基于gpu的二維紋理體繪制

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1、第1章基于GPU的二維紋理體繪制基于GPU的二維紋理實時體繪制能很好的利用GPU的特性，來存儲紋理。二維紋理實時體繪制由于其不需要提取中間幾何基元而受到了學者們的廣泛關(guān)注。但是二維紋理實時體繪制的計算量很大,利用硬件加速功能實現(xiàn)二維紋理實時體繪制大大提高了繪制速度,已經(jīng)成為目前研究的熱點。1.1引言本部分將論述一種基于GPU的二維紋理實時體繪制算法。直接體繪制由于運行速度慢，占用資源多等原因而不易在普通PC機上采用。新一代的圖形顯示硬件集成了以圖形處理器為核心的可編程頂點著色器和可編程像素著色器,為實現(xiàn)實時體繪制技術(shù)提供了硬件加速支持。因此，近年來基于GPU硬件加速

2、的直接體繪制技術(shù)逐漸得以進一步改進和發(fā)展。本部分論述了一種基于圖形卡的的直接體繪制算法。體繪制(VolumeRendering)是可視化體數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)。較傳統(tǒng)的表面繪制，它不涉及幾何建模過程，而是將體數(shù)據(jù)直接繪制成三維圖像，因此能夠更有效地從任意視角高質(zhì)量顯示物體的結(jié)構(gòu)。所以體繪制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學三維重建、虛擬人數(shù)據(jù)的顯示處理等眾多領(lǐng)域。尤其是隨著三維可視化技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用，體繪制速度與用戶要求實時、交互式處理之間的矛盾越來越嚴重。目前，進行三維體數(shù)據(jù)集的快速繪制主要有兩種方法：基于軟件的加速方法和基于硬件的加速方法。而基于軟件的加速方法中，國內(nèi)外學者提出

3、了如采用計算復雜度低的插值算法、降低重采樣密度、發(fā)射更少量光線、采用簡化的光照模型、梯度計算等方法來加速體繪制過程。但對于醫(yī)學三維重建、手術(shù)導航等對體繪制結(jié)果的準確性、精確性要求較高的應(yīng)用，這些通過降低圖像繪制質(zhì)量來換取速度的方法是不可行的。另有一些更為科學的加速體繪制算法，如空間游程編碼、八叉樹等利用繪制的計算復雜度為O的特點，通過精心設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有效地壓縮和剔除那些對屏幕沒有貢獻的無效體素來提高體繪制速度。此外，提前不透明度截止、空間跳躍、提前計算視點無關(guān)數(shù)據(jù)等方法也用來對繪制算法進行加速處理。即使如此，軟件的加速體繪制也不能使大部分體繪制在普通PC機上達到實

4、時要求，從而刺激了很多基于硬件的加速技術(shù)的產(chǎn)生。基于硬件的加速方法主要有并行體繪制方法和采用專用硬件繪制方法。并行體繪制方法即通過高速網(wǎng)絡(luò)互連的超級計算機間并行計算來獲得高的加速比。大多數(shù)并行體繪制研究中，單獨一臺計算機上仍然只是實現(xiàn)軟件算法，系統(tǒng)速度的提升還是過分依賴于單臺處理機的能力；在加速體繪制的專用硬件方面，SGI的TextureMapping利用傳統(tǒng)的多邊形繪制算法中的紋理映射技術(shù)，在SGIRealityEngine4RM上實現(xiàn)了對2563規(guī)模體數(shù)據(jù)每秒繪制10幀的繪制速度，主要缺點是系統(tǒng)需要巨大的帶寬、繪制圖像的質(zhì)量較低。Mannheim大學的VIRIM

5、支持靈活的體繪制優(yōu)化算法、陰影計算,但其性能提升受到全局總線的制約，對2563規(guī)模的體數(shù)據(jù)繪制性能只能達到一秒繪制2.5幀的速度。上述所有系統(tǒng)都有一個共同的問題：所需要的硬件價格昂貴(約10萬美元)、缺乏靈活的傳遞函數(shù)設(shè)計(圖像質(zhì)量的關(guān)鍵)從而影響圖像質(zhì)量。而隨著現(xiàn)代圖形硬件加速技術(shù)的進步，新一代的圖形顯示硬件集成了以GPU(GraphicsProcessingUnit，圖形處理器)為核心的可編程頂點著色器和可編程像素著色器，為實現(xiàn)實時直接體繪制技術(shù)提供了相應(yīng)的硬件支持。本文所論述算法充分利用當前圖像卡的特性而實現(xiàn)的，它利用GPU來一次性生成圖像，即保持了圖像質(zhì)量，

6、同時也提高了速度。1.1二維紋理體繪制下圖顯示了二維紋理映射算法的大致過程。二維紋理映射算法的基本過程首先對分布在規(guī)格網(wǎng)格上的三維數(shù)據(jù)場進行數(shù)據(jù)預處理，包括原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，提出冗余數(shù)據(jù)等功能。其次進行數(shù)據(jù)分類。其目的是根據(jù)數(shù)據(jù)值的不同，將其分為若干類，并給每類數(shù)據(jù)賦予不同的顏色值和不透明度值，這樣可以表示多種物質(zhì)的不同分布或單一物質(zhì)的不同屬性。在本程序中，由于使用的是VTK醫(yī)學數(shù)據(jù)，并且使用傳輸函數(shù)將不同的標量值對應(yīng)不同的不透明度和顏色，所以上述兩步已一并完成。然后，對三維數(shù)據(jù)場進行重新采樣。2D紋理映射采用物體空間繪制方法，將三維離散數(shù)據(jù)場的投影變換分解成為三維數(shù)

7、據(jù)場的錯切變換和二維圖像的變形來實現(xiàn)，這樣可以將三維空間的重采樣過程轉(zhuǎn)換為二維平面的重采樣過程，采用二次線性插值運算代替三次線性插值運算，大大減少了計算量，在三維數(shù)據(jù)場內(nèi)定義一系列的采樣多邊形，這些多邊形彼此平行且垂直于物體空間中與視平面法向夾角最小的坐標軸（稱為主投影軸），這些多邊形相當于一系列體數(shù)據(jù)的切片，由于多邊形的間隔及采樣密度與原始數(shù)據(jù)不同，因此，必須通過重采樣才能獲得這一系列平行平面上各采樣點的數(shù)值。如果觀察方向發(fā)生的變化超過90度，采樣多邊形法向的方位也必須改變，這需要在內(nèi)存中保存數(shù)據(jù)集的是三個拷貝，每個拷貝分別代表不同的多邊形法向方向。最后，圖像