專利名稱：醫(yī)學圖像中基于gpu硬件加速的體繪制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種圖象處理技術領域的方法，具體地說，是一種醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法。
背景技術：
體繪制是可視化體數(shù)據(jù)的關鍵技術。它將體數(shù)據(jù)直接繪制成三維圖像，因此能夠更有效地從任意視角高質量顯示物體的結構。但是由于直接體繪制運行速度慢，占用資源多等原因而不易在普通PC機上采用。但是在眾多領域如醫(yī)學三維重建、虛擬人數(shù)據(jù)的顯示處理等，直接體繪制在顯示效果方面無可取代。本發(fā)明針對這一點，特別對直接體繪制進行加速計算，使用圖像卡(GPU)硬件代替CPU完成直接體繪制過程，這樣一方面可以保證生成圖像的質量，以滿足廣大需求，另一方面可以在普通PC上達到實時操作的速度，降低系統(tǒng)對計算機硬件的依賴性。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，J.Kriiger和R.Westermann于2003年在西雅圖IEEE可視化會議上的文章《基于GPU的加速技術》；Rudiger Westermann和Bernd Sevenich與2001年IEEE上的文章《使用紋理加速體繪制的光線投射》。這些加速算法在某種程度上達到了很好的性能，但由于受當時GPU硬件發(fā)展的限制，算法還有很大的提升空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，使其用圖形卡硬件對繪制進行加速計算，從而在保持圖像質量的同時，獲得實時地繪制速度，滿足數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)的需要。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟1、對體數(shù)據(jù)進行預處理后存儲為紋理將每個體素的灰度值映射到顏色值和透明度上，以表示該體素的發(fā)光特性，然后估計梯度信息，使用光照模型，計算此體素在加入光照后的最終顏色，就可觀測感興趣區(qū)域。
體數(shù)據(jù)原始值一般表示物質某種特性，需要分類為顏色和透明度后才可觀察到感興趣區(qū)域。就CT數(shù)據(jù)而言，每個原始體數(shù)據(jù)表示事物的灰度值，不同人體組織對應于不同的灰度值，可以根據(jù)這些物理特性將它們映射到顏色值上，以方便觀察感興趣部分。
2、為GPU計算生成和提供參數(shù)①基準切面的生成。GPU內(nèi)的光線投射，需要CPU提供一個基準切面，并以此為基礎進行光線投射?；鶞是忻婵梢酝ㄟ^將此體數(shù)據(jù)對應空間立方體投影到垂直與眼睛所看方向的一個平面上求得，因為投影點可能不是一個很規(guī)則的圖形，所以最好使用一個最小的長方形，將這些投影點全部包圍，這樣，當程序運行到GPU計算階段時，可以獲得空間立方體的所有投影(也包括不是此立方體的投影)，同時也最大程度的減少此投影范圍之外的點。
②在光線投射過程中，紋理的增長量和總共光線需要前進的步數(shù)。因為在將數(shù)據(jù)存儲為三維紋理后，對體數(shù)據(jù)的處理就等價于在GPU內(nèi)對三維紋理的處理，所以需要確定光線沒前進一步時，紋理坐標需要前進多少。另外不可能讓光線投射的采樣步伐無限小，所以在CPU內(nèi)將這個最大步數(shù)用一個常量n確定，根據(jù)立方體距離眼睛位置的最近距離和最遠距離，再加上常量n，確定每前進一步對應紋理的改變量。所以這里，需要一個表示步數(shù)的常量n，和表示單步紋理坐標前進量的常量x，y，z。這些常規(guī)參數(shù)不會因為頂點的不同而改變，所以一次性傳遞給GPU程序，就可以在每個像素處理中使用了。
③在GPU處理中將冗余點對應的冗余部門去掉。通過紋理在三個坐標軸上的大小與光線投射過程中生成的紋理比較確定冗余點，如果紋理坐標在三個坐標軸上都落在了0到紋理在這個方向上的最大值范圍內(nèi)，就說它是有意義的點，反之它是冗余點。這些冗余點根據(jù)光線投射方程的線性性質，通過除法得以剔出。因為基本切平面生成過程中，會生成很多冗余點，所以在GPU處理中將冗余點對應的冗余部門去掉。
3、GPU計算，生成圖像
像素渲染是光線投射計算部分，包括確定光線兩端和顏色混合。光線投射方程為紋理坐標的線性方程，光線投射部分必須滿足紋理坐標在0到紋理在這個軸上的最大值之間，所以計算出光線投射多少步可以使紋理坐標滿足這個條件即可獲得光線的起始位置，在計算出光線投射多少步可以使紋理坐標恰好不在這個范圍內(nèi)，這樣確定光線的終止位置。然后光線投射在光線起始位置和終止位置中間進行，進行顏色混合后輸出圖像。
本發(fā)明結合傳統(tǒng)的CPU實現(xiàn)的光線投射算法、傳統(tǒng)的紋理體繪制算法為一體，使用GPU來完成光線投射過程，使用顏色混合方法生成圖像，然后發(fā)送到顏色緩沖區(qū)中。本發(fā)明用圖形卡硬件對繪制進行加速計算，從而在保持圖像質量的同時，獲得實時地繪制速度，滿足數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)的需要。


圖1是本發(fā)明實施的效果圖。
具體實施例方式
結合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實施例，對一源于Stanford大學圖像研究所的一個CT數(shù)據(jù)進行體繪制，此數(shù)據(jù)大小為512*512*361，GPU使用Nvidia的NV40芯片系列。
1.讀入三維圖像。圖像的解像度為512×512×361。
