基于可編程GPU的體繪制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)據(jù)可視化通過將3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可顯示的2D圖像，為觀察和研究體數(shù)據(jù)提供了可靠的手段。體繪制是一種有效的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，由于能夠揭示體數(shù)據(jù)內(nèi)部信息，而不僅僅是顯示對象的表面，使其得到了廣泛的關(guān)注，特別是在醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域。目前對體繪制的研究主要集中在體繪制算法和交互技術(shù)兩個(gè)方面。體繪制算法因?yàn)閿?shù)據(jù)類型、應(yīng)用領(lǐng)域以及其他一些因素而各不相同，導(dǎo)致沒有任何一種通用的體繪制算法能夠適用于所有的應(yīng)用領(lǐng)域。在分析數(shù)據(jù)的過程中，交互技術(shù)能夠有效地

2、挖掘體數(shù)據(jù)內(nèi)部的隱藏信息，為把握和理解數(shù)據(jù)特征提供保障。 雖然經(jīng)歷了十多年的發(fā)展，但是體繪制技術(shù)遠(yuǎn)未成熟，在理論和實(shí)際應(yīng)用中還有許多問題亟待解決。本文在現(xiàn)有的體繪制算法與交互技術(shù)的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)斷層掃描及核磁共振成像的體數(shù)據(jù)作為研究對象，利用圖形學(xué)理論和GPU的可編程技術(shù)構(gòu)建更高質(zhì)量的可視化算法與更有效的交互技術(shù)，并將兩者進(jìn)行結(jié)合，以便提供更多的體數(shù)據(jù)內(nèi)部特征信息，為科學(xué)地分析數(shù)據(jù)提供可靠的依據(jù)。 本文所取得的主要研究

3、成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下： （1）針對現(xiàn)有3D紋理體繪制算法中復(fù)雜光照效果難以實(shí)現(xiàn)的問題，改進(jìn)3D紋理體繪制算法的實(shí)現(xiàn)過程。利用Cg語言編寫頂點(diǎn)處理程序和片元處理程序，靈活控制片元處理器的著色方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的3D紋理體繪制算法在實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光照效果的同時(shí)，達(dá)到了實(shí)時(shí)交互。為解決3D紋理體繪制算法在透視投影時(shí)難以實(shí)現(xiàn)等步長采樣的問題，提出一種單步光線投射體繪制改進(jìn)算法。結(jié)合離屏渲染技術(shù)，通過繪制體數(shù)據(jù)包圍盒來快速獲取投射光線參數(shù)

4、，并利用GPU的可編程性來實(shí)現(xiàn)透視投影時(shí)的等步長采樣。與同類光線投射算法相比，改進(jìn)后的光線投射算法在簡化繪制流程的同時(shí)靈活地實(shí)現(xiàn)了多種高質(zhì)量的繪制效果。 （2）為使體繪制算法獲得更快的速度，提出一種八叉樹編碼的加速算法。首先設(shè)置八叉樹的深度，然后根據(jù)空間位置對體數(shù)據(jù)逐層虛擬剖分，剖分過程中僅利用八叉樹結(jié)構(gòu)保存剖分生成子塊的坐標(biāo)和子塊內(nèi)體素的最大最小值等信息，并不改變原始體數(shù)據(jù)的存儲方式，最后通過遍歷八叉樹來實(shí)現(xiàn)空間跳躍加速繪制。

5、該算法同時(shí)適用于對3D紋理體繪制算法及光線投射體繪制算法的加速。 （3）針對基于GPU的體繪制算法存在的存儲瓶頸問題，提出一種基于分塊策略的大規(guī)模體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制算法。該算法對體數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊規(guī)劃，使得生成的子塊數(shù)據(jù)規(guī)模小于紋理內(nèi)存容量，通過對子塊排序后依次載入紋理內(nèi)存并繪制，得到的結(jié)果與對數(shù)據(jù)直接繪制的結(jié)果完全一致。經(jīng)過遮擋查詢和空間跳躍技術(shù)的加速，該方法取得了較快的繪制速度。 （4）針對目前傳輸函數(shù)設(shè)置的種種不便，提出一

6、種基于體直方圖的傳輸函數(shù)自動生成算法。首先利用GPU快速計(jì)算梯度方向的一階和二階導(dǎo)數(shù)，然后根據(jù)中心極限定理，選擇3倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法確定一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的范圍，構(gòu)建有效數(shù)據(jù)的體直方圖，最后根據(jù)該體直方圖找到體數(shù)據(jù)的邊界，并以此來設(shè)置傳輸函數(shù)。與同類算法相比，該算法不需要經(jīng)驗(yàn)值，可自動獲得較好效果的傳輸函數(shù)。 （5）針對基于固定圖形流水線的兩步式渲染體切割算法需要繪制體數(shù)據(jù)兩次且無法處理凹體切割的缺點(diǎn)，提出一種單步式渲染體切割算法。

7、該算法首先結(jié)合幀緩存對象實(shí)現(xiàn)離屏渲染，然后將切割體前后表面的深度信息保存到與幀緩存對象綁定的深度紋理中，最后利用片元處理器判斷體數(shù)據(jù)的深度是否在深度紋理的范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)切割操作。該算法只需繪制體數(shù)據(jù)一次，并可實(shí)現(xiàn)凹體切割。 （6）為了在切割操作中獲得更好的交互性，提出一種基于體標(biāo)記的切割算法。該算法首先在屏幕上交互地選擇切割區(qū)域，再將3D體數(shù)據(jù)的坐標(biāo)從物方空間變換到屏幕空間，然后利用體數(shù)據(jù)的屏幕坐標(biāo)判斷體數(shù)據(jù)是否屬于切割區(qū)域，最后