Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1.Актуальность темы

Во многих областях науки и практической деятельности возникает задача определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов. Одной из таких областей является медицина. В частности, определение характеристик поверхности тела человека и изменение их во времени необходимо при диагностике и мониторинге течения заболевания [1].

Разработанные до настоящего времени методы определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов не отвечают современным требованием, так как либо дают крайне скудную информацию, хотя и очень простыми приемами, либо требуют значительных временных затрат на проведение измерений с помощью дорогого оборудования и обработку полученных в результате этих измерений данных.

Очевидна актуальность разработки такого метода определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов, который должен обладать высокой оперативностью, достаточной точностью и относительно невысокой стоимостью. Кроме того, разработанный метод должен быть безопасен для исследуемого объекта.

Таким требованиям в полной мере отвечают фотограмметрические методы, так как эти методы:

– являются бесконтактными и в отличие от рентгеновских методов абсолютно безопасными для человеческого организма;

– безопасность этих методов позволяет проводить повторные съемки с любым интервалом времени;

– позволяют построить трехмерную математическую модель поверхности всего тела человека, а не только его фрагментов;

– позволяют выполнить съемку поверхности тела с очень высокой точностью (до десятых долей мм);

– могут быть реализованы с применением недорогих любительских цифровых фотокамер и стандартных программных комплексов для цифровой фотограмметрической обработки снимков.

Благодаря своей высокой точности, производительности и универсальности решаемых задач информационные технологии не могли не найти применения в медицине и, в частности, в стоматологии. Появились даже термины «стоматологическая информатика» и «компьютерная стоматология».

Компьютерная обработка графической информации позволяет быстро и тщательно обследовать пациента и показать его результаты как самому пациенту, так и другим специалистам [2].

Трудности при измерении параметров смежных частей зубной челюсти появляются при определении относительного положения внутренней поверхности соседних частей. Эта проблема очень важна для стоматологии, где точные измерения относительно верхних и нижних зубов и соответствующие положения (окклюзии) необходимы для эффективного лечения. Поэтому все чаще предлагается Фотограмметрическая техника позиционирования для анализа челюсти. Компьютерная обработка графической информации позволяет быстро и тщательно обследовать пациента и показать результаты как самому пациенту, так и другим специалистам. Стоматолог может изучить взаимное положение зубов и измерять расстояния между данными зубами в различных местах челюсти. Также этот метод позволяет виртуально изучить, как протез будет взаимодействовать с другими зубами.

2.Цель и задачи исследования

Цель работы: обоснование использования неспециализированной камеры для построения цифровой модели зубной челюсти.

Задачи исследования:

1. Создание фотограмметрической системы для съемки

2. Выполнение съемки установки

3. Изучение программного продукта, используемого в работе для построения цифровой модели

4. Построение цифровой модели слепка зубной челюсти

Объектом исследования является построение цифровой модели слепка зубной челюсти, а предметом – неспециализированная цифровая камера.

Научная новизна состоит в применении неспециализированной камеры для съемки, по снимкам которой строится цифровая модель.

3. Предварительная подготовка

Для успешного лечения зубов важно иметь информацию об их относительном положении и знать расстояние между соответствующими зубами. Определение этих расстояний – это задача для стоматолога, так как на сегодняшний день не разработано электронной системы для их определения. Стоматолог получает информацию о позиции зубов, о наличии (или отсутствии) контакта между зубами. Эту информацию получают с помощью тонких листов цветной бумаги, отметив место контакта на зубах. По этой информации уже изготовляется слепок зубной челюсти, который используется для съемки и на основании которого строится цифровую модель челюсти.

Съемка слепка заключается в последовательном перемещении камеры и фиксировании изображения при каждом перемещении (рис. 3.1). Слепок должен находиться в неподвижном зафиксированном положении, что значительно упростит обработку снимков и построение цифровой модели. Чтобы слепок оставался неподвижным в процессе съемки его необходимо поместить на плоскую поверхность и закрепить.

