Volumemosaics and modular sculptures - Adapting the photomosaic process to microtomographic data

Abstract

Micro computed tomography data is an ubiquitous by-product in many fields of scientific research. Major natural history museums around the world have set up imaging facilities with x-ray microCT capabilities and are currently scanning their vast collections of unique biological specimens into volumetric datasets. At the same time, data is becoming available online not only for researchers, but other interested parties as well.

This raises questions about possible applications for the data. Microtomographic data can be readily visualised on a 2-dimensional screen, however physical representations remain rare. This may be due to the nature of the data: first, tomographic X-ray data describes a volume of density measurements and creating a physical representation of the data will necessitate taking the internal structures present in the data into account. Second, volumetric datasets can consist of up to billions of data points, making it infeasible to construct an exact physical version of the data.

This thesis explores the use of algorithms common in the photomosaic process as a possible approach to analyse volumetric structures found in microtomographic data. The goal is to convert the data into sets of three-dimensional modules, while retaining salient features in the data. Examples of previous data physicalization utilising volumetric data are analysed and inspiration is taken from tile patterns and modular wall sculpture. A process for designing modular sculpture is produced as an end result. These sculptures can be explored in virtual 3D environments, and they could be used as guides to plan physical data sculptures.

Miktomografiadatan käyttö on nykypäivänä tavallista eri tieteenalojen parissa. Kulttuurilliset instituutiot kuten luonnonhistorialliset museot ympäri maailman tuottavat dataa omissa kuvantamisyksiköissään, tavoitteenaan tallentaa ainutlaatuiset museokokoelmat digitaaliseen muotoon. Samaan aikaan datan jakaminen internetin ylitse on yleistynyt, ja mikrotomografiadataa on aikaisempaa helpommin saatavilla myös tutkimusryhmien ulkopuoliseen käyttöön.

Tämä herättää ajatuksia datan käyttömahdollisuuksista. Datan visualisointi kaksiulotteisella ruudulla on yleistä, mutta sen pohjalta tuotetut fyysiset artefaktit ovat harvinaisia. Tämä saattaa liittyä dataan saatavuuteen mutta myös sen rakenteeseen: mikrotomografiadata tallennetaan tyypillisesti kolmiulotteisiksi matriiseiksi joiden jokaiseen koordinaattiin tallennetaan tiheysarvo. Lisäksi data on usein korkearesoluutioista ja voi sisältää jopa miljardeja mittausarvoja. Näin valtavan datamäärän muuttaminen fyysiseksi esineeksi on haasteellista.

Tässä opinnäytetyössä tutkitaan voisivatko tyypilliset valokuvamosaiikkialgoritmit auttaa mikrotomografiadatan käsittelyssä. Päämääränä on muuttaa valtavat määrät tiheysarvoja rajatuksi määräksi moduuleita, jotka muistuttavat alkuperäiseen dataan tallennettuja volumetrisia rakenteita silmämääräisesti. Opinnäytetyössä tutkitaan aikaisempia esimerkkejä tietokonetomografiadataan perustuvista fyysisistä patsaista. Lisäksi inspiraation lähteenä käytetään laattakuviointeja ja modulaarisia reliefejä. Opinnäytetyön lopputulos on valokuvamosaiikkialgoritmeihin perustuva, mutta niistä edelleen kehitetty prosessi jonka avulla mikrotomografiadatasta tuotetaan digitaalisia, modulaarisia patsasprototyyppejä.