Imagens da anatomia interna são essenciais para as práticas médicas. Estabelecer correlação entre elas, é um importante procedimento para diagnóstico e tratamento. Nessa dissertação, é proposta uma abordagem para correlacionar dados multidimensionais de mesma modalidade de aquisição baseando-se somente nas informações de intensidade de pixels e voxels. O trabalho foi dividido em duas fases de implementação. Na primeira, foi explorado o problema de similaridade entre imagens médicas usando a perspectiva de análise de qualidade de imagem. Isso levou ao desenvolvimento de uma técnica de dois passos que estabelece um equilíbrio entre a velocidade de processamento e precisão de duas abordagens conhecidas. Avaliou-se a qualidade e aplicabilidade do algoritmo e, na segunda fase, o método foi estendido para analisar similaridade e encontrar a localização de uma imagem arbitrária (2D) em um volume (3D). A solução minimiza o número virtualmente infinito de possíveis orientações transversais e usa otimizações para reduzir a carga de trabalho e entregar resultados precisos. Uma visualização tridimensional volumétrica funde o volume (3D) com a imagem (2D) estabelecendo uma correspondência entre os dados. Uma análise experimental demonstrou que, apesar da complexidade computacional do algoritmo, o uso de amostragem, tanto na imagem quanto no volume, permite alcançar um bom equilíbrio entre desempenho e precisão, mesmo quando realizada com conjuntos de dados de baixa intensidade de gradiente. / Images of the inner anatomy are essential for clinical practice. To establish a correlation between them is an important procedure for diagnosis and treatment. In this thesis, we propose an approach to correlate within-modality 2D and 3D data from ordinary acquisition protocols based solely on the pixel/voxel information. The work was divided into two development phases. First, we explored the similarity problem between medical images using the perspective of image quality assessment. It led to the development of a 2-step technique that settles the compromise between processing speed and precision of two known approaches. We evaluated the quality and applicability of the 2-step and, in the second phase, we extended the method to use similarity analysis to, given an arbitrary slice image (2D), find the location of this slice within the volume data (3D). The solution minimizes the virtually infinite number of possible cross section orientations and uses optimizations to reduce the computational workload and output accurate results. The matching is displayed in a volumetric three-dimensional visualization fusing the 3D with the 2D. An experimental analysis demonstrated that despite the computational complexity of the algorithm, the use of severe data sampling allows achieving a great compromise between performance and accuracy even when performed with low gradient intensity datasets.

Imagens da anatomia interna são essenciais para as práticas médicas. Estabelecer correlação entre elas, é um importante procedimento para diagnóstico e tratamento. Nessa dissertação, é proposta uma abordagem para correlacionar dados multidimensionais de mesma modalidade de aquisição baseando-se somente nas informações de intensidade de pixels e voxels. O trabalho foi dividido em duas fases de implementação. Na primeira, foi explorado o problema de similaridade entre imagens médicas usando a perspectiva de análise de qualidade de imagem. Isso levou ao desenvolvimento de uma técnica de dois passos que estabelece um equilíbrio entre a velocidade de processamento e precisão de duas abordagens conhecidas. Avaliou-se a qualidade e aplicabilidade do algoritmo e, na segunda fase, o método foi estendido para analisar similaridade e encontrar a localização de uma imagem arbitrária (2D) em um volume (3D). A solução minimiza o número virtualmente infinito de possíveis orientações transversais e usa otimizações para reduzir a carga de trabalho e entregar resultados precisos. Uma visualização tridimensional volumétrica funde o volume (3D) com a imagem (2D) estabelecendo uma correspondência entre os dados. Uma análise experimental demonstrou que, apesar da complexidade computacional do algoritmo, o uso de amostragem, tanto na imagem quanto no volume, permite alcançar um bom equilíbrio entre desempenho e precisão, mesmo quando realizada com conjuntos de dados de baixa intensidade de gradiente. / Images of the inner anatomy are essential for clinical practice. To establish a correlation between them is an important procedure for diagnosis and treatment. In this thesis, we propose an approach to correlate within-modality 2D and 3D data from ordinary acquisition protocols based solely on the pixel/voxel information. The work was divided into two development phases. First, we explored the similarity problem between medical images using the perspective of image quality assessment. It led to the development of a 2-step technique that settles the compromise between processing speed and precision of two known approaches. We evaluated the quality and applicability of the 2-step and, in the second phase, we extended the method to use similarity analysis to, given an arbitrary slice image (2D), find the location of this slice within the volume data (3D). The solution minimizes the virtually infinite number of possible cross section orientations and uses optimizations to reduce the computational workload and output accurate results. The matching is displayed in a volumetric three-dimensional visualization fusing the 3D with the 2D. An experimental analysis demonstrated that despite the computational complexity of the algorithm, the use of severe data sampling allows achieving a great compromise between performance and accuracy even when performed with low gradient intensity datasets.