Схема съемки

Рисунок 3.1 – Схема съемки установки
(анимация: 5 кадров, 10 циклов повторения, 37,6 килобайт)

Для построения трехмерной модели с использованием программного обеспечения мало иметь слепок и камеру, возникает проблема в отсутствии системы координат, так как для обработки снимков потребуется набор точек с известными трехмерными координатами [3]. Точки должны иметь разную координату Z. На данном этапе проблема заключается в фиксации таких опорных точек и их расположении. Кроме того, точки должны быть измерены в системе координат, что тоже является проблемой, так как необходимо оцифровать эту систему координат.

В процессе выполнения съемки модель челюсти и все опорные точки должны быть достаточно освещены, что также необходимо решить на этапе подготовки.

4.Фотограмметрическая система

Процедура построения цифровой модели включает в себя несколько этапов. На первом этапе сделана гипсовая модель челюсти. Затем трехмерная модель челюсти генерируется с использованием фотограмметрической системы на основе камеры и установки. Выполняется съемка модели челюсти, образуя набор частичных моделей, которые затем сливаются с использованием специального программного обеспечения. Метод использует набор опорных точек. Изображения челюсти образуются фотограмметрической системой, а 3D координаты опорных точек рассчитаны для построения цифровой модели.

4.1 Камера для съемки

В работе будет исследован фотоаппарат Nikon D5100 [4]. Это цифровой однообъективный зеркальный фотоаппарат. Съемка фотоаппаратом выполнялась при максимальном увеличении, то есть при максимальном фокусном расстоянии, при котором, как известно, проявление оптической дисторсии минимально.

Основные особенности Nikon D5100:

• CMOS‐сенсор с разрешением 16,2 мегапикселя;

• Большой диапазон ISO – от 100 до 6400 + возможность расширения до 25600. Высокий уровень ISO позволяет использовать короткие выдержки при плохом освещении, тем самым избегая смаза;

• Поворотный ЖК‐дисплей с диагональю экрана 3 дюйма и разрешением 921 тысяча пикселей;

• Коэффициент увеличения фокусного расстояния объектива 1,5.

Форматы:

• DCF 2.0 (Design Rule for Camera File System)

• DPOF (Digital Print Order Format)

• Exif 2.3 (совместимый формат графических файлов для цифровых фотокамер)

• PictBridge

4.2 Описание установки

В работе предусматривается создание установки (рис. 4.1), которая представляет собой опорную сеть и слепок зубной челюсти.

В данной работе предлагается следующая опорная сеть:

1. Стекло, которое используется для калибровки стереокомпаратора с шагом сетки – 5 мм и точностью нанесения линий менее 0.05 мм, что дает возможность контролировать положения объекта и опорных точек, а также выполнять грубое ориентирование на снимках.

2. Колышки с прикрепленными на них марками (опорные точки). Точность создания не хуже 0.1 мм.

Снимаемая установка

Рисунок 4.1 – Снимаемая установка

На рисунке видно, что слепок располагается на стекле с нанесенной сеткой. Кроме слепка также присутствуют марки, которые крепятся на выточенные по размеру колышки. Колышки имеют разное превышение. 3 опорные точки были взяты на самом стекле.

5. Обработка снимков

Была выполнена пробная съемка установки. Схема съемки представлена на рисунке 3.1. Фотоаппарат последовательно перемещался относительно объекта съемки и фиксировал изображения, при этом соблюдая перекрытия снимков (60%) [5]. Общее число снимков – 5.

По результатам проведенных измерений на снимках была построена ориентированная и масштабированная геометрическая модель, то есть набор стереомоделей, ориентированных в единой системе координат.

Измерения выполнялись в фотограмметрическом комплексе Delta (рис. 5.1).

Выполнение измерений

Рисунок 5.1 – Выполнение измерений

В качестве связующих точек использовались точки на пересечении сетки координат, дополнительные марки и метки на самом слепке.

Уравнивание измерений выполняется в BlockMSG. При уравнивании необходимо получить точность не хуже 0,5 мм. При уравнивании ошибка получилась равной 3 мм, что не удовлетворяет необходимой точности.

Поэтому была выполнена вторая съемка с исключением предыдущих ошибок. Для повышения точности было принято решение использования программного продукта ERDAS для построения цифровой модели.

5.1 Обоснование выбора программного продукта ERDAS для построения цифровой модели

ERDAS Imagine – Полнофункциональная система для работы со снимками [6].

