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Acquisition des projections
Depuis le début de l’utilisation de l’imagerie par rayons X dans le domaine médical puis pour les applications industrielles, les systèmes d’acquisition ont beaucoup évolué. Selon les différentes générations de détecteurs, on peut distinguer trois principales géométries d’acquisition (voir Figure 1.3) :
– La géométrie parallèle où le système est formé d’une source et d’un détecteur, et pour laquelle les rayons sont émis suivant des droites parallèles. L’exploration de l’objet est conduite par la succession de translations et de rotations du couple source détecteur.
– La géométrie en éventail, ou fan beam, où le système est formé d’une source et d’un détecteur linéaire ou en arc de cercle, et pour laquelle les rayons émis divergent suivant l’angle d’ouverture du générateur à rayons X. Les projections sont acquises par la succession de rotations du couple source-détecteur autour de l’objet.
– La géométrie conique, ou cone beam, où le système est constitué d’une source et d’un détecteur plan (détecteur imageur), et pour laquelle les rayons sont émis de manière conique. Les projections sont acquises par la succession de rotations du couple source-détecteur autour de l’objet. Ces systèmes ont été conçus pour permettre une reconstruction 3D de l’objet étudié.
Les contraintes d’acquisition imposées par l’application médicale d’une part et in-dustrielle d’autre part peuvent engendrer des configurations d’acquisition non conven-tionnelles. On entend par conventionnelle une configuration permettant l’acquisition des projections sur l’ensemble du domaine angulaire (2 radians) en nombre suffisant.
En effet, dans le domaine médical, on cherche à minimiser la dose délivrée au patient. Celle-ci dépendant de l’intensité du faisceau de rayons X et du temps d’exposition, il convient de jouer sur ces paramètres pour réduire la dose au patient. La diminution du flux induit une augmentation du bruit dans les données acquises, et donc le développement d’algorithmes robustes. La réduction du temps d’exposition peut se traduire par la décroissance du nombre de projections (nombre de vues limité).
Pour les applications industrielles, les contraintes sont plutôt liées à la grande diversité des matériaux analysés et à la géométrie des pièces étudiées, dont les dimensions peuvent s’étendre de l’échelle nanométrique à l’échelle métrique. Compte tenu de ces observations, une résolution spatiale des volumes reconstruits plus fine que pour les applications médicales (0.5mm) est nécessaire. Dans ce domaine, des détecteurs à haute résolution spatiale sont utilisés, ce qui induit des jeux de données très volumineux à traiter. En outre, les conditions expérimentales de contrôle non destructif (CND) sont variées, et certaines géométries peuvent contraindre le domaine angulaire. L’imagerie de phénomènes dynamiques peut également contraindre le temps d’exposition et/ou le nombre de vues.
Ainsi, peut-on résumer différentes configurations d’acquisition possibles de la manière suivante :
– nombre suffisant de projections sur un domaine angulaire complet (Figure 1.4a)
– faible nombre de projections sur un domaine angulaire complet (nombre de vues limité) (Figure 1.4b)
– acquisition sur un domaine angulaire réduit (angle de vue restreint) (Figure 1.4c)
Méthodes de reconstruction
Approche analytique
Dans ce groupe de méthodes, on peut évoquer la méthode split-and-merge. L’idée de cette approche consiste dans un premier temps à diviser (split) l’image en blocs contenant exclusivement des pixels répondant à un critère donné, puis à regrouper (merge) les blocs voisins s’ils sont similaires. Le résultat final est un ensemble jointif de régions homogènes de différentes tailles recouvrant l’image entière. L’implantation de cette méthode s’effectue à travers la mise en œuvre d’une structure appelée quadtree.
On peut également évoquer l’algorithme de la ligne de partage des eaux (ou watershed) [9] qui considère une image en niveaux de gris (NG) comme un relief. En innondant ce relief, des lacs se forment et les barrages les délimitant constituent la segmentation finale. L’inconvénient majeur de cette technique est la sursegmentation. Diverses méthodes de fusion de régions ont été proposées pour palier ce problème, par exemple la fusion itérative de paires de régions voisines [94, 95]. Les contours des régions segmentées sont caractérisés par l’effet de carré (pixel). Ainsi on perd l’information des régions contenant des contours lisses.
A la différence des méthodes précédentes, les modèles déformables sont caractérisés par une équation de mouvement dont la solution est obtenue par minimisation d’une fonctionnelle. Les contours déformables ont trouvé une large implantation dans la seg-mentation des images médicales, car la forme connue des organes permet d’incorporer un a priori dans les contours déformables afin d’améliorer leur robustesse en présence du bruit texturé ou d’occultations partielles [82, 104, 87, 5].
Une des principales difficultés de ces modèles réside dans le choix de paramètres appropriés permettant d’initialiser la courbe. En effet, la courbe doit être placée à proximité de la région à segmenter afin d’obtenir une segmentation correcte.
Les méthodes fondées sur les coupes de graphes (Graph Cut) [11, 49] permettent d’optimiser des fonctions de coût de manière globale, et ainsi d’éviter les minima locaux. Par ailleurs, dans les applications où la forme à segmenter est connue a priori, le processus de segmentation peut être guidé par un modèle de forme ou des contraintes sur celle-ci [31, 53]. L’avantage de cette méthode des coupes de graphes est sa capacité à donner efficacement une solution optimale pour l’utilisation conjointe de différentes informations sur l’image. Peu de travaux utilisent ce type de méthodes notamment à cause de la modélisation de la forme de l’objet et de son intégration dans l’algorithme.
