CN102637303A - 基于gpu的超声三维混合叠加体渲染处理方法 - Google Patents

基于gpu的超声三维混合叠加体渲染处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其通过代理立方体的方式确定渲染数据，选择二维图像序列进行绘制。本发明不需要GPU支持体数据纹理，可以在价格更低廉的GPU上实现；其可以实现实时的任意视角的体数据绘制，根据医生的临床要求，可以将三维图像进行360度任意角度旋转，方便进行多角度的观测。

Description

基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法
技术领域
本发明涉及医用超声成像技术，特别是使用GPU（Graphics Process Unit）图形处理技术的超声三维混合叠加体渲染处理方法。
背景技术
三维成像是医学成像技术近年来主要的发展方向。由断层成像发展到三维体积成像是医学成像发展的总趋势，是用来无损地显示人体内部形态结构或功能的新的发展阶段。
三维超声成像技术，将传统的多幅或者多个截面的二维超声进行重建得到体数据，并对体数据进行绘制与处理，获得清晰的三维B超诊断图像，使得医生的临床诊断依据从传统的平面二维图像提升至更为形象直观的三维立体人体结构图像，提升了诊断的便捷性与准确性。
三维超声成像技术中又细分为体数据生成和体数据渲染两部分技术。在体数据渲染方面，以往的处理方法通过通用计算机的CPU实现，由于超声图像三维成像处理的运算量大，需要高性能高价位的PC系统，超声诊断仪自身处理系统的运算处理能力往往不能满足需求，因此需要通过高速数据采集卡将超声诊断仪的超声图像采集后送至外置的PC工作站系统，进行处理后显示三维图像。整个系统由超声诊断仪、视频采集卡、外置PC工作站组成，不但系统复杂、价格昂贵、实时性差、操作不便，而且由于图像采集的信号损失，其成像质量也不尽如人意。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种实现快速、低成本、高性能的基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）定义体数据i（x，y，z），x方向长度为n，y方向长度为m，z方向长度为o，体数据i（x，y，z）每个点的值为该点反射信号的强度，GPU根据体数据i（x，y，z）每个点的值计算每个点的亮度和透明度；
（2）GPU根据体数据i（x，y，z）生成三个二维图像序列，分别为                                                
Figure 98173DEST_PATH_IMAGE001
、、
Figure 2012101272875100002DEST_PATH_IMAGE003
；
（3）GPU生成一个代理立方体来描述体数据i（x，y，z）的外边界，并将该代理立方体按照用户设定的视角方向变换到屏幕空间；
（4）GPU确定该代理立方体在屏幕空间面积最大的一个面，当xz平面面积最大时，选择
Figure 508612DEST_PATH_IMAGE002
作为渲染数据，当xy平面面积最大时，选择
Figure 730646DEST_PATH_IMAGE001
作为渲染数据，当yz平面面积最大时，选择作为渲染数据；
（5）GPU对所选择的二维图像序列的每一幅图像生成一个代理平面代表其在体数据i（x，y，z）中的实际位置；
（6）GPU将每一个代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间，绘制第k个代理平面时将
Figure 856657DEST_PATH_IMAGE004
的数据设为纹理。
进一步，步骤（6）中将代理平面绘制到屏幕空间时，代理平面先切分为两个三角形后再交由GPU进行绘制。
进一步，当有用户所定义的切面时，该切面先与每个代理平面进行相交切割，切割后所得的代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间。
进一步，代理平面与切面进行切割后，切割后所得的平面先分为若干三角形后再交由GPU进行绘制。
进一步，当用户所定义的切面有两个或两个以上时，每个切面按照先后顺序与每个代理平面进行相交切割，切割后所得的代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间。
进一步，体数据i（x，y，z）每个点的值范围在0~255内，每个点的亮度Color= (i(x,y,z)-transparency) * (256 -transparency)/256*light，每个点的透明度Alpha = pow(i(x,y,z)/255, contrast) *gradation，其中light、transparency、contrast和gradation为用户可调显示参数，Pow(a,b)定义为a的b次幂，Alpha为0时完全透明，Alpha为1时完全不透明。
