本文關(guān)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(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái),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,MRI,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(wèn)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(jué)認(rèn)知的圖形圖像,一直是三維醫(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(guò)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(lái)展示人體組織的三維形態(tài),并進(jìn)行人機(jī)交互的一門(mén)技術(shù)。三維醫(yī)學(xué)圖像可視化技術(shù)通常可以分為面繪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(guò)程,直接對(duì)所有的體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到具有三維效果的圖像。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)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(kāi)銷(xiāo),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(zhuān)門(mén)用于密集計(jì)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(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(lái)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(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(wèn)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(guò)程中數(shù)據(jù)的處理順序也千差萬(wàn)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(jué)屬性—顏色和不透明度,然后進(jìn)行融合轉(zhuǎn)換成圖像,用戶(hù)通過(guò)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(mǎn)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(wèn)題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(lái)說(shuō),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(wú)貢獻(xiàn)的體素,降低了計(jì)算的開(kāi)銷(xiāo)。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(zhuān)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(wèn)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(lèi)、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(guò)程中到底做了些什么,數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了哪些處理操作,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_(kāi)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OpenGL離屏渲染技術(shù)和圖像插值算法進(jìn)行三維重建,在普通的個(gè)人電腦上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jié)果質(zhì)量高,算法本身引入的走樣因素少,是可視化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但是光線投射算法處理的數(shù)據(jù)量特別大,計(jì)算復(fù)雜度高,計(jì)算耗時(shí),導(dǎo)致該算法得不到廣泛的應(yīng)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(qiáng)大的并行處理性能對(duì)算法進(jìn)行硬件加速,在保證繪制結(jié)果質(zhì)量的前提下,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)繪制。 2.光線投射算法的計(jì)算量大主要是因?yàn)椴蓸庸饩�的數(shù)量多,直接導(dǎo)致采樣點(diǎn)的插值、分類(lèi)、融合的復(fù)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(guān),直接影響著繪制速度,通過(guò)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(shù)控制入射光線的數(shù)量,即設(shè)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(jìn)行正常采樣的光線投射算法,得到中間結(jié)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(jìn)行插值重建。為了在不降低重建圖像質(zhì)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(jìn)行高分辨率重建,并將算法移植到GPU片斷處理器進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本方法可以在滿(mǎn)足重建圖像質(zhì)量的前提下,有效的提高重建的速度。 另外,本文還單獨(dú)在第四章介紹了DICOM標(biāo)準(zhǔn)中的MPPS服務(wù)。隨著醫(yī)院數(shù)字化建設(shè)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(shè)備的檢查狀態(tài)、執(zhí)行的檢查方法、掃描過(guò)程中產(chǎn)生的圖像信息、放射劑量和所需的計(jì)費(fèi)材料等信息,逐漸成為臨床關(guān)注的內(nèi)容,但是當(dāng)前多數(shù)RIS和PACS系統(tǒng)并沒(méi)有方法從檢查設(shè)備獲取此部分信息。DICOM標(biāo)準(zhǔn)提供的MPPS服務(wù)就是專(zhuān)門(mén)用于外部系統(tǒng)在檢查期間獲取檢查設(shè)備狀態(tài)信息的。因此,作者深入學(xué)習(xí)了DICOM標(biāo)準(zhǔn)中的MPPS服務(wù),分析其所攜帶的信息,服務(wù)時(shí)序狀態(tài)以及具體服務(wù)過(guò)程,在DCMTK開(kāi)發(fā)包的基礎(chǔ)上封裝實(shí)現(xiàn)了MPPS服務(wù)。模擬實(shí)驗(yàn)證明MPPS服務(wù)可以及時(shí)準(zhǔn)確提供檢查信息。
【關(guān)鍵詞】：圖形處理單元 光線投射 離屏渲染 多分辨率 設(shè)備操作過(guò)程步驟
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：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(wèn)題17-22
• 1.2.1 高質(zhì)量繪制結(jié)果的需求18-19
• 1.2.2 實(shí)時(shí)繪制速度的需求19-21
• 1.2.3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀21-22
• 1.3 論文的結(jié)構(gòu)22
• 1.4 參考文獻(xiàn)22-25
• 第二章 體繪制技術(shù)25-36
• 2.1 科學(xué)計(jì)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(yù)處理28
• 2.2.3 重采樣28-29
• 2.2.4 分類(lèi)29
• 2.2.5 融合29-30
• 2.2.6 顯示30
• 2.3 可編程GPU簡(jiǎn)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(yǔ)言33-34
• 2.4 本章小結(jié)34
• 2.5 參考文獻(xiàn)34-36
• 第三章 多通道快速GPU光線投射算法36-48
• 3.1 問(wèn)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(shí)現(xiàn)41-42
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論42-46
• 3.4 本章小結(jié)46
• 3.5 參考文獻(xiàn)46-48
• 第四章 MPPS服務(wù)的原理與實(shí)現(xiàn)48-63
• 4.1 研究背景48-49
• 4.2 設(shè)備操作過(guò)程步驟信息49-51
• 4.3 設(shè)備操作過(guò)程步驟時(shí)序與狀態(tài)51-52
• 4.4 MPPS的服務(wù)過(guò)程52-53
• 4.5 MPPS的實(shí)現(xiàn)53-59
• 4.5.1 MPPS實(shí)例的創(chuàng)建54-57
• 4.5.2 MPPS實(shí)例的狀態(tài)更新57-59
• 4.6 結(jié)果與討論59-60
• 4.7 本章小結(jié)60-61
• 4.8 參考文獻(xiàn)61-63
• 第五章 總結(jié)和展望63-65
• 5.1 論文工作總結(jié)63-64
• 5.2 未來(lái)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(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前9條

1 張尤賽,陳福民;三維醫(yī)學(xué)圖像的體繪制技術(shù)綜述[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2002年08期

2 殷浩;戴光明;洪雄;;直接體繪制技術(shù)在地質(zhì)體三維可視化中的應(yīng)用研究[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究;2006年06期

3 原衛(wèi)民;馮衛(wèi)華;徐文堅(jiān);紀(jì)華眾;胡振遠(yuǎn);鞏麗娟;周杰;;PACS/RIS系統(tǒng)在放射科工作流程優(yōu)化中的作用[J];醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志;2010年11期

4 李曉明;顏忠平;何涌;;設(shè)備任務(wù)清單中間件在PACS中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用[J];醫(yī)療衛(wèi)生裝備;2011年01期

5 趙建峰;賈元春;;基于DCMTK的Basic Worklist管理服務(wù)的實(shí)現(xiàn)[J];陰山學(xué)刊(自然科學(xué));2010年04期

6 余大昆,姬朝陽(yáng);基于PACS的彩超影像采集工作站的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J];中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志;2004年06期

7 胡寶梅;朱俊;李久楷;黃鑫;;基于DICOM醫(yī)學(xué)圖像的傳輸和查詢(xún)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J];中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志;2009年02期

8 賈冬焱;徐元?jiǎng)?;DICOM MPPS的原理及應(yīng)用[J];中國(guó)醫(yī)療器械信息;2006年07期

9 周芳芳;樊曉平;楊斌;;體繪制中傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與展望[J];中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào);2008年06期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 張怡;實(shí)時(shí)體繪制關(guān)鍵技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2009年

  本文關(guān)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(hào)：369229