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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于GPU编程的三维超声显示系统 姓名：黄晓玥 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：丁明跃 20080605 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 在现代医学影像学中，超声成像、CT和磁共振都是重要的医学成像方式。由 于CT和MRI的数据是直接在三维笛卡尔坐标系当中获得的， 因此能相对容易的进行 体渲染。并且由于CT和MRI的实时性要求较低，可以用更精密和耗时的方法对其 重建、显示，而对三维超声进行体渲染就要困难得多。首先，由于三维超声设备采 集的数据在空间形态上依赖于其探
2、头的扫描形式， 难以将直接采用到的数据用通用 的方法进行可视化。其次，三维超声系统的成像对实时性要求相对较高，不允许采 用精确费时的插值算法。 在一般的医学三维显示系统当中， 常用的处理方法是经过前端的数据采样和三 维重建然后将重建好的长方形三维数据体交由后端的显示系统进行体渲染。 前端的 数据重建过程需要耗费大量的时间对采样数据遍历插值， 并且重建后的数据量远远 大于采样的数据量，会加大后端三维显示的负担。本文提出的基于GPU编程系统显 示方案针对超声采样数据的特点， 将前端的重建处理由纹理映射和GPU可编程管线 技术在后端的三维显示过程中完成。 新的系统流程减少了载入显示系统的数据量并 且
3、将CPU的串行处理由GPU的并行处理代替，提高了系统效率。 鉴于三维超声中获得的体数据的多样性，在提出新的系统流程的同时，本文针 对常见的三维超声数据格式给出了较为全面的实现算法和代码， 可作为构建三维超 声显示系统或其他医学三维医学图像系统的参考。 关键词：关键词：医学影像，超声成像，三维显示，三维超声 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Ultrasound, CT and MIR are important imaging methods for modern medicine. In CT or MRI
4、 device, since the volume dataset are obtained directly in the 3D Cartesian coordinate, it is comparative easy to render those volume dataset. While the situations in 3D ultrasound device are more difficult, the space structures of the data received from 3D ultrasound probe are mainly depended on th
5、e scanning mode of probe. In this way, it is impossible to use a general system to visualize the date from the probe directly. Moreover, it is not allowed to use the accurate but time consumed algorithm in a real-time rendering system. In the traditional 3D imaging system, the data from the probe ne
6、eds to be re-sampled and reconstructed before it can be transfer to the 3D visualization pipeline. In the re-sample procedure it requires the CPU to process all the data in the dataset and interpolate them in an obviously larger data array. The reconstruction processing consumes a lot of time and pr
7、oduces an obviously larger dataset, which slow down the whole visualizing procedure. In order to solve this problem, this thesis suggested a new GPU based programming procedure to substitute the reconstruction processing by the texture mapping on the vertexes powered by the programmable rendering pi
8、peline of the modern GPU to accelerate the overall system. Meanwhile, this thesis also gave the algorithms and codes in details to realize the algorithm proposed. This thesis could be used as a reference when designing the 3D ultrasound system. Key words: Medical image, ultrasound image, 3D visualiz
