[pt] Ray-Casting é uma técnica muito usada em visualizção volumétrica para a criação de imagens médicas, a partir de dados obtidos por ressonância magnética (MRI) e tomografias computadorizadas (CT). No entanto, ray- casting tem um alto custo computacional que resulta em um processo de visualização lento, o que compromete a interatividade necessária para uma boa compreensão do conjunto de dados tri-dimensionais.Este trabalho propõe estratégias para a otimização do algoritmo de ray-casting e para melhorar sua eficiência. Além disso, esta tese investiga o uso em um ambiente de computação distribuída, através de um protocolo de comunicação entre estações de trabalho heterogêneas e não dedicadas, conectadas em uma rede local.As idéias propostas foram implementadas em duas versões do algoritmo, uma sequencial e uma paralela. Os resultados obtidos com essas implementações em conjuntos de dados reais mostram que é possível obter tempo interativo com as máquinas disponíveis atualmente e em condições normais de uso da rede local por outros usuários. / [en] Ray-Casting is a useful volume visualization technique applied to medical images such as computer tomography (CT) and magnetic resonance image (MRI). It has, however, a high computational cost that results in a slow rendering process, which compromises the interactivity that is necessary for a good comprehension of the three-dimensional data set. This work proposes optimization strategies to the ray- casting algorithm to improve its effciency. To enhance, even further, the thesis investigates the use of a distributed computer environment through a communication protocol between heterogeneous and non- dedicate LAN-connected workstations. The ideas proposed here were implemented in two versions of the algorithm, one se- quential and one parallel. Test results, obtained with these implementations and real data sets, show that it is possible to obtain interactive time with the current available machines.

O projeto de funções de transferência é um interessante problema que recebe muita atenção da comunidade de visualização. Diversas pesquisas tem sido conduzidas para criar melhores ferramentas e técnicas que trabalham com dados volumétricos. Existem duas grandes classes de dados: volumes estruturados e volumes não-estruturados. A maioria dos trabalhos anteriores apenas se refere a dados estruturados. Este trabalho possui dois grupos de contribuições. O primeiro diz respeito ao problema clássico de especificação de funções de transferência. Primeiramente é desenvolvido o conceito de Ensembles, que são funções de transferência desenvolvidas a partir da combinação de funções anteriores e mais simples. Também é apresentada uma abordagem de key-framing para manipular dados que variam no tempo. O segundo grupo de contribuições é um estudo aprofundado sobre o comportamento de dados não-estruturados. Problemas críticos foram descobertos e tratados para permitir uma integração quase perfeita de ferramentas usadas para dados estruturados em dados não-estruturados. Os resultados mostram a melhoria de qualidade de histogramas, e também o sistema de desenvolvimento de funções de transferência. Trabalhos futuros são sugeridos para utilizar a versão melhorada do histograma de gradiente-magnitude, assim como a exploração de novos modelos de bordas. / Transfer function design is an important problem that receives much attention from the visualization community. Several researches have inspired the creation of better tools and techniques to deal with volumetric datasets. There are two major classes of datasets, namely structured and unstructured grids. Most of the previous work has only addressed structured data. This work presents two groups of contributions of different nature. The first contribution is related to the general problem of transfer function design. It introduces the concept of ensembles, which are complex transfer functions created from standard types. It also presents a key-frame based approach to handle time-varying sequences. The second group of contributions is related with a study on several characteristics of unstructured data. Problems have been discovered and addressed to allow a seamless integration of classical structured grids tools to unstructured data. This work includes results that show improvements on a statistical analysis of the data, as well as the developed transfer function design system. Further work is suggested to take advantage of the enhanced version of the gradient-magnitude histogram, and explore different boundary model.