Dans ce type d’algorithme, on peut également mentionner les méthodes de segmenta-tion par recalage d’atlas. L’atlas est un modèle de référence de la région à segmenter. Il s’agit ensuite de recaler ce modèle dans l’image par un modèle déformable. Par exem-ple, ce type d’approche est utilisé en oncologie, pour mesurer la taille d’une tumeur ou caractériser sa forme. Les régions d’intérêt sont recalées sur une image issue d’une recon-struction de tomodensitométrie ou de résonance magnétique [122, 58, 28]. Concernant ces approches, la qualité de la segmentation dépend de la méthode de recalage et de la manière de créer le modèle de l’atlas.
Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la segmentation d’images au cours du processus de reconstruction tomographique (RX). Il s’agit d’images bruitées, et ce d’autant plus que la segmentation intervient précocement dans le processus itératif de reconstruction. Par ailleurs, notons que l’estimation de la valeur du niveau de gris des pixels évolue au cours du processus global de reconstruction. Ces considérations ne nous permettent pas d’envisager l’exploitation de méthodes basées sur l’image.
Nous avons choisi de nous tourner vers la deuxième classe de méthodes basées sur des modèles géométriques. Dans un premier temps, nous avons considéré un modèle déformable paramétrique (ou snake), puis dans un second temps nous avons mis en œuvre une méthode d’ensembles de niveaux (ou level set). Dans la suite, nous présentons ces méthodes plus en détail.
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Table des matières
Introduction
1 Tomographie par rayons X
1.1 Principe physique
1.2 Acquisition des projections
1.3 Méthodes de reconstruction
1.3.1 Approche analytique
1.3.2 Approche itérative
1.4 Représentation d’une image
1.4.1 Fonction constante
1.4.2 Base d’ondelettes
1.4.3 Fonction radiale
1.4.4 Fonction polynomiale
1.4.5 Fonction linéaire nœudale
1.5 Pavages
1.5.1 Pavages réguliers
1.5.2 Pavages irréguliers
1.6 Conclusions
2 Détection des contours
2.1 Généralités
2.1.1 Méthodes basées sur l’image
2.1.2 Méthodes basées sur un modèle géométrique
2.2 Modèle déformable
2.2.1 Modèle déformable paramétrique : snake
2.2.2 Snake basé sur le flux du vecteur gradient
2.2.3 Contour actif par modèle déformable géométrique ou contour géodésique
2.3 Méthode de Level Set
2.3.1 Généralités
2.3.2 Modèle géométrique par level set
2.4 Modèle de segmentation de Mumford-Shah
2.5 Méthode de segmentation convexe
2.6 Conclusions
3 Problématique de la parallélisation
3.1 Accélération des algorithmes de reconstruction itératifs
3.2 Architectures parallèles
3.3 Parallélisation sur architectures parallèles
3.3.1 FPGA
3.3.2 Processeur Cell
3.3.3 GPU
3.3.4 CPU et Cluster
3.4 Conclusions
4 Méthode de reconstruction basée sur un maillage adaptatif (ATM)
4.1 État de l’art des méthodes de reconstruction / segmentation simultanée
4.1.1 Modèles géométriques
4.1.2 Représentations d’images alternatives
4.2 Choix d’une structure de données adaptée
4.2.1 Maille de base
4.2.2 Discrétisation de l’espace
4.3 Initialisation du maillage
4.4 Reconstruction tomographique
4.4.1 Projecteur / Rétroprojecteur
4.4.2 Validation du projecteur en 2D et en 3D
4.4.3 Algorithmes de reconstruction
4.4.4 Performance des algorithmes de reconstruction
4.5 Segmentation
4.5.1 Passage d’une grille irrégulière à une grille régulière
4.5.2 Cas mono-matériau
4.5.3 Cas multi-matériaux
4.6 Génération du maillage adapté au contenu de l’image
4.6.1 Maillage 2D
4.6.2 Étude du paramètre k
4.6.3 Étude de l’influence du nombre d’itérations pour la première estimation de l’objet sur la segmentation
4.7 Résultats : reconstructions tomographiques 2D
4.7.1 Données numériques : objet mono-matériau
4.7.2 Données expérimentales : objet mono-matériau
4.7.3 Données numériques : objet multi-matériaux
4.7.4 Discussion
4.8 Conclusions
5 Mise en œuvre sur carte graphique
5.1 Opérateur de projection en 2D
5.2 Traversée du volume composé de tétraèdres
5.2.1 Méthode des paramètres avec stockage d’équations de plans
5.2.2 Méthode de classification
5.2.3 Évaluations des performances dans le rendu volumique tétraédrique
5.3 Projecteur 3D
5.3.1 Validation de la projection calculée sur GPU
5.3.2 Influence du maillage sur le calcul des projections
5.3.3 Performances CPU et GPU
5.3.4 Performances en simple et double précision sur GPU
5.4 Rétroprojecteur 3D
5.5 Optimisation
5.5.1 Accélération de l’étape d’initialisation des rayons
5.5.2 Mise en œuvre d’accélération de l’étape d’initialisation des rayons par la structure hiérarchique
5.5.3 Amélioration du rétroprojecteur
5.6 Conclusions
Conclusions et Pespectives
A Courbure
B Fonction nœudale
Bibliographie
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