代理平面绘制时所采用的alpha混合公式为Color=SrcColor*SrcAlpha+DstColor*(1-SrcAlpha)，其中的Color为alpha混合后的亮度，SrcColor为根据Color= (i(x,y,z)-transparency) * (256 -transparency)/256*light计算出来的源亮度，SrcAlpha为根据Alpha = pow(i(x,y,z)/255, contrast) *gradation计算出来的源透明度，DstColor为GPU透明度缓冲区所储存的目标亮度。
本发明的有益效果是：本发明的方法相比CPU实现方法具有高的性能成本，将对PC系统的要求降低至1.6GHz CPU、512M内存性能的低成本低功耗级别，超声诊断仪内部的运算系统即可满足要求，使得诊断仪在结构上实现一体化的设计，不但可以降低功耗与成本，提升设备操作的便捷性，获得高清晰的图像，而且使得设备的小型化的结构设计成为可能；本发明的处理方法不需要GPU支持体数据纹理，可以在价格更低廉的GPU上实现；其可以实现实时的任意视角的体数据绘制，根据医生的临床要求，可以将三维图像进行360度任意角度旋转，方便进行多角度的观测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明：
图1为生成代理立方体的示意图；
图2为生成代理平面的示意图；
图3为代理平面划分为三角形的示意图；
图4为切面与代理平面分别相交切割的示意图；
图5为切面与代理平面后所得平面划分为三角形的示意图。
具体实施方式
参照图1至图5，本发明的基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，此方法是基于DirectX实现的，相比OpenGL的GPU加速方案，DirectX能在更高集成度的硬件上实现，功耗和成本都要更低。下面对本发明的详细步骤进行描述。
步骤（1），定义体数据i（x，y，z），x方向长度为n，y方向长度为m，z方向长度为o，体数据i（x，y，z）每个点的值为该点反射信号的强度，GPU根据体数据i（x，y，z）每个点的值计算每个点的亮度和透明度。一般地，体数据i（x，y，z）每个点的值范围在0~255内，每个点的亮度Color= (i(x,y,z)-transparency) * (256 -transparency)/256*light，每个点的透明度Alpha = pow(i(x,y,z)/255, contrast) *gradation，其中light、transparency、contrast和gradation为用户可调显示参数，Pow(a,b)定义为a的b次幂，Alpha为0时完全透明，Alpha为1时完全不透明。一般地，light为用户设置亮度、transparency为用户设置透明度，contrast则为用户设置对比度，使用时用户可以通过上述多个参数的调节来影响最终显示的效果。
步骤（2），GPU根据体数据i（x，y，z）生成三个二维图像序列，分别为
Figure 975923DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 352547DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 190053DEST_PATH_IMAGE003
。
步骤（3），GPU生成一个代理立方体来描述体数据i（x，y，z）的外边界，生成的代理立方体如图1所示，并将该代理立方体按照用户设定的视角方向变换到屏幕空间。
步骤（4），GPU确定该代理立方体在屏幕空间面积最大的一个面，当xz平面面积最大时，选择
Figure 756163DEST_PATH_IMAGE002
作为渲染数据，当xy平面面积最大时，选择
Figure 746247DEST_PATH_IMAGE001
作为渲染数据，当yz平面面积最大时，选择作为渲染数据
Figure 44504DEST_PATH_IMAGE003
。
步骤（5），GPU对所选择的二维图像序列的每一幅图像生成一个代理平面代表其在体数据i（x，y，z）中的实际位置，生成的多个代理平面如图2所示。
步骤（6），GPU将每一个代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间，绘制第k个代理平面时将的数据设为纹理。代理平面绘制时所采用的alpha混合公式为Color=SrcColor*SrcAlpha+DstColor*(1-SrcAlpha)，其中的Color为alpha混合后的亮度，SrcColor为根据Color= (i(x,y,z)-transparency) * (256 -transparency)/256*light计算出来的源亮度，SrcAlpha为根据Alpha = pow(i(x,y,z)/255, contrast) *gradation计算出来的源透明度，DstColor为GPU透明度缓冲区所储存的目标亮度。考虑到GPU一般只能绘制三角形，此步骤中将代理平面绘制到屏幕空间时，代理平面先切分为两个三角形后再交由GPU进行绘制，如图3所示。
