基于GPU的體繪制技術(shù)研究.pdf

1、醫(yī)學(xué)圖像三維可視化是科學(xué)可視化的一個重要研究方向，而直接體繪制技術(shù)作為醫(yī)學(xué)圖像可視化的關(guān)鍵技術(shù)近年來發(fā)展迅速，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。直接體繪制技術(shù)在繪制時不需要生成中間幾何圖元，而是根據(jù)離散的三維體數(shù)據(jù)標(biāo)量值直接繪制成像，繪制過程充分利用了體數(shù)據(jù)標(biāo)量值來獲取全局信息。然而，體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大，直接體繪制又涉及大量的插值運(yùn)算和顏色混合運(yùn)算，巨大的計算量對計算機(jī)的性能要求很高，繪制的速度較慢，限制了體繪制的廣泛應(yīng)用。目前所見到的一些體

2、繪制加速技術(shù)，多半是以犧牲圖像繪制質(zhì)量為代價來實現(xiàn)加速的，加速性能和加速的擴(kuò)展空間有限。因此，在保證圖像質(zhì)量的前提下，單純依靠軟件加速技術(shù)很難滿足實時成像和交互幀率的需求。 當(dāng)前，可編程圖形圖形處理器GPU發(fā)展迅速，它具有強(qiáng)大的并行計算和多數(shù)據(jù)流處理能力，數(shù)據(jù)傳輸帶寬不斷提升，顯存容量不斷增大。較大的顯存容量使得中小規(guī)模甚至大規(guī)模的體數(shù)據(jù)可以一次性的以三維紋理形式載入顯存，而直接體繪制中頂點(diǎn)和片段屬性的相關(guān)計算非常適合GPU的并

3、行流處理，尤其是GPU靈活的可編程特性為體繪制算法在圖形硬件上的實現(xiàn)提供了可能。 本文對現(xiàn)有體繪制軟硬件技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，比較了各種體繪制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)圖形硬件的可編程特性，提出一種基于GPU的快速光線投射算法。以光線投射算法為基礎(chǔ)，用預(yù)積分分類法對體數(shù)據(jù)標(biāo)量值進(jìn)行分類轉(zhuǎn)換，然后編寫頂點(diǎn)程序和片段程序?qū)⒐饩€進(jìn)入點(diǎn)/離開點(diǎn)的計算和光線遍歷的計算移入GPU 中執(zhí)行，在通用PC的圖形硬件上實現(xiàn)了基于GPU的快速光線投射體繪制算法

4、。其關(guān)鍵之處在于能夠利用GPU 的可編程特性在片段程序中完成對體數(shù)據(jù)的遍歷、采樣和計算，并將得到的采樣值分類后進(jìn)行混合，以產(chǎn)生最終的重建結(jié)果。其優(yōu)勢在于：避免了傳統(tǒng)體繪制算法CPU 與GPU 之間的多次數(shù)據(jù)交換；通過計算出光線的離開點(diǎn)來避免動態(tài)分支；只需要繪制一個填充四邊形即可完成光線投射計算。此外，通過預(yù)定義閾值，在片段中實時計算梯度，可以實現(xiàn)添加光照的等值面繪制。 論文最后對所提出的方法進(jìn)行了實驗驗證。通過實驗表明：本文算法