CN1776747A

CN1776747A - 医学图像中基于gpu硬件加速的体绘制方法

Info

Publication number: CN1776747A
Application number: CNA2005101106659A
Authority: CN
Inventors: 顾力栩
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2006-05-24

Abstract

一种医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，属于图像处理技术领域。本发明包括以下步骤：(1)对体数据进行预处理后存储为纹理；(2)为GPU计算生成和提供参数：①基准切面的生成；②在光线投射过程中，纹理的增长量和总共光线需要前进的步数；③在GPU处理中将冗余点对应的冗余部门去掉；(3)GPU计算，生成图像：像素渲染是光线投射计算部分，包括：确定光线两端和颜色混合。本发明结合传统的CPU实现的光线投射算法、传统的纹理体绘制算法为一体，使用GPU来完成光线投射过程，使用颜色混合方法生成图像，然后发送到颜色缓冲区中。本发明用图形卡硬件对绘制进行加速计算，从而在保持图像质量的同时，获得实时地绘制速度，满足数字医疗系统的需要。

Description

医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法

技术领域

本发明涉及的是一种图象处理技术领域的方法，具体地说，是一种医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法。

背景技术

体绘制是可视化体数据的关键技术。它将体数据直接绘制成三维图像，因此能够更有效地从任意视角高质量显示物体的结构。但是由于直接体绘制运行速度慢，占用资源多等原因而不易在普通PC机上采用。但是在众多领域如：医学三维重建、虚拟人数据的显示处理等，直接体绘制在显示效果方面无可取代。本发明针对这一点，特别对直接体绘制进行加速计算，使用图像卡(GPU)硬件代替CPU完成直接体绘制过程，这样一方面可以保证生成图像的质量，以满足广大需求，另一方面可以在普通PC上达到实时操作的速度，降低系统对计算机硬件的依赖性。

经对现有技术的文献检索发现，J.Kriiger和R.Westermann于2003年在西雅图IEEE可视化会议上的文章《基于GPU的加速技术》；Rudiger Westermann和Bernd Sevenich与2001年IEEE上的文章《使用纹理加速体绘制的光线投射》。这些加速算法在某种程度上达到了很好的性能，但由于受当时GPU硬件发展的限制，算法还有很大的提升空间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，使其用图形卡硬件对绘制进行加速计算，从而在保持图像质量的同时，获得实时地绘制速度，满足数字医疗系统的需要。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

1、对体数据进行预处理后存储为纹理：

将每个体素的灰度值映射到颜色值和透明度上，以表示该体素的发光特性，然后估计梯度信息，使用光照模型，计算此体素在加入光照后的最终颜色，就可观测感兴趣区域。

体数据原始值一般表示物质某种特性，需要分类为颜色和透明度后才可观察到感兴趣区域。就CT数据而言，每个原始体数据表示事物的灰度值，不同人体组织对应于不同的灰度值，可以根据这些物理特性将它们映射到颜色值上，以方便观察感兴趣部分。

2、为GPU计算生成和提供参数：

①基准切面的生成。GPU内的光线投射，需要CPU提供一个基准切面，并以此为基础进行光线投射。基准切面可以通过将此体数据对应空间立方体投影到垂直与眼睛所看方向的一个平面上求得，因为投影点可能不是一个很规则的图形，所以最好使用一个最小的长方形，将这些投影点全部包围，这样，当程序运行到GPU计算阶段时，可以获得空间立方体的所有投影(也包括不是此立方体的投影)，同时也最大程度的减少此投影范围之外的点。

②在光线投射过程中，纹理的增长量和总共光线需要前进的步数。因为在将数据存储为三维纹理后，对体数据的处理就等价于在GPU内对三维纹理的处理，所以需要确定光线没前进一步时，纹理坐标需要前进多少。另外不可能让光线投射的采样步伐无限小，所以在CPU内将这个最大步数用一个常量n确定，根据立方体距离眼睛位置的最近距离和最远距离，再加上常量n，确定每前进一步对应纹理的改变量。所以这里，需要一个表示步数的常量n，和表示单步纹理坐标前进量的常量x，y，z。这些常规参数不会因为顶点的不同而改变，所以一次性传递给GPU程序，就可以在每个像素处理中使用了。

③在GPU处理中将冗余点对应的冗余部门去掉。通过纹理在三个坐标轴上的大小与光线投射过程中生成的纹理比较确定冗余点，如果纹理坐标在三个坐标轴上都落在了0到纹理在这个方向上的最大值范围内，就说它是有意义的点，反之它是冗余点。这些冗余点根据光线投射方程的线性性质，通过除法得以剔出。因为基本切平面生成过程中，会生成很多冗余点，所以在GPU处理中将冗余点对应的冗余部门去掉。

