3D-2D image registration by nonlinear regression

We propose a 3D-2D image registration method that relates image features of 2D projection images to the transformation parameters of the 3D image by nonlinear regression. The method is compared with a conventional registration method based on iterative optimization. For evaluation, simulated X-ray images (DRRs) were generated from coronary artery tree models derived from 3D CTA scans. Registration of nine vessel trees was performed, and the alignment quality was measured by the mean target registration error (mTRE). The regression approach was shown to be slightly less accurate, but much more robust than the method based on an iterative optimization approach.

Modelo generalista de páginas Web para motores de pesquisa com interface 3D

Web tornou-se uma ferramenta indispensável para a sociedade moderna. A capacidade de aceder a enormes quantidades de informação, disponível em praticamente todo o mundo, é uma grande vantagem para as nossas vidas. No entanto, a quantidade avassaladora de informação disponível torna-se um problema, que é o de encontrar a informação que precisamos no meio de muita informação irrelevante. Para nos ajudar nesta tarefa, foram criados poderosos motores de pesquisa online, que esquadrinham a Web à procura dos melhores resultados, segundo os seus critérios, para os dados que precisamos. Actualmente, os motores de pesquisa em voga, usam um formato de apresentação de resultados simples, que consiste apenas numa caixa de texto para o utilizador inserir as palavras-chave sobre o tema que quer pesquisar e os resultados são dispostos sobre uma lista de hiperligações ordenada pela relevância que o motor atribui a cada resultado. Porém, existem outras formas de apresentar resultados. Uma das alternativas é apresentar os resultados sobre interfaces em 3 dimensões. É nestes tipos de sistemas que este trabalho vai incidir, os motores de pesquisa com interfaces em 3 dimensões. O problema é que as páginas Web não estão preparadas para serem consumidas por este tipo de motores de pesquisa. Para resolver este problema foi construído um modelo generalista para páginas Web, que consegue alimentar os requisitos das diversas variantes destes motores de pesquisa. Foi também desenvolvido um protótipo de instanciação automático, que recolhe as informações necessárias das páginas Web e preenche o modelo.

Caracterização e modelação de fissuras em edifícios utilizando 3D laser scanning, com vista à sua reabilitação

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Visualização e manipulação de informação em ambientes 3D imersivos

Ainda antes da invenção da escrita, o desenho foi utilizado para descrever a realidade, tendo evoluído ao longo dos tempos, ganhando mais qualidade e pormenor e recorrendo a suportes cada vez mais evoluídos que permitissem a perpetuação dessa imagem: dessa informação. Desde as pinturas rupestres, nas paredes de grutas paleolíticas, passando pelos hieróglifos, nos templos egípcios, nas gravuras das escrituras antigas e nos quadros sobre tela, a intenção sempre foi a de transmitir a informação da forma mais directa e perceptível por qualquer indivíduo. Nos dias de hoje as novas tecnologias permitem aceder à informação com uma facilidade nunca antes vista ou imaginada, estando certamente ainda por descobrir outras formas de registar e perpetuar a informação para as gerações vindouras. A fotografia está na origem das grandes evoluções da imagem, permitindo capturar o momento, tornando-o “eterno”. Hoje em dia, na era da imagem digital, além de se mostrar a realidade, é possível incorporar na imagem informação adicional, de modo a enriquecer a experiência de visualização e a maximizar a aquisição do conhecimento. As possibilidades da visualização em três dimensões (3D) vieram dar o realismo que faltava ao formato de fotografia original. O 3D permite a imersão do espectador no ambiente que, a própria imagem retrata, à qual se pode ainda adicionar informação escrita ou até sensorial como, por exemplo, o som. Esta imersão num ambiente tridimensional permite ao utilizador interagir com a própria imagem através da navegação e exploração de detalhes, usando ferramentas como o zoom ou ligações incorporados na imagem. A internet é o local onde, hoje em dia, já se disponibilizam estes ambientes imersivos, tornando esta experiência muita mais acessível a qualquer pessoa. Há poucos anos ainda, esta prática só era possível mediante o recurso a dispositivos especificamente construídos para o efeito e que, por isso, apenas estavam disponíveis a grupos restritos de utilizadores. Esta dissertação visa identificar as características de um ambiente 3D imersivo e as técnicas existentes e possíveis de serem usadas para maximizar a experiência de visualização. Apresentar-se-ão algumas aplicações destes ambientes e sua utilidade no nosso dia-a-dia, antevendo as tendências futuras de evolução nesta área. Serão apresentados exemplos de ferramentas para a composição e produção destes ambientes e serão construídos alguns modelos ilustrativos destas técnicas, como forma de avaliar o esforço de desenvolvimento e o resultado obtido, comparativamente com formas mais convencionais de transmitir e armazenar a informação. Para uma avaliação mais objectiva, submeteram-se os modelos produzidos à apreciação de diversos utilizadores, a partir da qual foram elaboradas as conclusões finais deste trabalho relativamente às potencialidades de utilização de ambientes 3D imersivos e suas mais diversas aplicações.

