Ferramenta de visualização tridimensional de amostras indeformadas de solo agrícola obtidas com a técnica de tomografia de raios-x RESUMO ABSTRACT

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Texto

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Ferramenta de visualizac¸˜ao tridimensional de amostras

indeformadas de solo agr´ıcola obtidas com a t´ecnica de

tomografia de raios-X

Mauricio Fernando Lima Pereira1, Paulo Estev˜ao Cruvinel2

1Instituto de Computac¸˜ao – Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)

Av. Fernando Corrˆea da Costa, no2367 - Bairro Boa Esperanc¸a. Cuiab´a – MT – Brasil 2Embrapa Instrumentac¸˜ao

Rua XV de Novembro, no 1.452, Caixa Postal 741, CEP: 13560-970 – S˜ao Carlos – SP – Brasil

RESUMO

A qualidade do solo est´a fortemente relacionada com a produtividade agr´ıcola e alguns dos fatores que determinam essa qualidade podem ser obtidos por tomografia de raios-X. Usando dados provenientes de tom´ografos, este trabalho apresenta uma ferramenta de visualizac¸˜ao vo-lum´etrica de amostras de solo. Os resultados mostraram que, atrav´es deste modelo pode ser extra´ıdo os coeficientes de atenuac¸˜ao de amostras de solo, bem como realizar-se a visualizac¸˜ao e salvar cortes tomogr´aficos da sagital, coronal e transversal. Tamb´em mostrou que a interac¸˜ao da ferramenta apoia fortemente uma melhor compreens˜ao das diferentes densidades de solo. PALAVRAS-CHAVE: Visualizac¸˜ao 3D, Tomografia computatorizada, F´ısica de solo.

ABSTRACT

Soil quality is strongly related to agricultural productivity and some of the factors that determine this quality can be obtained by X-ray tomography. Using data derived from tomographs, this work presents a tool for 3D Visualization of Agricultural Samples. The results showed that through this model measurements can be extracted of attenuation coefficient of soil samples as well as viewing and saving tomographic slices of the sagittal, coronal and transverse plane. It also showed that the interaction of the model strongly supports a better understanding of the different soil densities.

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INTRODUC

¸ ˜

AO

Atualmente, o conhecimento da qualidade do solo agr´ıcola ´e um importante fator, na medida em que a retirada da cobertura vegetal e o uso intensivo da mecanizac¸˜ao em todas as operac¸˜oes de cultivo do solo (semeadura, tratos culturais e colheita) podem resultar na diminuic¸˜ao da sua capacidade produtiva. Existem algumas vari´aveis que contribuem para medic¸˜ao desta qualidade tais como porosidade, densidade, dentre outras. A densidade do solo, por exemplo, ajuda a ter uma melhor caracterizac¸˜ao f´ısica da estrutura do solo e serve como um indicador de sua compactac¸˜ao (PIRES et al., 2005).

Nos ´ultimos anos, ocorreu uma evoluc¸˜ao na ´area de f´ısica dos solos que conduziram-se pelo desenvolvimento e aplicac¸˜ao de t´ecnicas n˜ao invasivas para o estudo de caracter´ısticas do solo (PIRES; ROSA; TIMM, 2011). Dentre as t´ecnicas utilizadas, destaca-se a tomografia com-putadorizada de raios X, que se sobressai em relac¸˜ao `as demais t´ecnicas aplicadas na f´ısica de solos, como a gravim´etrica e a sonda de nˆeutrons (PEDROTTI et al., 2005), devido `a sua precis˜ao na extrac¸˜ao de atributos f´ısicos, como densidade e umidade, e pela caracter´ıstica de possibilitar o exame de amostras de solo de forma n˜ao destrutiva (CRESTANA, 1986). Outra vantagem ofe-recida pela a tomografia computadorizada, em relac¸˜ao `as demais, ´e a possibilidade de fazer-se uso das ferramentas do processamento de imagens (GONZALES; WOODS; EDDINS, 2004) para auxiliar a investigac¸˜ao dos fenˆomenos f´ısicos que ocorrem solo.

