【正文】 ）都可以接受從CPU內(nèi)存端傳過來的數(shù)據(jù)，作為GPU內(nèi)的數(shù)據(jù)源，但是從GPU端到CPU端的數(shù)據(jù)傳輸，都只能交給全局存儲(chǔ)器了，因?yàn)槌Ａ考凹y理存儲(chǔ)器的內(nèi)容都不能在GPU端被更改，而且，如果確實(shí)需要在各個(gè)塊之間共享數(shù)據(jù)或者通信，全局存儲(chǔ)器就是必不可少的，當(dāng)然如果是需要共享一些常量，常量存儲(chǔ)器就派上用場了，由于是只讀區(qū)域，所以存放一些需要頻繁訪問的只讀參數(shù)也是很好的選擇，而且常量存儲(chǔ)器一般被安排在GPU中的只讀區(qū)域，提供了友好的緩存機(jī)制，這里常量是相對(duì)的，因?yàn)槭菑腃PU端傳過來的，所以CPU端具有修改權(quán)，由于這樣的特性，常量及紋理存儲(chǔ)器可以用作特殊用途，提升程序的魯棒性及效率。紋理存儲(chǔ)器，作為GPU中比較特殊的部分，具有一些特殊的功能[11]，包括地址映射、數(shù)據(jù)濾波、緩存等，而這些功能都是圍繞紋理渲染的需求設(shè)計(jì)的，這也是早期圖形處理專用的單元。紋理存儲(chǔ)器作為CUUA中一種特別的存儲(chǔ)器，其使用大致分為幾個(gè)過程：首先設(shè)置傳送數(shù)據(jù)的通道，通過通道在GPU端申請(qǐng)存儲(chǔ)空間，然后拷貝數(shù)據(jù)到GPU中，最后通過設(shè)置紋理參數(shù)，并將之前申請(qǐng)的空間與紋理進(jìn)行綁定。紋理中的數(shù)據(jù)獲取是通過紋理拾取得到的。紋理存儲(chǔ)器也提供緩存機(jī)制來提高紋理拾取效率，紋理存儲(chǔ)器提供了浮點(diǎn)數(shù)拾取坐標(biāo)，將范圍限制在中。最為重要的是在紋理存儲(chǔ)器中，提供了濾波功能，濾波包括最近鄰點(diǎn)與線性插值濾波，線性濾波根據(jù)紋理的維度而定，可以對(duì)兩個(gè)元素（針對(duì)一維紋理）、四個(gè)元素（針對(duì)二維紋理）及八個(gè)元素（針對(duì)三維紋理）來進(jìn)行線性差值運(yùn)算，此運(yùn)算不占用可編程單元，并提供額外的浮點(diǎn)數(shù)處理能力[11]。對(duì)于一些需要進(jìn)行插值處理的數(shù)據(jù)，這是一個(gè)可供參考的選擇。CUDA充分利用了GPU的各項(xiàng)能力，提供一個(gè)友好的接口，來改善GPU的可編程性，下面將介紹本文利用CUDA對(duì)體繪制算法的加速。 CUDA加速體繪制算法對(duì)于體繪制算法，其并行性是非常良好的，對(duì)于每條射線，都可以看做一個(gè)獨(dú)立的可并行元素來考慮。圖 成像平面像素與CUDA線程對(duì)應(yīng)關(guān)系Figure The corresponding relationship between imaging plane pixels and CUDA threads上圖中給出了成像平面像素與CUDA線程的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于CUDA的核函數(shù)是通過塊來運(yùn)行的，所以還需要將這些線程組織在一系列塊中。這里考慮到SM中SP的數(shù)量以及每個(gè)SM中的存儲(chǔ)容量的限制，將塊的大小設(shè)置為固定的大小:。而成像平面大小和是作為參數(shù)傳入核函數(shù)中的，通過公式（）的計(jì)算，可以得到整個(gè)網(wǎng)格中塊的維度。通過這樣的方式，將整個(gè)體繪制的計(jì)算任務(wù)合理劃分給CUDA核函數(shù)去計(jì)算，而具體的核函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：Step1：根據(jù)當(dāng)前線程在塊中的位置以及塊在網(wǎng)格中的位置，計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的成像平面的坐標(biāo)，如果坐標(biāo)超出成像平面范圍，直接返回，否則，進(jìn)入Step2。Step2：根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣以及線程對(duì)應(yīng)的成像平面坐標(biāo)，確定視角坐標(biāo)、光源坐標(biāo)、以及射線的方向向量。Step3：根據(jù)包圍盒參數(shù)以及旋轉(zhuǎn)矩陣，確定最近與最遠(yuǎn)取樣點(diǎn)坐標(biāo)。