Virtual reality visualization of computed tomography for product development process

Computed tomography (CT) is a process that uses the light emission-detection technology to produce cross-sectional scan images showing the internal structure of a scanned object. CT scans typically generate a collection of 2D slices of the object and a 3D model of the object can be derived out of that. However, interpreting specific details of 2D images on a computer screen may be difficult and inconvenient, especially for non-experts without a direct correlation with the original 3D model. Virtual Reality (VR) is a technology that have been explored to visualize CT scans datasets, and their corresponding 3D models, allowing the user to examine the 3D model in a more self-explanatory environment, more similar to how someone would do it in a real-world environment. Despite the fact that Virtual Reality has been deeply investigated in the biomedical field for visualizing CT related data, the same for data coming from industrial CT has not been done yet. This thesis aims at investigating how using VR to visualize product related data, derived from CT scans, can support the product development process. To achieve this objective, a virtual reality application has been developed and tested with different sets of CT scans. After reviewing the state of the art, the VR application with all its assets is presented, showing in detail how every functionality can help to inspect CT data in order to enhance product development process. After that, the pipeline to prepare the CT data to be visualized in a VR environment is investigated and the development process of the application is detailed. The app has been developed in the Unity 3D software with the additional use of programs such as Materialize Mimics, 3D Slicer, ImageJ and Meshmixer to help with the preparation of the CT data. The application is compiled to work with the Oculus Quest 2, a low-cost VR head-mounted display. Two case studies have been used to validate the proposed pipeline. The first dataset refers to a set of 1098 slices of a lattice structure made for compression mechanical tests: to this extent, visualizing the data in a VR environment is helpful for checking internal defects or possible deviation from the desired geometry. The second dataset is about of 216 slices of a lamp designed for additive manufacturing: in this case, the focus is to provide a designer with an intuitive tool for checking internal structures without having to become an expert on reading CT scans.

La tomografia computerizzata (TC) è un processo che utilizza la tecnologia di rilevamento dell'emissione di luce per produrre immagini di scansione in sezione trasversale che mostrano la struttura interna di un oggetto scansionato. È una tecnologia molto utilizzata nel settore della medicina. Le scansioni TC vengono in genere utilizzate come raccolta di molte sezioni 2D. Tradizionalmente, la persona che esamina le scansioni TC deve creare mentalmente una rappresentazione 3D di un oggetto da immagini 2D. Inoltre, per cercare dettagli specifici può essere scomodo esaminare un modello 3D su uno schermo 2D: spostare il modello, ingrandire e rimpicciolire o guardare la struttura interna del modello utilizzando viste in sezione. Il modo più semplice ed efficiente per guardare il modello 3D sembra vederlo in realtà virtuale. Questa tecnologia consente all'utente di esaminare il modello 3D in un ambiente più autoesplicativo, più simile a come lo farebbe qualcuno in un ambiente del mondo reale, usando la mano per ruotare l'oggetto, affettare la parte per vedere cosa c'è al suo interno o il modo in cui avvicini l'oggetto per avere un aspetto migliore. Sebbene l'uso di una collaborazione tra scansioni TC e VR sembri promettente nel settore della medicina, non è possibile trovare molte o nessuna informazione sulla fusione di queste due tecnologie per il processo di sviluppo del design del prodotto o l'ispezione dei dati dell'ingegneria industriale. Questa collaborazione potrebbe avere un futuro altrettanto brillante in questi settori. Può aiutare con l'esame qualitativo della struttura interna delle parti in modo non distruttivo. Questa tesi mostra i possibili casi d'uso della fusione della tecnologia delle scansioni TC con le tecnologie VR per la progettazione e l'ingegneria. Per mostrare questi casi d'uso, è stata sviluppata l'applicazione di realtà virtuale. L'app è stata sviluppata nel software Unity con l'uso aggiuntivo di programmi come Materialise Mimics, 3D Slicer, ImageJ e Meshmixer. Il display hardware montato sulla testa per la visualizzazione dei dati tramite l'applicazione è Oculus Quest 2. Nell'applicazione sono presenti due set di dati CT di case study. Il primo set di dati è un insieme di 1098 sezioni di una struttura reticolare realizzata per i test meccanici di compressione. È stato realizzato dalla produzione additiva SLM in acciaio inossidabile 316L. Il secondo set di dati è un insieme di 216 sezioni di una lampada progettata per la produzione additiva. Questa relazione di tesi mostra e descrive in dettaglio l'applicazione con tutte le sue funzionalità. A parte questo, l'intero processo di sviluppo dell'applicazione, compreso il processo di preparazione dei dati CT per l'applicazione.