آشنایی اولیه با نرم افزار Voxler

مقدمه

نرم افزار Voxler یک برنامه تصویر سازی سه بعدی علمی است که بیشتر دارای سمت و سوی رندرگیری حجمی و نمایش سه بعدی داده ها است. با وجود اینکه تأکید اصلی نرم افزار Voxler بر احجام سه بعدی است، این نرم افزار همچنین می تواند فایل های مدل های رقومی ارتفاعی که به صورت شبکه دو بعدی از داده های پیکسلی هستند، تصاویر و داده های نقطه ای را نیز سازماندهی نماید. نرم افزار Voxler قادر به نمایش خطوط جریان، پلات های برداری، نقشه های منحنی میزان، سطوح هم ارز، قطعات تصویر، نمودارهای پراکنش نقطه ای سه بعدی، رندر گیری مستقیم حجم و مدل های بلوکی سه بعدی و بسیاری نقشه های دیگر است. ماژول های محاسباتی نرم افزار Voxler شامل شبکه سازی سه بعدی، بازچینی شبکه ای (Resampling) بسیاری از عملیات های محاسباتی عددی و پردازش تصویر است. نرم افزار Voxler برای نمایش داده های XYZC طراحی شده اند به طوری که C متغیر فضایی در موقعیت مختصاتی XY و Z است. با استفاده از نرم افزار Voxler می توانید خروجی های گرافیکی بسیار زیبا و جذاب برای مدل های سه بعدی واقعی خود ایجاد نماید. این مدل ها را می توانید قطعه بندی و در زوایای مختلف و حتی به صورت انیمیشن به سادگی نمایش دهید. رنگ ها و الگوهای استاندارد و شخصی شده را به راحتی می توانید بر روی مدل ها و نقشه های خود اعمال نمائید. ایجاد مدل های سه بعدی به سادگی وارد کردن داده ها به محیط این نرم افزار، اعمال پردازش های محاسباتی همچون شبکه سازی داده ها و الصاق مؤلفه های گرافیکی دلخواه می باشد. نرم افزار Voxler به طور خودکار تنظیمات پیش فرض منطقی را برای هر خروجی گرافیکی جدید انتخاب می نماید. شخصی سازی نمایش مؤلفه های گرافیکی برای تمامی انواع ماژول ها بسیار سریع و راحت است. محاسبة مستقیم احجام از مدل های بلوکی سه بعدی و یا مدل های هم-سطح بسیار ساده بوده که به سرعت می تواند تقریبی از حجم داده های در حال نمایش ارائه نماید.

امکانات سه بعدی سازی در نرم افزار Voxler

1- ترسیم گراف های پراکنش سه بعدی Scatter Plot

ماژول Scatter Plot در نرم افزار Voxler مجموعه ای از سیمبل ها را در هر یک از نقاط نمایش می دهد. این سیمبل ها به هنگام چرخش نمای دوربین، تغییر مقیاس نمی دهند و همچنین نمی چرخند. موقعیت قرارگیری سیمبل ها به هر حال به صورت سه بعدی متحرک سازی می شوند. این نوع نمایش یکی از امکانات نمایشی و مصور سازی نرم افزار Voxler است که توزیع و آرایش و پراکنش سه بعدی پدیده ها را بدین صورت مجسم می سازد.

2 ترسیم منحنی های میزان سه بعدی در Voxler

ماژول Contour در نرم افزار Voxler خطوط منحنی میزان را برای یک Dataset دو بعدی و یا برای بخشی از یک dataset سه بعدی ایجاد می کند. خطوط منحنی میزان، نمایش دهنده مرز بین داده هایی که کمتر از یک آستانه و یک سطح مفروض هستند و داده هایی که بیشتر از آن آستانه می باشند. ما بین این دو سطح را می توان هم به صورت رنگی و یا آنکه بدون رنگ خاصی نمایش داد. برای Dataset های سه بعدی، ماژول Contour در نرم افزار Voxler یک صفحه برشی مشبک ایجاد می شود و برای برش های دو بعدی خطوط منحنی میزان ایجاد می شود. خطوط منحنی میزان، مقادیر عددی داده ها را به نقطه تبدیل نموده و با رنگ نمایش می دهند به  طوری که این بخش در نرم افزار Voxler با استفاده از Colormap.contour انجام می گیرد و با قرار دادن نقاط درامتداد خطوط مشبک در جاهایی که مقادیرعددی داده ها برابر با تراز کانتوری است از اینترپولاسیون بین گره های خطوط شبکه برای ترسیم خطوط تراز استفاده می شود. خطوط کانتور با متصل نمودن نقاط با استفاده از خطوط مستقیم، ترسیم می شوند. هرچه شبکه متراکم تر باشد، خطوط بیشتری ترسیم می شود و خطوط تراز، نرم تر به نظر می رسند. این متد گاهی به نام الگوریتم مربع های در حال رژه نیز نامیده می شود. خطوط کانتوری را می توان بر روی HeightField با استفاده از بارگذاری خطوط کانتوری از یک فایل شبکه به عنوان شبکه منحنی، قرار داد.

