Earticle

VTK.js는 의료영상 데이터를 웹 기반으로 가시화하는 라이브러리로 널리 사용된다. 그러나 그 기능이 기존 C언어 기반의 VTK에 비해 제한적이며, 영상 처리 기능은 CPU를 사용하는 자바스크립트로 작성되었기 때문에 수행 성능 이 느리다는 한계가 있다. 따라서 사용자는 다양한 기능의 추가 구현에 어려움을 느낀다. 본 논문은 웹 어셈블리 (Web Assembly)를 활용하여 VTK.js의 기능을 확장하며, 네이티브 언어 수준의 속도로 CPU 연산을 수행할 수 있 음을 보인다. 그 사례로서 고품질의 음영을 생성하는 볼륨 가시화 기법인 환경광 폐색을 증분 알고리즘과 Web Assembly를 이용하여 구현하였다. 전처리로 생성되는 환경광 분석은 웹 어셈블리를 이용한 CPU에서 수행되며, 그 결과를 이용한 가시화는 GPU에서 수행된다. 본 연구는 해당 기법을 VTK.js에서 제공하는 기능인 셰이더 프로그램 에 통합하므로 환경광 폐색의 고속 사전 계산과 실시간 가시화가 가능하다. 본 연구를 통해 VTK.js 기반의 응용 프 로그램에서 새로운 영상 기능을 웹 어셈블리를 이용하여 빠른 속도로 확장하고 가시화할 수 있는 가능성을 보인다.

VTK.js is widely used as a web-based visualization library for medical image data. However, its functions are limited compared to the existing C-based VTK. Moreover, the image processing function using the CPU is written in JavaScript, so the performance is low. Therefore, users find it difficult to additionally implement various functions. This paper shows that CPU operation can be performed at native speed by extending the function of VTK.js using Web Assembly. As an example, the ambient occlusion, a volume visualization technique that creates high-quality shading effect, was implemented using an incremental algorithm and Web Assembly. Ambient light analysis generated by preprocessing is performed on the CPU using Web Assembly, and visualization using the result is performed on the GPU. This study integrates the technique into a shader program, a function provided by VTK.js, enabling high-speed pre-calculation and visualization of ambient occlusion. This study shows the possibility of expanding new imaging functions using Web Assembly and visualizing them with VTK.js.

VTK.js는 의료영상 데이터를 웹 기반으로 가시화하는 라이브러리로 널리 사용된다. 그러나 그 기능이 기존 VTK에 비해 제한적이기 때문에 다양한 기능의 추가 구현을 필요로 한다. 본 논문은 Web Assembly를 활용하여 VTK.js의 기능을 확장하려 한다. 그 예로서 VTK.js에서 지원하지 않는 기법인 환경광 폐색 기법을 Web Assembly로 구현하여 기능을 확장 하였다.

의료영상 데이터를 이용하여 볼륨 가시화를 할 때, 대부분의 볼륨 가시화를 수행하는 응용프로그램들은 운영체제 및 특정 컴퓨터 장치에 제약을 받는다. 우리는 이러한 문제점을 해결하고자 운영체제와 특정 컴퓨터 장치로부터 상대적 으로 자유로운 웹 환경에서 볼륨 가시화 응용프로그램을 웹 기반 그래픽 프레임워크인 vtk.js를 이용하여 구현하였 다. vtk.js에서는 가장 핵심적인 기능인 볼륨 가시화를 구현할 때 셰이더 프로그램을 이용한다. 본 논문에서는 셰이 더 프로그램을 수정해 기존에 없던 기능을 확장하여 더 많은 기능을 사용자에게 제공할 수 있음을 보인다. 그 예시로 인체조직의 표면만을 가시화할 때 발생하는 노이즈를 제거하는 기법인 전적분(pre-integration) 기법과 인체조직의 표면을 복잡한 과정 없이 간단하게 볼륨 가시화할 수 있는 그래디언트를 이용한 투명도 조절(gradient opacity) 기 법을 구현하였다. 그리고 이 두 기법은 vtk.js에서 제공하는 기능인 블렌드 모드에 통합하는 데 성공하였다.

When performing volume rendering using medical image data, most applications that perform volume rendering are limited by operating systems and specific computer devices. To solve this problem, we implemented a volume visualization application using vtk.js, a web-based graphic framework, in a web environment that is relatively free from the operating system and specific computer devices. In vtk.js, a shader program is used to implement the most core function volume rendering. In this paper, it is shown that more functions can be provided to users by modifying this shader program to extend functions that did not exist before. As an example, we implemented the pre-integration technique, which is a technique to remove noise generated when only the surface of human tissue is visualized, and the gradient opacity technique, which can simple volume rendering of the surface of human tissue without a complicated process. And these two techniques succeeded in integrating into the blend mode, a function provided by vtk.js.