Neste panorama da aplicac¸˜ao da reconstruc¸˜ao tomogr´afica em f´ısica de solos, percebe-se que h´a pontos que tˆem sido pouco explorados, sendo os mesmos abertos `a pesquisa. Dentre eles, destaca-se a ausˆencia de modelos de reconstruc¸˜ao 3D que permitam, atrav´es da combinac¸˜ao de t´ecnicas de processamento de imagens e de processamento paralelo, um maior aprofunda-mento dos estudos dos fenˆomenos dinˆamicos que ocorrem no solo, com ˆenfase nas aplicac¸˜oes agr´ıcolas. A respeito de construc¸˜ao volum´etrica a partir de imagens de tomografia de raios X, alguns trabalhos tem sido desenvolvidos utilizando a reconstruc¸˜ao na an´alise de solos. Naime (NAIME, 2001) utilizou o ambiente PowerVis, constru´ıdo no ambiente Borland Builder C++ para visualizac¸˜ao da infiltrac¸˜ao de ´agua no solo. Bastardie et al (BASTARDIE; CAPOWIEZ; CLUZEAU, 2005) investigou a distribuic¸˜ao da variabilidade espacial em solos utilizando-se de ferramentas de visualizac¸˜ao 3D para analisar-se sistemas de tocas de minhocas.

Este trabalho apresenta uma ferramenta desenvolvida para an´alise tridimensional de amos-tras indeformadas de solo que foram obtidas atrav´es de tomografia de raio X. Ela permite ao usu´ario visualizar e extrair cortes sagitais, coronais e transversais de objetos tridimensionais, obter medidas de coeficiente de atenuac¸˜ao de qualquer ponto de coordenada(x,y,z) do objeto. A ferramenta possibilita tamb´em a interac¸˜ao com o objeto tridimensional e a selec¸˜ao de faixas de interesse do coeficiente de atenuac¸˜ao, o que permite por exemplo, a exibic¸˜ao de regi˜oes onde a densidade do solo ´e maior.

Entre as contribuic¸˜oes do trabalho, destaca-se a criac¸˜ao de uma estrutura que permite o estudo de fenˆomenos dinˆamicos da f´ısica de solos em 3D, a exemplo da avaliac¸˜ao dinˆamica do movimento de ´agua e solutos em amostras de solo e o estudo da porosidade.

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MATERIAL E M ´

ETODOS

Nesta sec¸˜ao s˜ao apresentados os conceitos fundamentais para a compreens˜ao do contexto em que o trabalho foi constru´ıdo e do desenvolvimento da ferramenta.

Aplicac¸˜ao de tomografia na agricultura

Na busca de t´ecnicas mais apuradas para determinac¸˜ao e avaliac¸˜ao de parˆametros f´ısicos do solo com aplicabilidade em diversos tipos de terrenos (PEDROTTI et al., 2003), vem se destacando h´a algum tempo o uso da tomografia computadorizada. Dentre os parˆametros de interesse, pode-se destacar o uso das t´ecnicas de tomografia para estudo da (CRESTANA, 1986):

• Compactac¸˜ao; • Penetrac¸˜ao de ra´ızes; • Encrostamento;

• Ciclos de umedecimento e secagem;

• Fluxos preferenciais de poluentes em solos fraturados.

A tomografia computadorizada, como um novo m´etodo de an´alise e investigac¸˜ao na f´ısica de solos, foi introduzida por Petrovic (PETROVIC; SIEBERT; RIEKE, 1982), Hainsworth ( AYL-MORE; HAINSWORTH, 1983) e Crestana (CRESTANA, 1986).

Historicamente, as maiores contribuic¸˜oes para Tomografia Computadorizada (TC) foram dadas por Radon que desenvolveu a matem´atica de reconstruc¸˜ao de uma func¸˜ao a partir de suas projec¸˜oes, Cormack (CORMACK, 1963), que desenvolveu o m´etodo da retroprojec¸˜ao a partir de transmiss˜oes de raios X, e Hounsfield (HOUNSFIELD, 1973) que construiu e testou o primeiro tom´ografo de raios X. Contribuic¸˜oes t˜ao significativas estas, que renderam a Hounsfield e Cor-mack o prˆemio Nobel de Medicina de 1979.