3- ترسیم نقشه های Iso-Surface Map در نرم افزار Voxler

ماژول Isosurface با استفاده از یک فایل شبکه، نقشه Isosurface ایجاد می نماید. یک نقشه Isosurface سطحی است که دارای مقادیر ثابت در حجم سه بعدی است. مقادیر Isosurface در بخش تنظمات مربوط به Isovalue در پنجرة تنظیمات نرم افزار Voxler تنظیم می گردد. Isosurface نواحی که داری مقدار عددی کمتری هستند را جدا می سازد. تمامی نقاط بر روی Isosurface دارای مقدار عددی یکسانی هستند. این ماژول، یک روش بسیار سریع برای بازسازی یک مدل سطحی پلیگونی از اطلاعات شبکه ای است. الگوریتم مورد استفاده در این ماژول، برهمکنش های بین سلول های شبکه را محاسبه نموده و آنها را با هم تلفیق می نماید تا یک شکل مثلثی برای رندر سه بعدی ایجاد نماید.

4- ترسیم نقشه های Height Field

ماژول Height Field قطعات مشبک را به صورت سه بعدی نمایش می دهد. هر قطاع در جهت عمود به قطعات مشبک با استفاده از یک مؤلفه عددی مخصوص و فاکتور مقیاس یا Scael Factor تنظیم می گردد. سطوح با ترسیم مقادیر عددی داده ها به وسیله یک Colormap به صورت رنگی نمایش داده می شوند، به طوری که در بخش ویرایشگر Colormap قابل تنظیم و ویرایش هستند. ماژول HeightField بخش های بدون داده را حذف می نماید . همچنین تصاویر قابلیت همپوشانی بر روی نقشه های HeightMap را از طریق بارگیری تصویر و اتصال آن به عنوان ورودی به Image Overlay را دارند. فایل های برداری را نیز می توان بر روی HeightMap قرار داد. به صورتی که فایل های برداری را به نرم افزار Import کرده و آنها را به عنون ورودی به بخش Vector Overlay معرفی نمود. خطوط منحنی میزان یا کانتورها را نیز می توان بر روی نقشه های HeightMap قرار داد، به این صورت که لایه های کانتوری را از یک فایل شبکه بارگیری نموده و سپس به عنوان ورودی به بخش Vector overlay معرفی نمود.

5- ماژول Streamline در نرم افزار Voxler

ماژول StreamLines، خطوط جریانی را در یک میدان سرعت یا توزیع سرعت در یک منطقه مشخص محاسبه می نماید. خطوط جریانی، خطوطی هستند که در یک حجمی از فضا قرار دارند و نماینده جهت جریان و مدت جریان در آن فضا می باشند. این تکنیک، ذرات بدون جرم را در سرعت مشخص به اطراف پخش می نماید و سپس مسیر حرکتشان را در یک میدان دنبال می کند. ذرات، زمانی که سرعتشان به صفر برسد، از حرکت می ایستند و از حداکثر طول جریان در این حالت تجاوز کرده و یا زمانی که جریان با بدنه میدان تقاطع پیدا نماید متوقف می شوند. نقاط جریانی، در فواصل زمانی مشخصی نمونه برداری می شوند. هر چقدر که سرعت بیشتر باشد، نقاط فاصله بیشتری را طی نموده و به نواحی دورتری پراکنده می شوند. این ماژول از الگوریتم   Runge-Kutta درجه چهارم برای انتگرال گیری میدان بردار استفاده می نماید که همیشه از نخستین مؤلفه از سه مؤلفه شبکه برداری استفاده می نماید. تمام مؤلفه های دیگر کنار گذاشته می شوند و در این الگوریتم مورد استفاده قرار نمی گیرند. در صورتی که تعداد مؤلفه ها کمتر از 3 باشد، مقدار صفر در نظر گرفته می شود.