Быстро растущие информационные запросы современного общества диктуют потребность в адекватных средствах получения и обработки необходимых данных. Это обусловило развитие многих направлений индустрии программного обеспечения, в частности, систем обработки информации. Первую скрипку в этой партии играет компания ERDAS Inc., которая с 1978 года обеспечивает тысячи пользователей мощным программным обеспечением для растровых геоинформационных систем и обработки изображений. Правофланговый в линии программных продуктов компании – пакет ERDAS Imagine – полнофункциональная система, созданная для решения прикладных задач сегодня и завтра.

Понятный графический интерфейс и мощные средства обработки пространственно распределенной информации обеспечивают полнофункциональную среду для решения широкого спектра прикладных задач. Графически связанные окна просмотра (окна Viewer'а) позволяют одновременно отображать и проводить анализ и различные преобразования информации. Специальный формат обеспечивает быстрый вывод больших графических файлов с высоким разрешением. Контекстно‐зависимая подсказка, организованная в гипертекстовую help‐систему, а также обширные и хорошо написанные печатные руководства должным образом обеспечивают тыл.

С помощью ERDAS Imagine можно быстро получить доступ к самой разнообразной информации, что дает неограниченные возможности для анализа и управления базами данных. Имеющимися средствами можно получить информацию как по территориальному объекту, так и значение каждого пиксела изображения и связанную с ним дополнительную информации, использовать различные средства и возможности визуализации, в частности, масштабирование.

ERDAS Imagine позволяет создавать цифровые модели. При этом все операции выполняются программно, без использования специальной фотограмметрической аппаратуры. Модуль Digital Ortho в ERDAS Imagine использует фототриангуляцию для создания цифровой модели из снимков. Полученную цифровую модель можно использовать для создания трехмерного перспективного изображения [7].

Программное обеспечение американской фирмы ERDAS, Inc. обеспечивает всем комплексом средств, необходимых для эффективного использования данных съемок в любых возможных областях их применения. Включает базовый комплект и модули расширения. Позволяет улучшать качество и повышать точность изображения, трансформировать снимки, привязывать снимки друг к другу, классифицировать объекты, отфильтровывать шумы, синтезировать мультиспектральные изображения, одновременно анализировать растровую и векторную информацию, создавать высококачественные профессионально оформленные карты и многое другое. Разнообразные средства анализа изображений позволяют получать богатую информацию для множества прикладных задач.

Программные продукты фирмы ERDAS сочетают в себе функции растровой геоинформационной системы (ГИС) и системы для обработки изображений и представляют собой модульные продукты, работающие на многих компьютерных платформах.

Заключение

В результате работы будет обосновано применение неспециализированной камеры для построения цифровой модели зубной челюсти. Данные цифровых моделей, построенные с использованием камеры, могут в дальнейшем быть использованы стоматологом для устранения дефектов, подбора оптимального варианта лечения пациента.

При написании данного реферата магистерская работа еще не закончена. Окончательное завершение – декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Абдульмунеам А. М. «Разработка и исследование фотограмметрических методов определения геометрических характеристик поверхности биологических объектов» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dissercat.com/content/razrabotka-i-issledovanie-fotogrammetricheskikh-metodov-opredeleniya-geometricheskikh-kharak
  2. Семинар "ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ В СТОМАТОЛОГИИ" [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://xn----btbhd8ap0b6a.xn--80ao21a/questionary/view/82.html
  3. Буров М. И. Практикум по фотограмметрии / Буров М. И. – М.: НЕДРА, 1987. – 302 с.
  4. Полный обзор фотоаппарата Nikon D5100; Технические характеристики и цены на Nikon D5100 kit и body [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://digitalservis.ru/nikon/678/nikon-d5100.html/
  5. Бирюков В. С. «Цифровые снимки в фотограмметрии» / Геодезия и картография. – 2000. – N10. – С. 33‐36 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.stereo-pixel.ru/docs/pressa/1/dig_imgs.htm
  6. Дистанционное зондирование [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://loi.sscc.ru/gis/gt/9.htm
  7. Создание ЦСММ с использованием стереопар в ERDAS IMAGINE [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://gis-lab.info/qa/stereo-erdas.html .