空间跳跃加速的GPU光线投射算法

光线投射算法是一种应用广泛的体绘制基本算法,能产生高质量的图像,但是时间复杂度较高。实现了一种基于图形处理器的单步光线投射算法,并在此基础上提出了一种基于空间跳跃技术的光线投射算法,以实现加速。采用八叉树组织体数据,利用空间跳跃有效地剔除体数据中对重建图像无贡献的部分,降低了硬件的负载。一个片段程序即可完成光线方向的生成、光线投射、空体素跳跃和光线终止等。实验结果表明,该算法对于内部包含大量空体素的体数据重建能起到明显的加速作用。     

基于三维规则数据场的快速光线投射法

光线投射法是体绘制技术中的经典算法。该算法原理简单、明了,并能产生高质量的显示图像,但由于所有体素参与了图像绘制,运行速度慢,从而极大制约了其在交互可视化中的运用。论文利用光线穿过三维规则数据场时与某一方向平面簇交点的快速确定及光线投射方向确定后两相邻平面间所截取线段为定长的特点,简化了光线亮度积分公式,从而在图像质量不减低的情况下,快速进行图像绘制。     

基于GPU的四维医学图像动态快速体绘制

传统的三维医学图像重建技术无法满足四维医学图像动态重建的需求,而四维医学图像庞大的数据量使传统重建技术很难实现高性能实时绘制.基于以上需求,提出了一种四维医学图像动态快速体绘制方法.首先采用GPU强大的并行计算能力,提出一种基于GPU、利用CUDA技术实现的光线投射算法;然后分析了算法框架、体数据及计算结果的存储策略、...     

多通道快速GPU光线投射算法

现有基于GPU加速的光线投射算法为满足实时交互的需求,通常在用户交互过程中,采用降低采样频率的方法来提高重建速度,却丢失了三维数据场的信息,极大降低了重建图像的质量.针对这一问题,在分析GPU渲染管道线和图像插值重建技术的基础上,提出多通道快速GPU光线投射算法.利用离屏渲染技术,设置比显示分辨率低4～16倍的渲染分辨率,在此渲染分辨率下进行正常采样的光线投射算法,将渲染分辨率下重建结果重新作为输入,进行高分辨率重建,并显示结果.实验结果表明,该方法可以在满足重建图像质量的前提下,有效提高重建速度.     

一种高效的光线投射体绘制算法

作为体绘制中的一个经典绘制算法,光线投射算法理论简单同时能产生高质量的图像,被广泛应用于医学图像可视化领域。但在绘制过程中有大量的投射光线和体素的重采样,导致绘制速度较为缓慢。为提高绘制的速度,文中提出一种高效的光线投射体绘制算法,通过引入碰撞检测技术减少投射光线的数目,避免冗余光线的采样计算,同时采用光线跳跃方法在碰撞检测包围盒内跳过对空体素的重采样,加快了光线合成的过程。实验结果表明,改进后的算法不仅能保证所需要的图像质量,还能大幅度地减少采样计算的时间,高效地提高绘制速度。     

基于物理的分布并行光线追踪算法

基于物理的光线追踪算法用于从三维场景模型生成逼真的二维图像,光线追踪渲染较为耗时,所以如何提高算法的效率成为研究热点。针对斯坦福大学经典的多线程光线追踪引擎--PBRT,考虑任务划分粒度和负载均衡等因素,基于两级任务划分体系,提出了动态自适应分布式并行光线追踪算法。实验中在保证高质量图像生成的前提下,使用80个CPU核时,改进算法比PBRT原算法获得了近乎线性的加速比。实验结果表明改进算法具有良好的效率和扩展性,能够有效地用于光线追踪成像,提高光线追踪成像效率。     

基于VTK的肝脏组织三维可视化体绘制

医学体数据可视化在临床上已成为辅助诊断和辅助治疗的重要手段,其技术也成为近年来研究和应用的热点。其中讨论了体绘制算法中最常用的光线投射法,并利用Visualization Tool Kit（VTK）,一个包含了多种体绘制技术的基于面向对象方法设计的、功能强大的可视化类库,来实现断层医学图像的三维重建,重建效果表明基于VTK的体绘制技术具有应用灵活、重建效果逼真、重建速度较快等优点。     

