基于gpu的多通道快速直接體繪制研究

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1、南方醫(yī)科大學(xué)201l級(jí)碩士學(xué)位論文基于GPU的多通道快速直接體繪制研究GPU．basedMuhi．channelandFastDirectV01umeRend嘶ngResearch課題來源：863項(xiàng)目(2012AA02A616)國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012B燦14802)學(xué)位申請(qǐng)人導(dǎo)師姓名專業(yè)名稱培養(yǎng)類型培養(yǎng)層次所在學(xué)院林仁回陳武凡教授馮前進(jìn)教授生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)型碩士研究生生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院答辯委員會(huì)主席吳建華教授答辯委員會(huì)委員黃瑞旺教授呂慶文教授韓國(guó)強(qiáng)教授賴劍煌教授2014年5月20日廣州碩士學(xué)位論文基于GPU的多通道快速直接體繪制研究碩士研究生：林仁回指導(dǎo)教師：陳武凡教授馮前進(jìn)教授摘要

2、自上個(gè)世紀(jì)七十年代以來，計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影，核磁共振成像以及超聲成像等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)迅猛發(fā)展，這些成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用到醫(yī)療器械行業(yè)，相繼研發(fā)出了許多功能強(qiáng)大的醫(yī)療影像設(shè)備，如CT，MⅪ，PET等。人們借助醫(yī)療影像設(shè)備可以方便快捷地得到人體二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像序列，并對(duì)這些二維圖像進(jìn)行診斷分析，找出病灶區(qū)域，及時(shí)制定治療計(jì)劃。受限于技術(shù)問題，早期的影像診斷都是在二維圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，僅僅依靠這種二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像很難清楚直觀地體現(xiàn)或確定內(nèi)部器官的三維結(jié)構(gòu)及其空間位置關(guān)系。實(shí)際上，這些二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像序列已包含了人體內(nèi)部器官的三維信息，如何將這些三維信息轉(zhuǎn)換成符合人們視覺認(rèn)知的圖形圖像，一直是三維

3、醫(yī)學(xué)圖像可視化技術(shù)關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的迅速發(fā)展，衍生出了科學(xué)計(jì)算可視化的研究方向，該領(lǐng)域的研究成果使三維醫(yī)學(xué)圖像的可視化成為現(xiàn)實(shí)。三維醫(yī)學(xué)圖像的可視化是指通過計(jì)算機(jī)對(duì)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成具有三維立體效果的圖像來展示人體組織的三維形態(tài)，并進(jìn)行人機(jī)交互的一門技術(shù)。三維醫(yī)學(xué)圖像可視化技術(shù)通?？梢苑譃槊胬L制和體繪制兩種方法。面繪制是指體表面的重建，基本思想是從切片數(shù)據(jù)集包含的三維數(shù)據(jù)中抽取出感興趣的表面信息，利用一系列多邊形表面片擬合該等值面，然后再由傳統(tǒng)的圖形學(xué)技術(shù)進(jìn)行渲染得到三維圖像。面繪制可以有效地繪制三維體的表面，但是缺乏內(nèi)部細(xì)節(jié)的表達(dá)。因此，在80年代末人們提出了體

4、繪制的概念。體繪制省去了面繪制需要構(gòu)造中間幾何圖元的過程，直接對(duì)所有的體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得摘要到具有三維效果的圖像。優(yōu)點(diǎn)是無需進(jìn)行分割即可直接進(jìn)行繪制，有利于保留三維醫(yī)學(xué)圖像的細(xì)節(jié)信息，增強(qiáng)整體的繪制效果，但缺點(diǎn)是需對(duì)所有體素進(jìn)行處理，增加計(jì)算開銷，限制了圖像的繪制速度。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，特別是顯卡性能的飛躍式增長(zhǎng)，出現(xiàn)了專門用于密集計(jì)算的圖形處理器一可編程GPU。GPU可以游刃有余地處理海量數(shù)據(jù)，完全得益于它高性能的并行運(yùn)算能力。正因?yàn)檫@個(gè)原因，三維醫(yī)學(xué)圖像的體繪制方法也越來越流行，許多科研工作者從不同的角度提出了體繪制加速算法，極大地提高了體繪制的速度，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。本文按照循?/p>

5、漸進(jìn)的方式，第一章先介紹本課題的研究背景和意義，指出當(dāng)前體繪制面臨的主要問題有兩個(gè)，一個(gè)是如何提高體繪制的繪制質(zhì)量，這個(gè)與算法本身的選擇密不可分，不同的算法因?yàn)榭蚣茉聿灰粯?，繪制過程中數(shù)據(jù)的處理順序也千差萬別，所以結(jié)果也會(huì)不一樣。此外，傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)也是影響繪制質(zhì)量的關(guān)鍵因素。傳遞函數(shù)決定了體繪制結(jié)果的內(nèi)容，它將體數(shù)據(jù)中采樣點(diǎn)的數(shù)值轉(zhuǎn)化為視覺屬性一顏色和不透明度，然后進(jìn)行融合轉(zhuǎn)換成圖像，用戶通過調(diào)整傳遞函數(shù)可以觀察到體數(shù)據(jù)的不同特征，獲取更多的有用信息。目前大部分的傳遞函數(shù)都需要很多人工干預(yù)才能達(dá)到滿意的效果，如何使傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)更加直觀易用是體繪制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。體繪制面臨的另外一個(gè)問題

6、是如何提高繪制速度，達(dá)到實(shí)時(shí)交互的效果，這也是本文研究工作的重點(diǎn)。從軟件層面來說，加速算法包括提前光線終止技術(shù)、空間跳躍技術(shù)等，這些技術(shù)實(shí)質(zhì)是忽略對(duì)最終圖像無貢獻(xiàn)的體素，降低了計(jì)算的開銷。從硬件角度出發(fā)，我們可以根據(jù)算法的特性設(shè)計(jì)專用的圖形顯示卡，優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)訪問效率。其中，硬件支持加速是最為有效的加速策略。本文第二章介紹了體繪制的基礎(chǔ)知識(shí)。體繪制技術(shù)發(fā)展至今，算法各種各樣，但是它們都有一套基本的繪制流程，分別是體數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、重采樣、分類、融合、顯示，有些可能還包含明暗計(jì)算處理。我們將這部分內(nèi)容放在第二章，是為了讓讀者對(duì)體繪制流程有個(gè)總體的把握，知道體繪制過程中到底做了

7、些什么，數(shù)據(jù)經(jīng)過了II碩士學(xué)位論文哪些處理操作，數(shù)據(jù)在各個(gè)階段之間是如何傳遞并最終輸出結(jié)果的。在讀者具備第二章的基礎(chǔ)知識(shí)上，我們?cè)诘谌抡归_我們的工作重點(diǎn)。在深入分析光線投射算法原理的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)光線之間也存在一定的關(guān)聯(lián)，而且利用光線間的這種相關(guān)性對(duì)光線投射算法進(jìn)行二次改造，可以大幅度提高繪制的速度。本文的主要工作正是基于可編程GPU的光線投射算法，對(duì)經(jīng)典的光線投射算法進(jìn)行改進(jìn)，利用GPU的流式并行計(jì)算架構(gòu)，結(jié)合Op