Técnicas de visualização volumétrica direta são utilizadas para visualizar e explorar volumes de dados complexos. Dados volumétricos provêm de diversas fontes, tais como dispositivos de diagnóstico médico, radares de sensoriamento remoto ou ainda simulações científicas assistidas por computador. Um problema fundamental na visualização volumétrica é a especificação de Funções de Transferência (FTs) que atribuem cor e opacidade aos valores escalares que compõem o volume de dados. Essas funções são importantes para a exibição de características e objetos de interesse do volume, porém sua definição não é trivial ou intuitiva. Abordagens tradicionais permitem a edição manual de pontos de controle que representam a FT a ser utilizada no volume. No entanto, essas técnicas acabam conduzindo o usuário a um processo de “tentativa e erro” para serem obtidos os resultados desejados. Considera-se também que técnicas automáticas que excluem o usuário do processo não são consideradas as mais adequadas, visto que o mesmo deve possuir algum controle sobre o processo de visualização. Este trabalho apresenta uma ferramenta semi-automática e interativa destinada a auxiliar o usuário na geração de FTs de cor e opacidade. A ferramenta proposta possui dois níveis de interação com o usuário. No primeiro nível são apresentados várias FTs candidatas renderizadas como thumbnails 3D, seguindo o método conhecido como Design Galleries (MARKS et al., 1997). São aplicadas técnicas para reduzir o escopo das funções candidatas para um conjunto mais razoável, sendo possível ainda um refinamento das mesmas. No segundo nível é possível definir cores para a FT de opacidade escolhida, e ainda refinar essa função de modo a melhorála de acordo com as necessidades do usuário. Dessa forma, um dos objetivos desse trabalho é permitir ao usuário lidar com diferentes aspectos da especificação de FTs, que normalmente são dependentes da aplicação em questão e do volume de dados sendo visualizado. Para o rendering do volume, são exploradas as capacidades de mapeamento de textura e os recursos do hardware gráfico programável provenientes das plácas gráficas atuais visando a interação em tempo real. Os resultados obtidos utilizam volumes de dados médicos e sintéticos, além de volumes conhecidos, para a análise da ferramenta proposta. No entanto, é dada ênfase na especificação de FTs de propósito geral, sem a necessidade do usuário prover um mapeamento direto representando a função desejada. / Direct volume rendering techniques are used to visualize and explore large scalar volumes. Volume data can be acquired from many sources including medical diagnoses scanners, remote sensing radars or even computer-aided scientific simulations. A key issue in volume rendering is the specification of Transfer Functions (TFs) which assign color and opacity to the scalar values which comprise the volume. These functions are important to the exhibition of features and objects of interest from the volume, but their specification is not trivial or intuitive. Traditional approaches allow the manual editing of a graphic plot with control points representing the TF being applied to the volume. However, these techniques lead the user to an unintuitive trial and error task, which is time-consuming. It is also considered that automatic methods that exclude the user from the process should be avoided, since the user must have some control of the visualization process. This work presents a semi-automatic and interactive tool to assist the user in the specification of color and opacity TFs. The proposed tool has two levels of user interaction. The first level presents to the user several candidate TFs rendered as 3D thumbnails, following the method known as Design Galleries (MARKS et al., 1997). Techniques are applied to reduce the scope of the candidate functions to a more reasonable one. It is also possible to further refine these functions at this level. In the second level is permitted to define and edit colors in the chosen TF, and refine this function if desired. One of the objectives of this work is to allow users to deal with different aspects of TF specification, which is generally dependent of the application or the dataset being visualized. To render the volume, the programmability of the current generation of graphics hardware is explored, as well as the features of texture mapping in order to achieve real time interaction. The tool is applied to medical and synthetic datasets, but the main objective is to propose a general-purpose tool to specify TFs without the need for an explicit mapping from the user.