9、ation, 3D ultrasound. 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内
10、容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本论文属于 ， 在 年解密后适用本授权书。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保 密 不保密 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的目的和意义课题的目的和意义 在传统的医学影像当中，医生所专注的是对二维图片的分析和识别，但是在 CT、 MRI 还有三维超声等在空间体中采集数据的影像技术发明之后， 医生必须对 这些海量的三维数据进行分析和识别，对这些图
11、像进行处理需求迫切促使体渲染 技术迅速发展。 由于 CT 和 MRI 的数据是直接在三维笛卡尔坐标系当中获得的，因此能相对 容易的进行体渲染。并且由于 CT 和 MRI 的实时性要求低，可以采用精密和耗时 的方法对其重建、显示，而对三维超声进行体渲染则困难得多。首先，由于三维 超声设备采得的数据在空间形态上依赖于其探头的扫描形式，难以直接采集到的 数据用通用的方法进行可视化。并且三维超声系统的成像对实时性要求高，不允 许采用精确但费时的插值算法。正是因为超声探头采集到的数据在空间结构上的 不一致性，在传统的三维超声显示系统当中，一般都是将数据在前端预先用 CPU 串行重建为空间的数据长方体，然
12、后再交由后端的显示系统渲染。这个过程由 CPU 串行遍历采样数据将其重建、插值到数据长方体，需要耗费大量的时间，不 利于实时三维显示。 随着近年来图形处理单元(GPU)的可编程渲染管线的发展，可编程渲染管线 已经实现越来越多特殊渲染的要求，因此将 CPU 的串行重建过程交由 GPU 来串 行处理将大大提高系统效率。 本文结合了三维超声图像显示的实际需要，研究了不同空间结构的体数据的 可视化方法，包括 CT，MRI 的笛卡尔坐标数据体，特别是三维超声当中非笛卡 尔坐标数据的可视化方法。 我国在三维超声设备的制造上还处于起步阶段， 目前还没有完善的三维超声显 示系统，与国外存在较大的差距。因此，本
13、文的研究有着重要的实际意义。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 现行医学图像的三维可视化方法主要分为两种，即表面绘制1-9和直接体绘 制。一般来说，在这两种方法之中，由于表面绘制使用的顶点数较少，因此绘制 的速度较快，显示的实时性好。但是绘制表面的三维网格的重建要耗费较多的时 间,同时重建出来的表面只能反映显示对象的表面信息， 不能反映显示对象的内部 信息，不能实现透射效果。 体绘制由于在绘制当中需要实时对整个数据体的采样和合成，因此绘制的速 度较慢，而且随着绘制体积的增加，速度成立方次降低
14、。体绘制虽然渲染较慢， 但是不涉及到图像分割和表面重建，同时体绘制的通用性较好、保留了采样点的 灰度信息、不需要针对不同对象进行特殊处理，并且体绘制具有透视效果可以观 察不同深度的组织和器官。随着图形芯片 GPU (Graphic Processing Unit)的飞速发 展和显存、内存的增加，现在即使在普通 PC 上实现较大尺度的直接体渲染(如 5123=128MB)的体数据也可以达到令人满意的渲染速度。因此，从实用的角度来 说体绘制优势明显。 总结起来这两种绘制方式的优缺点如下： 表 1.1 表面绘制和体绘制的性能比较 表面绘制 体渲染 优点 1， 渲染开销较小 2， 表面显示效果好 1，
15、 数据预处理开销较少 2， 数据信息损失小，如灰度信息。 3， 通用性好 4， 有透视效果 缺点 1， 数据预处理开销大，需要表面重 建 2， 分割，表面重建带来的信息损失 大 3， 不能反应灰度信息 4， 无透视效果 1， 大尺度体数据开销较大，处理速度随尺 寸立方次减少 2， 渲染开销较大 3， 绘制的表面效果不如表面绘制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 (a) 直接体渲染 (b)表面绘制 图 1.2 直接体渲染和表面绘制的效果示意图 体绘制技术由于能够显示包含在物体里面的复杂细节，成为科学计算可视化 中的一个重要研究内容
16、。上世纪 80 年代至 90 年代，是三维可视化研究与发展的 鼎盛时期，在这一阶段国内外学者对三维数据场可视化领域中的诸多方向做出了 突出的贡献，许多典型的算法也是这个时期提出来的。但是很多算法的实现还是 依赖于 2001 开始的第三代具有可编程渲染管线的 GPU 包括 NVIDIA 的 Geforce3 和 Geforce4 Ti，微软的 Xbox，及 ATI 的 Radeon8500。 体渲染在科学和工程中也有很重要的应用，许多情况下都要求把三维数据场 可视化，大量体渲染研究集中在将医学图像仪器获得的数据可视化，或流体力学 模拟计算数据的可视化，例如对积云和火焰的模拟等。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 (a) 鲤鱼的 CT 体渲染 (b)积云的模拟 (c)斯坦福兔 图 1.3 体数据的可视化 国外研究最多的国家有美国，日
