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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1 Ferramenta de visualização tridimensional de amostras indeformadas de solo agrícola obtidas com a técnica de tomografia de raios-x Mauricio Fernando Lima Pereira 1, Paulo Estevão Cruvinel 2 1 Instituto de Computação Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) Av. Fernando Corrêa da Costa, n o Bairro Boa Esperança. Cuiabá MT Brasil 2 Embrapa Instrumentação Rua XV de Novembro, no 1.452, Caixa Postal 741, CEP: São Carlos SP Brasil RESUMO A qualidade do solo está fortemente relacionada com a produtividade agrícola e alguns dos fatores que determinam essa qualidade podem ser obtidos por tomografia de raios-x. Usando dados provenientes de tomógrafos, este trabalho apresenta uma ferramenta de visualização volumétrica de amostras de solo. Os resultados mostraram que, através deste modelo pode ser extraído os coeficientes de atenuação de amostras de solo, bem como realizar-se a visualização e salvar cortes tomográficos da sagital, coronal e transversal. Também mostrou que a interação da ferramenta apoia fortemente uma melhor compreensão das diferentes densidades de solo. PALAVRAS-CHAVE: Visualização 3D, Tomografia computatorizada, Física 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. KEYWORDS: 3D Visualization, Soil physics, Computerized Tomography.

2 INTRODUÇÃO Atualmente, o conhecimento da qualidade do solo agrícola é um importante fator, na medida em que a retirada da cobertura vegetal e o uso intensivo da mecanização em todas as operações de cultivo do solo (semeadura, tratos culturais e colheita) podem resultar na diminuição da sua capacidade produtiva. Existem algumas variáveis que contribuem para medição desta qualidade tais como porosidade, densidade, dentre outras. A densidade do solo, por exemplo, ajuda a ter uma melhor caracterização física da estrutura do solo e serve como um indicador de sua compactação (PIRES et al., 2005). Nos últimos anos, ocorreu uma evolução na área de física dos solos que conduziram-se pelo desenvolvimento e aplicação de técnicas não invasivas para o estudo de características do solo (PIRES; ROSA; TIMM, 2011). Dentre as técnicas utilizadas, destaca-se a tomografia computadorizada de raios X, que se sobressai em relação às demais técnicas aplicadas na física de solos, como a gravimétrica e a sonda de nêutrons (PEDROTTI et al., 2005), devido à sua precisão na extração de atributos físicos, como densidade e umidade, e pela característica de possibilitar o exame de amostras de solo de forma não destrutiva (CRESTANA, 1986). Outra vantagem oferecida pela a tomografia computadorizada, em relação às demais, é a possibilidade de fazer-se uso das ferramentas do processamento de imagens (GONZALES; WOODS; EDDINS, 2004) para auxiliar a investigação dos fenômenos físicos que ocorrem solo. Neste panorama da aplicação da reconstrução tomográfica em física de solos, percebe-se que há pontos que têm sido pouco explorados, sendo os mesmos abertos à pesquisa. Dentre eles, destaca-se a ausência de modelos de reconstrução 3D que permitam, através da combinação de técnicas de processamento de imagens e de processamento paralelo, um maior aprofundamento dos estudos dos fenômenos dinâmicos que ocorrem no solo, com ênfase nas aplicações agrícolas. A respeito de construção volumétrica a partir de imagens de tomografia de raios X, alguns trabalhos tem sido desenvolvidos utilizando a reconstrução na análise de solos. Naime (NAIME, 2001) utilizou o ambiente PowerVis, construído no ambiente Borland Builder C++ para visualização da infiltração de água no solo. Bastardie et al (BASTARDIE; CAPOWIEZ; CLUZEAU, 2005) investigou a distribuição da variabilidade espacial em solos utilizando-se de ferramentas de visualização 3D para analisar-se sistemas de tocas de minhocas. Este trabalho apresenta uma ferramenta desenvolvida para análise tridimensional de amostras indeformadas de solo que foram obtidas através de tomografia de raio X. Ela permite ao usuário visualizar e extrair cortes sagitais, coronais e transversais de objetos tridimensionais, obter medidas de coeficiente de atenuação de qualquer ponto de coordenada(x,y,z) do objeto. A ferramenta possibilita também a interação com o objeto tridimensional e a seleção de faixas de interesse do coeficiente de atenuação, o que permite por exemplo, a exibição de regiões onde a densidade do solo é maior. Entre as contribuições do trabalho, destaca-se a criação de uma estrutura que permite o estudo de fenômenos dinâmicos da física de solos em 3D, a exemplo da avaliação dinâmica do movimento de água e solutos em amostras de solo e o estudo da porosidade.

