第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
科学技术的进步推动了人类社会方方面面的发展，人们的日常生活和工作方式也随着技术的进步而不断变化。特别是进入二十世纪，计算机技术得到了迅猛发展，以信息获取、表示、存储、处理和控制为研究对象的计算机科技已渗透到了人类活动的各个领域，对人类社会的发展产生了巨大的影响。随着社会信息化的推进和网络应用的日益广泛，信息源越来越庞大。除了需对大量数据进行存储、传输、检索及分类等外，还需迫切了解数据之间的相互关系及发展趋势。虽然目前的数据库系统可以高效地实现数据的录入、查询、统计等功能，但无法发现数据中存在的关系和规则，无法根据现有的数据预测未来的发展趋势。实际上，在激增的数据背后隐藏着许多重要的信息，人们希望能够对其进行高层次分析，才能更好地利用这些数据。在医学领域，这种情形更为明显。自1895 年伦琴发现X 射线产生的方法后，医学诊断技术进入了一个活跃的时期。
20 世纪60 年代末至70 年代初，随着计算机与微电子技术的飞速发展，一大批全新的影像技术进入了医学应用领域，极大丰富了医学诊断信息的领域和层次，提高了诊断的水平，对临床医学和工程学界均产生了巨大的影响。医学影像技术利用计算机控制、提取、处理影像参数，并将其以二维图像的形式表现出来，从而形成了一种快捷、无损伤的诊断方法。借助此种方法，医疗工作者可不经过解剖检查，就能快速获取人体器官解剖图像，从而诊断出人体器官的器质性病变。各种医学影像设备，如CT、MR、PET、SPET、DSA 等等，均可针对不同病因生成清晰的解剖图像。目前，主流的医学影像设备均能提供大量等距离的、空间对齐的二维影像序列，对整个影像数据分析的工作量很大。同时，要得出准确的诊断结果，医生需要依靠其专业知识和主观判断，从多幅二维图像中构思病灶在人体中的三维位置、形状和大小，从而导致了整个过程的不直观。
1.2 三维交互可视化的研究现状
进入20 世纪80 年代，计算机已成为人们工作、生活必需的工具，与计算机相关的各门学科也日趋完善，计算机图形学、图像处理、虚拟现实技术开始由理论研究向产业化方向发展。为了提高诊断效率，降低治疗风险，医学数据三维分析的实用化逐渐成为医疗诊断、解剖教学、手术规划等方面需要迫切解决的一个问题。各个领域的专家对此问题进行了深入研究以期实现可视化技术在医疗领域的应用，在降低治疗风险的同时，最大限度提高诊断的准确性和直观性。三维可视化技术可以由一系列二维图像重构出三维形体，用于重建的数据类型各不相同，比较常用的类型是标量值，如医学断层图像集。三维空间中分布在离散网格上的数据一般是由连续的数据经过断层扫描、有限元分析或随机采样后经过插值运算取得的，而显示器上显示的图像则是由存放在帧缓存中的二维离散信号经图形硬件重建而成，这就需要我们将离散的三维数据场按照某种规则转换成显示器帧缓存中的离散颜色信号，即像素点的颜色透明度值。
第2章 增强真实感的加速可视化
2.1 引言
真实感图形技术是计算机图形学中的重要部分，而在真实感模拟过程中，光照效果的处理又是增强真实感效果最重要的手段。表面加以光照的三维图形能给人以多层次的颜色渐变或明暗过渡的三维视觉效果，从而在计算机中实现对现实效果更真实的模拟。光照效果主要是依据图形的物理材质、凹凸性以及光源的性质，结合光学物理的有关定律，来实现自然界光照效果的计算机模拟。就光照模型建立的方式而言，可大体分为两种方式：局部光照模型和全局光照模型。局部光照只考虑光源与物体作用所产生的效应，而全局光还要考虑周围环境对物体色彩的影响。在三维可视化技术中有代表性的模型有Blinn-Phong模型、Lambert模型、Gauroud模型、光线追踪技术等等。目前，利用纹理技术已能实现一定数据量的交互绘制，而且二维、三维纹理功能从中低端图形硬件就开始得以普及。医学图像对成像效果要求较高，在临床应用过程中，除了要求三维模型有着快速的交互速度外，还要求其尽可能地逼真。