O pioneirismo de um grupo de pesquisadores da Embrapa Instrumentac¸˜ao Agropecu´aria e a uni˜ao de forc¸as com pesquisadores de diversas especialidades de centros de excelˆencia na-cionais e internana-cionais possibilitaram que, a partir de 1985, fossem desenvolvidos tom´ografos de uso dedicado ao estudo de solos. Dentre os trabalhos desenvolvidos encontram-se o mi-nitom´ografo de raios X e γ (CRUVINEL, 1987) (CRUVINEL et al., 1990) que se constituiu num importante e pioneiro passo na aplicac¸˜ao das t´ecnicas tomogr´aficas e realizac¸˜ao de medidas de amostras de solo em laborat´orio. Em 1994, Naime e colaboradores (NAIME et al., 1997) desen-volveram um minitom´ografo port´atil, o que deu agilidade ao estudo de amostras de solo uma vez que permitia o estudo em campo. Estes tom´ografos s˜ao apresentados nas Figuras 1(a) e (b), respectivamente.

Mais recentemente, a partir de 2001, a Embrapa Instrumentac¸˜ao Agropecu´aria vem de-senvolvendo um novo minitom´ografo baseado no m´etodo da tomografia Compton (COMPTON; HAGENOW, 1924). As t´ecnicas convencionais de tomografia por transmiss˜ao e os modelos con-vencionais de tom´ografo s˜ao baseados no uso de fonte e detector em lados opostos . Esses mo-delos nem sempre podem ser utilizados em aplicac¸˜oes agr´ıcolas, como por exemplo, a extrac¸˜ao de medidas de solo diretamente no campo. A tomografia Compton que possui fonte e detector

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situados do mesmo lado da amostra, tal qual mostra a Figura 2, apresenta esta flexibilidade. Al´em disso n˜ao existe a necessidade nesse modelo de tom´ografo de se abrir trincheiras para an´alise de solo, como mostrado na Figura 1(b) (CRUVINEL; BALOGUN, 2000).

Figura 1: (a) Minitom´ografo de resoluc¸˜ao milim´etrica de laborat´orio - (b) Minitom´ografo port´atil para estudo de solo e plantas, em campo

(a) (b)

Figura 2: Esquema do conjunto fonte-detector em um tom´ografo Compton

Reconstruc¸˜ao tridimensional de amostras agr´ıcolas

As amostras adquiridas pelos tom´ografos da Embrapa Instrumentac¸˜ao e utilizadas neste tra-balho possuem a caracter´ıstica de n˜ao deslocar a posic¸˜ao de an´alise durante o processo de aquisic¸˜ao. Tal caracter´ıstica garante que mesmo em fatias obtidas em diferentes alturas na amostra, mantenha-se a relac¸˜ao espacial entre os dados dos planos tomografados. Quando n˜ao ocorre movimentac¸˜ao na aquisic¸˜ao das fatias tomogr´aficas, a reconstruc¸˜ao tridimensional pode ser feita tamb´em a partir da sobreposic¸˜ao de fatias bidimensionais. Essa t´ecnica consiste em montar os planos gerados pelas func¸˜oes f (x, y, zi) para i = 0, 1, 2, . . . , n, tal qual mostrado na

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Figura 3: Ilustrac¸˜ao da interpolac¸˜ao tridimensional a partir de fatias reconstru´ıdas

Partindo-se deste princ´ıpio, realiza-se a gerac¸˜ao de imagens tomogr´aficas tridimensionais utilizando-se um m´etodo de interpolac¸˜ao de dados que se baseia em dados realmente adquiridos para gerar os planos intermedi´arios.

A interpolac¸˜ao consiste em estimar dados intermedi´arios com base nos dados previamente conhecidos preenchendo as lacunas desconhecidas a respeito dos dados e da func¸˜ao que os representa . Nos dias atuais, algumas soluc¸˜oes baseadas em interpolac¸˜oes de dados para a ´area agr´ıcola contribuem para a melhor compreens˜ao a respeito das caracter´ısticas do solo, tais como porosidade, dinˆamica e tamb´em na visualizac¸˜ao das estruturas internas que o comp˜oem.