3 MATERIAL E MÉTODOS Nesta seção são apresentados os conceitos fundamentais para a compreensão do contexto em que o trabalho foi construído e do desenvolvimento da ferramenta. Aplicação de tomografia na agricultura Na busca de técnicas mais apuradas para determinação e avaliação de parâmetros físicos do solo com aplicabilidade em diversos tipos de terrenos (PEDROTTI et al., 2003), vem se destacando há algum tempo o uso da tomografia computadorizada. Dentre os parâmetros de interesse, pode-se destacar o uso das técnicas de tomografia para estudo da (CRESTANA, 1986): Compactação; Penetração de raízes; Encrostamento; Ciclos de umedecimento e secagem; Fluxos preferenciais de poluentes em solos fraturados. A tomografia computadorizada, como um novo método de análise e investigação na física de solos, foi introduzida por Petrovic (PETROVIC; SIEBERT; RIEKE, 1982), Hainsworth (AYL- MORE; HAINSWORTH, 1983) e Crestana (CRESTANA, 1986). Historicamente, as maiores contribuições para Tomografia Computadorizada (TC) foram dadas por Radon que desenvolveu a matemática de reconstrução de uma função a partir de suas projeções, Cormack (CORMACK, 1963), que desenvolveu o método da retroprojeção a partir de transmissões de raios X, e Hounsfield (HOUNSFIELD, 1973) que construiu e testou o primeiro tomógrafo de raios X. Contribuições tão significativas estas, que renderam a Hounsfield e Cormack o prêmio Nobel de Medicina de O pioneirismo de um grupo de pesquisadores da Embrapa Instrumentação Agropecuária e a união de forças com pesquisadores de diversas especialidades de centros de excelência nacionais e internacionais possibilitaram que, a partir de 1985, fossem desenvolvidos tomógrafos de uso dedicado ao estudo de solos. Dentre os trabalhos desenvolvidos encontram-se o minitomógrafo de raios X e γ (CRUVINEL, 1987) (CRUVINEL et al., 1990) que se constituiu num importante e pioneiro passo na aplicação das técnicas tomográficas e realização de medidas de amostras de solo em laboratório. Em 1994, Naime e colaboradores (NAIME et al., 1997) desenvolveram um minitomógrafo portátil, o que deu agilidade ao estudo de amostras de solo uma vez que permitia o estudo em campo. Estes tomógrafos são apresentados nas Figuras 1(a) e (b), respectivamente. Mais recentemente, a partir de 2001, a Embrapa Instrumentação Agropecuária vem desenvolvendo um novo minitomógrafo baseado no método da tomografia Compton (COMPTON; HAGENOW, 1924). As técnicas convencionais de tomografia por transmissão e os modelos convencionais de tomógrafo são baseados no uso de fonte e detector em lados opostos. Esses modelos nem sempre podem ser utilizados em aplicações agrícolas, como por exemplo, a extração de medidas de solo diretamente no campo. A tomografia Compton que possui fonte e detector

4 situados do mesmo lado da amostra, tal qual mostra a Figura 2, apresenta esta flexibilidade. Ale m disso na o existe a necessidade nesse modelo de tomo grafo de se abrir trincheiras para ana lise de solo, como mostrado na Figura 1(b) (CRUVINEL; BALOGUN, 2000). Figura 1: (a) Minitomo grafo de resoluc a o milime trica de laborato rio - (b) Minitomo grafo porta til para estudo de solo e plantas, em campo (a) (b) Figura 2: Esquema do conjunto fonte-detector em um tomo grafo Compton Reconstruc a o tridimensional de amostras agrı colas As amostras adquiridas pelos tomo grafos da Embrapa Instrumentac a o e utilizadas neste trabalho possuem a caracterı stica de na o deslocar a posic a o de ana lise durante o processo de aquisic a o. Tal caracterı stica garante que mesmo em fatias obtidas em diferentes alturas na amostra, mantenha-se a relac a o espacial entre os dados dos planos tomografados. Quando na o ocorre movimentac a o na aquisic a o das fatias tomogra ficas, a reconstruc a o tridimensional pode ser feita tambe m a partir da sobreposic a o de fatias bidimensionais. Essa te cnica consiste em montar os planos gerados pelas func o es f (x, y, zi ) para i = 0, 1, 2,..., n, tal qual mostrado na Figura 3.