一种基于GPU的改进光线投射算法

针对传统光线投射算法计算量大、速度慢、在没有硬件加速情况下难以实时重建的问题,提出了一种基于GPU编程的快速计算重采样点值的光线投射算法。首先,设计一个GPU程序确定投射光线的终点与方向;其次,采用加速度步长采样方法确定重采样点的位置并利用快速复合插值方法计算重采样点的颜色值;最后,采用不透明度提前截止法进一步加速重建过程。实验结果表明,该方法计算复杂度低、执行效率高。在保证重建图像质量的同时,与现有基于CPU的光线投射算法相比,重建速度提高6倍,与基于GPU的传统光线投射算法相比,速度提高2倍。     

基于图形处理器加速光线投射算法的多功能体绘制技术

为克服传统算法中体绘制交互速度不流畅、重建耗时长、绘制效果单一的不足,实现了基于图形处理器(GPU)的光线投射算法用于医学层析图像实时体绘制,并能快速切换不同组织器官的绘制效果。首先,读入医学层析图像到计算机内存,构造体素;然后,设置相应体素属性(如插值方式、着色处理、光照参数)等,设计显示不同组织器官的颜色及不透明度传输函数;最后,GPU加载体素据并进行光线投射算法的计算。实验结果表明,在绘制速度上,GPU加速光线投射算法实现的多功能体绘制技术的绘制速度能达到每秒40帧以上,完全满足临床应用需求。在绘制质量上,用户交互中由于重采样而产生的锯齿现象明显低于CPU端实现的光线投射算法,GPU端与CPU端绘制时间的加速比在9倍左右。     

基于图形处理器加速光线投射算法的多功能体绘制技术

为克服传统算法中体绘制交互速度不流畅、重建耗时长、绘制效果单一的不足,实现了基于图形处理器(GPU)的光线投射算法用于医学层析图像实时体绘制,并能快速切换不同组织器官的绘制效果。首先,读入医学层析图像到计算机内存,构造体素;然后,设置相应体素属性(如插值方式、着色处理、光照参数)等,设计显示不同组织器官的颜色及不透明度传输函数;最后,GPU加载体素据并进行光线投射算法的计算。实验结果表明,在绘制速度上,GPU加速光线投射算法实现的多功能体绘制技术的绘制速度能达到每秒40帧以上,完全满足临床应用需求。在绘制质量上,用户交互中由于重采样而产生的锯齿现象明显低于CPU端实现的光线投射算法,GPU端与CPU端绘制时间的加速比在9倍左右。     

基于CUDA的数字重建影像生成算法

鉴于数字重建影像生成过程具有良好的并行性,实现了一种基于CUDA并行计算的数字重建影像生成算法。该算法首先在CPU端使用八叉树结构来剔除体数据中的空体素并将其载入GPU;然后在GPU中根据光线和线程的对应关系,设计光线内核函数来模拟一束X线穿透人体组织的衰减过程;最后在GPU中由多线程并行执行内核函数来完成DRR图像生成过程。实验结果表明,该方法在保证DRR生成质量的前提下能有效利用GPU的并行计算能力,提高DRR图像的生成效率,满足图像引导放疗中对DRR生成过程的实时性要求。     

三维医学图像配准在图像引导放疗中的应用

为了确定病人的摆位误差,实现精确放疗,提出一种改进的Demons弹性配准算法。采用FDK算法对锥形束CT(CBCT)图像进行三维重建,利用可视化工具包 (VTK)体绘制法可视化重建结果;在分割与配准工具包 (ITK)基础上实现Demons算法,并基于对称梯度的思想,将参考图像和浮动图像的梯度场信息加入到Demons算法中,给出新的Demons形变力公式。分别使用单模态和多模态医学图像进行配准实验,结果显示改进的Demons算法与原始Demons算法相比,配准速度更快、精度更高。基于对称梯度的Demons算法更适用于图像引导放射治疗中CBCT重建图像与CT计划图像间的配准。     