Helical tomotherapy versus 3D conformal radiotherapy in dosimetric planning for patients with localized prostate cancer

Radiotherapy is one of the therapeutics selected for localized prostate cancer, in cases where the tumour is confined to the prostate, penetrates the prostatic capsule or has reached the seminal vesicles (T1 to T3 stages). The radiation therapy can be administered through various modalities, being historically used the 3D conformal radiotherapy (3DCRT). Other modality of radiation administration is the intensity modulated radiotherapy (IMRT), that allows an increase of the total dose through modulation of the treatment beams, enabling a reduction in toxicity. One way to administer IMRT is through helical tomotherapy (TH). With this study we intent to analyze the advantages of helical tomotherapy when compared with 3DCRT, by evaluating the doses in the organs at risk (OAR) and planning target volumes (PTV).

Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).

Towards a Unified Theory of Health-Disease: I. Health as a complex model-object

Theory building is one of the most crucial challenges faced by basic, clinical and population research, which form the scientific foundations of health practices in contemporary societies. The objective of the study is to propose a Unified Theory of Health-Disease as a conceptual tool for modeling health-disease-care in the light of complexity approaches. With this aim, the epistemological basis of theoretical work in the health field and concepts related to complexity theory as concerned to health problems are discussed. Secondly, the concepts of model-object, multi-planes of occurrence, modes of health and disease-illness-sickness complex are introduced and integrated into a unified theoretical framework. Finally, in the light of recent epistemological developments, the concept of Health-Disease-Care Integrals is updated as a complex reference object fit for modeling health-related processes and phenomena.

Coordinated transportation of a large object by a team of three robots

Dynamical systems theory in this work is used as a theoretical language and tool to design a distributed control architecture for a team of three robots that must transport a large object and simultaneously avoid collisions with either static or dynamic obstacles. The robots have no prior knowledge of the environment. The dynamics of behavior is defined over a state space of behavior variables, heading direction and path velocity. Task constraints are modeled as attractors (i.e. asymptotic stable states) of the behavioral dynamics. For each robot, these attractors are combined into a vector field that governs the behavior. By design the parameters are tuned so that the behavioral variables are always very close to the corresponding attractors. Thus the behavior of each robot is controlled by a time series of asymptotical stable states. Computer simulations support the validity of the dynamical model architecture.

Coordinated transportation of a large object by a team of two robots

In this paper dynamical systems theory is used as a theoretical language and tool to design a distributed control architecture for a team of two robots that must transport a large object and simultaneously avoid collisions with obstacles (either static or dynamic). This work extends the previous work with two robots (see [1] and [5]). However here we demonstrate that it’s possible to simplify the architecture presented in [1] and [5] and reach an equally stable global behavior. The robots have no prior knowledge of the environment. The dynamics of behavior is defined over a state space of behavior variables, heading direction and path velocity. Task constrains are modeled as attractors (i.e. asymptotic stable states) of a behavioral dynamics. For each robot, these attractors are combined into a vector field that governs the behavior. By design the parameters are tuned so that the behavioral variables are always very close to the corresponding attractors. Thus the behavior of each robot is controlled by a time series of asymptotic stable states. Computer simulations support the validity of the dynamical model architecture.