5 Figura 3: Ilustração da interpolação tridimensional a partir de fatias reconstruídas Partindo-se deste princípio, realiza-se a geração de imagens tomográficas tridimensionais utilizando-se um método de interpolação de dados que se baseia em dados realmente adquiridos para gerar os planos intermediários. A interpolação consiste em estimar dados intermediários com base nos dados previamente conhecidos preenchendo as lacunas desconhecidas a respeito dos dados e da função que os representa. Nos dias atuais, algumas soluções baseadas em interpolações de dados para a área agrícola contribuem para a melhor compreensão a respeito das características do solo, tais como porosidade, dinâmica e também na visualização das estruturas internas que o compõem. Neste trabalho, utiliza-se a técnica de interpolação por B-Spline-Wavelet, ou simplesmente B-Wavelet. Esta técnica demonstrou-se de grande precisão na determinação de características sub-pixel de imagens tomográficas. Algumas informações adicionais a respeito do uso desta técnica na área de processamento de imagens podem ser encontradas em (UNSER, 1997), (VE- LHO; PERLIN, 2002) e (PEREIRA, 2007). Visualization Toolkit (VTK) No desenvolvimento da interface gráfica, para manipulação de amostras de solo reconstruídas através dos algoritmos de reconstrução 3D, utilizou-se a biblioteca o Visualization Toolkit (VTK). Ela é open-source, e pode ser usado livremente para construção de sistemas para computação gráfica 3D, processamento de imagem e visualização. É composto por uma biblioteca C ++ classe e várias camadas de interface interpretados incluindo Tcl / Tk, Java e Python. Kitware, continuamente aprimorada ao longo dos anos. VTK suporta uma grande variedade de algoritmos de visualização, incluindo escalar, vetor, tensor, textura e métodos volumétricos, bem como técnicas de modelagem avançadas, tais como modelagem implícita, redução de polígono, malha alisamento, corte, contorno, e Delaunay triangulação. VTK tem uma extensa estrutura de visualização de informação e um conjunto de widgets de interação 3D. O kit de ferramentas suporta o processamento paralelo e integra-se com vários bancos de dados em kits de ferramentas GUI, tais como Qt e Tk. VTK é multi-plataforma e funciona em plataformas Linux, Windows, Mac e Unix.

6 Interação Humano Computador A interação indivíduo-computador envolve interdisciplinaridade, bem como esta relacionada a ciência da computação, à sociologia, à semiótica e outras áreas afins. Neste contexto, as tecnologias que devem ser usadas devem levar em conta a amigabilidade de forma a viabilizar a maximização da interação, assim como a confiabilidade na operação dos sistemas de softwares. Esta é uma das áreas de pesquisa que tem evoluído rapidamente, principalmente pelo fato de que problemas reais têm encontrado na abordagem sistêmica elementos para soluções plausíveis. Tais abordagens, entretanto requerem melhores ferramentas que viabilizem em um menor tempo a análise e visualização de grandes quantidades de dados e informações. A primeira definição de Visualização Científica surgiu na década de 80 no relatório Visualization in Scientific Computing (PREECE; SHARP; ROGERS, 2015), como uma forma de comunicação que transcendia as aplicações e os limites tecnológicos. Naquela época, o termo foi usado para sensibilizar a National Science Fundation para a importância do uso de métodos de computação gráfica associado às simulações com computadores mais robustos. Uma interface homem-máquina de caráter gráfico busca enfatizar as potencialidades dos sistemas computacionais de forma a tornar um software mais adequado em termos de sua usabilidade. Em qualquer interface, seja ela gráfica ou não, o usuário valoriza a facilidade com que consegue executar as tarefas pretendidas e a comodidade ao executá-las. Por isso, as questões chave na implementação de uma interface são a sua finalidade e os seus usuários alvo. As escolhas e decisões a tomar ao longo do processo de desenvolvimento de uma interface devem ser feitas com base na compreensão dos seus utilizadores. Essencialmente, o processo de desenvolvimento de uma interface envolve um conjunto de etapas e atividades básicas, ou seja, se faz necessário estudar o comportamento do usuário e a forma como ele executa as tarefas de forma a moldar a interface às suas necessidades, idealizar interfaces que respondam a essas necessidades e finalmente, construir versões interativas das interfaces para que possam ser utilizadas. Também, deve se considerado testes para validação e certificação de eficiência. Estes passos complementam-se e devem ser repetidos se necessário. Bohmerwald (BOHMERWALD, 2005) define tipos básicos de envolvimento na construção de uma interface: informativo, consultivo e participativo. Assim, com base em funcionalidades prédefinidas com a participação de usuários constrói-se uma nova interface ou reformula-se uma já existente. Porém, avaliar o que está a ser construído representa um dos principais pontos para o desenvolvimento de uma interface Homem-Máquina. Neste contexto, a melhor forma de avaliação e o teste da usabilidade da interface. Usabilidade é um atributo de qualidade que avalia quão fácil uma interface é de usar. A palavra usabilidade refere-se também aos métodos de melhoramento da facilidade de utilização durante o processo de criação (KUHLTHAU, 1999). RESULTADOS E DISCUSSÃO A aplicação de visualização tridimensional, denominada Viewer3D, foi desenvolvida para auxiliar na análise de resultados da reconstrução paralela. A ferramenta executa no ambiente