A exploração visual dos dutos biliares é de relevante interesse clínico, pois fornece informação relacionada com a Atresia Biliar (AB). A AB é uma doença cujas causas ainda permanecem desconhecidas e que eventualmente leva a um transplante de fígado ou, nos casos mais avançados da doença, leva a óbito do paciente. A única evidência física conhecida até agora da existencia de AB é a obstrução das vias biliares. No entanto, o estudo desta doença tem sido limitado pela incapacidade de analisar o duto biliar de pacientes em estágios precoces da doença e muito pouco se sabe sobre a estrutura interna do duto biliar. Nos últimos anos, a microscopia confocal, uma técnica que permite a obtenção de conjuntos de dados 3D de amostras biológicas, tem sido utilizada em experiências médicas para estudar a estrutura interna e anatômica dos dutos biliares. Neste trabalho, é objetivo apoiar o estudo dessas estruturas através da visualização volumétrica de imagens dos dutos biliares. É proposto um pipeline de fluxo de dados capaz de processar e "renderizar"conjuntos de dados de imagens confocais utilizando o VTK (do inglês The Visualization ToolKit). O pipeline foi construído em duas etapas principais e consecutivas. Uma primeira etapa tem o objetivo de remoção de ruído e realce das estruturas relevantes por meio de filtragem no domínio da freqüência e difusão anisotrópica. O conjunto de dados assim pré-processado é usado com técnicas diretas de visualização de volumes baseadas em funções de transferência para exibir as estruturas dos dutos biliares. Os resultados mostram que a visualização volumétrica em conjunto com um pré-processamento adequado das imagens confocais permite evidenciar as regiões de interesse nos dutos biliares e melhora detalhes que são dificilmente visualizados nos dados originais. / The visual exploration of bile ducts in the liver is of relevant clinical interest, as it provides information related to the Biliary Atresia, a disease of unknown origin, which eventually leads to a liver transplant or ultimately to death. The only physical known evidence of biliary atresia is the obstruction of the bile ducts. However, the study of this disease has been limited by the inability to observe the bile duct in patients at early stages of the disease. Moreover, very little is known about the internal structure of the bile duct. In recent years, confocal microscopy, a technique that allows to obtain 3D image datasets from biological samples, has been used in medical experiments for studying the anatomical internal structure of bile ducts. We are interested in supporting the study of these structures through volumetric visualization of bile ducts images. In this work, we propose a data flow pipeline capable of processing and rendering datasets of confocal images using The Visualization ToolKit - VTK. The pipeline was built as two consecutive stages. We propose a first stage for denoising and enhancing the relevant structures of sample based on filtering in the frequency domain and anisotropic diffusion. We use the dataset preprocessed in this way for applying a direct volume rendering technique in a second stage based on transfer functions to visualize the bile duct structures. Our results have shown that volumetric visualization together with an adequate pre-processing of the confocal images allow experts to visualize the regions of interest in the bile ducts, improving details that are hardly visualized in the original data.

O projeto de funções de transferência é um interessante problema que recebe muita atenção da comunidade de visualização. Diversas pesquisas tem sido conduzidas para criar melhores ferramentas e técnicas que trabalham com dados volumétricos. Existem duas grandes classes de dados: volumes estruturados e volumes não-estruturados. A maioria dos trabalhos anteriores apenas se refere a dados estruturados. Este trabalho possui dois grupos de contribuições. O primeiro diz respeito ao problema clássico de especificação de funções de transferência. Primeiramente é desenvolvido o conceito de Ensembles, que são funções de transferência desenvolvidas a partir da combinação de funções anteriores e mais simples. Também é apresentada uma abordagem de key-framing para manipular dados que variam no tempo. O segundo grupo de contribuições é um estudo aprofundado sobre o comportamento de dados não-estruturados. Problemas críticos foram descobertos e tratados para permitir uma integração quase perfeita de ferramentas usadas para dados estruturados em dados não-estruturados. Os resultados mostram a melhoria de qualidade de histogramas, e também o sistema de desenvolvimento de funções de transferência. Trabalhos futuros são sugeridos para utilizar a versão melhorada do histograma de gradiente-magnitude, assim como a exploração de novos modelos de bordas. / Transfer function design is an important problem that receives much attention from the visualization community. Several researches have inspired the creation of better tools and techniques to deal with volumetric datasets. There are two major classes of datasets, namely structured and unstructured grids. Most of the previous work has only addressed structured data. This work presents two groups of contributions of different nature. The first contribution is related to the general problem of transfer function design. It introduces the concept of ensembles, which are complex transfer functions created from standard types. It also presents a key-frame based approach to handle time-varying sequences. The second group of contributions is related with a study on several characteristics of unstructured data. Problems have been discovered and addressed to allow a seamless integration of classical structured grids tools to unstructured data. This work includes results that show improvements on a statistical analysis of the data, as well as the developed transfer function design system. Further work is suggested to take advantage of the enhanced version of the gradient-magnitude histogram, and explore different boundary model.