The most commonly used 3D modeling file formats are OBJ (Wavefront file format specification) and STL (STereoLithography). Although they have a common point of view in 3D on the screen, detailed functions are different according to purpose of development. OBJ is the most commonly used 3D file format and STL is mainly used as 3D file format for 3D printing. However, in the field of Scientific Visualization, precise analysis is required. There is a difference in accuracy depending on the type of 3D file format. OBJ and STL are not suitable for delicate surface description because they form meshes in the form of triangular polygons. And if you increase the number of triangle polygons, it will be smoother, but the file size also increases exponentially and causes excessive CPU usage. In contrast, VTK provides a variety of polygon structures, including triangular polygons as well as rectangular polygons and cube polygons. Thus, delicate surface depiction is possible. Delicate surface rendering is possible and file size is not large. This paper describes the concept and structure of VTK. We also compared the load times and file sizes between VTK, STL, and OBJ in the Chrome browser. In addition, the difference in surface rendering ability between VTK, STL, and OBJ is intuitively viewed based on the screen in which each 3D file format is implemented under the same conditions. This study is expected to be helpful for efficient 3D file format for precise implementation of Web - based Scientific Visualization.

In recent years, the research of concrete based on CT Images has been popular. A new modified Ray-casting on VTK aims to solve the poor effect on 3-D reconstruction of concrete CT image, which has great influence on the construction of accurate 3-D meso-concrete numerical model. Owing to this result, A new tech-VTK system came into being to get improvement and development. What is more, it can achieve visualization. It is tested that the method in this dissertation is more effective and accurate meanwhile it will help to build the construction of concrete material numerical model.

본 논문은 VTK를 이용한 3차원 무릎 MRI 가시화에 대한 프로그램 기술을 제안한다. 기존의 많은 연구에서는 VTK를 사용하여 의료영상에 대한 3차원 가시화 프로그램을 제안하였으나 골관절염 진단을 목표로 한 무릎 3차원 가시화 방법은 아직 많이 제안되지 않고 있다. 본 논문에서는 볼륨렌더링(Volume redering) 기술과 다각형렌더링(Polygonal rendering)기술을 융합하여 무릎 및 연골을 효과적으로 가시화 할 수 있는 방법을 제안한다. 프로그램은 사용자 상호작용이 가능하고 VTK를 이용한 GPU기반의 프로세싱을 기반으로 하기 때문에 실시간 렌더링이 가능하다. 실험결과로부터 제안한 3차원 가시화 기술은 연골과 무릎의 관계를 직관적으로 표현할 수 있어 골관절염 조기진단에 유용하게 사용될 것으로 기대한다.

최근 컴퓨팅 성능의 급격한 발전으로 이를 통해 생산되는 데이터의 크기 역시 매우 커지고 있다. 이는 로터 시뮬레이션 분야에서도 마찬가지인데, 과거에는 백만개 정도의 격자 데이터 정도만을 다루었던 것에 비해 최근에는 1억개 이상의 격자 데이터를 다루려는 시도가 계속되고 있다. 그러나 이렇게 생산된 대용량의 시변환(time-variant) 유동 데이터는 그 크기가 매우 크기 때문에 일반 PC에서는 실시간으로 가시화하기에 곤란한 경우가 많다. 또, 이러한 로터 시뮬레이션 데이터는 매우 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 초보자가 이 데이터에서 vortex와 같은 중요한 정보를 뽑아서 가시화하는 데에는 많은 어려움이 있어 왔다. 본 논문에서는 일반 PC에서 가시화하기 어려운 대용량 로터 시뮬레이션 데이터를 고성능 가시화 컴퓨터와 VTK를 이용해서 빠르게 가시화하기 위한 방법을 서술한다. 또, 복잡한 데이터 내부의 중요한 정보들을 자동으로 빠르고 간편하게 표출하기 위한 방법을 제안한다.

최근 컴퓨팅 성능의 급격한 발전으로 이를 통해 생산되는 데이터의 크기 역시 매우 커지고 있다. 이는 로터 시뮬레이션 분야에서도 마찬가지인데, 과거에는 백만개 정도의 격자 데이터 정도만을 다루었던 것에 비해 최근에는 1억개 이상의 격자 데이터를 다루려는 시도가 계속되고 있다. 그러나 이렇게 생산된 대용량의 시변환(time-variant) 유동 데이터는 그 크기가 매우 크기 때문에 일반 PC에서는 실시간으로 가시화하기에 곤란한 경우가 많다. 또, 이러한 로터 시뮬레이션 데이터는 매우 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 초보자가 이 데이터에서 vortex와 같은 중요한 정보를 뽑아서 가시화하는 데에는 많은 어려움이 있어 왔다. 본 논문에서는 일반 PC에서 가시화하기 어려운 대용량 로터 시뮬레이션 데이터를 고성능 가시화 컴퓨터와 VTK를 이용해서 빠르게 가시화하기 위한 방법을 서술한다. 또, 복잡한 데이터 내부의 중요한 정보들을 자동으로 빠르고 간편하게 표출하기 위한 방법을 제안한다.

