Ferramenta de visualizacao tridimensional de amostrasindeformadas de solo agrıcola obtidas com a tecnica de

tomografia de raios-X

Mauricio Fernando Lima Pereira1, Paulo Estevao Cruvinel2

1Instituto de Computacao – Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)Av. Fernando Correa da Costa, no 2367 - Bairro Boa Esperanca. Cuiaba – MT – Brasil

2Embrapa InstrumentacaoRua XV de Novembro, no 1.452, Caixa Postal 741, CEP: 13560-970 – Sao Carlos – SP – Brasil

RESUMOA qualidade do solo esta fortemente relacionada com a produtividade agrıcola e alguns dosfatores que determinam essa qualidade podem ser obtidos por tomografia de raios-X. Usandodados provenientes de tomografos, este trabalho apresenta uma ferramenta de visualizacao vo-lumetrica de amostras de solo. Os resultados mostraram que, atraves deste modelo pode serextraıdo os coeficientes de atenuacao de amostras de solo, bem como realizar-se a visualizacaoe salvar cortes tomograficos da sagital, coronal e transversal. Tambem mostrou que a interacaoda ferramenta apoia fortemente uma melhor compreensao das diferentes densidades de solo.PALAVRAS-CHAVE: Visualizacao 3D, Tomografia computatorizada, Fısica de solo.

ABSTRACTSoil quality is strongly related to agricultural productivity and some of the factors that determinethis quality can be obtained by X-ray tomography. Using data derived from tomographs, thiswork presents a tool for 3D Visualization of Agricultural Samples. The results showed thatthrough this model measurements can be extracted of attenuation coefficient of soil samples aswell as viewing and saving tomographic slices of the sagittal, coronal and transverse plane. Italso showed that the interaction of the model strongly supports a better understanding of thedifferent soil densities.KEYWORDS: 3D Visualization, Soil physics, Computerized Tomography.

INTRODUCAOAtualmente, o conhecimento da qualidade do solo agrıcola e um importante fator, na medidaem que a retirada da cobertura vegetal e o uso intensivo da mecanizacao em todas as operacoesde cultivo do solo (semeadura, tratos culturais e colheita) podem resultar na diminuicao da suacapacidade produtiva. Existem algumas variaveis que contribuem para medicao desta qualidadetais como porosidade, densidade, dentre outras. A densidade do solo, por exemplo, ajuda ater uma melhor caracterizacao fısica da estrutura do solo e serve como um indicador de suacompactacao (PIRES et al., 2005).

Nos ultimos anos, ocorreu uma evolucao na area de fısica dos solos que conduziram-sepelo desenvolvimento e aplicacao de tecnicas nao invasivas para o estudo de caracterısticas dosolo (PIRES; ROSA; TIMM, 2011). Dentre as tecnicas utilizadas, destaca-se a tomografia com-putadorizada de raios X, que se sobressai em relacao as demais tecnicas aplicadas na fısica desolos, como a gravimetrica e a sonda de neutrons (PEDROTTI et al., 2005), devido a sua precisaona extracao de atributos fısicos, como densidade e umidade, e pela caracterıstica de possibilitaro exame de amostras de solo de forma nao destrutiva (CRESTANA, 1986). Outra vantagem ofe-recida pela a tomografia computadorizada, em relacao as demais, e a possibilidade de fazer-seuso das ferramentas do processamento de imagens (GONZALES; WOODS; EDDINS, 2004) paraauxiliar a investigacao dos fenomenos fısicos que ocorrem solo.

Neste panorama da aplicacao da reconstrucao tomografica em fısica de solos, percebe-seque ha pontos que tem sido pouco explorados, sendo os mesmos abertos a pesquisa. Dentre eles,destaca-se a ausencia de modelos de reconstrucao 3D que permitam, atraves da combinacaode tecnicas de processamento de imagens e de processamento paralelo, um maior aprofunda-mento dos estudos dos fenomenos dinamicos que ocorrem no solo, com enfase nas aplicacoesagrıcolas. A respeito de construcao volumetrica a partir de imagens de tomografia de raios X,alguns trabalhos tem sido desenvolvidos utilizando a reconstrucao na analise de solos. Naime(NAIME, 2001) utilizou o ambiente PowerVis, construıdo no ambiente Borland Builder C++ paravisualizacao da infiltracao de agua no solo. Bastardie et al (BASTARDIE; CAPOWIEZ; CLUZEAU,2005) investigou a distribuicao da variabilidade espacial em solos utilizando-se de ferramentasde visualizacao 3D para analisar-se sistemas de tocas de minhocas.