2.使用分類函數(shù)將體數(shù)據(jù)分類，使每個體素對應一個含透明度的顏色值(RGBA)，其具體操作為首先選擇某些體素值作為關鍵點，對這一點人為的增加一個顏色和透明度值，其中透明度是確定具有這些值的體素的顯示情況，顏色值則對這些體素加以區(qū)別。然后將體數(shù)據(jù)整個空間的每一個值使用那些關鍵點的對應值進行線行插值計算，從而獲得每個體素點的數(shù)據(jù)值到顏色值的映射。將新的由顏色值確定的體數(shù)據(jù)用三維紋理來保存，以提供GPU的數(shù)據(jù)來源。
3.確定投影平面。GPU光線投射只需要CPU給生成一個投影平面上的長方形即可，這個長方形可以根據(jù)相機的位置，在投影平面上獲得一個能夠包圍體數(shù)據(jù)對應的空間立方體在這個平面上的所有投影點，然后由四個頂點確定，利用這四個頂點在CPU內(nèi)繪制長方形，從而將激活GPU的頂點運算和像素運算。
4.在CPU繪制了長方形，并且生成并且傳遞了表示光線方向的參數(shù)之后，進入GPU像素程序中運行，在這里進行光線投射過程，首先確定光線的開始位置和終止位置當紋理坐標在(0，1)之間時，表示此位置在體數(shù)據(jù)包圍的范圍之內(nèi)，并且光線投射過程中，紋理坐標做線形變化，首先去除紋理坐標的冗余部分，使其恰好在正常值范圍內(nèi)，這樣就確定了光線投射方向上的一個線段，兩端就是光線的起始位置和終止位置。然后從起始位置到終止位置作迭代計算，使用顏色混合公式計算出相應的顏色值。迭代結束后，將顏色寫入到第一輸出管道(也就是繪制的目的地)。
實施效果生成的圖像如圖1所示，繪制速度10.75禎一秒。
權利要求
1.一種醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)對體數(shù)據(jù)進行預處理后存儲為紋理；(2)為GPU計算生成和提供參數(shù)①基準切面的生成；②在光線投射過程中，紋理的增長量和總共光線需要前進的步數(shù)；③在GPU處理中將冗余點對應的冗余部門去掉；(3)GPU計算，生成圖像像素渲染是光線投射計算部分，包括確定光線兩端和顏色混合。
2.根據(jù)權利要求1所述的醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征是，所述的步驟(1)中，將每個體素的灰度值映射到顏色值和透明度上，以表示該體素的發(fā)光特性。
3.根據(jù)權利要求2所述的醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征是，所述的步驟(1)中，估計梯度信息，使用光照模型，計算此體素在加入光照后的最終顏色，就可觀測感興趣區(qū)域。
4.根據(jù)權利要求1所述的醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征是，所述的基準切面的生成，是指基準切面通過將此體數(shù)據(jù)對應空間立方體投影到垂直與眼睛所看方向的一個平面上求得。
5.根據(jù)權利要求1所述的醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征是，所述的步數(shù)，是指在CPU內(nèi)將最大步數(shù)用一個常量n確定，根據(jù)立方體距離眼睛位置的最近距離和最遠距離，再加上常量n，確定每前進一步對應紋理的改變量。
6.根據(jù)權利要求1所述的醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征是，所述的將冗余點對應的冗余部門去掉，是指通過紋理在三個坐標軸上的大小與光線投射過程中生成的紋理比較確定冗余點，如果紋理坐標在三個坐標軸上都落在了0到紋理在這個方向上的最大值范圍內(nèi)，就說它是有意義的點，反之它是冗余點。
7.根據(jù)權利要求6所述的醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征是，所述的冗余點根據(jù)光線投射方程的線性性質，通過除法得以剔出。
8.根據(jù)權利要求1所述的醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征是，所述的步驟(3)中，光線投射方程為紋理坐標的線性方程，光線投射部分必須滿足紋理坐標在0到紋理在這個軸上的最大值之間，所以計算出光線投射多少步使紋理坐標滿足這個條件即獲得光線的起始位置，在計算出光線投射多少步使紋理坐標恰好不在這個范圍內(nèi)，這樣確定光線的終止位置。
9.根據(jù)權利要求8所述的醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，其特征是，所述的步驟(3)中，光線投射在光線起始位置和終止位置中間進行，進行顏色混合后輸出圖像。
全文摘要
一種醫(yī)學圖像中基于GPU硬件加速的體繪制方法，屬于圖像處理技術領域。本發(fā)明包括以下步驟(1)對體數(shù)據(jù)進行預處理后存儲為紋理；(2)為GPU計算生成和提供參數(shù)①基準切面的生成；②在光線投射過程中，紋理的增長量和總共光線需要前進的步數(shù)；③在GPU處理中將冗余點對應的冗余部門去掉；(3)GPU計算，生成圖像像素渲染是光線投射計算部分，包括確定光線兩端和顏色混合。本發(fā)明結合傳統(tǒng)的CPU實現(xiàn)的光線投射算法、傳統(tǒng)的紋理體繪制算法為一體，使用GPU來完成光線投射過程，使用顏色混合方法生成圖像，然后發(fā)送到顏色緩沖區(qū)中。本發(fā)明用圖形卡硬件對繪制進行加速計算，從而在保持圖像質量的同時，獲得實時地繪制速度，滿足數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)的需要。
文檔編號G06T15/00GK1776747SQ20051011066
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月24日 優(yōu)先權日2005年11月24日
發(fā)明者顧力栩 申請人:上海交通大學