Mild Cognitive Impairment(MCI) is a prior step to Alzheimer's Disease(AD). It is different from AD which is seriously affecting daily life. Particularly, the hippocampus could be charged a crucial function for forming memory. MCI has a high risk about progress to AD. Our investigated research for a relationship between hippocampus and AD has been studied. The measurement of hippocampus volumetric is one of the most commonly used method. The three dimensional reconstructed medical images could be passible to interpret and its examination in various aspects but the cost of brain research with the medical equipment is very high. In this study, 3D visualization was performed from a series of brain Magnetic Resonance Images(MRI) and we have designed and implemented a competitive software tool based on the open libraries of Visualization ToolKit(VTK). Consequently, our visualization software tool could be useful to various medical fields and specially prognosis and diagnosis for MCI patients.

의료기술의 발전과 함께 의료기관에서 사용되는 영상 데이터량이 급속히 증가하고 있다. 따라서 대용량 의료 영상의 해석을 위해서는 의사들의 육안 검사보다 영상처리 기술을 이용한 자동화 방법이 필요하다. 특히 영상 정합을 통하여 의료 영상을 원하는 형태로 제공할 필요가 있고, 연속적으로 촬영된 2차원 영상들을 3차원 공간으로 해석하고 가시화 할 수 있는 기술이 필수적으로 요구된다. 그러나 현재 고가의 시스템이 대부분이며 의료기관에서는 고가의 시스템 도입에 따른 예산문제로 인해 사용하기를 꺼려하는 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 환경들을 고려하여 공개 그래픽 라이브러리인 VTK(Visualization Tool Kit)를 이용하여 정합된 결과를 3차원을 비롯한 여러 형태로 가시화할 수 있는 시스템을 개발하고자 한다. 제안한 시각화 시스템은 3차원 공간에서의 정합된 결과를 다양한 형태로 확인함으로써 단순히 2차원으로만 정합 결과를 표현했을 때 보다 정확한 진단 및 치료에 적용할 수 있으며 기존의 유사한 소프트웨어에 비해 가격 경쟁력도 갖출 것이라 예상된다.

The amount of image data used in medical institution is increasing rapidly with great development of medical technology. Therefore, an automation method that use image processing description, rather than manual macrography of doctors, is required for the analysis large medical data. Specially, medical image registration, which is the process of finding the spatial transform that maps points from one image to the corresponding points in another image, and 3D analysis and visualization skills for a series of 2D images are essential technologies. However, a high establishment cost raise a budget problem, and hence small scaled hospitals hesitate importing these medical visualizing system. In this paper, we propose a visualization system which allows user to manage datasets and manipulates medical images registration using an open source graphics tool - VTK(Visualization Tool Kit). The propose of our research is to get more accurate 3D diagnosis system in less expensive price, compared to existing systems.

VTK란 Visualization ToolKit의 약자로서 그래픽 합성, 영상처리 및 3차원 데이터 가시화의 기능을 제공하는 소프트웨어 라이브러리이다. VTK는 1993년도에 William J. Schroeder, Ken Martin 및 Bill Lorensen이 공동 집필한 "The Visualization Toolkit： An Objectet-Oriented Approach to 3D Graphics" 책이 출판되면서 널리 알려지기 시작하였다. 이 책의 주저자이며 현재 Kitware 회사(http://www.kitware.com의 사장인 Schroeder는 이 책의 서문에서 데이터의 가시화 (visualization)이란 방대한 데이터를 단순한 숫자나 그림으로 표현하는 것 보다 시각적으로 표현하는 것이라고 정의를 하였으며, 또한 데이터의 시각화를 통하여 데이터의 특성을 이해하고 응용하기가 쉬우며 다양한 측면에서 데이터를 해석 또는 분석 이 가능하다고 주장하였다.(중략)

In this paper, visualization of Visible Human data offered by NLM(National Library of Medicine) is performed using $VTK^{TM}$. Computed Tomography Data set(axial, $587\times341\times256$, and the distance between slices 1mm) is used throughout the study. Before the actual visualization routine, 8 bit-reader class of VTK is developed to transform CT data to VTK dataset. After that, the visualization procedures are done to display 3D image on PC. VTK is freeware, not a commercial software. The results of VTK show relatively good image quality and slower processing time compared with the commercial softwares like IAP, IDL, AVS. Thus if processing time is not the critical factor, VTK is worthy to be used in visualization of the medical images.

의료영상의 시각화는 의료정보 시스템에서 질환 진단시 유용하게 사용되고 있다. 특히, 2차원 의료영상의 3차원 가시화를 통한 모의 견습은 실전에서의 부담감을 줄이는데 큰 역할을 하고 있고 이러한 결과는 관련 S/W 개발로 이어지고 있다. 본 논문에서는 의료영상을 여러 형태로 가시화하는 방법과 그 구현 결과에 대해서 기술한다. 구현은 공개 라이브러리인 VTK를 이용함으로써 기존의 유사한 S/W에 비해 가격 경쟁력 또한 갖추고 있다.