基于GPU加速的医学图像3D实时绘制技术

摘要

医学图像三维可视化技术是目前的一个研究热点问题，也是一个多学科交叉的研究领域和计算机图形学和图像处理技术在生物医学工程中的重要应用。它涉及的相关知识有数字图像处理、计算机图形学以及医学领域应用背景知识等。 本文研究的主要内容是：针对当前医学图像三维可视化计算量太大，在传统CPU计算平台很难实时运算进行交互式显示的问题。考虑到可视化算法高度的并行性，采用现有的显卡GPU强大的并行流处理能力来进行加速计算，从而达到可视化技术的交互式执行。本文研究和在GPU上实现了几种绘制方法：三维纹理代理几何体绘制算法，GPU Shader光线跟踪算法，GPU几何Shader上等值面提取算法，改善了现有常用方法在CPU平台上存在的无法实时交互性显示的缺点。 本文的创新点和独立工作主要体现在以下几个方面： 1.研究和总结了医学影像处理与分析中的医学图像的预处理技术、医学图像的三维可视化技术和GPU硬件平台及其通用编程技术的各个特点。实现了常用的绘制算法，使其能更加灵活的进行绘制，不同的绘制效果对应不同的GPU Shader特效文件，算法在统一的软件框架下进行了实现。 2.研究和实现了基于GPU加速的三维纹理代理几何体方法，该方法是光线跟踪思想的一个针对GPU硬件的实现改进。将体数据以三维纹理方式存入显存，采用带纹理坐标的代理几何体对体数据进行采样，使用Alpha混合进行颜色合成。 3.研究和针对GPU硬件特点，改进并利用Pixel Shader实现了光线跟踪算法，该方法在像素shader的运算里面生成光线，并且通过固定采样率在当前光线位置对体数据进行采样，然后将光线沿方向延伸，直到光线穿出体数据。通过不同的shader特效的实现来产生不同效果，能产生透明，等值面，体光照等特效。 4.改进了经典的Marching Cube等值面提取的实现方法，用了最新的GPU几何Shader进行实现，每一个体素的三角形边的可能的拓扑信息用一个纹理来进行保存，通过纹理采样来进行三角形边信息的查询。用emitVertex shader函数来进行顶点和三角形的实时生成和渲染。该实现方法解决了CPU实现版本无法交互式实时生成等值面片的问题。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1技术背景和技术概况

1.2医用图像的三维成像可视化技术的研究内容

1.3医学图像3D可视化研究所存在的问题

1.4国内外研究现状

1.4.1基于GPU加速的医学图像3D可视化技术研究现状

1.4.2体数据可视化研究现状

1.5本文的主要工作和论文结构

第二章医学图像3D可视化技术的研究

2.1医用图像序列三维成像显示可视化技术详细流程

2.1.1 医用图像序列数据源的采集、读入与预处理

2.2基于医用图像序列的体数据的构造

2.2.1体数据数学背景

2.2.2基于二维医学图像序列的三维体数据生成方法

2.2.3体数据断层图像间插值方法

2.3医用图像体数据三维可视化方法概述

2.3.1针对体数据等值面的面绘制算法概述

2.3.2直接体绘制法概述

2.4 3D图形库OpenGL介绍

第三章GPU框架及其硬件特性介绍

3.1 GPU发展历史

3.2 GPU硬件图形渲染流水线和可编程阶段介绍

第四章基于GPU加速的3D纹理代理几何体算法

4.1算法简介

4.2医学图像体数据的体绘制梯度的计算

4.3建立代理几何体

4.4光照算法理论及其实现

4.5基于OpenGL实现的代理几何体的渲染

4.6本章小结

第五章基于光线跟踪的CPU加速的医学图像体绘制算法

5.1体绘制算法流程的光学物理背景与数学推导

5.2光线跟踪实现方法和算法流程介绍

5.3光线跟踪的GPU实现

5.4两种GPU算法的比较

5.5本章小结

第六章基于GPU几何Shader的实时面重构加速绘制技术

6.1本章针对体数据的等值面生成与绘制技术流程概述

6.2基于移动立方体的等值面提取算法详细说明

6.3基于GPU Geometry Shader的算法实现

6.4本章小结

第七章结论和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果