如图4所示，当有用户所定义的切面（此切面定义为ax+by+cz+d = 0）时，该切面先与每个代理平面进行相交切割，切割后所得的代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间。同理，考虑到GPU一般只能绘制三角形，代理平面与切面进行切割后，切割后所得的平面先分为若干三角形后再交由GPU进行绘制，如图5所示。当用户所定义的切面有两个或两个以上时，每个切面按照先后顺序与每个代理平面进行相交切割，切割后所得的代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，只要其以基本相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）定义体数据i（x，y，z），x方向长度为n，y方向长度为m，z方向长度为o，体数据i（x，y，z）每个点的值为该点反射信号的强度，GPU根据体数据i（x，y，z）每个点的值计算每个点的亮度和透明度；
（2）GPU根据体数据i（x，y，z）生成三个二维图像序列，分别为                                                、
Figure 104008DEST_PATH_IMAGE002
、；
（3）GPU生成一个代理立方体来描述体数据i（x，y，z）的外边界，并将该代理立方体按照用户设定的视角方向变换到屏幕空间；
（4）GPU确定该代理立方体在屏幕空间面积最大的一个面，当xz平面面积最大时，选择
Figure 135997DEST_PATH_IMAGE004
作为渲染数据，当xy平面面积最大时，选择
Figure 496440DEST_PATH_IMAGE001
作为渲染数据，当yz平面面积最大时，选择作为渲染数据；
（5）GPU对所选择的二维图像序列的每一幅图像生成一个代理平面代表其在体数据i（x，y，z）中的实际位置；
（6）GPU将每一个代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间，绘制第k个代理平面时将
Figure 412760DEST_PATH_IMAGE005
的数据设为纹理。
2.根据权利要求1所述的基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其特征在于步骤（6）中将代理平面绘制到屏幕空间时，代理平面先切分为两个三角形后再交由GPU进行绘制。
3.根据权利要求1所述的基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其特征在于当有用户所定义的切面时，该切面先与每个代理平面进行相交切割，切割后所得的代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间。
4.根据权利要求3所述的基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其特征在于代理平面与切面进行切割后，切割后所得的平面先分为若干三角形后再交由GPU进行绘制。
5.根据权利要求3所述的基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其特征在于当用户所定义的切面有两个或两个以上时，每个切面按照先后顺序与每个代理平面进行相交切割，切割后所得的代理平面按照从后往前的顺序并利用alpha混合绘制到屏幕空间。
6.根据权利要求1所述的基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其特征在于体数据i（x，y，z）每个点的值范围在0~255内，每个点的亮度Color= (i(x,y,z)-transparency) * (256 -transparency)/256*light，每个点的透明度Alpha = pow(i(x,y,z)/255, contrast) *gradation，其中light、transparency、contrast和gradation为用户可调显示参数，Pow(a,b)定义为a的b次幂，Alpha为0时完全透明，Alpha为1时完全不透明。
7.根据权利要求6所述的基于GPU的超声三维混合叠加体渲染处理方法，其特征在于代理平面绘制时所采用的alpha混合公式为Color=SrcColor*SrcAlpha+DstColor*(1-SrcAlpha)，其中的Color为alpha混合后的亮度，SrcColor为根据Color= (i(x,y,z)-transparency) * (256 -transparency)/256*light计算出来的源亮度，SrcAlpha为根据Alpha = pow(i(x,y,z)/255, contrast) *gradation计算出来的源透明度，DstColor为GPU透明度缓冲区所储存的目标亮度。
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