7 Windows e foi desenvolvida usando o Borland Builder C++, combinando-se com a biblioteca gráfica VTK. Um componente VCL foi gerado a partir do código-fonte do VTK e inserido no ambiente de desenvolvimento. Esse componente insere uma janela de visualização na ferramenta, que permite a interação com os objetos visualizados. A partir dos dados gerados pela reconstrução 3D, o sistema foi modelado para permitir análises e possui as seguintes funcionalidades: Visualização e interação com objetos recostruídos; Conversão de cortes em arquivos de formato.vtk ; Threshold de objetos 3D, ajustando valores minimo e máximo de threshold; Visualização de cortes sagital, coronal e transversão, através dos eixos X, Y, Z, respectivamente; Front-end para visualização de imagens 2D; O diagrama de classes mostrado na Figura 4 mostra, em alto nível, a organização das classes do núcleo da aplicação. As classes disponíveis no Borland Builder e algumas classes específicas da biblioteca VTK estão representadas em alto nível. Figura 4: Diagrama de classes da aplicação Viewer3D A classe T3DVisualizador centraliza as ações de carregamento da memória dos objetos reconstruídos, os ajustes de threshold e a visualização de cortes. Para isso, interage com outras classes do VTK, enviando e recebendo informações delas. A interação com os objetos é feita no componente TvtkBorlandRenderWindow, que fornece as funcionalidades para realizar os movimentos de rotação e translação do objecto 3D. A janela principal com a visualização de um objeto 3D é mostrada na Figura 5. Nela, uma imagem de um phantom heterogêneo é mostrada. Através da escolha de limiares de threshold, pode-se estudar a distribuição dos coeficientes nas partes internas da amostra, possibilitando-se um estudo mais criterioso. Essa funcionalidade da ferramenta é mostrada na Figura 6, onde o objeto com threshold entre 70 e 225

8 é mostrado. Outra característica da ferramenta é a visualização sagital coronal e transversal de cortes das amostras. Essas visualizações permitem a avaliação do interior do objeto em três dimensões. ajudando a visualizar suas estruturas internas. A Figura 7 apresenta, respectivamente, os cortes sagital e transversal de um phantom heterogêneo. Figura 5: Interface de visualização do Viewer3d, onde é interagir com o objeto reconstruído Figura 6: Janela do sistema apresentando os voxels do objeto que estão na área interna do objeto CONCLUSÕES O uso da biblioteca VTK na criação da ferramenta de visualização tridimensional enriqueceu as funcionalidades da aplicação e permitiu maior interação de usuários com o objeto reconstruído. Através da modelagem projetada para a visualização, foi possível gerar objetos em formato compatível com as classes da biblioteca VTK, bem como gerar ferramentas de análise que permitiram a seleção e visualização de partes do objeto reconstruído. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao apoio dado pela Embrapa Instrumentação, pelo Instituto de Computação da Universidade Federal de Mato Grosso (IC-UFMT) e pelo CNPq.

9 Figura 7: Visualização de cortes sagital e transversal de um phantom heterogêneo REFERÊNCIAS AYLMORE, L.; HAINSWORTH, J. M. The use of the computed-assisted tomography to determine spatial distributionof soil water content. Australian.Journal Soil Res, v. 21, n. 4, p , BASTARDIE, F.; CAPOWIEZ, Y.; CLUZEAU, D. 3d characterisation of earthworm burrow systems in natural soil cores collected from a 12-year-old pasture. Applied Soil Ecology, v. 30, n. 1, p , ISSN BOHMERWALD, P. Uma proposta metodológica para avaliação de bibliotecas digitais: usabilidade e comportamento de busca por informação na biblioteca digital da puc-minas. Ciência da Informação, Brasília, SciELO Brasil, v. 34, n. 1, p , COMPTON, A. H.; HAGENOW, C. A measurement of the polarization of secondary x-rays. Journal of the Optical Society of America ( ), v. 8, p , jul CORMACK, A. M. Representation of a foundation by its line with some radiological application. App. Phys, v. 34, n. 9, p , CRESTANA, S. The computerized tomography as a new method for the study of soil and waterphysic. 140 p. Tese (Doutorado) USP, São Carlos, CRUVINEL, P. E. X and γ-ray Computerized Minitomograph Scanner for MultidisciplinaryApplications. 325 p. Tese (Doutorado) Unicamp, Campinas, CRUVINEL, P. E.; BALOGUN, F. A. Compton scattering minitomography scanner for soil science. In: EMBRAPA AGRICULTURAL INSTRUMENTATION. Advances in Agricultural Tomography. São Carlos, p CRUVINEL, P. E. et al. X-rays and gamma-rays computerized minitomograph scanner for soil science. IEEE - Transactions on Instrumentation and Measurement, v. 39, n. 5, p , 1990.

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