Este trabalho apresenta uma ferramenta desenvolvida para analise tridimensional de amos-tras indeformadas de solo que foram obtidas atraves de tomografia de raio X. Ela permite aousuario visualizar e extrair cortes sagitais, coronais e transversais de objetos tridimensionais,obter medidas de coeficiente de atenuacao de qualquer ponto de coordenada(x,y,z) do objeto. Aferramenta possibilita tambem a interacao com o objeto tridimensional e a selecao de faixas deinteresse do coeficiente de atenuacao, o que permite por exemplo, a exibicao de regioes onde adensidade do solo e maior.

Entre as contribuicoes do trabalho, destaca-se a criacao de uma estrutura que permite oestudo de fenomenos dinamicos da fısica de solos em 3D, a exemplo da avaliacao dinamica domovimento de agua e solutos em amostras de solo e o estudo da porosidade.

MATERIAL E METODOSNesta secao sao apresentados os conceitos fundamentais para a compreensao do contexto emque o trabalho foi construıdo e do desenvolvimento da ferramenta.

Aplicacao de tomografia na agriculturaNa busca de tecnicas mais apuradas para determinacao e avaliacao de parametros fısicos do solocom aplicabilidade em diversos tipos de terrenos (PEDROTTI et al., 2003), vem se destacando haalgum tempo o uso da tomografia computadorizada. Dentre os parametros de interesse, pode-sedestacar o uso das tecnicas de tomografia para estudo da (CRESTANA, 1986):

• Compactacao;• Penetracao de raızes;• Encrostamento;• Ciclos de umedecimento e secagem;• Fluxos preferenciais de poluentes em solos fraturados.

A tomografia computadorizada, como um novo metodo de analise e investigacao na fısicade solos, foi introduzida por Petrovic (PETROVIC; SIEBERT; RIEKE, 1982), Hainsworth (AYL-

MORE; HAINSWORTH, 1983) e Crestana (CRESTANA, 1986).Historicamente, as maiores contribuicoes para Tomografia Computadorizada (TC) foram

dadas por Radon que desenvolveu a matematica de reconstrucao de uma funcao a partir de suasprojecoes, Cormack (CORMACK, 1963), que desenvolveu o metodo da retroprojecao a partir detransmissoes de raios X, e Hounsfield (HOUNSFIELD, 1973) que construiu e testou o primeirotomografo de raios X. Contribuicoes tao significativas estas, que renderam a Hounsfield e Cor-mack o premio Nobel de Medicina de 1979.

O pioneirismo de um grupo de pesquisadores da Embrapa Instrumentacao Agropecuariae a uniao de forcas com pesquisadores de diversas especialidades de centros de excelencia na-cionais e internacionais possibilitaram que, a partir de 1985, fossem desenvolvidos tomografosde uso dedicado ao estudo de solos. Dentre os trabalhos desenvolvidos encontram-se o mi-nitomografo de raios X e γ (CRUVINEL, 1987) (CRUVINEL et al., 1990) que se constituiu numimportante e pioneiro passo na aplicacao das tecnicas tomograficas e realizacao de medidas deamostras de solo em laboratorio. Em 1994, Naime e colaboradores (NAIME et al., 1997) desen-volveram um minitomografo portatil, o que deu agilidade ao estudo de amostras de solo umavez que permitia o estudo em campo. Estes tomografos sao apresentados nas Figuras 1(a) e (b),respectivamente.

Mais recentemente, a partir de 2001, a Embrapa Instrumentacao Agropecuaria vem de-senvolvendo um novo minitomografo baseado no metodo da tomografia Compton (COMPTON;

HAGENOW, 1924). As tecnicas convencionais de tomografia por transmissao e os modelos con-vencionais de tomografo sao baseados no uso de fonte e detector em lados opostos . Esses mo-delos nem sempre podem ser utilizados em aplicacoes agrıcolas, como por exemplo, a extracaode medidas de solo diretamente no campo. A tomografia Compton que possui fonte e detector

situados do mesmo lado da amostra, tal qual mostra a Figura 2, apresenta esta flexibilidade.Alem disso nao existe a necessidade nesse modelo de tomografo de se abrir trincheiras paraanalise de solo, como mostrado na Figura 1(b) (CRUVINEL; BALOGUN, 2000).

Figura 1: (a) Minitomografo de resolucao milimetrica de laboratorio - (b) Minitomografoportatil para estudo de solo e plantas, em campo

(a) (b)

Figura 2: Esquema do conjunto fonte-detector em um tomografo Compton

Reconstrucao tridimensional de amostras agrıcolasAs amostras adquiridas pelos tomografos da Embrapa Instrumentacao e utilizadas neste tra-balho possuem a caracterıstica de nao deslocar a posicao de analise durante o processo deaquisicao. Tal caracterıstica garante que mesmo em fatias obtidas em diferentes alturas naamostra, mantenha-se a relacao espacial entre os dados dos planos tomografados. Quando naoocorre movimentacao na aquisicao das fatias tomograficas, a reconstrucao tridimensional podeser feita tambem a partir da sobreposicao de fatias bidimensionais. Essa tecnica consiste emmontar os planos gerados pelas funcoes f(x, y, zi) para i = 0, 1, 2, . . . , n, tal qual mostrado naFigura 3.

