四维医院图像动态快速体绘制技术研究与系统实现

摘要

医学可视化技术作为科学计算可视化技术的一个重要分支，在医疗领域的辅助诊断、科研教学等方面有着举足轻重的作用。传统的三维医学图像重建技术无法满足四维医学图像动态重建的需求，而四维医学图像庞大的数据量使得传统三维重建技术很难实现高性能绘制。基于以上需求，本文提出了一种四维医学图像动态快速体绘制技术，并予以实现。
　　 本文的主要工作和成果如下：
　　 1．讨论了两类传统的直接体绘制技术，分析了其各自的优缺点，并针对各自的不足，讨论了几种有效的改进方案。
　　 2．针对传统直接体绘制算法绘制效率普遍低下的缺点，采用了GPU强大的并行计算能力，提出了一种基于GPU利用CUDA技术实现的光线投射算法。该算法将每一条投射光线的计算分派到GPU的每一个线程中并行执行，在保证绘制质量不下降的情况下，其性能相比传统的光线投射算法可以提高数十倍甚至上百倍。
　　 3．针对传统医学图像三维重建技术无法实现四维医学图像动态重建的不足，本文提出了一种四维医学图像的动态体绘制技术。并配合本文提出的基于GPU的光线投射算法，该四维医学图像的动态体绘制技术可以达到较高的绘制性能和流畅的动态显示效果。
　　 4．基于本文提出的原理和方法，本文的最后阐述一个四维医学图像动态快速体绘制系统的实现。利用该系统，可以方便地实现四维医学图像动态且高效率的绘制。
　　 从实验结果中可以验证，本文提出的方法实现了流畅的四维动态体绘制，相比传统的体绘制技术在性能上有很大程度的提升。然而本文的方法还未完全发挥GPU并行计算的巨大潜力，进一步优化性能是今后工作的一个重点。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 医学可视化概述

1.1.1 科学可视化技术

1.1.2 医学可视化技术的发展

1.1.3 医学可视化三维重建方法

1.2 四维医学图像动态快速绘制

1.3 本文的主要工作

第2章 GPGPU技术与CUDA架构

2.1 GPGPU技术

2.1.1 GPU的运算优势

2.1.2 GPGPU技术

2.2 CUDA架构

2.2.1 线程层次结构

2.2.2 存储器层次结构

2.2.3 多处理器

2.3 本章小结

第3章 体绘制算法研究及性能改进分析

3.1 引言

3.2 光线投射算法

3.2.1 光线投射算法流程

3.2.2 光线投射算法的不足与改进

3.3 切片方法

3.3.1 三维纹理映射算法流程

3.3.2 切片方法的不足与改进

3.4 CUDA适用性分析

3.5 本章小结

第4章 基于GPU的快速体绘制技术研究

4.1 引言

4.2 框架的设计

4.3 存储器分配策略

4.3.1 体数据的存储策略

4.3.2 计算结果的存储策略

4.4 线程分配及寻址策略

4.4.1 线程分配策略

4.4.2 寻址策略

4.5 实验结果分析

4.5.1 绘制性能分析

4.5.2 绘制效果分析

4.5.3 对比分析

4.6 本章小结

第5章 四维动态体绘制技术研究

5.1 四维医学图像数据

5.2 动态绘制技术研究

5.3 动态绘制优化技术

5.4 实验结果分析

5.4.1 动态绘制效果分析

5.4.2 性能分析

5.5 本章小结

第6章 系统设计与实现

6.1 系统总体设计

6.1.1 系统框架设计

6.1.2 系统模块划分

6.2 四维体数据的载入

6.3 快速体绘制实现

6.3.1 基本流程实现

6.3.2 体绘制加速计算实现

6.4 四维动态绘制实现

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果