Реферат за темою випускної роботи
Зміст
- 1. Актуальність теми
- 2. Мета і задачі дослідження
- 3. Попередня підготовка
- 4.Фотограмметрична система
- 4.1 Камера для зйомки
- 4.2 Опис установки
- 5.Обработка знімків
- 5.1 Обгрунтування вибору програмного продукту ERDAS для побудови цифрової моделі
- Висновки
- Перелік посилань
1. Актуальність теми
В багатьох галузях науки і практичної діяльності виникає задача визначення геометричних характеристик поверхні біологічних об'єктів. Однією з таких галузей є медицина. Зокрема, визначення характеристик поверхні тіла людини і зміна їх у часі необхідно при діагностиці та моніторингу перебігу захворювання [1].
Розроблені до теперішнього часу методи визначення геометричних характеристик поверхні біологічних об'єктів не відповідають сучасним вимогам, тому що або дають вкрай мізерну інформацію, хоча і дуже простими прийомами, або вимагають значних часових витрат на проведення вимірювань за допомогою дорогого устаткування і обробку отриманих в результаті цих вимірів даних.
Очевидна актуальність розробки такого методу визначення геометричних характеристик поверхні біологічних об'єктів, який повинен володіти високою оперативністю, достатньою точністю і відносно невисокою вартістю. Крім того, розроблений метод повинен бути безпечним для досліджуваного об'єкта.
Таким вимогам повною мірою відповідають фотограмметричні методи, тому що ці методи:
– Є безконтактними і на відміну від рентгенівських методів абсолютно безпечними для людського організму;
– Безпека цих методів дозволяє проводити повторні зйомки з будь‐яким інтервалом часу;
– Дозволяють побудувати тривимірну математичну модель поверхні всього тіла людини, а не тільки його фрагментів;
– Дозволяють виконати зйомку поверхні тіла з дуже високою точністю (до десятих долей мм);
– Можуть бути реалізовані із застосуванням недорогих любительських цифрових фотокамер і стандартних програмних комплексів для цифрової фотограмметричної обробки знімків.
Завдяки своїй високій точності, продуктивності та універсальності вирішуваних завдань інформаційні технології не могли не знайти застосування в медицині і, зокрема, в стоматології. З'явилися навіть терміни стоматологічна інформатика
та комп'ютерна стоматологія
.
Комп'ютерна обробка графічної інформації дозволяє швидко і ретельно обстежити пацієнта і показати його результати як самому пацієнту, так і іншим фахівцям [2].
Труднощі при вимірюванні параметрів суміжних частин зубної щелепи з'являються при визначенні відносного положення внутрішньої поверхні сусідніх частин. Ця проблема дуже важлива для стоматології, де точні вимірювання щодо верхніх і нижніх зубів і відповідні положення (оклюзії) необхідні для ефективного лікування. Тому все частіше пропонується Фотограмметрична техніка позиціонування для аналізу щелепи. Комп'ютерна обробка графічної інформації дозволяє швидко і ретельно обстежити пацієнта і показати результати як самому пацієнту, так і іншим фахівцям. Стоматолог може вивчити взаємне положення зубів і виміряти відстані між даними зубами в різних місцях щелепи. Також цей метод дозволяє віртуально вивчити, як протез буде взаємодіяти з іншими зубами.
2. Мета і задачі дослідження
Мета роботи: обгрунтування використання неспеціалізованої камери для побудови цифрової моделі зубної щелепи.
Задачі дослідження:
1. Створення фотограмметричної системи для зйомки
2. Виконання зйомки установки
3. Вивчення програмного продукту, який буде використан в роботі для побудови цифрової моделі
4. Побудова цифрової моделі зліпка зубної щелепи
Об'єктом дослідження є побудова цифрової моделі зліпка зубної щелепи, а предметом – неспеціалізована цифрова камера.
Наукова новизна полягає в застосуванні неспеціалізованої камери для зйомки, за знімками якої будується цифрова модель.
3. Попередня підготовка
Для успішного лікування зубів важливо мати інформацію про їх відносні положення і знати відстані між відповідними зубами. Визначення цих відстаней – це завдання для стоматолога, тому що на сьогоднішній день не розроблено електронної системи для їх визначення. Стоматолог отримує інформацію про позицію зубів, про наявність (або відсутність) контакту між зубами. Цю інформацію одержують за допомогою тонких листів кольорового паперу, зазначивши місце контакту на зубах. За цією інформацією вже виготовляється зліпок зубної щелепи, який використовується для зйомки і на підставі якого будується цифрову модель щелепи.