Técnicas de visualização volumétrica direta são utilizadas para visualizar e explorar volumes de dados complexos. Dados volumétricos provêm de diversas fontes, tais como dispositivos de diagnóstico médico, radares de sensoriamento remoto ou ainda simulações científicas assistidas por computador. Um problema fundamental na visualização volumétrica é a especificação de Funções de Transferência (FTs) que atribuem cor e opacidade aos valores escalares que compõem o volume de dados. Essas funções são importantes para a exibição de características e objetos de interesse do volume, porém sua definição não é trivial ou intuitiva. Abordagens tradicionais permitem a edição manual de pontos de controle que representam a FT a ser utilizada no volume. No entanto, essas técnicas acabam conduzindo o usuário a um processo de “tentativa e erro” para serem obtidos os resultados desejados. Considera-se também que técnicas automáticas que excluem o usuário do processo não são consideradas as mais adequadas, visto que o mesmo deve possuir algum controle sobre o processo de visualização. Este trabalho apresenta uma ferramenta semi-automática e interativa destinada a auxiliar o usuário na geração de FTs de cor e opacidade. A ferramenta proposta possui dois níveis de interação com o usuário. No primeiro nível são apresentados várias FTs candidatas renderizadas como thumbnails 3D, seguindo o método conhecido como Design Galleries (MARKS et al., 1997). São aplicadas técnicas para reduzir o escopo das funções candidatas para um conjunto mais razoável, sendo possível ainda um refinamento das mesmas. No segundo nível é possível definir cores para a FT de opacidade escolhida, e ainda refinar essa função de modo a melhorála de acordo com as necessidades do usuário. Dessa forma, um dos objetivos desse trabalho é permitir ao usuário lidar com diferentes aspectos da especificação de FTs, que normalmente são dependentes da aplicação em questão e do volume de dados sendo visualizado. Para o rendering do volume, são exploradas as capacidades de mapeamento de textura e os recursos do hardware gráfico programável provenientes das plácas gráficas atuais visando a interação em tempo real. Os resultados obtidos utilizam volumes de dados médicos e sintéticos, além de volumes conhecidos, para a análise da ferramenta proposta. No entanto, é dada ênfase na especificação de FTs de propósito geral, sem a necessidade do usuário prover um mapeamento direto representando a função desejada. / Direct volume rendering techniques are used to visualize and explore large scalar volumes. Volume data can be acquired from many sources including medical diagnoses scanners, remote sensing radars or even computer-aided scientific simulations. A key issue in volume rendering is the specification of Transfer Functions (TFs) which assign color and opacity to the scalar values which comprise the volume. These functions are important to the exhibition of features and objects of interest from the volume, but their specification is not trivial or intuitive. Traditional approaches allow the manual editing of a graphic plot with control points representing the TF being applied to the volume. However, these techniques lead the user to an unintuitive trial and error task, which is time-consuming. It is also considered that automatic methods that exclude the user from the process should be avoided, since the user must have some control of the visualization process. This work presents a semi-automatic and interactive tool to assist the user in the specification of color and opacity TFs. The proposed tool has two levels of user interaction. The first level presents to the user several candidate TFs rendered as 3D thumbnails, following the method known as Design Galleries (MARKS et al., 1997). Techniques are applied to reduce the scope of the candidate functions to a more reasonable one. It is also possible to further refine these functions at this level. In the second level is permitted to define and edit colors in the chosen TF, and refine this function if desired. One of the objectives of this work is to allow users to deal with different aspects of TF specification, which is generally dependent of the application or the dataset being visualized. To render the volume, the programmability of the current generation of graphics hardware is explored, as well as the features of texture mapping in order to achieve real time interaction. The tool is applied to medical and synthetic datasets, but the main objective is to propose a general-purpose tool to specify TFs without the need for an explicit mapping from the user.

