基于CUDA的医学图像三维实时体绘制技术

基于CUDA的医学图像三维实时体绘制技术

论文摘要

三维可视化技术是医学图像领域的一个研究热点,它涉及计算机图形学、数字图像处理、生物医学等背景知识,是多学科交叉的研究领域。医学图像所用的数据一般较大,而随着CT、MRI等医疗设备的更新换代,所产生的医学图像数据分辨率将更高。对于这样庞大的数据,现有的基于CPU计算平台的可视化算法均难以达到实时交互显示的效果,而早期的GPGPU(基于GPU的通用计算)加速的可视化算法虽然能够显著提升绘制速度,但存在着GPU硬件架构不适用于通用计算,编程困难,以及纹理限制无法加载较大规模的医学图像数据等不足,因此并没有很好的解决三维可视化实时交互的问题。CUDA(统一计算设备)是NVIDIA推出的GPU通用计算产品,它的编程更简单,功能更强大,架构体系也更加适用于GPU通用计算,而基于CUDA实现的三维可视化算法较好地解决了传统GPU加速存在的缺陷,达到了很高的实时交互速度以及不错的绘制质量。本文研究和总结了CUDA的体系架构模型,并围绕着CUDA应用于三维医学图像体绘制技术展开了深入的研究,其中重点研究了光线投射法与错切变形法在CUDA上的实现。另一方面,针对切片间距过大时导致的绘制图像出现条纹现象的问题,常见的插值方法比如线性插值、最近邻插值的改善作用十分有限,本文研究如何使用径向基函数进行切片层间插值以抑制条纹现象。本文的主要内容有:1.实现了一种基于径向基函数的切片层间插值方法。该方法使用Multiquadric函数作为径向基函数,并沿着垂直于切片层的方向,取相邻连续的原始样点,构造插值函数,再由此函数得到插值切片,最后构成新的三维体数据。实验结果表明,径向基函数插值对绘制图像的效果改善很显著,条纹现象得到了有效抑制。2.研究和实现了基于CUDA的光线投射算法。该方法将CPU与GPU进行协同工作,并将光线采样这一高度并行的过程交由GPU来处理。体数据被绑定在CUDA的纹理存储器中,通过特定的算法确定光线在体数据中的采样位置,而对采样点的三次线性插值以及灰度到RGBA的映射均由纹理存储器的滤波功能自行完成。整个过程在CUDA体系架构下变得方便迅捷。3.改进并实现了基于CUDA的错切变形算法。针对CUDA的架构体系,对原始的错切变形算法做了改进,将算法中两次二维采样过程缩减为一次,详细推导了坐标系间变换的公式;考虑到CUDA线程非同步的问题,摒弃了原始算法采用的查找表的方法,并使用纹理存储器进行线性插值,充分利用了CUDA提供的资源。实验结果显示,在多线程并发执行下,绘制速度非常快,完全能够进行实时交互,绘制质量也很不错。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题背景
  • 1.2 医学图像处理的研究内容
  • 1.3 医学图像三维可视化技术概述
  • 1.3.1 面绘制
  • 1.3.2 体绘制
  • 1.3.3 点绘制
  • 1.3.4 基于硬件加速的绘制方法
  • 1.4 DICOM 文件结构
  • 1.5 本文的内容安排
  • 第二章 CUDA 通用计算模型
  • 2.1 CUDA 与GPGPU 的比较
  • 2.2 CUDA 程序工作模式
  • 2.3 CUDA 的硬件架构
  • 2.4 CUDA 存储器模型
  • 2.4.1 寄存器
  • 2.4.2 局部存储器
  • 2.4.3 共享存储器
  • 2.4.4 全局存储器
  • 2.4.5 常数存储器
  • 2.4.6 纹理存储器
  • 2.5 CUDA 的通信机制
  • 2.6 CUDA 的组织结构
  • 2.7 CUDA 的软件体系
  • 2.7.1 CUDA C 语言
  • 2.7.2 CUDA 函数库
  • 2.8 OpenGL 库简介
  • 2.9 本章小结
  • 第三章 基于径向基函数的切片层间插值方法
  • 3.1 径向基函数插值法原理
  • 3.2 基于Multiquadric 函数的切片层间插值方法
  • 3.3 实验结果
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 基于CUDA 的光线投射算法
  • 4.1 算法简介与流程
  • 4.1.1 算法简介
  • 4.1.2 算法流程
  • 4.1.3 模型设计
  • 4.2 基于CUDA 的光线投射算法实现
  • 4.2.1 CPU 端实现的功能
  • 4.2.2 GPU 端实现的功能
  • 4.3 实验结果与分析
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 基于CUDA 的错切变形算法
  • 5.1 错切变形算法原理
  • 5.1.1 算法基本原理
  • 5.1.2 坐标系统定义
  • 5.1.3 视矩阵分解
  • 5.1.4 算法步骤
  • 5.2 基于CUDA 的错切变形算法实现
  • 5.2.1 算法改进
  • 5.2.2 CUDA 平台算法实现
  • 5.3 实验结果与分析
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间的研究成果
  • 相关论文文献

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