Εξαγωγή γεωμετρικής πληροφορίας από απεικονίσεις με φθορά και θόρυβο: Ειδικές εφαρμογές στην αρχαιολογία και την ιατρική

Abstract

Η διατριβή αυτή απαρτίζεται από δύο μέρη. Στην πρώτη ενότητα, μελετάται η περαιτέρω ανάπτυξη ενός αλγορίθμου αυτόματης ανακατασκευής θραυσμένων αντικειμένων με βάση το περίγραμμα των κομματιών του θραυσμένου αντικειμένου. Ο αλγόριθμος αυτός αναπτύχθηκε από τους Κ. Παπαοδυσσέα, Α. Παναγόπουλο, Μ. Έξαρχο, Κ. Τριανταφύλλου, Δ. Φραγκούλη και Δ. Ντούμα και δημοσιεύτηκε στο διεθνές περιοδικό IEEE Trans. On Signal Processing το 2002 (IEEE Trans. On Signal Processing, 50 (6), 1277-1288, 2002, by Papaodysseus C., Panagopoulos Th., Exarhos M., Τriantafillou C., Fragoulis D., Doumas C.). Η περαιτέρω ανάπτυξη του αλγορίθμου αφορά την διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης του χρωματικού και του θεματικού περιεχομένου των κομματιών που αποτελούν το θραυσμένο αντικείμενο (θραυσμάτων ή κονιαμάτων), με σκοπό την επιβεβαίωση ή απόρριψη προτάσεων συνενώσεων θραυσμάτων που προκύπτουν από την εφαρμογή της αρχικής μορφής του αλγορίθμου ανακατασκευής της εικόνας. Στην αρχική μορφή του αλγορίθμου ανακατασκευής γίνεται χρήση μόνο της πληροφορίας που προκύπτει από το περίγραμμα των θραυσμάτων. Ο βελτιωμένος αλγόριθμος εφαρμόστηκε αρχικά στην ανακατασκευή ενός απλού εμπορικού παιχνιδιού ανακατασκευής εικόνας (puzzle), ώστε να διερευνηθεί σε θεωρητικό επίπεδο η αποτελεσματικότητά του σε άριστης ποιότητας εικόνα και σε θραύσματα που δεν έχουν υποστεί αλλοίωση του σχήματος τους λόγω καταπόνησης και ηλικιακής φθοράς. Στη συνέχεια, έγινε εφαρμογή του βελτιωμένου αλγορίθμου στην πραγματική περίπτωση της ανακατασκευής των θραυσμένων τοιχογραφιών που ευρέθησαν στην αρχαιολογική ανασκαφή στο Ακρωτήρι της Σαντορίνης. Στη δεύτερη ενότητα της διατριβής, περιγράφεται η δυνατότητα εφαρμογής τεχνικών κατάτμησης εικόνας (image segmentation) σε ακτινογραφίες (οι οποίες είναι εικόνες ιδιαίτερα χαμηλής ποιότητας), με σκοπό τον σαφή προσδιορισμό της απεικονισθείσας προβολής ενός ειδικού ήλου ή, απλά, καρφιού, το οποίο είναι κατασκευασμένο από ειδικό, ελαφρά εύκαμπτο κράμα τιτανίου και χρησιμοποιείται ιδιαίτερα συχνά στις εγχειρίσεις κλειστών ενδομυελικών ηλώσεων. Οι συγκεκριμένες χειρουργικές επεμβάσεις προτιμώνται στις εγχειρίσεις αποκατάστασης μακρών, θραυσμένων οστών (μηρών, βραχιόνων, κλπ). Με χρήση τεχνικών αναγνώρισης σχημάτων και προτύπων, εξήχθη η μέγιστη δυνατή χρήσιμη πληροφορία από την προβολή των καρφιών αυτού στην ακτινογραφική εικόνα. Η πληροφορία χρησιμοποιείται, στη συνέχεια, για τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης και του σχήματος του ήλου, καθώς και του προσανατολισμού του ήλου σε σχέση με το θραυσμένο οστούν, στο εσωτερικό του οποίου τοποθετείται ο ήλος χειρουργικά. Έτσι, καθίσταται δυνατή η στερέωση του ήλου στο οστούν με χρήση βιδών και η ολοκλήρωση της χειρουργικής διαδικασίας, ακόμη και αν ο ήλος έχει ελαφρά παραμορφωθεί κατά την εισαγωγή του στο εσωτερικό του οστού.

This PhD thesis is divided into two parts. In the first part, the further development of an automated fragmented object reconstruction algorithm is presented. This algorithm uses information extracted from the outline of the fragmented object pieces and was developed by Papaodysseus C., Panagopoulos Th., Exarhos M., Τriantafillou C., Fragoulis D., Doumas C. and presented in the international journal IEEE Trans. On Signal Processing το 2002 (IEEE Trans. On Signal Processing, 50(6), 1277-1288, 2002. The further development of this algorithm involves the potential use of the chromatic and the thematic content of the fragments that constitute the object, in order to confirm or reject the proposals for potential matches that are the result of the application of the initial form of the fragmented object reconstruction algorithm. In the initial version of the reconstruction algorithm, only the information extracted from the fragment outline is used. The improved algorithm was initially applied in the reconstruction of a simple commercial jigsaw puzzle, in order to ascertain the effectiveness of the algorithm in excellent quality images and in fragments that have not been degraded due to wear and the passage of time. Then, the improved algorithm was applied in the real-life case of the reconstruction of fragmented wall-paintings that were unearthed during the archaeological excavation of the Akrotiri site in Santorini. In the second part of the thesis, the application of image segmentation techniques in radiology images (which are low quality images) is presented, in order to accurately determine the depicted projection of a special nail, which is constructed out of a special slightly flexible titanium alloy, and is used in closed intramedullary nailing surgical procedures. These particular procedures are used in treating long fragmented or broken bones (hip bone, tibia fractures, etc). Using shape and pattern recognition techniques, the maximum geometric information from the x-ray projection of these nails was extracted. This information will be then used for the exact determination of the position and the shape of the nail, as well as the orientation of the nail with regard to the fragmented bone, in the interior of which the nail is surgically inserted. Thus, the fixation of the nail with the use of screws is accomplished and the surgical procedure is completed, even if the nail has been slightly deformed during its insertion in the bone interior.