Open Access

Saskia Dorow

• Die Darstellung von Volumendaten in der Medizin reicht vom einfachen Anzeigen einzelner zweidimensionaler Schnittbilder bis hin zur komplexen Analyse dreidimensionaler Datenwolken. Dabei stellen das Direct Volume Rendering und Indirect Volume Rendering zwei wesentliche Methoden der Visualisierung von dreidimensionalen Daten dar. In der Kieferorthopädie und -chirurgie spielen Darstellungen von DVT-Daten (Digital Volume Tomography) in der Diagnostik oder bei der digitalen Behandlungs-und Operationsplanung eine zentrale Rolle. Da die Volumenvisualisierung immer mehr an Bedeutung gewinnt, entwickeln sich die Rendering-Methoden stetig weiter. Insbesondere für Implementierungsaufgaben in eigene Systeme müssen aktuelle Entwicklungs- und Forschungsarbeiten stets verfolgt und analysiert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Darstellung und Auswertung aktueller Methoden des Direct Volume Rendering, sowie der Extraktion von Objektoberflächen mittels des Indirect Volume Rendering. Ein weiteres Ziel ist die Erstellung eines umfangreichen Überblickes über bereits praktisch, implementierte Rendering-Methoden. Auf Grundlage der Ergebnisse können Software-Funktionen in OnyxCeph realisiert werden. Sowohl für das direkte, als auch indirekte Volumen-Rendering wurde eine theoretische Literaturrecherche und eine Übersicht der praktischen Anwendung der untersuchten Verfahren erarbeitet. Anhand der Recherche und Analyse wissenschaftlicher Arbeiten konnten Kenntnisse über theoretische Ansätze sowie aktuelle Forschungsergebnisse im Bereich der Visualisierung von Volumendaten gewonnen werden. Weiterhin wurden ausgewählte Software-Produkte genutzt, um bereits eingesetzte Rendering-Verfahren auf Funktionalität und Leistungsfähigkeit zu analysieren. Im Bereich des Direct Volume Rendering konnten erweiterte Interpolations-, Klassifikations-, Schattierungs- und Visualisierungsmethoden des Ray Casting-Algorithmus untersucht werden. Die 1D Gauß-Transferfunktion stellte sich als eine einfache und nützliche Alternative zu konventionellen stückweise-linearen Übertragungsfunktion heraus. Für eine detaillierte Darstellung kann der Verarbeitungsprozess durch Shading-Methoden erweitert werden. So sind in der Praxis überwiegend gradientenbasierte Shading-Modelle eingesetzt. Deep Shadow Maps stellen dabei eine nützliche Ergänzung dar. Weiterhin konnten erweiterte Rendering-Methoden untersucht werden. Neben der Maximum Intensity Projection kann die Minimum Intensity Projection für die Darstellung von Wurzelkanälen eingesetzt werden. Die Depth-enhanced Maximum Intensity Projection und Maximum Intensity Difference Accumulation bieten zwei vereinfachte Alternativen zum Ray Casting an, um eine nahezu korrekte dreidimensionale Darstellung erstellen zu können. Die Maximum Intensity Difference Accumulation erwies sich im Rahmen dieser Arbeit als eine besonders effektive Erweiterung zu bereits vorhandenen Rendering-Verfahren. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse während Recherchearbeit konnte Maximum Intensity Difference Accumulation in das Software-Produkt OnyxCeph implementiert werden. Die generierten Visualisierungen ermöglichten eine verbesserte Tiefenwahrnehmung, die dem klassischen Direct Volume Rendering ähnelt. In Kombination mit Beleuchtungsmethoden können zudem Oberflächenstrukturen analysiert werden. Im Indirect Volume Rendering spielte die Segmentierung einzelner Volumenstrukturen durch das Iso-Surface Rendering eine besondere Rolle. Zur Generierung einer Oberfläche können verschiedene Methoden, wie der klassische Marching Cube-Algorithmus, die Level-Set-Methode und Surface-Nets eingesetzt werden. Die Literaturrecherche zeigte, dass Bestrebungen unternommen wurden, um alternative Algorithmen zum konventionellen Marching Cube-Verfahren zu entwickeln. So besteht die Möglichkeit den Rechenaufwand durch einen Simplified Pattern Marching Cube- oder Marching Tetrahedra-Algorithmus zu reduzieren. Weiterhin wurden Erweiterungen zur verbesserten Darstellung betrachtet. So kann durch den Laplace-Filter oder Mittelwertfilter eine Weichzeichnung der Oberflächennetze erzeugt werden. Für eine erhöhte Auflösung besteht die Möglichkeit, die konventionelle Catmull-Clark -Methode oder die 4-8 Subdivision anzuwenden. In diesem Projekt konnte ein umfangreicher Überblick über aktuelle Methoden der Visualisierung von Volumendaten in der Zahnmedizin erstellt werden. Dabei repräsentieren sowohl die theoretischen, wissenschaftlichen Ansätze, als auch die praktische Lösungsansätze den aktuellen Stand der Technik und Forschung. Die Erkenntnisse können die Grundlage für Implementierungen darstellen.