Figura 3: Ilustracao da interpolacao tridimensional a partir de fatias reconstruıdas

Partindo-se deste princıpio, realiza-se a geracao de imagens tomograficas tridimensionaisutilizando-se um metodo de interpolacao de dados que se baseia em dados realmente adquiridospara gerar os planos intermediarios.

A interpolacao consiste em estimar dados intermediarios com base nos dados previamenteconhecidos preenchendo as lacunas desconhecidas a respeito dos dados e da funcao que osrepresenta . Nos dias atuais, algumas solucoes baseadas em interpolacoes de dados para a areaagrıcola contribuem para a melhor compreensao a respeito das caracterısticas do solo, tais comoporosidade, dinamica e tambem na visualizacao das estruturas internas que o compoem.

Neste trabalho, utiliza-se a tecnica de interpolacao por B-Spline-Wavelet, ou simplesmenteB-Wavelet. Esta tecnica demonstrou-se de grande precisao na determinacao de caracterısticassub-pixel de imagens tomograficas. Algumas informacoes adicionais a respeito do uso destatecnica na area de processamento de imagens podem ser encontradas em (UNSER, 1997), (VE-

LHO; PERLIN, 2002) e (PEREIRA, 2007).

Visualization Toolkit (VTK)

No desenvolvimento da interface grafica, para manipulacao de amostras de solo reconstruıdasatraves dos algoritmos de reconstrucao 3D, utilizou-se a biblioteca o Visualization Toolkit(VTK). Ela e open-source, e pode ser usado livremente para construcao de sistemas para computacaografica 3D, processamento de imagem e visualizacao. E composto por uma biblioteca C ++classe e varias camadas de interface interpretados incluindo Tcl / Tk, Java e Python. Kitware,continuamente aprimorada ao longo dos anos. VTK suporta uma grande variedade de algo-ritmos de visualizacao, incluindo escalar, vetor, tensor, textura e metodos volumetricos, bemcomo tecnicas de modelagem avancadas, tais como modelagem implıcita, reducao de polıgono,malha alisamento, corte, contorno, e Delaunay triangulacao. VTK tem uma extensa estrutura devisualizacao de informacao e um conjunto de widgets de interacao 3D. O kit de ferramentas su-porta o processamento paralelo e integra-se com varios bancos de dados em kits de ferramentasGUI, tais como Qt e Tk. VTK e multi-plataforma e funciona em plataformas Linux, Windows,Mac e Unix.

Interacao Humano ComputadorA interacao indivıduo-computador envolve interdisciplinaridade, bem como esta relacionadaa ciencia da computacao, a sociologia, a semiotica e outras areas afins. Neste contexto, astecnologias que devem ser usadas devem levar em conta a amigabilidade de forma a viabilizar amaximizacao da interacao, assim como a confiabilidade na operacao dos sistemas de softwares.

Esta e uma das areas de pesquisa que tem evoluıdo rapidamente, principalmente pelofato de que problemas reais tem encontrado na abordagem sistemica elementos para solucoesplausıveis. Tais abordagens, entretanto requerem melhores ferramentas que viabilizem em ummenor tempo a analise e visualizacao de grandes quantidades de dados e informacoes. A pri-meira definicao de Visualizacao Cientıfica surgiu na decada de 80 no relatorio Visualization inScientific Computing (PREECE; SHARP; ROGERS, 2015), como uma forma de comunicacao quetranscendia as aplicacoes e os limites tecnologicos. Naquela epoca, o termo foi usado para sen-sibilizar a National Science Fundation para a importancia do uso de metodos de computacaografica associado as simulacoes com computadores mais robustos.

Uma interface homem-maquina de carater grafico busca enfatizar as potencialidades dossistemas computacionais de forma a tornar um software mais adequado em termos de sua usa-bilidade. Em qualquer interface, seja ela grafica ou nao, o usuario valoriza a facilidade com queconsegue executar as tarefas pretendidas e a comodidade ao executa-las. Por isso, as questoeschave na implementacao de uma interface sao a sua finalidade e os seus usuarios alvo. As esco-lhas e decisoes a tomar ao longo do processo de desenvolvimento de uma interface devem serfeitas com base na compreensao dos seus utilizadores.