Neste trabalho, utiliza-se a t´ecnica de interpolac¸˜ao por B-Spline-Wavelet, ou simplesmente B-Wavelet. Esta t´ecnica demonstrou-se de grande precis˜ao na determinac¸˜ao de caracter´ısticas sub-pixel de imagens tomogr´aficas. Algumas informac¸˜oes adicionais a respeito do uso desta t´ecnica 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 gr´afica, para manipulac¸˜ao de amostras de solo reconstru´ıdas atrav´es dos algoritmos de reconstruc¸˜ao 3D, utilizou-se a biblioteca o Visualization Toolkit (VTK). Ela ´e open-source, e pode ser usado livremente para construc¸˜ao de sistemas para computac¸˜ao gr´afica 3D, processamento de imagem e visualizac¸˜ao. ´E composto por uma biblioteca C ++ classe e v´arias 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 visualizac¸˜ao, incluindo escalar, vetor, tensor, textura e m´etodos volum´etricos, bem como t´ecnicas de modelagem avanc¸adas, tais como modelagem impl´ıcita, reduc¸˜ao de pol´ıgono, malha alisamento, corte, contorno, e Delaunay triangulac¸˜ao. VTK tem uma extensa estrutura de visualizac¸˜ao de informac¸˜ao e um conjunto de widgets de interac¸˜ao 3D. O kit de ferramentas su-porta o processamento paralelo e integra-se com v´arios bancos de dados em kits de ferramentas GUI, tais como Qt e Tk. VTK ´e multi-plataforma e funciona em plataformas Linux, Windows, Mac e Unix.

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Interac¸˜ao Humano Computador

A interac¸˜ao indiv´ıduo-computador envolve interdisciplinaridade, bem como esta relacionada a ciˆencia da computac¸˜ao, `a sociologia, `a semi´otica e outras ´areas afins. Neste contexto, as tecnologias que devem ser usadas devem levar em conta a amigabilidade de forma a viabilizar a maximizac¸˜ao da interac¸˜ao, assim como a confiabilidade na operac¸˜ao dos sistemas de softwares. Esta ´e uma das ´areas de pesquisa que tem evolu´ıdo rapidamente, principalmente pelo fato de que problemas reais tˆem encontrado na abordagem sistˆemica elementos para soluc¸˜oes plaus´ıveis. Tais abordagens, entretanto requerem melhores ferramentas que viabilizem em um menor tempo a an´alise e visualizac¸˜ao de grandes quantidades de dados e informac¸˜oes. A pri-meira definic¸˜ao de Visualizac¸˜ao Cient´ıfica surgiu na d´ecada de 80 no relat´orio Visualization in Scientific Computing (PREECE; SHARP; ROGERS, 2015), como uma forma de comunicac¸˜ao que transcendia as aplicac¸˜oes e os limites tecnol´ogicos. Naquela ´epoca, o termo foi usado para sen-sibilizar a National Science Fundation para a importˆancia do uso de m´etodos de computac¸˜ao gr´afica associado `as simulac¸˜oes com computadores mais robustos.

Uma interface homem-m´aquina de car´ater gr´afico busca enfatizar as potencialidades dos sistemas computacionais de forma a tornar um software mais adequado em termos de sua usa-bilidade. Em qualquer interface, seja ela gr´afica ou n˜ao, o usu´ario valoriza a facilidade com que consegue executar as tarefas pretendidas e a comodidade ao execut´a-las. Por isso, as quest˜oes chave na implementac¸˜ao de uma interface s˜ao a sua finalidade e os seus usu´arios alvo. As esco-lhas e decis˜oes a tomar ao longo do processo de desenvolvimento de uma interface devem ser feitas com base na compreens˜ao dos seus utilizadores.

Essencialmente, o processo de desenvolvimento de uma interface envolve um conjunto de etapas e atividades b´asicas, ou seja, se faz necess´ario estudar o comportamento do usu´ario e a forma como ele executa as tarefas de forma a moldar a interface `as suas necessidades, idealizar interfaces que respondam a essas necessidades e finalmente, construir vers˜oes interativas das interfaces para que possam ser utilizadas. Tamb´em, deve se considerado testes para validac¸˜ao e certificac¸˜ao de eficiˆencia. Estes passos complementam-se e devem ser repetidos se necess´ario. Bohmerwald (BOHMERWALD, 2005) define tipos b´asicos de envolvimento na construc¸˜ao de uma interface: informativo, consultivo e participativo. Assim, com base em funcionalidades pr´e-definidas com a participac¸˜ao de usu´arios constr´oi-se uma nova interface ou reformula-se uma j´a existente. Por´em, avaliar o que est´a a ser constru´ıdo representa um dos principais pontos para o desenvolvimento de uma interface Homem-M´aquina.