基于光线相关性的快速光线投射算法

光线投射算法是一种应用广泛的体绘制技术的基本算法，其存在的主要问题是绘制速度较慢。为了提高光线投射算法的绘制速度，以满足医学图像三维重建的应用需求，在深入研究和比较各种光线投射加速算法的基础上，提出了以接近云算法为核心的、适用于医学图像三维重建的综合性加速算法，并在PC机平台上实现了该算法，在保证图像质量的同时绘制速度提高了一个数量级左右，为医学图像三维重建的实用化提供了有效的手段。     

Real-time single scattering inside inhomogeneous materials

In this paper we propose a novel technique to perform real-time rendering of translucent inhomogeneous materials, one of the most well-known problems of computer graphics. The developed technique is based on an adaptive volumetric point sampling, done in a preprocessing stage, which associates to each sample the optical depth for a predefined set of directions. This information is then used by a rendering algorithm that combines the object’s surface rasterization with a ray tracing algorithm, implemented on the graphics processor, to compose the final image. This approach allows us to simulate light scattering phenomena for inhomogeneous isotropic materials in real time with an arbitrary number of light sources. We tested our algorithm by comparing the produced images with the result of ray tracing and showed that the technique is effective.     

CPU-based speed acceleration techniques for shear warp volume rendering

The shear-warp algorithm with run-length-encoded volume is one of the fastest CPU-based speed acceleration techniques developed so far for direct volume rendering. But it has some defects, such as the increases in memory consumption and preprocessing time as well as the deterioration in image quality. This paper provides two kinds of techniques that can solve such defects without degrading rendering speed. One technique concentrates on enhancing image quality and decreasing memory consumption without reducing rendering speed, by making direct access to the memory space where initially loaded volume data is stored. The other technique concentrates on accelerating rendering speed and decreasing preprocessing time, by creating only one run-length-encoded volume and by combining non-photorealistic rendering techniques with shear-warp algorithm. In the present research, both techniques efficiently decreased the memory consumption and preprocessing time of shear-warp algorithm. They also showed optimal results in rendering speed and image quality.     

Collaborative Virtual Simulation Environment for Radiotherapy Treatment Planning

The simulation of Radiotherapy Treatment Planning (RTP) is a normal procedure in oncology clinics carried out on a Simulator machine. The Virtual Simulation of RTP replaces the real Simulator machine with a virtual one by using the CT data sets of a patient instead of the real patient. In this paper, we present a collaborative virtual simulation environment of RTP, named EU-VIRTUOSO, which is based on volume rendering and telecommunication techniques. The RTP procedure is visualised on a virtual patient, which is created by using the CT data of the patient. Different volume rendering and volume interaction techniques, such as DRR, MIP, gradient surface, and iso-surface, supply physicians with high quality rendering images to simulate the real working environment of the Simulator machine. In the collaborative environment, physicians distributed at different locations can work together via network to plan the treatment or to validate the treatment plan on-line by a collaborative application sharing approach. Both concepts virtualised planning and collaborative planning improve the efficiency and accuracy of a radiotherapy treatment while reducing the effort for an individual patient.     

从多幅参考图像合成目标图像的逆映射算法

提出了一种从多幅参考图像来合成新视点目标图像的逆映射算法.这种方法不但成功地填补了由于投影区域扩张而产生的第1类空洞,而且还成功地填补了由于空间非深度连续物体相互遮挡而产生的第2类空洞,从而方便地实现了虚拟环境中的漫游.基于物体表面深度的连续性,提出了一种位移预测方法.该方法可以从单幅参考图像获得逆映射过程中所需要的目标图像的位移信息,从而大大提高了算法的效率.与通常的正向映射算法相比,该算法克服了多幅参考图像所带来的计算量成倍增长等问题,而且误差较小.     

球面全景图漫游算法研究

基于图像的绘制技术不仅可以弥补传统基于几何绘制技术的不足。而且能给出更丰富的图像显示。基于实际应用出发,提出并实现了一种球面全景图的漫游算法。通过重投影球面全景图的可视部分到视平面上,可以生成虚拟场景在不同视线方向上的透视视图。针对直接使用重投影不能满足实时绘制的问题,提出了基于查找表的优化策略。