한국기초과학지원연구원(KBSI, Korea Basic Science Institute)에서는 국내 유일의 초고전압투과전자현미경(HVEM, High Voltage Electron Microscopy)을 비롯하여 3 대의 일반 전자현미경을 보유하고 있다. 전자현미경을 통하여 관찰된 이미지는 각 단계별로 tilting 되어 저장된 이미지로서 관찰자에게 보다 나은 관찰 환경의 구성을 위해 3D로의 reconstruction은 필수 과정이라고 할 수 있겠다. 이 과정 중 카메라 중심에서 벋어난 부분의 왜곡을 warping 기법을 통하여 최대한 감소시킨다. 이런 이미지 전처리 과정과 이를 바탕으로 3D로의 reconstruction과정은 고성능 컴퓨터의 수반을 기본으로 하는데 이 과정을 다수의 grid node PC들이 빠른 시간에 분담하여 처리하게 된다. Grid node PC들의 역할은 소유자가 서로 다른 다양한 컴퓨팅 자원의 효과적인 공유를 목적으로 하며, 시스템의 구축에 필요한 역할 스케줄링, 자원 관리, 보안, 성능 측정 및 상태 모니터링 등의 문제를 해결하기 위한 사용되고 있다. 일반 개인이 사용하기 힘들었던 고성능 PC의 역할을 Grid node PC들이 수행하고 이 기반위에 워핑 기법을 통한 이미지 전처리는 보다 실제 관찰 대상에 가까운 형태로의 재구성이 가능할 수 있는 바탕이 된다. 워핑 전처리를 통한 Grid node PC기반의 전자현미경 볼륨 랜더링 시스템의 구축은 관찰자에게 보다 편리하며 빠른 실험 환경을 제공하여 줄 수 있고, 이해하기 쉽고 실제 모습에 가까운 형태의 실험 결과물을 접할 수 있게 된다.
한국기초과학지원연구원(KBSI, Korea Basic Science Institute)에서는 국내 유일의 초고전압투과전자현미경(HVEM, High Voltage Electron Microscopy)을 비롯하여 3 대의 일반 전자현미경을 보유하고 있다. 전자현미경을 통하여 관찰된 이미지는 각 단계별로 tilting 되어 저장된 이미지로서 관찰자에게 보다 나은 관찰 환경의 구성을 위해 3D로의 reconstruction은 필수 과정이라고 할 수 있겠다. 이 과정 중 카메라 중심에서 벋어난 부분의 왜곡을 warping 기법을 통하여 최대한 감소시킨다. 이런 이미지 전처리 과정과 이를 바탕으로 3D로의 reconstruction과정은 고성능 컴퓨터의 수반을 기본으로 하는데 이 과정을 다수의 grid node PC들이 빠른 시간에 분담하여 처리하게 된다. Grid node PC들의 역할은 소유자가 서로 다른 다양한 컴퓨팅 자원의 효과적인 공유를 목적으로 하며, 시스템의 구축에 필요한 역할 스케줄링, 자원 관리, 보안, 성능 측정 및 상태 모니터링 등의 문제를 해결하기 위한 사용되고 있다. 일반 개인이 사용하기 힘들었던 고성능 PC의 역할을 Grid node PC들이 수행하고 이 기반위에 워핑 기법을 통한 이미지 전처리는 보다 실제 관찰 대상에 가까운 형태로의 재구성이 가능할 수 있는 바탕이 된다. 워핑 전처리를 통한 Grid node PC기반의 전자현미경 볼륨 랜더링 시스템의 구축은 관찰자에게 보다 편리하며 빠른 실험 환경을 제공하여 줄 수 있고, 이해하기 쉽고 실제 모습에 가까운 형태의 실험 결과물을 접할 수 있게 된다.
Korea Basic Science Institute(KBSI) has three general electron microscopes including High Voltage Electron Microscope(HVEM) which is the only one in Korea. Observed images through an electron microscope are what they are tilted by each step and saved, offering the more better circumstances for obser...
Korea Basic Science Institute(KBSI) has three general electron microscopes including High Voltage Electron Microscope(HVEM) which is the only one in Korea. Observed images through an electron microscope are what they are tilted by each step and saved, offering the more better circumstances for observers, a reconstruction to 3D could be a essential process. In this process, a warping method decreases distortions maximumly of avoided parts of a camera's focus. All these image treatment processes and 3D reconstruction processes are based on an accompaniment of a highly efficient computer, a number of Grid Node Personal computers share this process in a short time and dispose of it. Grid Node Personal computers' purpose is to make an owner can share different each other and various computing resources efficiently and also Grid Node Personal computers is applying to solve problems like a role scheduling needed for a constructing system, a resource management, a security, a capacity measurement, a condition monitoring and so on. Grid Node Personal computers accomplish roles of a highly efficient computer that general individuals felt hard to use, moreover, a image treatment using the warping method becomes a foundation for reconstructing to more closer shape with an real object of observation. Construction of the electron microscope volume 랜더링 system based on Grid Node Personal computer through the warping process can offer more convenient and speedy experiment circumstances to observers, and makes them meet with experiment outcome that is similar to real shapes and is easy to understand.