Object transportation by multiple mobile robots controlled by attractor dynamics: theory and implementation

Dynamical systems theory is used as a theoretical language and tool to design a distributed control architecture for teams of mobile robots, that must transport a large object and simultaneously avoid collisions with (either static or dynamic) obstacles. Here we demonstrate in simulations and implementations in real robots that it is possible to simplify the architectures presented in previous work and to extend the approach to teams of n robots. The robots have no prior knowledge of the environment. The motion of each robot is controlled by a time series of asymptotical stable states. The attractor dynamics permits the integration of information from various sources in a graded manner. As a result, the robots show a strikingly smooth an stable team behaviour.

Using attractor dynamics to generate decentralized motion control of two mobile robots transporting a long object in coordination

Dynamical systems theory is used here as a theoretical language and tool to design a distributed control architecture for a team of two mobile robots that must transport a long object and simultaneously avoid obstacles. In this approach the level of modeling is at the level of behaviors. A “dynamics” of behavior is defined over a state space of behavioral variables (heading direction and path velocity). The environment is also modeled in these terms by representing task constraints as attractors (i.e. asymptotically stable states) or reppelers (i.e. unstable states) of behavioral dynamics. For each robot attractors and repellers are combined into a vector field that governs the behavior. The resulting dynamical systems that generate the behavior of the robots may be nonlinear. By design the systems are tuned so that the behavioral variables are always very close to one attractor. Thus the behavior of each robot is controled by a time series of asymptotically stable states. Computer simulations support the validity of our dynamic model architectures.

Fractional dynamics in liquid manipulation

This paper presents a fractional calculus perspective in the study of signals captured during the movement of a mechanical manipulator carrying a liquid container. In order to study the signals an experimental setup is implemented. The system acquires data from the sensors, in real time, and, in a second phase, processes them through an analysis package. The analysis package runs off-line and handles the recorded data. The results show that the Fourier spectrum of several signals presents a fractional behavior. The experimental study provides useful information that can assist in the design of a control system and the trajectory planning to be used in reducing or eliminating the effect of vibrations.

Logarithmically proportional objective function for planar surfaces recognition in 3D point cloud

3D laser scanning is becoming a standard technology to generate building models of a facility's as-is condition. Since most constructions are constructed upon planar surfaces, recognition of them paves the way for automation of generating building models. This paper introduces a new logarithmically proportional objective function that can be used in both heuristic and metaheuristic (MH) algorithms to discover planar surfaces in a point cloud without exploiting any prior knowledge about those surfaces. It can also adopt itself to the structural density of a scanned construction. In this paper, a metaheuristic method, genetic algorithm (GA), is used to test this introduced objective function on a synthetic point cloud. The results obtained show the proposed method is capable to find all plane configurations of planar surfaces (with a wide variety of sizes) in the point cloud with a minor distance to the actual configurations. © 2014 IEEE.

Optimization of structures modeled with a Meshfree approach

Radial basis functions are being used in different scientific areas in order to reproduce the geometrical modeling of an object/structure, as well as to predict its behavior. Due to its characteristics, these functions are well suited for meshfree modeling of physical quantities, which for instances can be associated to the data sets of 3D laser scanning point clouds. In the present work the geometry of a structure is modeled by using multiquadric radial basis functions, and its configuration is further optimized in order to obtain better performances concerning to its static and dynamic behavior. For this purpose the authors consider the particle swarm optimization technique. A set of case studies is presented to illustrate the adequacy of the meshfree model used, as well as its link to particle swarm optimization technique. © 2014 IEEE.