Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khóa 8 chuyên

ngành Khoa học máy tính tại Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông

Đại học Thái Nguyên, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình của

các thầy, cô giáo trong Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông và Viện

công nghệ thông tin Việt Nam. Các thầy, cô luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho

em trong quá trình học tập. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tập thể

các thầy, cô giáo trong Trường Công nghệ thông tin – Truyền thông và Viện

công nghệ thông tin Việt Nam.

Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các anh, chị phòng Công nghệ Thực tại ảo

Viện Công nghệ thông tin. Đặc biệt thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn đã hướng

dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành quyển luận văn tốt nghiệp này.

Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp

đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.

Quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi thiếu sót em rất mong nhận

được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với

đề tài nghiên cứu của em để đề tài được hoàn thiện hơn.

Em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Hồ Xuân Nhàn

Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do em tự sưu

tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài.

Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất

kỳ hình thức nào và cũng không được sao chép từ bất kỳ một công trình

nghiên cứu nào.

Tất cả phần ứng dụng đều do em tự thiết kế và xây dựng, trong đó có

sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản

công khai và miễn phí trên mạng Internet.

Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Ngƣời cam đoan

Hồ Xuân Nhàn

Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

i

Mục lục

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục........................................................................................................... i

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt.......................................................... ii

Danh mục các hình ảnh.................................................................................. iii

MỞ ĐẦU........................................................................................................ 1

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ MÔ PHỎNG 3D TRONG Y

HỌC................................................................................................................ 3

1.1. Khái quát về mô phỏng và mô phỏng 3D ............................................... 3

1.1.1. Thế nào là mô phỏng? .......................................................................... 3

1.1.2. Phân loại các hệ thống mô phỏng ........................................................ 4

1.1.3. Một số ứng dụng mô phỏng và mô phỏng 3D ..................................... 10

1.2. Mô phỏng 3D trong Y học ...................................................................... 14

Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG MÔ PHỎNG 3D............................ 19

2.1. Tạo mô hình 3D ...................................................................................... 19

2.1.1. Chất liệu ............................................................................................... 19

2.1.2. Các phép hiệu chỉnh............................................................................. 23

2.1.3. Ánh sáng............................................................................................... 24

2.1.4. Hiệu chỉnh nguồn sáng......................................................................... 26

2.2. Một số kỹ thuật tạo chuyển động cho đối tượng 3D … ………………. 31

2.2.1. Tạo chuyển động áp dụng cho đối tượng không có xương.................. 31

2.2.2. Tạo chuyển động áp dụng cho đối tượng có xương............................. 35

Chương 3: THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG ............................................ 45

3.1. Bài toán ................................................................................................... 45

3.2. Lưới đối tượng ........................................................................................ 46

3.2.1. Mô hình đa giác (Polygon)................................................................... 46

3.2.2. Mô hình dựa trên kết nối đường cong (NURBS)................................. 46

3.3. Một số kết quả......................................................................................... 49

3.3.1. Mô hình. ............................................................................................... 49

3.3.2. Một số hình ảnh ứng dụng mô hình trong bài giảng............................ 52

PHẦN KẾT LUẬN........................................................................................ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 57

Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu/ Chữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa

1 VR Virtual Reality Thực tại ảo

2 3D 3 Dimentional 3 Chiều

3 HMD

Head Mounted

Displays

Mũ đội đầu có màn

hiển thị

5 FK

forward

kinematics

Điều khiển tiến

6 IK inverse kinematics Điều khiển ngược

7 CT

scanner

tomography

Chụp cắt lớp

8 MRI

Magnetic

resonance imaging

Chụp cộng hưởng từ

Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Giao diện giữa người sử dụng và hệ thống máy tính 3D

Hình 1.2. Dàn máy tính HP cấu hình cao hỗ trợ xử lý đồ hoạ 3D

Hình 1.3. Chuột SpaceBall trong hệ thống không có tính nhúng

Hình 1.4. Máy chiếu công nghệ DLP trong hệ thống bán nhúng

Hình 1.5. Kính ShutterGlasses trong hệ thống Bán nhúng

Hình 1.6. Hệ thống chiếu màn ảnh rộng kết hợp kính ShutterGlasses trong hệ

thống Bán nhúng

Hình 1.7. Thiết bị Data glove trong hệ thống nhúng toàn phần

Hình 1.8. Thiết bị HMD trong hệ thống nhúng toàn phần

Hình 1.9. Ứng dụng công nghệ mô phỏng trong huấn luyện tập nhảy dù

Hình 1.10. Ứng dụng công nghệ mô phỏng 3D trong Du lịch

Hình 1.11 Các logo phim dùng 3D ảo

Hình 1.12. Hệ thống trong lĩnh vực giải trí 3D

Hình 1.13. Phẫu thuật ảo – Phương pháp đào tạo phẫu thuật mới dùng công

nghệ mô phỏng

Hình 2.1: Sử dụng chất liệu mở rộng cho sản phẩm

Hình 2.2: Chiếc ghế bành khi được áp phép hiệu chỉnh UVWs

Hình 2.3. Nguồn sáng omni

Hình 2.4. Từ trái sang phải nguồn sáng free stop và target stop

Hình 2.5. Từ trái sang phải nguồn sáng free direct và target direct

Hình 2.6. Bóng đổ tạo bởi đèn Omni

Hình 2.7. Nguồn sáng Target Stop

Hình 2.8. Nguồn sáng Free Stop

Hình 2.9. Nguồn sáng Target Direct

Hình 2.10. Nguồn sáng Free Direct

Hình 2.11. Mô tả chuyển động theo các thời điểm chính

Hồ Xuân Nhàn Mô phỏng ba chiều và ứng dụng trong y học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iv

Hình 2.12. Mô tả chuyển động theo đường cong xác định trước

Hình 2.13. Mô tả chuyển động theo sự ràng buộc giữa các thuộc tính

Hình 2.14. Hình ảnh một điều khiển IK được thêm cho một nhánh xương

Hình 2.15 Sử dụng IK để tạo chuyển động cho cánh tay

Hình 2.16. Hệ thống xương ứng dụng bộ xử lí HI solver

Hình 2.17. Xác định chốt của chuỗi xương

Hình 2.18. Sử dụng điều khiển IK để tạo chuyển động cho chân thao tác với

quả bóng

Hình 3.1. Các đối tượng nguyên thuỷ của polygon

Hình 3.2. Tạo cốc từ đường cong

Hình 3.3. Các đối tượng nguyên thủy của Nurbs