發(fā)布時間：2017-05-16 01:00

  本文關鍵詞：基于GPU的多通道快速直接體繪制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：自上個世紀七十年代以來,計算機X射線斷層攝影,核磁共振成像以及超聲成像等醫(yī)學成像技術迅猛發(fā)展,這些成像技術被廣泛應用到醫(yī)療器械行業(yè),相繼研發(fā)出了許多功能強大的醫(yī)療影像設備,如CT,MRI,PET等。人們借助醫(yī)療影像設備可以方便快捷地得到人體二維數(shù)字斷層圖像序列,并對這些二維圖像進行診斷分析,找出病灶區(qū)域,及時制定治療計劃。受限于技術問題,早期的影像診斷都是在二維圖像的基礎上進行的,僅僅依靠這種二維數(shù)字斷層圖像很難清楚直觀地體現(xiàn)或確定內部器官的三維結構及其空間位置關系。實際上,這些二維數(shù)字斷層圖像序列已包含了人體內部器官的三維信息,如何將這些三維信息轉換成符合人們視覺認知的圖形圖像,一直是三維醫(yī)學圖像可視化技術關注的焦點。隨著計算機圖形學的迅速發(fā)展,衍生出了科學計算可視化的研究方向,該領域的研究成果使三維醫(yī)學圖像的可視化成為現(xiàn)實。 三維醫(yī)學圖像的可視化是指通過計算機對醫(yī)學影像數(shù)據(jù)進行處理,將其轉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),并進行人機交互的一門技術。三維醫(yī)學圖像可視化技術通�？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)的圖形學技術進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,但是缺乏內部細節(jié)的表達。因此,在80年代末人們提出了體繪制的概念。體繪制省去了面繪制需要構造中間幾何圖元的過程,直接對所有的體數(shù)據(jù)進行處理得到具有三維效果的圖像。優(yōu)點是無需進行分割即可直接進行繪制,有利于保留三維醫(yī)學圖像的細節(jié)信息,增強整體的繪制效果,但缺點是需對所有體素進行處理,增加計算開銷,限制了圖像的繪制速度。隨著計算機硬件的發(fā)展,特別是顯卡性能的飛躍式增長,出現(xiàn)了專門用于密集計算的圖形處理器—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算能力。正因為這個原因,三維醫(yī)學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Α?本文按照循序漸進的方式,第一章先介紹本課題的研究背景和意義,指出當前體繪制面臨的主要問題有兩個,一個是如何提高體繪制的繪制質量,這個與算法本身的選擇密不可分,不同的算法因為框架原理不一樣,繪制過程中數(shù)據(jù)的處理順序也千差萬別,所以結果也會不一樣。此外,傳遞函數(shù)的設計也是影響繪制質量的關鍵因素。傳遞函數(shù)決定了體繪制結果的內容,它將體數(shù)據(jù)中采樣點的數(shù)值轉化為視覺屬性—顏色和不透明度,然后進行融合轉換成圖像,用戶通過調整傳遞函數(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才能達到滿意的效果,如何使傳遞函數(shù)設計更加直觀易用是體繪制領域研究的熱點。體繪制面臨的另外一個問題是如何提高繪制速度,達到實時交互的效果,這也是本文研究工作的重點。從軟件層面來說,加速算法包括提前光線終止技術、空間跳躍技術等,這些技術實質是忽略對最終圖像無貢獻的體素,降低了計算的開銷。從硬件角度出發(fā),我們可以根據(jù)算法的特性設計專用的圖形顯示卡,優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲結構,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知識。體繪制技術發(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、預處理、重采樣、分類、融合、顯示,有些可能還包含明暗計算處理。我們將這部分內容放在第二章,是為了讓讀者對體繪制流程有個總體的把握,知道體繪制過程中到底做了些什么,數(shù)據(jù)經(jīng)過了哪些處理操作,數(shù)據(jù)在各個階段之間是如何傳遞并最終輸出結果的。在讀者具備第二章的基礎知識上,我們在第三章展開我們的工作重點。在深入分析光線投射算法原理的基礎上,我們發(fā)現(xiàn)光線之間也存在一定的關聯(lián),而且利用光線間的這種相關性對光線投射算法進行二次改造,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,對經(jīng)典的光線投射算法進行改進,利用GPU的流式并行計算架構,結合OpenGL離屏渲染技術和圖像插值算法進行三維重建,在普通的個人電腦上實現(xiàn)實時顯示的效果。具體所做的工作主要如下： 1.光線投射算法的繪制結果質量高,算法本身引入的走樣因素少,是可視化領域研究的熱點。