We have developed efficient methods related to the generation of geometrical models from 3D image data. This includes visualization of the primary data and the resulting models as well as image segmentation, extraction of line structures and triangulation of labelings. Our primary motivation has been to create a practically usable working environment for researchers in neurobiology, but we have verified the generality of the methods. We have worked in the following fields:
Visualization: We have implemented visualization techniques for the primary data types occurring in our application: three dimensional image data, polygonal surfaces, and polyline trees, as well as arbitrary combinations of these. Specifically, we have implemented different slicing techniques, color mapping techniques, isosurfacing and volume rendering algorithms. We have shown how maximum intensity projections can be applied to efficiently visualize sparse data sets like neuronal dendritic trees and we have presented a new technique for effective shading of line-structures. Furthermore we derive and propose a transparency model which significantly enhances the shape perception.
Image Segmentation: We have designed and implemented a complete interactive image segmentation tool. We have discussed why efficient interactive and semi- automatic segmentation tools are essential for practical applications and discussed how they can be complemented with interpolation and extrapolation methods. We have proposed new distance map based interpolation schemes and shown results.
Line Extraction: We have developed an interactive method for the extraction of line-like structures based on MIP.
Geometry Reconstruction: We have proposed a new method for the generation of consistent, intersection free, and closed surfaces from non-binary labelings. This is complemented with our new algorithm to compute sub-voxel positions for the intersection points, which lead to smooth surfaces, which are still consistent with the given labeling. Furthermore we have proposed a flexible and easy-to-implement method to create polygonal models from thickness- annotated graph structures for high quality rendering.
Registration and Averaging: We have discussed, implemented, and used existing methods for correlation based and landmark based registration methods, and explained how they can be used in the context of our application for integration, comparison, and averaging. We have proposed a non-affine registration procedure and we have shown average intensity maps generated with this method.
Applications: We have presented biological applications based on our results.
The described methods have been implemented within the Amira visualization system..
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von effizienten Methoden zur Erzeugung und Visualisierung geometrischer Modelle aus dreidimensionalen Bilddaten. Damit soll eine Umgebung für eine computergestützte dreidimensionale quantitative Neuroanatomie geschaffen werden. Anwendungsschwerpunkt ist der Einsatz der entwickelten Methoden zur Erforschung von Insektengehirnen. Im Einzelnen werden folgende Gebiete bearbeitet:
Visualisierung: Es werden Darstellungsmethoden für die primären Datenklassen unserer Fragestellung beschrieben und implementiert: Schnitttechniken, Einfärbetechniken, Isoflächen und Volume Rendering Algorithmen. Es wurde gezeigt, wie mit Hilfe von Maximum-Intensity Projektionen (MIP) "sparse" Datensätze wie neuronale Dendritenbäume effizient visualisiert werden können. Es wird eine neue Technik zur wirkungsvollen Beleuchtung von Linienprimitiven und ein verbessertes Transparenzmodell fur Flächen vorgeschlagen.
Bildsegmentierung: Es wird ein vollständiges interaktives Werkzeug zur Segmentierung dreidimensionaler Bildstapel entworfen und implementiert. Es wird diskutiert, warum effiziente interaktive und halbautomatische Segmentierungsverfahren für viele praktische Anwendungen essentiell sind und gezeigt, wie diese mit Interpolations- und Extrapolationsmethoden ergänzt werden können. Es werden neue distanzfeldbasierte Interpolationsmethoden entwickelt und Ergebnisse dargestellt.
Geometrierekonstuktion: Basierend auf MIP wird eine interaktive Methode zur Extraktion linienartiger Strukturen und eine neue Methode zur Erzeugung von konsistenten überschneidungsfreien geschlossenen Flächen aus nicht-binären Labelings entwickelt. Letztere wird durch einen neuen Algorithmus zur Berechnung von sub-voxel Positionen der Schnittpunkte ergänzt. Dieser erlaubt es, glatte Flächen zu erzeugen, die nach wie vor konsistent mit dem Labeling sind. Darüber hinaus wird eine flexible und leicht zu implementierende Methode zur Erzeugung dickenannotierter Graphenstrukturen für qualitativ hochwertige Darstellungen vorgeschlagen.
Registrierung und Mittelung: Es werden existierende Methoden zur korrellations- und landmarkenbasierten Registrierung implementiert und diskutiert. Es wird gezeigt, wie diese im Kontext der Fragestellung dieser Arbeit zu Datenintegration, -vergleich und -mittelung eingesetzt werden können. Es wird eine nicht-affine Registrierungsmethode vorgeschlagen, und mit dieser Methode erzeugte Average Intensity Maps gezeigt.
Anwendungen: Es werden biologische Anwendungen gezeigt, die auf den Resultaten dieser Arbeit basieren.
Die beschriebenen Methoden wurden innerhalb des Visualisierungssystems Amira implementiert.
