Hybrid geometry representations with applications in medical imaging and model repair

Bischoff, Stephan Michael; Kobbelt, Leif

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-18691

Hybrid geometry representations with applications in medical imaging and model repair = Hybride Geometrierepräsentationen mit Anwendungen in der Medizinischen Bildverarbeitung und bei der Reparatur von CAD Modellen

Bischoff, Stephan Michael (Author)

2007

VerantwortlichkeitsangabeStephan Michael Bischoff

ImpressumAachen : Shaker 2007

UmfangXIII, 128 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSelected topics in computer graphics ; 4

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kobbelt, Leif (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-03-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18691
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62556/files/Bischoff_Stephan.pdf
URL: http://digitool.hbz-nrw.de:1801/webclient/DeliveryManager?pid=2750502&custom_att_2=simple_viewer

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Snake <Bildverarbeitung> (Genormte SW) ; Bildverarbeitung (Genormte SW) ; Volumenmodell (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; Geometrieverarbeitung (frei) ; Topologiekontrolle (frei) ; Modellreparatur (frei) ; Geometry Processing (frei) ; Topology Control (frei) ; Model Repair (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004
ccs: I.4.10 * I.4.6 * I.4 * I.3.5 * I.3

Kurzfassung
Ein wichtiges Thema im rechner-gestützten Entwurf ist die genaue und effiziente mathematische Repräsentation von statischen und dynamischen geometrischen Modellen. Leider gibt es keine Repräsentation, die allen Ansprüchen gleichauf genügt. Parametrische Repräsentationen erlauben zum Beispiel das Aufzählen von Punkten auf der Oberfläche des Modells und daher eine schnelle Darstellung auf dem Bildschirm. Volumetrische Repräsentationen unterstützen Innen/Außen-Anfragen und Boolsche Operationen wie das Verschneiden und Vereinigen von Modellen. Die Effizienz von geometrischen Algorithmen hängt daher unmittelbar von der Effizienz der zugrunde liegenden Datenstrukturen ab, was sich besonders bei dynamischen Modellen bemerkbar macht, die oft aktualisiert werden müssen. In dieser Arbeit werden so genannte hybride Geometrierepräsentationen entworfen und evaluiert, welche die Vorteile der traditionellen parametrischen, impliziten und volumetrischen Darstellungen verbinden. Das Ziel ist es, Anwendungen gezielt mit Funktionalität zu erweitern, die in allein einer Darstellungsart nur schwer zu implementieren wäre. Das Konzept der hybriden Modelle bietet Vorteile in solch unterschiedlichen Gebieten wie der medizinischen Bildverarbeitung und der Reparatur von CAD Modellen. Insbesondere werden in dieser Arbeit hybride Repräsentationen betrachtet, die dem Nutzer explizite Kontrolle über die topologischen Eigenschaften eines geometrischen Modells gewähren. Im ersten Teil der Arbeit werden sogenannte aktive Kurven und Flächen betrachtet, die häufig in der medizinischen Bildverarbeitung zur Segmentierung und zur Objekterkennung herangezogen werden. Das Hauptproblem ist hier die Einbeziehung von topologischem a priori Wissen über das in Frage kommende Objekt. Es werden hybride Erweiterungen der traditionellen parametrischen und geometrischen Modelle vorgestellt, die dem Nutzer die Kontrolle über die Teilung und das Verschmelzen der sich bewegenden Kurven und Flächen geben und es erlauben, topologische Randbedingungen einzuarbeiten. Im zweiten Teil der Arbeit wird untersucht, wie sich hybride Geometrierepräsentationen und Algorithmen vorteilhaft bei der Reparatur von CAD Modellen einsetzen lassen. CAD Modelle, beispielsweise von Gebäuden oder Fahrzeugen, enthalten oft Fehler, wie etwa Lücken, Verschneidungen, Überlappungen oder inkonsistente Orientierung der Normalen. Leider können solche "Dreiecks-Suppen" nicht in Anwendungen eingesetzt werden, die sehr hohe Anforderungen an die geometrische und topologische Qualität der Modelle stellen. Es werden Algorithmen vorgestellt, die volumetrische und explizite Methoden kombinieren, um diese Fehler zu entfernen und die qualitativ hochwertige, 2-mannigfaltige und wasserdichte Modelle erzeugen.

A key issue in computer aided design is the accurate and efficient mathematical representation of static and dynamic geometric models. Unfortunately there is no single design that fits all needs equally well. While e.g. parametric representations allow for fast enumeration of points on the model and thus for fast rendering, volumetric representations better support inside/outside queries and Boolean operations like intersection and union. The efficiency of geometric algorithms thus directly relates to the efficiency of the underlying data structures, a fact that becomes in particular apparent in dynamic models that need to be updated frequently. In this thesis we design and evaluate so-called hybrid geometry representations that combine the advantages of the traditional parametric, implicit and volumetric frameworks. Our goal is to selectively enhance applications by functionality that would otherwise be difficult to implement in a single representation alone. We demonstrate the applicability of hybrid models and show how applications from as diverse fields as medical imaging and CAD model repair can take advantage of this concept. In particular we turn our attention to hybrid representations that allow the user to explicitly control the topology of the geometric model. In the first part of the thesis, we examine active contour models (curves as well as surfaces) which frequently are employed in medical imaging for segmentation, pattern matching and object recognition. Here, the principal challenge is to incorporate a priori knowledge about the topology of the object of interest into the dynamic contour. We present hybrid extensions to traditional parametric (snake) and geometric (level-set) active contour models, that allow the user to explicitly control splitting and merging of the evolving contour and to efficiently incorporate topological constraints. In the second part of the thesis we investigate how hybrid geometry representations and algorithms can be successfully applied in model repair. CAD data like architectural or automotive models often contains artefacts like gaps, intersections, overlaps, and inconsistent normal orientations. Unfortunately, such "triangle soups" cannot directly be used in downstream applications which often are very particular about the topological and geometrical quality of their input. We present algorithms that combine volumetric and explicit methods to resolve these artefacts and produce high-quality, manifold and watertight reconstructions.

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