Korea Basic Science Institute(KBSI) has three general electron microscopes including High Voltage Electron Microscope(HVEM) which is the only one in Korea. Observed images through an electron microscope are what they are tilted by each step and saved, offering the more better circumstances for observers, a reconstruction to 3D could be a essential process. In this process, a warping method decreases distortions maximumly of avoided parts of a camera's focus. All these image treatment processes and 3D reconstruction processes are based on an accompaniment of a highly efficient computer, a number of Grid Node Personal computers share this process in a short time and dispose of it. Grid Node Personal computers' purpose is to make an owner can share different each other and various computing resources efficiently and also Grid Node Personal computers is applying to solve problems like a role scheduling needed for a constructing system, a resource management, a security, a capacity measurement, a condition monitoring and so on. Grid Node Personal computers accomplish roles of a highly efficient computer that general individuals felt hard to use, moreover, a image treatment using the warping method becomes a foundation for reconstructing to more closer shape with an real object of observation. Construction of the electron microscope volume 랜더링 system based on Grid Node Personal computer through the warping process can offer more convenient and speedy experiment circumstances to observers, and makes them meet with experiment outcome that is similar to real shapes and is easy to understand.
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문제 정의
삼차원 재구성 알고리즘은 투영된 영상이 많을수록 보다 정교한 삼차원 재구성이 가능하게 되지만 수행시간이 오래 걸리는 단점을 가진다. 따라서 계산 노드 수만큼 영상 개수를 나누고 각 계산노드에 해당되는 영상을 할당함으로써 수행시간을 감소시키고자 한다.
본 논문에서는 고배율 전자 현미경을 통해서 얻은 2차원 이미지들을 3차원 이미지로 가공해 주는 과정 중 틸팅된 2차원 이미지의 변형을 줄이기 위하여 토모그래피 단계 이전에 워핑을 통한 영상 전처리 과정과 볼륨랜더링 기법에 관하여 기술하고 있다. 본 시스템은 고성능 이미지 처리를 위해서 계산 그리드를 이용하며, 화질 개선을 위한 전처리 중에 하나인 워핑 기술, 자동 영상 정렬 기술, 효과적인 삼차원 재구성 기술과 같은 다양한 이미지처리 알고리즘을 이용한다.
고무시트 변환(rubber sheet transform)이라고도 불리는 왜곡 변환(warping)은 지정된 점에 대해 늘이거나 줄일 수 있다. 왜곡 변환을 설명하기 위하여 먼저 어파인 변환(affine transform)에 대하여 알아보자. 이동, 회전, 신축 변환을 포함하는 순방향 변환 방정식을 살펴보면 다음과 같이 그것들을 결합할 수 있음을 알 수 있다.
제안 방법
초고전압투과현미경을 통해 얻은 데이터의 경우 2차원 이미지이므로 좀 더 효율적인 표현 방법이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 초고전압투과전자현미경을 통해 저장된 이미지 데이터를 메타 데이터로 이용하여 관리하는 시스템을 설계하였고, 저장된 2차원 이미지 데이터를 워핑을 통한 전처리 이후 볼륨 랜더링을 이용하여 3차원으로 재구성하였다.
본 논문에서는 고배율 전자 현미경을 통해서 얻은 2차원 이미지들을 3차원 이미지로 가공해 주는 과정 중 틸팅된 2차원 이미지의 변형을 줄이기 위하여 토모그래피 단계 이전에 워핑을 통한 영상 전처리 과정과 볼륨랜더링 기법에 관하여 기술하고 있다. 본 시스템은 고성능 이미지 처리를 위해서 계산 그리드를 이용하며, 화질 개선을 위한 전처리 중에 하나인 워핑 기술, 자동 영상 정렬 기술, 효과적인 삼차원 재구성 기술과 같은 다양한 이미지처리 알고리즘을 이용한다. 본 논문에서는 시스템의 필요성, 아키텍처 및 구성 요소들에 대해서 설명한다.
아래와 같이 여러 장의 투영영상을 그리드에 포함된 컴퓨터 개수만큼 그룹으로 나누고 이를 각각의 컴퓨터에 전달한 한 후에 전달받은 영상들을 가지고 각 컴퓨터 내에서 삼차원 재구성을 수행한 후에 각 컴퓨터에서 처리한 결과들을 모두 병합하여 최종적인 재구성된 결과를 얻는다.[6]
워핑 전처리를 통한 전자현미경 Tomography 볼륨랜더링 시스템을 설계를 하였다. 초고전압투과현미경을 통해 얻은 데이터의 경우 2차원 이미지이므로 좀 더 효율적인 표현 방법이 요구된다.