Algoritmos para rendering de superfícies são rápidos, mas não são compatíveis com situações em que é necessário investigar estruturas internas em volumes. Algoritmos de rendering volumétrico direto são adequados para a exploração de estruturas volumétricas, mas são lentos quando comparados a um rendering de superfícies. Várias soluções híbridas foram propostas na literatura, sendo que uma delas, conhecida como VoS (Volume on Surface), foi proposta recentemente com o objetivo de aumentar a capacidade de investigação do conteúdo de volumes por meio de superfícies. VoS é uma técnica híbrida que permite mapear o conteúdo de um volume em superfícies extraídas do mesmo. A técnica executa lançamento de raios para mapear as informações do volume na superfície, possibilitando a visualização das estruturas internas do volume utilizando rendering de superfícies convencional. No presente trabalho estudamos a técnica VoS e propomos diversas modificações com o intuito de generalizar a técnica e tratar algumas de suas limitações. As novas soluções apresentadas permitem a utilização da técnica com volumes de voxels regulares, e geram imagens de melhor qualidade. Assim como a VoS, as duas novas versões implementadas, VoSm e VoSm*, têm o objetivo de melhorar o poder de investigação do rendering de superfícies, permitindo a exploração do conteúdo de volumes. A técnica VoS e suas variações oferecem uma ferramenta alternativa para aplicações em que a utilização de superfícies é uma solução natural. / Surface rendering algorithms are fast, but are not suitable in situations where internal volume structures must be displayed for investigation. On the other hand, Direct Volume Rendering algorithms are effective to support exploration of internal volume structures, but software implementations are slow as compared to surface rendering solutions. Several hybrid solutions have been proposed in the literature. One of such hybrid solutions, named as VoS (Volume on Surface), has been recently introduced with the goal of using surfaces to enhance volume investigation capability. VoS is a hybrid technique that maps volume contents to surfaces extracted from this volume. The technique performs ray casting to map the volume information onto the surface, thus enabling the visualization of internal volume structures using standard surface rendering algorithms. In this work we study the VoS technique and propose several modifications in order to generalize the technique and treat some of its limitations. The new solutions presented here enable applying the technique to volumes described as a regular grid of voxels and produce images of superior quality as compared to the original. As with VoS, the two novel implementations, VoSm and VoSm*, have the goal of improving the investigative power of a surface rendering display, supporting exploration of volumetric contents. VoS and its variations are alternative tools for applications where surface rendering is a natural visualization solution.

A presente tese trata da representação e da visualização volumétrica de dados espaciais, através das quais novas possibilidades para visualizar tridimensionalmente as propriedades dos solos são apresentadas. O uso de volumes nos processos avaliativos dos solos permite ver e explorar a estrutura complexa do fenômeno como um corpo contínuo no espaço, incorporando dessa forma a terceira dimensão na cartografia de solos. A metodologia de trabalho adotada compreende a aquisição, organização e codificação dos dados, como também a interpolação, formação e visualização de volumes, através da utilização de um Sistema de Informações Geográficas Tridimensional em conjunto com um programa para visualização de volumes. Os dados de solos são de natureza qualitativa e quantitativa e foram interpolados para sua representação contínua no espaço tridimensional. Os resultados obtidos para as representações volumétricas das propriedades físicas, químicas e morfológicas são uma nova forma de visualizar os solos e se constituem em uma fonte de novos conhecimentos para o estudo deste fenômeno. / This dissertation is on volume representation and visualization of spatial data. It aims at showing new possibilities to visualize soil’s properties on 3D. The use of volumes in soil’s evaluation processes allows one to visualize and to explore the phenomenon as a continuous body in the space bringing third dimension to soil cartography. The methodology of this research entails the acquisition, organization and coding of data, as well as volume interpolation, formation and visualization by means of 3D-GIS environment. Soil’s data are either qualitative or quantitative and they were interpolated in order to be continuously represented in 3D space. The outcome of volume representations of physical, chemical and morphological properties is a new way to visualize the soil and a new source of knowledge to the study of this phenomenon.

A presente tese trata da representação e da visualização volumétrica de dados espaciais, através das quais novas possibilidades para visualizar tridimensionalmente as propriedades dos solos são apresentadas. O uso de volumes nos processos avaliativos dos solos permite ver e explorar a estrutura complexa do fenômeno como um corpo contínuo no espaço, incorporando dessa forma a terceira dimensão na cartografia de solos. A metodologia de trabalho adotada compreende a aquisição, organização e codificação dos dados, como também a interpolação, formação e visualização de volumes, através da utilização de um Sistema de Informações Geográficas Tridimensional em conjunto com um programa para visualização de volumes. Os dados de solos são de natureza qualitativa e quantitativa e foram interpolados para sua representação contínua no espaço tridimensional. Os resultados obtidos para as representações volumétricas das propriedades físicas, químicas e morfológicas são uma nova forma de visualizar os solos e se constituem em uma fonte de novos conhecimentos para o estudo deste fenômeno. / This dissertation is on volume representation and visualization of spatial data. It aims at showing new possibilities to visualize soil’s properties on 3D. The use of volumes in soil’s evaluation processes allows one to visualize and to explore the phenomenon as a continuous body in the space bringing third dimension to soil cartography. The methodology of this research entails the acquisition, organization and coding of data, as well as volume interpolation, formation and visualization by means of 3D-GIS environment. Soil’s data are either qualitative or quantitative and they were interpolated in order to be continuously represented in 3D space. The outcome of volume representations of physical, chemical and morphological properties is a new way to visualize the soil and a new source of knowledge to the study of this phenomenon.

