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Huygens SFP レンダリング

蛍光データのリアルな 3D 場面を生成します



Huygens SFP レンダリングは、蛍光物質の分布として説明される 3D 顕微鏡画像に基づいてリアルな 3D場面を生成します。 計算作業は、Simulated Fluorescence Process (SFP)アルゴリズムによって行われ、蛍光物質が励起されたときに何が起こるか、その後の蛍光が観察者にどのように伝わるかをシミュレートします。

SFP アルゴリズムの特性により、対象物をさまざまな深さでレンダリングを可能にし、対象物の表面下の層を可視化できます。 このアルゴリズムは、表面、急勾配か、またはいかなるセグメンテーションの検出を必要とせずに、それで、3D 顕微鏡データの直接のレンダリングに非常に適しています。 Huygens 19.04 (2019 年春にリリース)以降、SFP レンダリングは、GPU アクセラレーションを使用して、大幅な速度向上を実現しています。

画像の説明:
Leica デジタルシート光顕微鏡で取得したマウス胚盤胞を示す Huygens SFP レンダリングで、適切なシート光 PSF と CMLE アルゴリズムを使用して、Huygens でデコンボリューション処理しました。 EMBL(ドイツ、ハイデルベルク)の Dr. Marc Duque Ramirez と Dr. Niwayama Ritsuya (Hiiragi グループ)および Dr. Stefan Terjung (ALMF) のご厚意による提供。




SFP and surface rendering

新しい Huygens バージョン 19.10 は、SFP レンダリング場面に iso-surface を追加する機能です( 追加の iso-surface の表示の右側の構造は、比較のために SFP 場面に配置されています)。

Penetration Depth

SFP レンダリングで最も重要なパラメータは、おそらく浸透深度です。 このパラメータは、すべてのチャネルの吸収と蛍光の透明度を同時に設定します。

Cutting Planes

Huygens 19.10 の新機能は、SFP レンダリングに切断面を追加する能力です。 これにより、画像の一部が事実上、切り取られ、内部を見ることができます。


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Simulated Fluorescence Process Principle


SFP ボリュームレンダリングアルゴリズムは、画像の強度を蛍光色素の分布として説明します。 物理的な光/物質の相互作用プロセスをモデル化することにより、場面をレンダリングし、実際に同じ条件下で現れるデータを表示します。 アルゴリズムの最初のステージでは、無限遠にある光源によって蛍光分布が照明されます(励起されます)。 色素は、励起光を吸収するので、光源に面する領域は、より励起されます。 対象物の下にテーブルが配置され、影が見えるようになります。 第 2 のステージでは、対象物とテーブルから発せられた光が観察者に向かって伝播します。 色素を通過する光は、吸収され、対象物は、他の対象物により表示から覆い隠されます。 マルチチャネル画像の各チャネルは、異なる特性(透明度、色、明るさなど)を持つ色素として解釈されることに留意してください。 詳細については、SFP アルゴリズムを参照してください。

画像の説明:
SFP レンダリングでは、蛍光物質による励起とそれに続く蛍光をシミュレートします。 光ビームのその後の各ボクセルは、以前にあったものからのシャドウイングの影響を受けます。 蛍光に対する対象物の透明度は、観察者が対象物の内部をどの程度見るかをコントロールします。

SfpSchemeBigger



Penetration Depth


SFP レンダリングで最も重要なパラメータは、おそらく、浸透深度です。 このパラメータは、すべてのチャネルの吸収と蛍光の透明度を同時に設定します。 左側の例では、2 つのマウス胚盤胞の低い浸透深度でのレンダリングを見られます。 励起光は、ほぼすぐに対象物に吸収され、対象物は、非常に立体に見えます。 対象物は、濃い影も落とします。 浸透深度を大きくすると、右側の画像が得られます。 光は、対象物の奥深くに浸透し、内部構造を明らかにし、全体的に柔らかく、透明な外観の画像を提供できます。 影も薄くなり、対象物の内部構造を映し出します。

PenetrationDepth

画像の説明:
浸透深度パラメータの効果を示すマウス胚盤胞の SFP レンダリング。 左側の場面の浸透深度は、低く、右側の場面の浸透深度は、高くなっています。


Adding an isosurface


Huygens 19.10 の新機能は、SFP 場面に iso-surface を追加する能力です。 この表面は、SFP レンダリングにある表面に似ています。 ただし、SFP 場面では、表面は、励起光と蛍光とのより高度な相互作用を持ち、空間と奥行きの感覚がはるかに大きくなります。 表面は、励起光と蛍光の両方に対して完全に入り込めない障壁として実際上、説明され、そのため、その下およびテーブル上に SFP 物質の濃い影を落とします。 また、その前にあるかもしれない SFP 物質によって部分的に隠されます。 最後に、表面は、それ自体に影を落とすこともできるため、すべての蛍光物質がなくても興味深いレンダリングおよびアニメーションを作成できます。

画像の説明:
右側の対象物に追加された iso-surface レイヤー。 EMBL(ハイデルベルク、ドイツ)の Dr. Marc Duque Ramirez と Dr. Niwayama Ritsuya(Hiiragi グループ)および Dr. Stefan Terjung(ALMF)のご厚意による提供。.

SFP Renderer Surface


Using cutting planes


Huygens 19.10 のもう 1 つの新機能は、SFP レンダリングに切断面を追加する能力です。 これにより、画像の一部が実質的に切り取られ、内部を見ることができます。 最大 6 つの切断面を同時に追加でき、各切断面を任意の位置と方向に配置できます。 右上の画像では、切断面を選択および変更できるインターフェースを表示します。 下の画像では、SFP 場面に 1 つ、次に、2 つの切断面を追加した場合の効果を確認できます。 切断面を組み合わせることにより、くさび状に、立方に、そして、断片に切断できます。 これらをアニメーション化することで、非常に情報豊富なアニメーションも作成できます。

SfpCuttingPlanes

画像の説明:
マウス胚盤胞の SFP レンダリング。 左側の画像では、切断面は、使用されていません。 中央の画像では、単一の切断面は、ほぼカメラに向かう面法線で使用されます。 右側の画像では、追加の切断面が使用されており、面法線は、ほぼ上向きになっています。 画像は、EMBL(ハイデルベルク、ドイツ)の Dr. Marc Duque Ramirez、Dr. Ritsuya Niwayama (Hiiragi グループ)、および Dr. Stefan Terjung (ALMF)のご厚意による提供。.



Rendering a movie


Huygens Movie Maker は、MIP、SFP、および Surface レンダリングを使用して洗練されたアニメーションを作成できます。 ただし、SFP レンダリングは、2 つのカスタムキーフレーム間を移行することにより、それ自身で簡単なアニメーションを作成することもできます。

ムービーの説明:
ニワトリ胚の貼り合わせと融合したシート光画像、iso-surface および切断面の移動する Huygens SFP レンダリングでレンダリングされます。 リヨン 1 大学(フランス)の Prof. Christophe Marcelle、Mrs. Marie Julie Dejardin (INMG) および Dr. Denis Ressnikoff (CIQLE)のご厚意による提供。