대상 데이터
볼륨랜더링 시스템은 계산 그리드 기반 이미지 프로세싱 시스템으로 전체 구성은 그림 1와 같다. 데이터 그리드는 볼륨랜더링 시스템에서 이용되는 이미지 파일들을 공유해서 사용할 수 있는 이미지 파일 저장소이다. 볼륨랜더링 클라이언트는 볼륨랜더링 시스템에 대한 사용자 인터페이스를 제공하며, 다양한 이미지 뷰어 및 3차원 렌더링 도구를 포함하고 있다.
이론/모형
정렬이미지란 전자현미경으로부터 획득한 데이터를 3차원으로 구성할 수 있도록 이미지를 정렬하는 단계이다. 정렬하는 과정에서 중심축에서 멀리 떨어진 부분의 이미지는 중심 부분에 비하여 왜곡 현상이 일어날 수 밖에 없는데 이렇게 왜곡을 최소화 시키는 과정에 워핑 기법을 사용하였다. Tomo 이미지는 정렬된 이미지로부터 3차원구조를 재구성한 실사 이미지이다.
편집도구를 통하여 분할된 관심영역을 삼차원으로 가시화하기 위하여 marching cube 알고리즘을 적용하였다. marching cube는 isosurface를 재구성하기 위한 알고리즘으로 볼륨을 작은 cube로 분할하고 각 cube에 대하여 테이블에서 가장 적합한 형태의 모델을 찾아 그 형태로 isosurface를 계산하는 방법이다.
후속연구
차후에는 더 많은 수의 Grid node PC와 데이터 서버를 이용하여 작업을 진행할 수 있는 환경을 조성하도록 해야 한다. 더불어 타 프로그램과의 연동에 대한 모색과 장비 및 데이터의 보안 그리고 높은 접근성을 취하기 위한 연구 또한 필요 할 것이다.
이러한 2차원 이미지들은 세포의 단면만을 볼 수 있기 때문에 이 이미지들만을 이용해서는 세포의 정확한 구조를 파악하기 어렵다. 따라서 적절한 가공을 통해 3차원 이미지로 재구성할 수 있다면, 또한 이 과정을 매우 신속하게 수행할 수 있다면, 세포 구조에 대한 더욱 정확한 이해 및 연구 능률의 향상을 도모할 수 있어 관련 연구 분야에 많은 도움을 줄 수 있다.
그리고 현재의 시스템은 적은 수의 Grid node PC기반으로 구축되어있다. 차후에는 더 많은 수의 Grid node PC와 데이터 서버를 이용하여 작업을 진행할 수 있는 환경을 조성하도록 해야 한다. 더불어 타 프로그램과의 연동에 대한 모색과 장비 및 데이터의 보안 그리고 높은 접근성을 취하기 위한 연구 또한 필요 할 것이다.
향후 계획으로는 사용자들이 데이터베이스를 통하여 쉽게 데이터에 접근하는지 파악하고, 볼륨 랜더링 작업의 편의성과 시스템 사용에 대한 성능 평가도 측정해 볼 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자 현미경 영상이란 무엇인가?
전자 현미경 영상은 세포단위 작은 입자 조직의 형태 및 구조의 관찰 및 분석을 위해 연속적으로 획득한 2차원 투과 이미지이다. 이러한 2차원 이미지들은 세포의 단면만을 볼 수 있기 때문에 이 이미지들만을 이용해서는 세포의 정확한 구조를 파악하기 어렵다.
볼륨랜더링 서버는 어떤 역할을 하는가?
볼륨랜더링 클라이언트는 볼륨랜더링 시스템에 대한 사용자 인터페이스를 제공하며, 다양한 이미지 뷰어 및 3차원 렌더링 도구를 포함하고 있다. 볼륨랜더링 서버는 볼륨랜더링 클라이언트의 이미지 처리 작업 요청을 받아 적절히 스케줄링하고 작업 프로세스를 관리하는 역할을 제공한다.
전자 현미경 영상을 3차원 이미지로 재구성 시 어떤 이점이 있는가?
이러한 2차원 이미지들은 세포의 단면만을 볼 수 있기 때문에 이 이미지들만을 이용해서는 세포의 정확한 구조를 파악하기 어렵다. 따라서 적절한 가공을 통해 3차원 이미지로 재구성할 수 있다면, 또한 이 과정을 매우 신속하게 수행할 수 있다면, 세포 구조에 대한 더욱 정확한 이해 및 연구 능률의 향상을 도모할 수 있어 관련 연구 분야에 많은 도움을 줄 수 있다.
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