但是光線投射算法處理的數(shù)據(jù)量特別大,計算復雜度高,計算耗時,導致該算法得不到廣泛的應用。本文基于光線投射算法的光線并行采樣特性,借助可編程圖形處理器強大的并行處理性能對算法進行硬件加速,在保證繪制結果質量的前提下,實現(xiàn)了實時繪制。 2.光線投射算法的計算量大主要是因為采樣光線的數(shù)量多,直接導致采樣點的插值、分類、融合的復雜度大幅提高。而重建圖像的顯示分辨率和采樣光線密切相關,直接影響著繪制速度,通過降低圖像的顯示分辨率可以顯著提升渲染的速度。因此,本文利用OpenGL離屏渲染技術控制入射光線的數(shù)量,即設置比正常顯示分辨率低4至16倍的渲染分辨率,在此渲染分辨率下進行正常采樣的光線投射算法,得到中間結果。 3.為了得到正常顯示分辨率的圖像,我們將渲染分辨率下得到的圖像重新作為輸入,進行插值重建。為了在不降低重建圖像質量的前提下提高重建算法的速度,我們采用了Catmull-Rom插值算法進行高分辨率重建,并將算法移植到GPU片斷處理器進行處理。實驗結果表明,本方法可以在滿足重建圖像質量的前提下,有效的提高重建的速度。 另外,本文還單獨在第四章介紹了DICOM標準中的MPPS服務。隨著醫(yī)院數(shù)字化建設的不斷完善,醫(yī)療信息的逐步規(guī)范化,病人做檢查期間影像設備的檢查狀態(tài)、執(zhí)行的檢查方法、掃描過程中產(chǎn)生的圖像信息、放射劑量和所需的計費材料等信息,逐漸成為臨床關注的內容,但是當前多數(shù)RIS和PACS系統(tǒng)并沒有方法從檢查設備獲取此部分信息。DICOM標準提供的MPPS服務就是專門用于外部系統(tǒng)在檢查期間獲取檢查設備狀態(tài)信息的。因此,作者深入學習了DICOM標準中的MPPS服務,分析其所攜帶的信息,服務時序狀態(tài)以及具體服務過程,在DCMTK開發(fā)包的基礎上封裝實現(xiàn)了MPPS服務。模擬實驗證明MPPS服務可以及時準確提供檢查信息。
【關鍵詞】：圖形處理單元 光線投射 離屏渲染 多分辨率 設備操作過程步驟
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP391.41;R197.39
【目錄】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 緒論16-25
• 1.1 研究背景和意義16-17
• 1.2 研究現(xiàn)狀和面臨的主要問題17-22
• 1.2.1 高質量繪制結果的需求18-19
• 1.2.2 實時繪制速度的需求19-21
• 1.2.3 國內外的研究現(xiàn)狀21-22
• 1.3 論文的結構22
• 1.4 參考文獻22-25
• 第二章 體繪制技術25-36
• 2.1 科學計算可視化25-26
• 2.2 體繪制的流程26-30
• 2.2.1 數(shù)據(jù)獲取27-28
• 2.2.2 預處理28
• 2.2.3 重采樣28-29
• 2.2.4 分類29
• 2.2.5 融合29-30
• 2.2.6 顯示30
• 2.3 可編程GPU簡介30-34
• 2.3.1 GPU的發(fā)展歷程31-32
• 2.3.2 GPU流式編程模型32-33
• 2.3.3 著色語言33-34
• 2.4 本章小結34
• 2.5 參考文獻34-36
• 第三章 多通道快速GPU光線投射算法36-48
• 3.1 問題的提出36
• 3.2 多通道快速GPU光線投射算法36-42
• 3.2.1 算法概述37-38
• 3.2.2 光線降采樣RC38-39
• 3.2.3 高分辨率重建39-41
• 3.2.4 GPU實現(xiàn)41-42
• 3.3 實驗結果與討論42-46
• 3.4 本章小結46
• 3.5 參考文獻46-48
• 第四章 MPPS服務的原理與實現(xiàn)48-63
• 4.1 研究背景48-49
• 4.2 設備操作過程步驟信息49-51
• 4.3 設備操作過程步驟時序與狀態(tài)51-52
• 4.4 MPPS的服務過程52-53
• 4.5 MPPS的實現(xiàn)53-59
• 4.5.1 MPPS實例的創(chuàng)建54-57
• 4.5.2 MPPS實例的狀態(tài)更新57-59
• 4.6 結果與討論59-60
• 4.7 本章小結60-61
• 4.8 參考文獻61-63
• 第五章 總結和展望63-65
• 5.1 論文工作總結63-64
• 5.2 未來工作展望64-65
• 攻讀碩士研究生期間完成或發(fā)表的論文65-66
• 致謝66-68

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前9條

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中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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  本文關鍵詞：基于GPU的多通道快速直接體繪制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：369229