Neste contexto, a melhor forma de avaliac¸˜ao e o teste da usabilidade da interface. Usa-bilidade ´e um atributo de qualidade que avalia qu˜ao f´acil uma interface ´e de usar. A palavra usabilidade refere-se tamb´em aos m´etodos de melhoramento da facilidade de utilizac¸˜ao durante o processo de criac¸˜ao (KUHLTHAU, 1999).

RESULTADOS E DISCUSS ˜

AO

A aplicac¸˜ao de visualizac¸˜ao tridimensional, denominada Viewer3D, foi desenvolvida para au-xiliar na an´alise de resultados da reconstruc¸˜ao paralela. A ferramenta executa no ambiente

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Windows e foi desenvolvida usando o Borland Builder C++, combinando-se com a biblioteca gr´afica VTK. Um componente VCL foi gerado a partir do c´odigo-fonte do VTK e inserido no ambiente de desenvolvimento. Esse componente insere uma janela de visualizac¸˜ao na ferra-menta, que permite a interac¸˜ao com os objetos visualizados.

A partir dos dados gerados pela reconstruc¸˜ao 3D, o sistema foi modelado para permitir an´alises e possui as seguintes funcionalidades:

• Visualizac¸˜ao e interac¸˜ao com objetos recostru´ıdos; • Convers˜ao de cortes em arquivos de formato .vtk ;

• Threshold de objetos 3D, ajustando valores minimo e m´aximo de threshold;

• Visualizac¸˜ao de cortes sagital, coronal e transvers˜ao, atrav´es dos eixos X, Y, Z, respec-tivamente;

• Front-end para visualizac¸˜ao de imagens 2D;

O diagrama de classes mostrado na Figura 4 mostra, em alto n´ıvel, a organizac¸˜ao das classes do n´ucleo da aplicac¸˜ao. As classes dispon´ıveis no Borland Builder e algumas classes espec´ıficas da biblioteca VTK est˜ao representadas em alto n´ıvel.

Figura 4: Diagrama de classes da aplicac¸˜ao Viewer3D

A classe T3DVisualizador centraliza as ac¸˜oes de carregamento da mem´oria dos objetos reconstru´ıdos, os ajustes de threshold e a visualizac¸˜ao de cortes. Para isso, interage com outras classes do VTK, enviando e recebendo informac¸˜oes delas. A interac¸˜ao com os objetos ´e feita no componente TvtkBorlandRenderWindow, que fornece as funcionalidades para realizar os movimentos de rotac¸˜ao e translac¸˜ao do objecto 3D. A janela principal com a visualizac¸˜ao de um objeto 3D ´e mostrada na Figura 5. Nela, uma imagem de um phantom heterogˆeneo ´e mostrada. Atrav´es da escolha de limiares de threshold, pode-se estudar a distribuic¸˜ao 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

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´e mostrado. Outra caracter´ıstica da ferramenta ´e a visualizac¸˜ao sagital coronal e transversal de cortes das amostras. Essas visualizac¸˜oes permitem a avaliac¸˜ao do interior do objeto em trˆes di-mens˜oes. ajudando a visualizar suas estruturas internas. A Figura 7 apresenta, respectivamente, os cortes sagital e transversal de um phantom heterogˆeneo.

Figura 5: Interface de visualizac¸˜ao do Viewer3d, onde ´e interagir com o objeto reconstru´ıdo

Figura 6: Janela do sistema apresentando os voxels do objeto que est˜ao na ´area interna do objeto

CONCLUS ˜

OES

O uso da biblioteca VTK na criac¸˜ao da ferramenta de visualizac¸˜ao tridimensional enriqueceu as funcionalidades da aplicac¸˜ao e permitiu maior interac¸˜ao de usu´arios com o objeto reconstru´ıdo. Atrav´es da modelagem projetada para a visualizac¸˜ao, foi poss´ıvel gerar objetos em formato compat´ıvel com as classes da biblioteca VTK, bem como gerar ferramentas de an´alise que permitiram a selec¸˜ao e visualizac¸˜ao de partes do objeto reconstru´ıdo.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao apoio dado pela Embrapa Instrumentac¸˜ao, pelo Instituto de Computac¸˜ao da Universidade Federal de Mato Grosso (IC-UFMT) e pelo CNPq.

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Figura 7: Visualizac¸˜ao de cortes sagital e transversal de um phantom heterogˆeneo

REFER ˆ

ENCIAS

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Referências

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