但光照效果的引入无形中加大了图形硬件的计算负担，使得在普通微机上实现一定数据量的互可视化很是困难。因此，为了加快可视化速度，常用的方法就是关闭光照效应，牺牲绘制质量来获得更快的速度。随着可视化技术的进步，现代的图形卡在图形显示方面起到越来越重要的作用，尤其是GPU的出现完全改变了传统图形绘制流水线的固定模式。更有甚者，专业的图形硬件和多机并行绘制也使得真实感图形的绘制达到了实时的级别。然而，这些专业硬件的价格通常较为昂贵，很大程度上制约了真实感图形技术的普及。很多学者对增强可视化真实感的交互技术展开了研究，构建一些加速算法，虽然一定程度上提高了绘制速度，但仍无法在成像质量和交互速度上得到较好的折中。使得重建的医学数据更为真实，必然需要考虑对外部光照的模拟。因此，如何更有效地利用现有的图形硬件特性，在可视化过程中实现对光照的模拟，在普通微机上最大程度实现更具真实感的交互绘制，是本章研究的内容。
2.2 硬件加速的体绘制
2.2.1图形绘制的流水线管道
建立专用图形系统的最早想法，是把通用计算机从连续不断刷新屏幕的繁重任务中解脱出来。图形处理器具有常规处理器的体系结构，它具有在CRT上显示基本图元的指令系统。其最主要的优点是图像生成指令在主机里只需编译一次就传送到显示处理器，显示处理器会反复执行显存中的指令，并以足够快的速率进行刷新，以避免显示器闪烁。所有这些工作都独立于主处理器，因而减轻主处理器的负担，使其可以专门处理其他任务。利用图形硬件来加速体绘制算法是近年来可视化技术研究的热点之一，而基于纹理的绘制技术则是其中最有代表性的成果。大规模集成电路的飞速发展极大地提高了计算机对图形的处理能力，使得数据计算与图形显示可分离进行，图形卡主要负责显示相关的计算，而CPU则专门从事对数据的处理。由于图形硬件的纹理特性能快速完成了图像显示中的部分计算，因此在实现可化过程中能有效提高绘
制的速度。
第1 章 绪论............................................ 1
1.1 研究背景与意义........................... 1
1.2 三维交互可视化的研究现状.............. 3
1.3 论文研究的内容与主要目标.................11
第2 章 增强真实感的加速可视化................ 13
2.1 引言...................................................... 13
2.2 硬件加速的体绘制.................................... 14
2.3 可视化的光照效果....................... 19
2.4 可视化加速光照效果的实现............................ 24
结 论
本文结合当前主流图形硬件对可视化技术进行了系统的研究，提出了一些思路和想法，但可视化在医学领域的应用是一个具有相当难度的研究领域。在硬件技术飞速发展的同时如何更有效地利用好这门技术，需要一个旷日持久的研究过程，结合本文，仍有如下问题亟待研究：
成像质量和交互性在可视化领域是一对矛盾的问题，在有限的硬件条件下，利用单主机是无法实现的。如何利用并行处理来提高绘制质量和效率是一个研究方向。在重建的同时能实现对不同类型的数据融合，这样才能更方便医务工作者的观察。但数据的融合运算涉及到更大的数据量和更差的交互性，如何在有效的硬件条件下实现对其的交互观察是一个研究方向。对于大数据量的医学数据交互，目前的方法中数据块加载至纹理内存是顺序的，可考虑用多线程、多主机来实现异步数据块加载，可进一步加快绘制速度。
参看文献
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