3、GPU计算，生成图像：

像素渲染是光线投射计算部分，包括：确定光线两端和颜色混合。光线投射方程为纹理坐标的线性方程，光线投射部分必须满足纹理坐标在0到纹理在这个轴上的最大值之间，所以计算出光线投射多少步可以使纹理坐标满足这个条件即可获得光线的起始位置，在计算出光线投射多少步可以使纹理坐标恰好不在这个范围内，这样确定光线的终止位置。然后光线投射在光线起始位置和终止位置中间进行，进行颜色混合后输出图像。

本发明结合传统的CPU实现的光线投射算法、传统的纹理体绘制算法为一体，使用GPU来完成光线投射过程，使用颜色混合方法生成图像，然后发送到颜色缓冲区中。本发明用图形卡硬件对绘制进行加速计算，从而在保持图像质量的同时，获得实时地绘制速度，满足数字医疗系统的需要。

附图说明

图1是本发明实施的效果图。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例，对一源于Stanford大学图像研究所的一个CT数据进行体绘制，此数据大小为512*512*361，GPU使用Nvidia的NV40芯片系列。

1.读入三维图像。图像的解像度为512×512×361。

2.使用分类函数将体数据分类，使每个体素对应一个含透明度的颜色值(RGBA)，其具体操作为：首先选择某些体素值作为关键点，对这一点人为的增加一个颜色和透明度值，其中透明度是确定具有这些值的体素的显示情况，颜色值则对这些体素加以区别。然后将体数据整个空间的每一个值使用那些关键点的对应值进行线行插值计算，从而获得每个体素点的数据值到颜色值的映射。将新的由颜色值确定的体数据用三维纹理来保存，以提供GPU的数据来源。

3.确定投影平面。GPU光线投射只需要CPU给生成一个投影平面上的长方形即可，这个长方形可以根据相机的位置，在投影平面上获得一个能够包围体数据对应的空间立方体在这个平面上的所有投影点，然后由四个顶点确定，利用这四个顶点在CPU内绘制长方形，从而将激活GPU的顶点运算和像素运算。

4.在CPU绘制了长方形，并且生成并且传递了表示光线方向的参数之后，进入GPU像素程序中运行，在这里进行光线投射过程，首先确定光线的开始位置和终止位置：当纹理坐标在(0，1)之间时，表示此位置在体数据包围的范围之内，并且光线投射过程中，纹理坐标做线形变化，首先去除纹理坐标的冗余部分，使其恰好在正常值范围内，这样就确定了光线投射方向上的一个线段，两端就是光线的起始位置和终止位置。然后从起始位置到终止位置作迭代计算，使用颜色混合公式计算出相应的颜色值。迭代结束后，将颜色写入到第一输出管道(也就是绘制的目的地)。

实施效果：生成的图像如图1所示，绘制速度：10.75祯一秒。

Claims

1.一种医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对体数据进行预处理后存储为纹理；

(2)为GPU计算生成和提供参数：

①基准切面的生成；

②在光线投射过程中，纹理的增长量和总共光线需要前进的步数；

③在GPU处理中将冗余点对应的冗余部门去掉；

(3)GPU计算，生成图像：

像素渲染是光线投射计算部分，包括：确定光线两端和颜色混合。

2.根据权利要求1所述的医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征是，所述的步骤(1)中，将每个体素的灰度值映射到颜色值和透明度上，以表示该体素的发光特性。

3.根据权利要求2所述的医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征是，所述的步骤(1)中，估计梯度信息，使用光照模型，计算此体素在加入光照后的最终颜色，就可观测感兴趣区域。

4.根据权利要求1所述的医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征是，所述的基准切面的生成，是指：基准切面通过将此体数据对应空间立方体投影到垂直与眼睛所看方向的一个平面上求得。

5.根据权利要求1所述的医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征是，所述的步数，是指：在CPU内将最大步数用一个常量n确定，根据立方体距离眼睛位置的最近距离和最远距离，再加上常量n，确定每前进一步对应纹理的改变量。

6.根据权利要求1所述的医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征是，所述的将冗余点对应的冗余部门去掉，是指：通过纹理在三个坐标轴上的大小与光线投射过程中生成的纹理比较确定冗余点，如果纹理坐标在三个坐标轴上都落在了0到纹理在这个方向上的最大值范围内，就说它是有意义的点，反之它是冗余点。

7.根据权利要求6所述的医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征是，所述的冗余点根据光线投射方程的线性性质，通过除法得以剔出。

8.根据权利要求1所述的医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征是，所述的步骤(3)中，光线投射方程为纹理坐标的线性方程，光线投射部分必须满足纹理坐标在0到纹理在这个轴上的最大值之间，所以计算出光线投射多少步使纹理坐标满足这个条件即获得光线的起始位置，在计算出光线投射多少步使纹理坐标恰好不在这个范围内，这样确定光线的终止位置。

9.根据权利要求8所述的医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法，其特征是，所述的步骤(3)中，光线投射在光线起始位置和终止位置中间进行，进行颜色混合后输出图像。