[发明专利]基于GPU加速的实时三维心脏数据体绘制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于GPU(Graphic Processing Unit)体绘制方法，特别是一种将结构复杂的三维心脏数据以实时交互、可配置的形式显示的方法，属于图形图像处理领域。

背景技术

心脏作为人体的重要器官，是人体循环系统的动力源。心脏疾病如冠心病等已经成为世界上最大的致死原因之一。加强对心脏工作和发病机理的认识，改善心脏疾病的诊断和治疗，已成为生物医学工程领域的一个研究热点。因而，相关的医学成像和建模仿真技术近年来得以迅速发展，涌现了大量如医学切片和电生理仿真等三维心脏数据。心脏的结构复杂，由多个器官和血管组成。外部的器官包围了内部的器官，使人们难以了解心脏的内部结构，从而难以了解心脏的整体结构。Vassilios Hurmusiadis开发了用于教育和培训的Virtual Heart心脏仿真平台，该平台从功能和结构上展示了心脏的细胞、组织和器官。在心脏整体结构的演示部分使用Marching Cube方法绘制三位心脏模型，并且使用剪切平面的方法演示心脏的内部结构。由于Marching Cube方法不能绘制出心脏的内部信息，而剪切平面又破坏了心脏整体的效果，所以该系统不能直观的绘制出心脏的整体结构。Yang等人设计适用于三维人心脏数据的加速可视化算法。该方法很好地展示了心脏的整体结构，但由于绘制速度较慢无法达到良好用户交互的目的。

体绘制也称作体渲染(Volume Rendering)，是一种重要的图形处理和可视化技术。它不但能够显示模型表面的形状与纹理信息，而且能够显示包含在数据中的复杂细节和数据间的相互关系。由于体数据的数据量非常大，在PC机上使用软件方法难以实现交互式可视化，研究人员只能求助于并行处理能力强大的超级计算机。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有三维心脏数据的体绘制速度慢、对计算机性能要求高的问题，进而提供一种快速的、能够实现三维心脏数据体绘制方法。

本发明的基于GPU加速的实时三维心脏数据体绘制方法是基于带有支持Cg语言的显卡的PC机实现的，所述体绘制方法的具体包括：

数据读取和预处理的步骤、数据坐标变换的步骤和图像绘制的步骤，其中：

数据读取和预处理的步骤，是把待绘制的心脏的多个切片数据组织成体数据文件，并将所述体数据文件打包成三维纹理数据包后，存储到显卡的内存中；将待绘制的心脏的切片数据所表示的切片图像的宽和高分别作为体数据的x，y轴，将待绘制的心脏的所有切片数据的数量作为体数据的z轴；

数据坐标变换的步骤，是将数据预处理的步骤获得的三维纹理数据包中的数据坐标转换成屏幕坐标；

图像绘制的步骤，是将坐标规范化之后的体数据采用直接体绘制的方法绘制输出。

本发明的创新点在于使用GPU强大的几何处理能力，应用于复杂三维心脏数据的交互可视化，使心脏的数据可以根据用户的输入实时地显示心脏的整体结构或不同的器官，本发明回避了使用剪切平面的方法，使用户可以观察心脏的各个组成部分，同时又不破坏整个心脏的结构。本发明使用直接体绘制(Direct Volume Rendering)方法，使用户能够观察到心脏的整体结构。

本发明的优点有：

一、提高了图像显示速度：采用了图形硬件加速技术，即采用现有基于GPU体系结构的高层着色语言(相对于只针对特定显卡设计的汇编语言)实现图形显示的加速，进而大大提高了图像的显示速度。

二、提高了CPU的运算速度：采用图形硬件加速实现体绘制，只需要将待绘制的数据打包成纹理的形式传输到显卡上，然后将复杂的运算负荷也转移到显卡进行，使CPU专注其它工作，从而大大提高了CPU的运算速度。

三、实现三维心脏数据的交互可视化：本发明的三维心脏数据体绘制方法速度快，能够实现复杂三维心脏数据的交互式可视化，能够使用户可以交互地配置、观察、分析可视化结果。

四、低成本。本方法只需一台普通的PC机和一块支持Cg语言的显卡。目前的家用电脑配置都可以使用本方法。

五、高度的兼容性。本发明使用可以跨平台的开发语言和工具包，所以理论上(或稍做修改)可以运行在不同的操作系统和硬件平台下。

六、高度的易用性。本发明只需要鼠标和键盘就可以完成对可视化结果的调整和配置。方便、易用，对用户的医学知识和电脑操作技能几乎没有要求。