Способы компьютерного пространственного моделирования-1 (833821)
Текст из файла
Вестник Пензенского государственного университета № 4 (24), 2018УДК 004Е. Д. МартыноваСПОСОБЫ И СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХОБЪЕКТОВ В МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХАннотация. Рассказывается об использовании 3D-технологии в медицине. Подробно описываются различные способы 3D-моделирования. Значительное внимание уделяется достоинствам и недостаткомкаждого вида моделирования, а также рассматриваются программы и библиотеки для создания 3Dобъектов. Актуальность данной статьи не вызывает сомнения, поскольку в настоящее время все большее значение уделяется технологиям в медицине.Ключевые слова: медицина, 3D-моделирование, полигональное моделирование, NURBS, сплайновое моделирование, параметрическое моделирование, OpenGL, Компас-3D, 3D Studio Max, DirectX.ВведениеБлагодаря новейшим технологиям медицина с каждым днем все активнее развивается и помогает спасти множество жизней. Теперь для нас уже не кажется невозможным микрохирургия или высокочастотная компьютерная диагностика, мы совершенно спокойно относимся к возможностям УЗИ, томографии и другим инновационным методикам и технологиям, но ведь не так давно это казалось чем-то удивительным.На данный момент в медицине существуют множество интересных технологий,применение которых открывает дополнительные возможности и помогает улучшить результаты лечения.
Но наиболее востребованная и интересная, на наш взгляд, это технология 3D-моделирования, которая является основой для диагностики в практическоймедицине, а также для научно-экспериментальных исследований. Применение даннойтехнологии в значительной степени упрощает постановку правильного диагноза и, чтонемаловажно, не требует высоких финансовых затрат.3D-графика позволяет без какого-либо вреда здоровью (оперативного вмешательства, облучения рентгеновскими лучами или др.) визуально воссоздать и изучить органычеловека [1]. Благодаря этому мы можем не только обследовать смоделированные органы, но и проводить различные манипуляции, которые ведут к выявлению болезни наранней стадии и своевременному ее лечению.Отдельно хочется отметить 3D-анимацию в медицине [2]. Она активно используетсяпри демонстрации уникальных операций, моделировании процессов лечения той илииной болезни, создании виртуальных видеопособий.
Важное место здесь занимают хирургические тренажеры [3, 4], позволяющие студентам медицинских специальностей осваивать и отрабатывать технику проведения операций и проходить тестирование, а практикующим хирургам повышать квалификацию и знакомиться с новыми техническимисредствами. Возможно наглядно описать процессы, происходящие внутри человека. Благодаря перечисленным выше свойствам 3D-анимация часто используется и в обучениистудентов. Визуализацию используют для технических установок, демонстрации приборов,а также всевозможных физиологических процессов.
Таким образом, студенты получаютвозможность в динамике увидеть многие процессы, доступ к которым раньше был невозможен.Разработки в сфере визуализации объектов позволяют не только более точно диагностировать болезнь, но и улучшают и упрощают качество обслуживания пациентов.А за счет того, что многие модели находятся в открытом доступе и любой человек абсо-88Техника, технология, управлениелютно бесплатно может посмотреть, как устроен его организм, происходит еще и повышение уровня медицинской грамотности населения.Существует несколько способов 3D-моделирования, основные из них – полигональное, NURBS-моделирование, сплайновое и параметрическое. Они применяются какотдельно, так и комплексно.
Все они относятся к области моделирования поверхностей,хотя существуют и находят свое применение, в том числе в медицине, и методам твердотельного (или объемного) моделирования [5], но они распространены менее, и их применение носит достаточно узкоспециальный характер.Полигональное моделированиеПолигональное моделирование – это вид 3D-моделирования, которое позволяетвизуализировать объект с помощью полигональной сетки. Данный вид моделированияпоявился, когда для нахождения местонахождения точки координаты ее осей X, Y, Z вводились вручную.
При соединении трех точек координат ребрами получался треугольник,который в 3D-моделировании впоследствии стали называть полигоном.Для полигонов с определенным количеством вершин существуют названия. Такимобразом, если полигон имеет три вершины, его называют триангулированным полигоном, четыре – квадриангулированным полигоном. Модель любого объекта, или такназываемую полигональную сетку, можно получить с помощью объединения несколькихполигонов, каждый из которых может иметь свой собственный цвет и текстуру.Часто данный вид моделирования применяют для создания 3D-объектов органовчеловека, 3D-атласа, видеопособий, а также для визуализации результатов диагностики,например для локализации места повреждения на поверхности сердца [6].
