[发明专利]基于面采样的体绘制可视化方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体为一种基于面采样的在图形处理器(GPU)中体绘制可视化方法。

(二)背景技术

20世纪80年代以来随着成像技术的快速发展，特别是医学影像技术的逐渐成熟，出现了大量的体数据，如何有效地利用这些数据是研究人员面临的难题。大部分的体数据需要通过体绘制(Volume Rendering)可视化方法处理，用二维图象序列重构三维形体，将三维体数据中物体内部信息在不同的二维图像中呈现，为用户提供具有真实感的三维立体图形，便于用户从多角度、多层次进行观察和分析。体绘制广泛应用于医学、化学、天文学、气象学和其它领域，如：医学影像三维重建、影像引导的辅助手术系统、虚拟内窥镜等等。

体绘制直接将所有体数据通过重采样和复合技术生成最后的绘制图象，在结果图象中包含了对象的所有信息。体绘制有极大量的计算工作量，为满足实际应用中的实时响应需求，提高体绘制速度成为目前此领域的研究重点。

以往普通PC机上的运算是由中央处理器CPU完成的。目前显卡技术的飞速发展，2003年后推出的标准显卡都已内置了可编程的图形处理器GPU(Graphics Processing Unit)，可用于进行与图形相关的运算或通用运算。

光线投射(ray-Casting)是体绘制的算法之一，能够得到高质量的绘制结果。但在CPU中执行速度过慢，很多相关研究是为了改进光线投投射算法。J.Kruger和R.Westermann在IEEE可视化(Visualization)2003年会上发表文章“基于GPU的体绘制加速技术(Acceleration Technique ForGPU-based Volume Rendering)”，首次提出了在GPU中实现光线投射的方法，该方法是使用GPU支持的可编程Shader技术，实现了和CPU算法效果相同、但是速度更快的基于GPU的方法。此后Simon Stegmaier等人在体绘制(Volume Rendering)2005年会上发表文章“基于光线投射的图形硬件的简捷灵活的体绘制方法(A Simple and Flexible Volume Rendering Frameworkfor Graphics-Hardware-based Raycasting)”，对上述算法做了进一步改进，利用最新的GPU，把原来需要多遍的算法改为只需单遍，提高了绘制速度。

上海交通大学2005的中国专利申请200510110665“医学图像中基于GPU硬件加速的体绘制方法”公开的方法使用GPU来完成光线投射过程，其包括步骤：(1)对体数据进行预处理后存储为纹理；(2)为GPU计算生成和提供参数；(3)GPU计算，生成图像。

新提出的基于GPU的光线投射算法都提高了体绘制的速度，但是都还是需要逐个对采样点的颜色坐标进行线性插值计算，即每条光线均需要在片断程序(Fragment Shader)中进行动态循环计算，逐点计算各采样点坐标，动态循环的数据是相关的，因此在并行执行过程中，速度要受限于最慢的那条光线。抵消GPU硬件并行架构的并行运算能力。

因此目前基于GPU的光线投射算法体绘制的效率仍较低，耗时，没有充分发挥GPU硬件的速度，尚难以满足体绘制实时响应、实时交互的要求。

(三)发明内容

本发明的目的是公开一种基于面采样的体绘制可视化方法，设计采样面，一次完成位于同一个面上的大量采样点的颜色值与直角坐标值的计算转换，大幅度提高体绘制速度，改善实时交互操作性能。

本发明的基于面采样的体绘制可视化方法包括如下步骤：

I、体数据转换为3D纹理数据并存储；

图形处理器与显存的关系，如同中央处理器与内存的关系，但显存中必须以纹理格式来保存数据，图形处理器自动完成体数据的3D纹理转换并保存在显存中；

II、设计体数据包围盒

设计包含全部体数据立方体包围盒，设定直角坐标系的原点位于包围盒的中心，观测者视线为某一坐标轴，当包围盒围绕另外两个坐标轴旋转，等同于观测者改变视线的方向，从多角度观察体数据所包含的内部信息。

设定初始状态包围盒8个顶点的坐标与满足3D纹理的颜色值的对应关系，即可得到包围盒12条棱上的任意一点的坐标与其对应的颜色值的线性变换关系。

III、包围盒的旋转操作