6- ماژول OrthoImage  در نرم افزار Voxler

ماژول Orthoimage بلوک های نقشه را به صورت اوتوگونال به صورت شبکه خطوط موازی در یکی از صفحات محوری سه گانه (XY، XZ و یا YZ) نمایش می دهد. اورتوگونال نشان دهنده عناصری عمود و یا به صورت راست گوشه است. بلوک ها با استفاده از نقشه کشی داده ها و سپس نمایش آنها به صورت رنگی، دیده می شوند و یا آنکه مستقیماً به صورت رنگهای RGBA نمایش داده می شوند. تنظیم رنگ های نمایش دهنده در نقشه کشی نتایج، ممکن است توسط یک تابع خطی درجات خاکستری با بهبود هیستوگرام ثابت و یا توسط یک Colormap انجام گیرد.

7- ماژول Oblique Image در نرم افزار Voxler

ماژول ObliqueImage یک تصویر رنگی را بر روی صفحة دو بعدی برش خوردة مشبک نمایش می دهد. در ترمینولوژی پزشکی، این به عنوان سطح ساخت چند صفحه ای (MPR) شناخته می شود. این بلوک با استفاده از رنگ هایی که توسط Colormap ترسیم شده اند، برای یک مؤلفه داده نمایش داده می شود و یا مستقیما از رنگهای RGBA برای شبکه مشبک شامل داده های رنگی استفاده می کند.

8- ماژول Vol Render در نرم افزار Voxler

بیشتر تکنیک های تصویرسازی، داده های حجمی را به سطوح تبدیل می کند. ماژول VolRender از یک تکنیک جایگزین به نام رندر حجمی مستقیم استفاده می کند تا پیکسل ها حجمی را به طور مستقیم رندرسازی نماید. یک Voxel فرم کوتاه Volume Pixel می باشد، که در واقع کوچکترین واحد حجمی جعبه ای شکل قابل تشخیص در یک تصویر یا حجم سه بعدی است. رندرسازی حجم در واقع نمایش سه بعدی داده هایی است که انتشار و جذب نور از نقاطی که در یک حجم قرار گرفته اند را شبیه سازی می نماید. اشعه های نور، بر روی حجم انداخته می شود، به طوری که ذرات درون آن حجم، به طور همزمان نور را جذب می کند. رنگ هر پیکسل بر روی صفحه نمایش با ترکیب مشارکت هر ذره در تقاطع با اشعه نور، محاسبه می گردد. این وضعیت امکان تصویرسازی نامتجانس درون اشیا را با تنظیم مناسبی از شفافیت، فراهم می آورد.

9- ماژول Face Render در نرم افزار Voxler

ماژول FaceRender مکعب های میانیابی نشده از داده های مشبک را نمایش می دهد. مکعب های Face Render یک واحد را در جهات X، Y و Z نمایش می دهد. مقدار مؤلفه ها توسط رنگ های مختلف در Face Render نمایش داده می شوند. برای تعریف مقدار مؤلفه ها و رنگ هر کدام از مکعب ها، نرم افزار Voxler، متوسط مقدار مؤلفه ها را محاسبه می کند. بدین صورت که مقادیر واقع شده در گوشه هر 8 نقطه را جمع نموده و بر عدد 8 تقسیم می کند. در صورتی که یک یا چند گوشه دارای Null باشند، آن مکعب نمایش داده نمی شود. علاوه بر آن، در صورتی که مقدار Color map برای متوسط مقدار داده های آن مکعب، بخشی یا به طور کامل شفاف شده باشد، نمایش داده نمی شود.

10- ماژول Well Renders

ماژول Well Renders مسیر چاهها در امتداد کانالی که حفر شده اند را بر اساس داده های آنها دنبال می کند. چاههای به صورت یک تیوپ نمایش داده می شوند. ضخامت و رنگ چاهها به سمت پایین می تواند متفاوت باشد. علاوه بر این جهت داده ها و گام های داده ها می توانند بر روی چاه نمایش داده شوند.