Зйомка зліпка полягає в послідовному переміщенні камери і фіксуванні зображення при кожному переміщенні (рис. 3.1). Зліпок повинен знаходитися в нерухомому зафіксованому положенні, що значно спростить обробку знімків і побудови цифрової моделі. Щоб зліпок залишався нерухомим в процесі зйомки його необхідно помістити на плоску поверхню і закріпити.
Рисунок 3.1 – Схема зьомки установки
(анімація: 5 кадрів, 10 циклiв повторення, 30,1 кілобайт)
Для побудови тривимірної моделі з використанням програмного забезпечення замало мати зліпок і камеру, виникає проблема у відсутності системи координат, тому що для обробки знімків потрібно мати набір точок з відомими тривимірними координатами [3]. Точки повинні мати різну координату Z. На даному етапі проблема полягає у фіксації таких опорних точок та їх розташуванні. Крім того, точки повинні бути виміряні в системі координат, що теж є проблемою, тому що необхідно оцифрувати цю систему координат.
У процесі виконання зйомки модель щелепи і всі опорні точки повинні бути достатньо освітлені, що також необхідно вирішити на етапі підготовки.
4.Фотограмметрична система
Процедура побудови цифрової моделі включає в себе кілька етапів. На першому етапі зроблена гіпсова модель щелепи. Потім тривимірна модель щелепи генерується з використанням фотограмметричної системи на основі камери і установки. Виконується зйомка моделі щелепи, утворюючи набір часткових моделей, які потім зливаються з використанням спеціального програмного забезпечення. Метод використовує набір опорних точок. Зображення щелепи утворюються фотограмметричною системою, а 3D координати опорних точок розраховані для побудови цифрової моделі.
4.1 Камера для зйомки
У роботі буде досліджено фотоапарат Nikon D5100 [4]. Це цифровий Однооб'єктивна дзеркальна камера. Зйомка фотоапаратом виконувалася при максимальному збільшенні, тобто при максимальній фокусній відстані, при якій, як відомо, прояв оптичної дисторсии мінімален.
Основні особливості Nikon D5100:
• CMOS‐сенсор з дозволом 16,2 мегапікселя;
• Великий діапазон ISO – від 100 до 6400 + можливість розширення до 25600. Високий рівень ISO дозволяє використовувати короткі витримки при поганому освітленні, тим самим уникаючи смаза;
• Поворотний РК‐дисплей з діагоналлю екрана 3 дюйми і роздільною здатністю 921 000 пікселів;
• Коефіцієнт збільшення фокусної відстані об'єктива 1,5.
Формати:
• DCF 2.0 (Design Rule for Camera File System)
• DPOF (Digital Print Order Format)
• Exif 2.3 (сумісний формат графічних файлів для цифрових фотокамер)
• PictBridge
4.2 Опис установки
У роботі передбачається створення установки, яка являє собою опорну мережу і зліпок зубної щелепи (рис. 4.1).
У даній роботі пропонується наступна опорна мережа:
1. Скло, яке використовується для калібрування стереокомпаратора з кроком сітки – 5 мм і точністю нанесення ліній менш 0.05 мм, що дає можливість контролювати положення об'єкта і опорних точок, а також виконувати грубе орієнтування на знімках.
2. Кілля з прикріпленими на них марками (опорні точки). Точність створення не гірше 0.1 мм.
Рисунок 4.1 – Знімаєма установка
На малюнку видно, що зліпок розташовується на склі з нанесеною сіткою. Крім зліпка також присутні марки, які кріпляться на виточені за розміром кілля. Кілля мають різні перевищення. 3 опорні точки були взяті на самому склі.
5.Обработка знімків
Була виконана пробна зйомка установки. Схема зйомки зображена на рисунку 3.1. Фотоапарат послідовно переміщався щодо об'єкту зйомки і фіксував зображення, при цьому дотримуючись перекриття знімків (60%) [5]. Загальне число знімків – 5.
За результатами проведених вимірювань на знімках була побудована орієнтована і масштабована геометрична модель, тобто набір стереомодель, орієнтованих в єдиній системі координат.
Вимірювання виконувалися в Фотограмметричному комплексі Delta (рис. 5.1).
