基于GPU和非真实感渲染的三维可视化研究

摘要

随着现代医疗设备的进步与发展，产生了大量的高分辨率的医疗数据。这也对可视化方法提出了更高的要求，对显示图像的质量及速度等特性提出了更大的挑战。如何更好的查看与显示三维或四维器官的结构与信息对疾病的正确诊断与生理功能分析有重要意义，该问题也已经成为了一个科学计算可视化领域的一个研究热点。传递函数的设计与光照渲染等方法是实现三维可视化的核心技术与方法，也是目前的研究焦点所在。
　　本文主要研究三维医学数据的可视化方法，利用直接体绘制的方法来获得高质量的绘制效果。重点研究了可视化传递函数的设计方法及体数据渲染模型，并利用GPU实现了可视化绘制的加速。本文提出了用以突出重要的结构信息的一种基于LH直方图频率信息的传递函数设计方法及一种颜色空间拉伸的颜色传递函数设计方法。进一步，本文还提出了一种混合了多种结构增强方法的多通道渲染模型及非真实感渲染的方法。对于深度信息，本文采用光晕和上下文保留渲染来增强。同时，本文还提出了一种利用局部空间统计信息来增强区域的渲染方法。为了便于较好的显示和验证以上算法设计与研究，本文基于OpenGL图形库设计了数据可视化平台，能够对三维数据的可视化效果进行较好的展示。特别的，本文还将平台的功能延伸到四维数据的可视化（增加一维时间轴）。
　　本文利用了多种数据集来进行算法的验证与测试，包括美国虚拟人彩色照片三维数据、心脏CT三维数据等。通过与现有方法的对比验证，本文提出的方法具有明显的优势，能够呈现更好的可视化效果。本文提出的可视化平台也能够较好的显示三维和四维的医学图像数据，为算法的验证与展示提供了较好的支持。

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2研究目的和意义

1.3国内外研究现状

1.4本文的研究内容及组织结构

第2章 基于GPU的体绘制方法实现

2.1 GPU架构概述

2.2 GPU渲染流水线

2.3直接体绘制概述

2.4实验结果

2.5本章小结

第3章 基于统计的传递函数设计

3.1传递函数的基本概念

3.2非线性各向异性扩散滤波

3.3基于边缘的传递函数设计

3.4基于颜色距离梯度的传递函数设计

3.5基于LH直方图的传递函数设计

3.6基于颜色空间的传递函数设计

3.7本章小结

第4章 非真实感渲染

4.1光学模型

4.2渲染

4.3区域特征提取算法的实现与优化

4.4实验结果

4.5本章小结

第5章 虚拟器官可视化系统的设计与实现

5.1可视化系统的设计

5.2系统实现

5.3系统验证与测试

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