A presente tese trata da representação e da visualização volumétrica de dados espaciais, através das quais novas possibilidades para visualizar tridimensionalmente as propriedades dos solos são apresentadas. O uso de volumes nos processos avaliativos dos solos permite ver e explorar a estrutura complexa do fenômeno como um corpo contínuo no espaço, incorporando dessa forma a terceira dimensão na cartografia de solos. A metodologia de trabalho adotada compreende a aquisição, organização e codificação dos dados, como também a interpolação, formação e visualização de volumes, através da utilização de um Sistema de Informações Geográficas Tridimensional em conjunto com um programa para visualização de volumes. Os dados de solos são de natureza qualitativa e quantitativa e foram interpolados para sua representação contínua no espaço tridimensional. Os resultados obtidos para as representações volumétricas das propriedades físicas, químicas e morfológicas são uma nova forma de visualizar os solos e se constituem em uma fonte de novos conhecimentos para o estudo deste fenômeno. / This dissertation is on volume representation and visualization of spatial data. It aims at showing new possibilities to visualize soil’s properties on 3D. The use of volumes in soil’s evaluation processes allows one to visualize and to explore the phenomenon as a continuous body in the space bringing third dimension to soil cartography. The methodology of this research entails the acquisition, organization and coding of data, as well as volume interpolation, formation and visualization by means of 3D-GIS environment. Soil’s data are either qualitative or quantitative and they were interpolated in order to be continuously represented in 3D space. The outcome of volume representations of physical, chemical and morphological properties is a new way to visualize the soil and a new source of knowledge to the study of this phenomenon.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:48:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FabianoP_DISSERT.pdf: 3905877 bytes, checksum: 0721827c114aec9f61c1c690dc27dd1d (MD5) Previous issue date: 2013-04-05 / The visualization of three-dimensional(3D)images is increasigly being sed in the area of medicine, helping physicians diagnose desease. the advances achived in scaners esed for acquisition of these 3d exames, such as computerized tumography(CT) and Magnetic Resonance imaging (MRI), enable the generation of images with higher resolutions, thus, generating files with much larger sizes. Currently, the images of computationally expensive one, and demanding the use of a righ and computer for such task. The direct remote acess of these images thruogh the internet is not efficient also, since all images have to be trasferred to the user?s equipment before the 3D visualization process ca start. with these problems in mind, this work proposes and analyses a solution for the remote redering of 3D medical images, called Remote Rendering (RR3D). In RR3D, the whole hedering process is pefomed a server or a cluster of servers, with high computational power, and only the resulting image is tranferred to the client, still allowing the client to peform operations such as rotations, zoom, etc. the solution was developed using web services written in java and an architecture that uses the scientific visualization packcage paraview, the framework paraviewWeb and the PACS server DCM4CHEE.The solution was tested with two scenarios where the rendering process was performed by a sever with graphics hadwere (GPU) and by a server without GPUs. In the scenarios without GPUs, the soluction was executed in parallel with several number of cores (processing units)dedicated to it. In order to compare our solution to order medical visualization application, a third scenario was esed in the rendering process, was done locally. In all tree scenarios, the solution was tested for different network speeds. The solution solved satisfactorily the problem with the delay in the transfer of the DICOM files, while alowing the use of low and computers as client for visualizing the exams even, tablets and smart phones / A visualiza??o de imagens tridimensionais (3D) est? cada vez mais presente na ?rea da medicina, auxiliando os m?dicos no diagn?stico de doen?as e na emiss?o de laudos. Com o avan?o dos equipamentos que geram imagens tomogr?ficas dos pacientes, como os de Tomografia Computadorizada (TC), est?o sendo geradas imagens cada vez mais n?tidas e, portanto, com resolu??es e tamanhos maiores. Atualmente, as imagens contidas em um exame de TC geralmente ocupam o tamanho de dezenas e centenas de megabytes, tornando o processo de visualiza??o 3D cada vez mais pesado - exigindo do usu?rio um equipamento com bom poder computacional. O acesso remoto ? estas imagens, via internet por exemplo, tamb?m n?o ? muito eficiente, pois todas as imagens precisam ser transferidas para o equipamento do usu?rio antes que o processo de visualiza??o 3D seja iniciado. Diante destes problemas (tamanho das imagens e acesso remoto), este trabalho envolve a cria??o e an?lise de um servi?o web para renderiza??o remota de imagens m?dicas 3D, denominado RR3D. Nele, todo o processo de renderiza??o volum?trica ser? realizado por um servidor, ou cluster de servidores, com alto poder computacional e somente a imagem 3D resultante ser? enviada ao cliente, permitindo que este ainda possa fazer opera??es como rota??o, zoom etc. O servi?o web ser? desenvolvido utilizando a linguagem Java e na arquitetura do projeto ser?o utilizados o programa de visualiza??o cient?fica Paraview, o framework ParaviewWeb e o servidor DCM4CHEE