A exploração visual dos dutos biliares é de relevante interesse clínico, pois fornece informação relacionada com a Atresia Biliar (AB). A AB é uma doença cujas causas ainda permanecem desconhecidas e que eventualmente leva a um transplante de fígado ou, nos casos mais avançados da doença, leva a óbito do paciente. A única evidência física conhecida até agora da existencia de AB é a obstrução das vias biliares. No entanto, o estudo desta doença tem sido limitado pela incapacidade de analisar o duto biliar de pacientes em estágios precoces da doença e muito pouco se sabe sobre a estrutura interna do duto biliar. Nos últimos anos, a microscopia confocal, uma técnica que permite a obtenção de conjuntos de dados 3D de amostras biológicas, tem sido utilizada em experiências médicas para estudar a estrutura interna e anatômica dos dutos biliares. Neste trabalho, é objetivo apoiar o estudo dessas estruturas através da visualização volumétrica de imagens dos dutos biliares. É proposto um pipeline de fluxo de dados capaz de processar e "renderizar"conjuntos de dados de imagens confocais utilizando o VTK (do inglês The Visualization ToolKit). O pipeline foi construído em duas etapas principais e consecutivas. Uma primeira etapa tem o objetivo de remoção de ruído e realce das estruturas relevantes por meio de filtragem no domínio da freqüência e difusão anisotrópica. O conjunto de dados assim pré-processado é usado com técnicas diretas de visualização de volumes baseadas em funções de transferência para exibir as estruturas dos dutos biliares. Os resultados mostram que a visualização volumétrica em conjunto com um pré-processamento adequado das imagens confocais permite evidenciar as regiões de interesse nos dutos biliares e melhora detalhes que são dificilmente visualizados nos dados originais. / The visual exploration of bile ducts in the liver is of relevant clinical interest, as it provides information related to the Biliary Atresia, a disease of unknown origin, which eventually leads to a liver transplant or ultimately to death. The only physical known evidence of biliary atresia is the obstruction of the bile ducts. However, the study of this disease has been limited by the inability to observe the bile duct in patients at early stages of the disease. Moreover, very little is known about the internal structure of the bile duct. In recent years, confocal microscopy, a technique that allows to obtain 3D image datasets from biological samples, has been used in medical experiments for studying the anatomical internal structure of bile ducts. We are interested in supporting the study of these structures through volumetric visualization of bile ducts images. In this work, we propose a data flow pipeline capable of processing and rendering datasets of confocal images using The Visualization ToolKit - VTK. The pipeline was built as two consecutive stages. We propose a first stage for denoising and enhancing the relevant structures of sample based on filtering in the frequency domain and anisotropic diffusion. We use the dataset preprocessed in this way for applying a direct volume rendering technique in a second stage based on transfer functions to visualize the bile duct structures. Our results have shown that volumetric visualization together with an adequate pre-processing of the confocal images allow experts to visualize the regions of interest in the bile ducts, improving details that are hardly visualized in the original data.

Este projeto de pesquisa trata da elaboração de um sistema de reconstrução de imagens obstétricas de fetos, em aparelhos de ultra-som convencionais, para a visualização dessas imagens em três dimensões utilizando a internet como meio de utilização do sistema, com o principal objetivo de proporcionar aos médicos ginecologistas melhor visualização do formato e das estruturas internas, e em especial da face do feto, através do processo de reconstrução tridimensional feito a partir de um conjunto de imagens bidimensionais capturadas em aparelhos convencionais de ultra-som. O uso clínico deste projeto está previsto para o setor de obstetrícia do Hospital das Clínicas de Ribeirão Preto. / This project of research deals with the laboration of a reconstruction system of obstetrics images of embryos in devices of ultrasound will be conventional the visualization of these images in three dimensions using the internet half of uses of the system, with the main objective provides to the medical gynecologists a better visualization of the format and the internal structures and in special the face of the embryo through the made process of three-dimensional reconstruction from a dataset of captured bi-dimensional images in conventional devices of ultrasound. The clinical uses of this project is foreseen will be the sector of obstetrics of the Hospital of the Clinics of Ribeirão Preto.