Во избежаниеграненого вида модели, чаще всего используют высокополигональный моделинг, аименно стараются, чтобы полигоны были малого размера, а сама поверхность объектасостояла из большего количества полигонов [7].Несмотря на то, что в наше время многие уже отказались от «самописного» программного обеспечения с использованием полигонального моделирования, так как многим достаточно использовать более простые методы для построения трехмерных изображений, тем не менее иногда возникает необходимость сделать своеобразныйфункционал, не поддерживаемый ни одной библиотекой или программой, а может, ипросто встроить трехмерную картинку в среду разработки, и в данном случае подойдетименно полигональный вид моделирования.Однако если предполагается точное моделирование объекта либо в дальнейшем распечатка его на 3D-принтере, то необходимо строить модель с использованием других методов, так как в полигональном моделировании невозможно контролировать необходимые зазоры, сечения, учесть физические свойства материала и технологию изготовления (особенноплечевого сустава).Для таких изделий применяются сплайновое, или NURBS-моделирование, их мырассмотрим ниже.Наиболее популярными технологиями для работы с полигональным видом графики, в том числе и трехмерной, являются OpenGL и DirectX.DirectX (от англ.
direct – прямой, непосредственный) – это набор API, разработанных для решения задач, связанных с программированием 3D-объектов для MicrosoftWindows [7].OpenGL (Open raphics Library) – это независимый программный интерфейс длянаписания приложений, которые будут работать с 3D- и 2D-визуализациями.
Разработана данная библиотека была в 1992 г.Не углубляясь в технические аспекты функционирования, скажем, что основнымотличием данных систем можно назвать то, что платформа DirectX (эксклюзивная разработка корпорации Microsoft) применяется исключительно в Windows-системах и час-89Вестник Пензенского государственного университета № 4 (24), 2018тично на Xbox, а OpenGL представляет собой свободно распространяемую кроссплатформенную технологию, которую можно применять в любых, в том числе и мобильных, ОС.За счет лицензии GNU любой желающий может внести в компоненты APIOpenGL собственные изменения и дополнения, для того чтобы усовершенствоватьили, например, повысить производительность тех же видеокарт.
Что касается DirectX,улучшений в данной программе приходится ждать только во время выхода новой версии платформы. При этом даже с самыми новыми драйверами при использованиина старых версиях моста графические ускорители не выдают заявленных производителем показателей.Сплайновое моделированиеСплайновое моделирование получило такое название из-за того, что при его использовании объект формируется из кривых линий, которые также называют сплайнами.
Они могут быть абсолютно любой формы: дуги, многоугольники, круги и т.д.(Сплайн − от англ. spline – гибкое лекало, в 3D – это трехмерная кривая.) Трехмерныенаборы контрольных точек в пространстве создают линии сплайнов, которые впоследствии определяют гладкость кривой, вместе сплайны образуют каркас фигуры.Кроме того, при создании 3D-модели объекта используются сплайновые примитивы, а именно параметрические объекты. Основными или базовыми сплайновыми примитивами можно назвать:− линию (Line);− дугу (Arc);− спираль (Helix).− кольцо (Donut);− окружность Circle (Circle);− эллипс (Ellipse);− многоугольник (NGon);− прямоугольник (Rectangle);− многоугольник в виде звезды (Star);− сечение (Section);− сплайновый текст (Text).Существует и множество других сплайновых объектов, которые позволяют построить практически любую фигуру, а также изменить настройки их формы.Для построения объектов с помощью сплайнового моделирования чаще всего используют такие программы, как 3D-Studio Max или Компас-3D.3D-Studio Max – это созданный компанией Autodesk профессиональный программный пакет для полноценной работы с 3D-графикой, содержащий инструментарий какнепосредственно для трехмерного моделирования, так и для создания анимации.Одним из преимуществ 3D-Max является его обширная библиотека трехмерныхобъектов, в которую входят не только стандартные, но и расширенные примитивы.
Благодаря инструментам для работы со сплайнами (моделирование на основе сплайнов), атакже дружественному интерфейсу программы создание и редактирование объектов несоставляет особого труда.Компас-3D – программа, предназначенная для создания трехмерных ассоциативных моделей отдельных деталей (в том числе, деталей с различными текстурами), содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы [8].Система «Компас-3D» состоит из следующих компонентов: модуль формированияспецификаций, система трехмерного твердотельного моделирования, а также системаавтоматизированного проектирования, которая называется «Компас-График».90Техника, технология, управлениеNURBS-моделированиеNURBS-моделирование, или технология Non-Uniform Rational B-Spline, – это технология неоднородных рациональных В-сплайнов, предназначена для создания плавных форм имоделей, у которых нет острых краев.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