Essencialmente, o processo de desenvolvimento de uma interface envolve um conjunto deetapas e atividades basicas, ou seja, se faz necessario estudar o comportamento do usuario e aforma como ele executa as tarefas de forma a moldar a interface as suas necessidades, idealizarinterfaces que respondam a essas necessidades e finalmente, construir versoes interativas dasinterfaces para que possam ser utilizadas. Tambem, deve se considerado testes para validacao ecertificacao de eficiencia. Estes passos complementam-se e devem ser repetidos se necessario.Bohmerwald (BOHMERWALD, 2005) define tipos basicos de envolvimento na construcao de umainterface: informativo, consultivo e participativo. Assim, com base em funcionalidades pre-definidas com a participacao de usuarios constroi-se uma nova interface ou reformula-se uma jaexistente. Porem, avaliar o que esta a ser construıdo representa um dos principais pontos para odesenvolvimento de uma interface Homem-Maquina.

Neste contexto, a melhor forma de avaliacao e o teste da usabilidade da interface. Usa-bilidade e um atributo de qualidade que avalia quao facil uma interface e de usar. A palavrausabilidade refere-se tambem aos metodos de melhoramento da facilidade de utilizacao duranteo processo de criacao (KUHLTHAU, 1999).

RESULTADOS E DISCUSSAOA aplicacao de visualizacao tridimensional, denominada Viewer3D, foi desenvolvida para au-xiliar na analise de resultados da reconstrucao paralela. A ferramenta executa no ambiente

Windows e foi desenvolvida usando o Borland Builder C++, combinando-se com a bibliotecagrafica VTK. Um componente VCL foi gerado a partir do codigo-fonte do VTK e inserido noambiente de desenvolvimento. Esse componente insere uma janela de visualizacao na ferra-menta, que permite a interacao com os objetos visualizados.

A partir dos dados gerados pela reconstrucao 3D, o sistema foi modelado para permitiranalises e possui as seguintes funcionalidades:

• Visualizacao e interacao com objetos recostruıdos;• Conversao de cortes em arquivos de formato .vtk ;• Threshold de objetos 3D, ajustando valores minimo e maximo de threshold;• Visualizacao de cortes sagital, coronal e transversao, atraves dos eixos X, Y, Z, respec-

tivamente;• Front-end para visualizacao de imagens 2D;

O diagrama de classes mostrado na Figura 4 mostra, em alto nıvel, a organizacao dasclasses do nucleo da aplicacao. As classes disponıveis no Borland Builder e algumas classesespecıficas da biblioteca VTK estao representadas em alto nıvel.

Figura 4: Diagrama de classes da aplicacao Viewer3D

A classe T3DVisualizador centraliza as acoes de carregamento da memoria dos objetosreconstruıdos, os ajustes de threshold e a visualizacao de cortes. Para isso, interage com outrasclasses do VTK, enviando e recebendo informacoes delas. A interacao com os objetos e feitano componente TvtkBorlandRenderWindow, que fornece as funcionalidades para realizar osmovimentos de rotacao e translacao do objecto 3D. A janela principal com a visualizacao de umobjeto 3D e mostrada na Figura 5. Nela, uma imagem de um phantom heterogeneo e mostrada.

Atraves da escolha de limiares de threshold, pode-se estudar a distribuicao dos coefici-entes nas partes internas da amostra, possibilitando-se um estudo mais criterioso. Essa funci-onalidade da ferramenta e mostrada na Figura 6, onde o objeto com threshold entre 70 e 225

e mostrado. Outra caracterıstica da ferramenta e a visualizacao sagital coronal e transversal decortes das amostras. Essas visualizacoes permitem a avaliacao do interior do objeto em tres di-mensoes. ajudando a visualizar suas estruturas internas. A Figura 7 apresenta, respectivamente,os cortes sagital e transversal de um phantom heterogeneo.

Figura 5: Interface de visualizacao do Viewer3d, onde e interagir com o objeto reconstruıdo

Figura 6: Janela do sistema apresentando os voxels do objeto que estao na area interna do objeto

CONCLUSOESO uso da biblioteca VTK na criacao da ferramenta de visualizacao tridimensional enriqueceu asfuncionalidades da aplicacao e permitiu maior interacao de usuarios com o objeto reconstruıdo.Atraves da modelagem projetada para a visualizacao, foi possıvel gerar objetos em formatocompatıvel com as classes da biblioteca VTK, bem como gerar ferramentas de analise quepermitiram a selecao e visualizacao de partes do objeto reconstruıdo.

AGRADECIMENTOSOs autores agradecem ao apoio dado pela Embrapa Instrumentacao, pelo Instituto de Computacaoda Universidade Federal de Mato Grosso (IC-UFMT) e pelo CNPq.

Figura 7: Visualizacao de cortes sagital e transversal de um phantom heterogeneo

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