“Семь раз отмерь, один раз сшей” или совмещение 3D изображений в компьютерной томографии
Привет, Хабр!
Мудрая пословица гласит: «Семь раз отмерь, один — отрежь». Эта пословица применима и к томографии, так как в случае проведения томографических экспериментов при классическом подходе для каждого объекта составляется сначала план измерений, а потом уже выполняются сами измерения. Если объект протяженный или помещается в поле вида детектора впритык, то часто принимается решение сделать два измерения: верхней части объекта и нижней. В этом случае в программе обработки данных томографических измерений необходима дополнительная функциональность, а именно, совмещение и сшивка трехмерных изображений. О том, как мы добавили такую функциональность в Smart Tomo Engine, наш продукт для томографической реконструкции и анализа, мы расскажем в сегодняшней статье.
Рис. 1. Схематическая иллюстрация сопоставления двух частей объекта.
Давайте сначала разберемся, в каких случаях необходимо дважды (или более) проводить томографические измерения.
Цель промышленной томографии — получить трехмерное изображение или цифровой двойник объекта с максимальным разрешением. Промышленные томографы позволяют либо снимать маленькие объекты с большим увеличением, либо большие объекты с маленьким увеличением. Нужно и то, и то, но томографы делают короткофокусными в целях экономии места. Более того, такая геометрия позволяет измерять и большие объекты с максимальным разрешением путем измерения частей объекта, смещая объект по вертикали. Хорошим примером объектов, которые исследуются таким образом, являются протяженные цилиндрические керны. Однако в такой геометрии существуют определенные подводные камни: если объект полностью видно на детекторе, это еще не значит что реконструкция будет хорошего качества. Связано это с тем, что части объекта, далеко отстоящие от оптической оси, сэмплируются менее эффективно чем центральные части объекта.
Тем не менее, даже зная это, возникает соблазн померить большой объект в максимальном разрешении за один раз, просто потому что «ну влезает же». Результат такого эксперимента представлен на изображении 2. В красных прямоугольниках на ортогональных срезах показаны места, где должна была быть крышка баночки. Видно, что она «потерялась» (поверьте, она там была), кроме того сверху и снизу возникают широкие расходящиеся полосы. Универсального алгоритмического способа борьбы с этими артефактами пока не существует, но существует хардварный способ — измерение объекта по частям. Таким образом можно снять объект в заметно лучшем разрешении и избежать появления конусных артефактов.
Рис. 2. Реконструкция в условиях недостаточных данных с выраженными конусными артефактами.
Схема таких измерений приведена на рисунке 3. Красным пунктиром выделена область, которую можно восстановить в максимальном качестве, синим — область с возможными артефактами. Реконструкция 2 получена только из данных собранных в одном измерении по схеме А. Чтобы восстановить изображение в лучшем качестве, отдельно снимаются верхняя и нижняя части объекта (B и С).
Рис. 3. Схема съемки «по частям». Красным пунктиром обозначены области с наилучшим качеством, синим — искаженные области.
На первый взгляд, задача сшивки решается тривиально — если мы достоверно знаем смещение объекта, то можно было бы пересчитать это расстояние в смещение слоев реконструкции и получить сшитую реконструкцию. Однако в реальной жизни смещение объекта известно с некоторой неточностью, более того, ось, вдоль которой объект перемещается, может быть немного наклонена или объект может сместиться в процессе измерений. Эти факторы приводят к необходимости уточнения положения сшивки не только вдоль оси перемещения, но и, вообще говоря, по другим степеням свободы (поворот, наклон, сдвиг).
Для решения этой задачи мы добавили в наш продукт Smart Tomo Engine функциональность для совмещения и сшивки двух и более объемов. Результат можно получать последовательно, уточняя параметры как с помощью автоматических алгоритмов, так и посредством интерактивного ручного подбора параметров с предпросмотром результата в реальном времени.
А вот и результат — сшитая трехмерная реконструкция без выраженных конусных артефактов и с вернувшейся на место крышечкой (отмечена красной стрелкой).
Рис. 4. 3D изображение сшитой реконструкции.
Заключение
Мы добились нескольких результатов. Во-первых, мы добавили классную функциональность в наш продукт Smart Tomo Engine. Возможность делать томографию объекта по частям — не редкий запрос в промышленной томографии, а получать одно цельное трехмерное изображение с результатом томографии — необходимый функционал в программе для томографической реконструкции, визуализации и анализа, который, кстати, есть далеко не у всех производителей софта. Во-вторых, как уже говорилось, программных эффективных способов коррекции артефактов, возникающих на крайних срезах реконструкции из-за конусной схемы распространения рентгеновских лучей, на данный момент нет. Для оценки точности создаваемых методов, уменьшающих выраженность артефактов данного вида, нужны подходящие данные. Мы получили удобный инструмент для создания уникального датасета. Первый пакет данных создан. А в-третьих, в части функциональности Smart Tomo Engine по управлению измерениями добавлена возможность проводить измерения тех самых протяженных объектов.
