représentations ont d'importantes applications dans les domaines médicaux (examen non invasif et simulation, détection de pathologies, chirurgie assistée par ordinateur, fabrication de prothèses, etc) et biologiques (analyse des structures microscopiques et de leur fonctionnement). Deux approches peuvent être suivies~ : - Les méthodes de reconstruction discrète fournissent rapidement une représentation géométrique de ces données, mais laissent de côté l'aspect segmentation de l'image en ses constituants. Parmi ces méthodes, les plus utilisées sont~ : le marching-cubes, qui construit une surface triangulée, et le suivi de surface, qui délimite une surface digitale. En introduisant des considérations de topologie digitale, nous montrons l'équivalence de ces deux représentations. De cette manière, leurs propriétés respectives peuvent être combinées efficacement. - Les méthodes basées sur les modèles déformables réunissent les opérations de segmentation et de reconstruction en un seul processus~ : le modèle recherche les constituants de l'image en se déformant sous l'action de contraintes externes, issues de l'image, et internes, dérivées de sa structure géométrique. Les modèles existants sont souvent limités à l'extraction de formes simples. Nous proposons un modèle déformable générique, basé sur une triangulation de surface, et capable d'adapter automatiquement la topologie de sa maille aux déformations imposées à sa géométrie. Cette capacité permet au modèle d'appréhender les formes arbitrairement complexes de l'image et de les extraire de l'esquisse aux détails par une approche multi-résolution. Enfin, nous présentons l'application de ce modèle à des données biomédicales de modalités variées. Les résultats sont comparés à ceux obtenus par reconstruction discrète, puis combinés afin de tirer parti des avantages spécifiques des deux approches.

The main aim of the thesis is the reconstruction of three-dimensional surface from a~set of two-dimensional images. For the implementation of this application the programming language Java and its extension, that allows work with three-dimensional models, were chosen. First, viewing of three-dimensional models of two different file formats was necessary to allow. To create the three-dimensional models, the Marching Cubes algorithm was used. This algorithm is decribed theoretically in the text, description of the implementation and correction of deficiencies follows. Finally, the implementation of the inversion procedure of reconstruction of the three-dimensional surface, which is the extraction of two-dimensional images from the three-dimensional model, is described.

Generating fully 3D terrains is a dificult task, meaning that we need to store a lot of data or do a lot of computing or both. We can reduce or completly eliminate the data srorage by using a procedural approch, but this is where the problem gets realy computationaly costly and the CUDA platform comes in. CUDA kernels runinng parallely on graphic accelerators can rapidly decrease time needed for computation, allowing even these complex calculations to work in real time or even better. Finding its use in game or movie industry.