基于GPU的醫(yī)學(xué)圖像三維重建及可視化技術(shù)研究.pdf

1、醫(yī)學(xué)圖像的三維重建及可視化技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。它利用醫(yī)學(xué)影像作為原始數(shù)據(jù)，涉及數(shù)字圖象處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)提供具有真實(shí)感的三維立體影像。在保證繪制質(zhì)量和速度的前提下，現(xiàn)有的三維可視化方法大多需要借助價(jià)格昂貴的專業(yè)圖形加速卡或圖形工作站，因此研究普通PC平臺(tái)上的實(shí)時(shí)的三維重建及可視化技術(shù)具有重要的意義。 圖形處理芯片(GPU)并行計(jì)算能力和可編程性的快速發(fā)展使GPU用于通

2、用計(jì)算(GPGPU)逐漸成為研究熱點(diǎn)，其中基于GPU的三維可視化方法使普通PC上醫(yī)學(xué)圖像實(shí)時(shí)繪制成為可能。與傳統(tǒng)的繪制方法相比較，此類方法充分利用了GPU的硬件特點(diǎn)，借助高級(jí)繪制語言完成重建和顯示，繪制速度快、成本低。但受編程模型和硬件資源的限制，其往往實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，很少被用于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。 2006年末，Nvidia公司推出了具有統(tǒng)一渲染架構(gòu)的GeForce8系列GPU，該系列GPU全面支持DirectX10，并引入了統(tǒng)

3、一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)(CUDA)的概念，使得GPGPU的實(shí)現(xiàn)更加高效和簡(jiǎn)單。本文將討論GeForce8架構(gòu)下的GPGPU技術(shù)，在其基礎(chǔ)上對(duì)醫(yī)學(xué)圖像面繪制和體繪制方法進(jìn)行研究，提出兩種新的快速重建算法，并在普通PC平臺(tái)上給出實(shí)時(shí)繪制結(jié)果。 1.基于幾何著色器的快速面繪制面顯示的全部流程在ShaderModel4.0繪制管線上完成，主要分為兩步：一是基于幾何著色器的MarchingCLlbes(MC)重建算法，該方法用三維紋理作為數(shù)據(jù)載體

4、，利用了幾何著色器的數(shù)據(jù)批處理能力加速運(yùn)算，每次幾何著色運(yùn)算在一個(gè)立方體中提取等值面并輸出三角形帶；第二步是在片段著色器上采用Phong光照模型對(duì)生成三角形渲染顯示。面繪制采用高級(jí)繪制語言GLSL，建模和顯示過程均在GPU上完成，對(duì)CPU的依賴低。實(shí)驗(yàn)表明，本方法可在通用PC平臺(tái)上對(duì)大規(guī)模體數(shù)據(jù)集完成快速建模和顯示。 2.基于CUDA的并行體繪制算法首先將傳統(tǒng)的光線投射法(RayCasting)改造成可在GPU上并行處理的單指令

5、多數(shù)據(jù)流(SIMD)模式，而后根據(jù)CUDA的設(shè)計(jì)原則對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和線程分配進(jìn)行優(yōu)化，其中臨時(shí)雙層共享存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)用以在采樣過程中加速數(shù)據(jù)的讀寫速度，基于圖像空間的多線程分配原則用以充分發(fā)揮GPU的并行計(jì)算能力。該算法指定投影空間發(fā)出光線，分配的每一個(gè)線程用來完成一條光線方向上的計(jì)算，耗時(shí)的三線性插值和圖像合成運(yùn)算均通過并行計(jì)算完成，節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間。整個(gè)過程使用GeForce8平臺(tái)上的并行編程工具CUDA完成，運(yùn)算過程無需與CPU進(jìn)行通訊，對(duì)