Рисунок 5.1 – Виконання вимірювань
В якості сполучних точок використовувалися точки на перетині сітки координат, додаткові марки і мітки на самому зліпку.
Зрівняння вимірювань виконується в BlockMSG. При зрівнюванні необхідно отримати точність не гірше 0.5 мм. При зрівнюванні помилка вийшла рівною 3 мм, що не задовольняє необхідній точності.
Тому була виконана друга зйомка з виключенням попередніх помилок. Для підвищення точності було прийнято рішення використання програмного продукту ERDAS для побудови цифрової моделі.
5.1 Обгрунтування вибору програмного продукту ERDAS для побудови цифрової моделі
ERDAS Imagine – Повнофункціональна система для роботи зі знімками [6].
Швидко зростаючі інформаційні запити сучасного суспільства диктують потребу в адекватних засобах отримання та обробки необхідних даних. Це зумовило розвиток багатьох напрямів індустрії програмного забезпечення, зокрема, систем обробки інформації. Першу скрипку в цій партії грає компанія ERDAS Inc., яка з 1978 року забезпечує тисячі користувачів потужним програмним забезпеченням для растрових геоінформаційних систем і обробки зображень. Правофланговий в лінії програмних продуктів компанії – пакет ERDAS Imagine – повнофункціональна система, створена для вирішення прикладних завдань сьогодні і завтра.
Зрозумілий графічний інтерфейс і потужні засоби обробки просторово розподіленої інформації забезпечують повнофункціональну середу для вирішення широкого спектра прикладних задач. Графічно пов'язані вікна перегляду (вікна Viewer'а) дозволяють одночасно відображати і проводити аналіз і різні перетворення інформації. Спеціальний формат забезпечує швидке виведення великих графічних файлів з високою роздільною здатністю. Контекстно‐залежна підказка, яка організована в гіпертекстову help‐систему, а також великі і добре написані друковані керівництва належним чином забезпечують тил
.
За допомогою ERDAS Imagine можна швидко отримати доступ до найрізноманітнішої інформації, що дає необмежені можливості аналізу та управління базами даних. Наявними засобами можна отримати інформацію як за територіальним об'єктом, так і значення кожного пікселя зображення і пов'язану з ним додаткову інформацію, використовувати різні засоби і можливості візуалізації, зокрема, масштабування.
ERDAS Imagine дозволяє створювати цифрові моделі. При цьому всі операції виконуються програмно, без використання спеціальної фотограмметричної апаратури. Модуль Digital Ortho в ERDAS Imagine використовує фототріангуляцію для створення цифрової моделі зі знімків. Отриману цифрову модель можна використовувати для створення тривимірного перспективного зображення [7].
Програмне забезпечення американської фірми ERDAS, Inc. забезпечує всім комплексом коштів, необхідних для ефективного використання даних зйомок в будь‐яких можливих галузях їх застосування. Включає базовий комплект і модулі розширення. Дозволяє поліпшувати якість і підвищувати точність зображення, трансформувати знімки, прив'язувати знімки один до одного, класифікувати об'єкти, фільтрувати шуми
, синтезувати мультиспектральні зображення, одночасно аналізувати растрову і векторну інформацію, створювати високоякісні професійно оформлені картки та багато іншого. Різноманітні засоби аналізу зображень дозволяють отримувати багату інформацію для безлічі прикладних задач.
Програмні продукти фірми ERDAS поєднують в собі функції растрової геоінформаційної системи (ГІС) і системи обробки зображень і являють собою модульні продукти, що працюють на багатьох комп'ютерних платформах.
Висновки
В результаті роботи буде обгрунтовано застосування неспеціалізованої камери для побудови цифрової моделі зубної щелепи. Дані цифрових моделей, побудовані з використанням камери, можуть надалі бути використані стоматологом для усунення дефектів, вибору оптимального варіанту лікування пацієнта.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не закінчена. Остаточне завершення – грудень 2015 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Перелік посилань
- 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
- Семинар "ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ В СТОМАТОЛОГИИ" [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://xn----btbhd8ap0b6a.xn--80ao21a/questionary/view/82.html
- Буров М. И. Практикум по фотограмметрии / Буров М. И. – М.: НЕДРА, 1987. – 302 с.
- 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/
- 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
- Дистанционное зондирование [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://loi.sscc.ru/gis/gt/9.htm
- Создание ЦСММ с использованием стереопар в ERDAS IMAGINE [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://gis-lab.info/qa/stereo-erdas.html .