O projeto de funções de transferência é um interessante problema que recebe muita atenção da comunidade de visualização. Diversas pesquisas tem sido conduzidas para criar melhores ferramentas e técnicas que trabalham com dados volumétricos. Existem duas grandes classes de dados: volumes estruturados e volumes não-estruturados. A maioria dos trabalhos anteriores apenas se refere a dados estruturados. Este trabalho possui dois grupos de contribuições. O primeiro diz respeito ao problema clássico de especificação de funções de transferência. Primeiramente é desenvolvido o conceito de Ensembles, que são funções de transferência desenvolvidas a partir da combinação de funções anteriores e mais simples. Também é apresentada uma abordagem de key-framing para manipular dados que variam no tempo. O segundo grupo de contribuições é um estudo aprofundado sobre o comportamento de dados não-estruturados. Problemas críticos foram descobertos e tratados para permitir uma integração quase perfeita de ferramentas usadas para dados estruturados em dados não-estruturados. Os resultados mostram a melhoria de qualidade de histogramas, e também o sistema de desenvolvimento de funções de transferência. Trabalhos futuros são sugeridos para utilizar a versão melhorada do histograma de gradiente-magnitude, assim como a exploração de novos modelos de bordas. / Transfer function design is an important problem that receives much attention from the visualization community. Several researches have inspired the creation of better tools and techniques to deal with volumetric datasets. There are two major classes of datasets, namely structured and unstructured grids. Most of the previous work has only addressed structured data. This work presents two groups of contributions of different nature. The first contribution is related to the general problem of transfer function design. It introduces the concept of ensembles, which are complex transfer functions created from standard types. It also presents a key-frame based approach to handle time-varying sequences. The second group of contributions is related with a study on several characteristics of unstructured data. Problems have been discovered and addressed to allow a seamless integration of classical structured grids tools to unstructured data. This work includes results that show improvements on a statistical analysis of the data, as well as the developed transfer function design system. Further work is suggested to take advantage of the enhanced version of the gradient-magnitude histogram, and explore different boundary model.

A exploração visual dos dutos biliares é de relevante interesse clínico, pois fornece informação relacionada com a Atresia Biliar (AB). A AB é uma doença cujas causas ainda permanecem desconhecidas e que eventualmente leva a um transplante de fígado ou, nos casos mais avançados da doença, leva a óbito do paciente. A única evidência física conhecida até agora da existencia de AB é a obstrução das vias biliares. No entanto, o estudo desta doença tem sido limitado pela incapacidade de analisar o duto biliar de pacientes em estágios precoces da doença e muito pouco se sabe sobre a estrutura interna do duto biliar. Nos últimos anos, a microscopia confocal, uma técnica que permite a obtenção de conjuntos de dados 3D de amostras biológicas, tem sido utilizada em experiências médicas para estudar a estrutura interna e anatômica dos dutos biliares. Neste trabalho, é objetivo apoiar o estudo dessas estruturas através da visualização volumétrica de imagens dos dutos biliares. É proposto um pipeline de fluxo de dados capaz de processar e "renderizar"conjuntos de dados de imagens confocais utilizando o VTK (do inglês The Visualization ToolKit). O pipeline foi construído em duas etapas principais e consecutivas. Uma primeira etapa tem o objetivo de remoção de ruído e realce das estruturas relevantes por meio de filtragem no domínio da freqüência e difusão anisotrópica. O conjunto de dados assim pré-processado é usado com técnicas diretas de visualização de volumes baseadas em funções de transferência para exibir as estruturas dos dutos biliares. Os resultados mostram que a visualização volumétrica em conjunto com um pré-processamento adequado das imagens confocais permite evidenciar as regiões de interesse nos dutos biliares e melhora detalhes que são dificilmente visualizados nos dados originais. / The visual exploration of bile ducts in the liver is of relevant clinical interest, as it provides information related to the Biliary Atresia, a disease of unknown origin, which eventually leads to a liver transplant or ultimately to death. The only physical known evidence of biliary atresia is the obstruction of the bile ducts. However, the study of this disease has been limited by the inability to observe the bile duct in patients at early stages of the disease. Moreover, very little is known about the internal structure of the bile duct. In recent years, confocal microscopy, a technique that allows to obtain 3D image datasets from biological samples, has been used in medical experiments for studying the anatomical internal structure of bile ducts. We are interested in supporting the study of these structures through volumetric visualization of bile ducts images. In this work, we propose a data flow pipeline capable of processing and rendering datasets of confocal images using The Visualization ToolKit - VTK. The pipeline was built as two consecutive stages. We propose a first stage for denoising and enhancing the relevant structures of sample based on filtering in the frequency domain and anisotropic diffusion. We use the dataset preprocessed in this way for applying a direct volume rendering technique in a second stage based on transfer functions to visualize the bile duct structures. Our results have shown that volumetric visualization together with an adequate pre-processing of the confocal images allow experts to visualize the regions of interest in the bile ducts, improving details that are hardly visualized in the original data.