基于可編程gpu的體繪制關鍵技術研究

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1、西安電子科技大學博士學位論文基于可編程GPU的體繪制關鍵技術研究姓名：鄒華申請學位級別：博士專業(yè)：智能信息處理指導教師：高新波20090401摘要數(shù)據(jù)可視化通過將3D數(shù)據(jù)轉換為計算機可顯示的2D圖像，為觀察和研究體數(shù)據(jù)提供了可靠的手段。體繪制是一種有效的數(shù)據(jù)可視化技術，由于能夠揭示體數(shù)據(jù)內(nèi)部信息，而不僅僅是顯示對象的表面，使其得到了廣泛的關注，特別是在醫(yī)學圖像處理領域。目前對體繪制的研究主要集中在體繪制算法和交互技術兩個方面。體繪制算法因為數(shù)據(jù)類型、應用領域以及其他一些因素而各不相同，導致沒有任何一種

2、通用的體繪制算法能夠適用于所有的應用領域。在分析數(shù)據(jù)的過程中，交互技術能夠有效地挖掘體數(shù)據(jù)內(nèi)部的隱藏信息，為把握和理解數(shù)據(jù)特征提供保障。雖然經(jīng)歷了十多年的發(fā)展，但是體繪制技術遠未成熟，在理論和實際應用中還有許多問題亟待解決。本文在現(xiàn)有的體繪制算法與交互技術的基礎上，以計算機斷層掃描及核磁共振成像的體數(shù)據(jù)作為研究對象，利用圖形學理論和GPU的可編程技術構建更高質量的可視化算法與更有效的交互技術，并將兩者進行結合，以便提供更多的體數(shù)據(jù)內(nèi)部特征信息，為科學地分析數(shù)據(jù)提供可靠的依據(jù)。本文所取得的主要研究成果和

3、創(chuàng)新點如下：(1)針對現(xiàn)有3D紋理體繪制算法中復雜光照效果難以實現(xiàn)的問題，改進3D紋理體繪制算法的實現(xiàn)過程。利用Cg語言編寫頂點處理程序和片元處理程序，靈活控制片元處理器的著色方式。實驗結果表明，改進后的3D紋理體繪制算法在實現(xiàn)高質量光照效果的同時，達到了實時交互。為解決3D紋理體繪制算法在透視投影時難以實現(xiàn)等步長采樣的問題，提出一種單步光線投射體繪制改進算法。結合離屏渲染技術，通過繪制體數(shù)據(jù)包圍盒來快速獲取投射光線參數(shù)，并利用GPU的可編程性來實現(xiàn)透視投影時的等步長采樣。與同類光線投射算法相比，改進

4、后的光線投射算法在簡化繪制流程的同時靈活地實現(xiàn)了多種高質量的繪制效果。(2)為使體繪制算法獲得更快的速度，提出一種八叉樹編碼的加速算法。首先設置八叉樹的深度，然后根據(jù)空間位置對體數(shù)據(jù)逐層虛擬剖分，剖分過程中僅利用八叉樹結構保存剖分生成子塊的坐標和子塊內(nèi)體素的最大最小值等信息，并不改變原始體數(shù)據(jù)的存儲方式，最后通過遍歷八叉樹來實現(xiàn)空間跳躍加速繪制。該算法同時適用于對3D紋理體繪制算法及光線投射體繪制算法的加速。(3)針對基于GPU的體繪制算法存在的存儲瓶頸問題，提出一種基于分塊策略的大規(guī)模體數(shù)據(jù)實時繪制

5、算法。該算法對體數(shù)據(jù)進行分塊規(guī)劃，使得生成的子塊數(shù)據(jù)規(guī)模小于紋理內(nèi)存容量，通過對子塊排序后依次載入紋理內(nèi)存并繪制，得到的結果與對數(shù)據(jù)直接繪制的結果完全一致。經(jīng)過遮擋查詢和空間跳躍技術的加速，該方法取得了較快的繪制速度。基于可編程GPU的體繪制關鍵技術研究(4)針對目前傳輸函數(shù)設置的種種不便，提出一種基于體直方圖的傳輸函數(shù)自動生成算法。首先利用GPU快速計算梯度方向的一階和二階導數(shù)，然后根據(jù)中心極限定理，選擇3倍標準差的方法確定一階導數(shù)和二階導數(shù)的范圍，構建有效數(shù)據(jù)的體直方圖，最后根據(jù)該體直方圖找到體數(shù)

6、據(jù)的邊晃，并以此來設置傳輸函數(shù)。與同類算法相比，該算法不需要經(jīng)驗值，可自動獲得較好效果的傳輸函數(shù)。(5)針對基于固定圖形流水線的兩步式渲染體切割算法需要繪制體數(shù)據(jù)兩次且無法處理凹體切割的缺點，提出一種單步式渲染體切割算法。該算法首先結合幀緩存對象實現(xiàn)離屏渲染，然后將切割體前后表面的深度信息保存到與幀緩存對象綁定的深度紋理中，最后利用片元處理器判斷體數(shù)據(jù)的深度是否在深度紋理的范圍內(nèi)以實現(xiàn)切割操作。該算法只需繪制體數(shù)據(jù)一次，并可實現(xiàn)凹體切割。(6)為了在切割操作中獲得更好的交互性，提出一種基于體標記的切割

7、算法。該算法首先在屏幕上交互地選擇切割區(qū)域，再將3D體數(shù)據(jù)的坐標從物方空間變換到屏幕空間，然后利用體數(shù)據(jù)的屏幕坐標判斷體數(shù)據(jù)是否屬于切割區(qū)域，最后標識被切割的體數(shù)據(jù)，并更改對應的體數(shù)據(jù)值為空體素值來實現(xiàn)切割操作。該算法不改變繪制的流程，在不降低繪制速度的同時具有很高的交互性。上述研究成果分別從體繪制算法與交互技術等兩方面給出了具體的研究方案和實驗結果，為有效地分析和理解科學數(shù)據(jù)提供了更為先進的輔助手段。此外，文中提出的分塊策略與傳輸函數(shù)自動設計算法針對不同的體繪制均具有一定的通用性，為體繪制技術的理論

8、研究與應用推廣提供了新的思路。關鍵詞：圖形硬件GPU可視化體繪制3D紋理映射光線投射空間跳躍八叉樹分塊策略傳輸函數(shù)體切割AbstractAbstractDatavisualizationtechniqueprovidesintuitiveandeasilyunderstandablemeansfortheobservationandtheresearchofvolumedatabytransforming3Ddataintovisible2Dimageo