Step4：根據(jù)最近取樣點(diǎn)以及步長，進(jìn)入沿射線方向的循環(huán)采樣合成階段：：根據(jù)當(dāng)前的采樣點(diǎn)位置，在三維紋理中進(jìn)行拾取，得到梯度及物體的密度信息。：根據(jù)物體的密度信息，在傳遞函數(shù)綁定的一維紋理中取得顏色和不透明度信息。：根據(jù)光照模型以及體繪制的遞歸公式進(jìn)行顏色和不透明度合成。：根據(jù)合成得到當(dāng)前的累加不透明度，如果該值大于或等于規(guī)定的閾值，退出循環(huán)，進(jìn)入Step5；否則，根據(jù)采樣步長將采樣點(diǎn)沿射線方向移動(dòng)一步。Step5：將循環(huán)中得到的累加顏色及不透明度信息傳給全局?jǐn)?shù)組，以便核函數(shù)結(jié)束后將結(jié)果傳入到CPU中。上面從整體上搭建好了CUDA核函數(shù)以及線程的任務(wù)分配，最后給出整個(gè)體繪制算法的步驟：Step1：在CPU端進(jìn)行必要的初始化工作，包括三維數(shù)據(jù)的載入，梯度計(jì)算，梯度的三個(gè)分量與體數(shù)據(jù)密度信息的合成，此合成將形成四通道的浮點(diǎn)（32位）數(shù)據(jù)（梯度的三個(gè)分量以及密度信息，每個(gè)通道一個(gè)分量）。Step2：設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸通道參數(shù)、在GPU端分配存儲(chǔ)空間并將數(shù)據(jù)拷貝到GPU的中，然后設(shè)置紋理參數(shù)并與此存儲(chǔ)空間進(jìn)行綁定，形成一個(gè)三維紋理（其大小為原始三維數(shù)據(jù)的三個(gè)維度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息為四個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)）以及一個(gè)一維紋理（傳遞函數(shù)）。Step3：將包圍盒參數(shù)、旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)傳入到GPU端的常數(shù)存儲(chǔ)區(qū)。Step4：調(diào)用核函數(shù)（核函數(shù)的參數(shù)主要包含生成圖像的大小和一些效果控制參數(shù)），程序控制權(quán)從CPU轉(zhuǎn)換到GPU中。Step5：在GPU端根據(jù)核函數(shù)進(jìn)行計(jì)算并得到最后的結(jié)果（二維圖像數(shù)據(jù)）。Step6：最后將結(jié)果從GPU端傳輸?shù)紺PU端。本文對(duì)輸入的三維CT數(shù)據(jù)采用了紋理綁定，并且在綁定之前，先將體數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)的梯度計(jì)算出來，這樣可以減少實(shí)時(shí)計(jì)算的量，提高整體效率，而且可以利用紋理中的濾波進(jìn)行插值處理，然后將體數(shù)據(jù)的密度信息與梯度的三個(gè)分量結(jié)合，在結(jié)合后的三維數(shù)據(jù)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含了四個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，主要是考慮到要充分利用CPU到GPU的傳輸通道，減少傳輸次數(shù)以及紋理拾取次數(shù)，從而提高程序的整體效率，然后考慮到體繪制過程中需要大量的線性插值計(jì)算（插值計(jì)算在每次取樣的時(shí)候都會(huì)涉及到），故借助于紋理濾波及拾取，通過GPU本身的硬件處理能力將插值過程進(jìn)行優(yōu)化，來提升算法整體效率。最后給出整個(gè)算法的流程結(jié)構(gòu)圖： CUDA加速體繪制流程圖Figure CUDA accelerated volume rendering flowcharts此流程圖中多了兩個(gè)步驟，主要是針對(duì)第三章中的缺陷顯示，多了三維CV分割以及三維區(qū)域生長。 總結(jié)本章主要是對(duì)CUDA進(jìn)行介紹，利用GPU的并行處理來加速體繪制算法，合理安排線程塊結(jié)構(gòu)，來提升程序執(zhí)行效率，利用CUDA中的紋理存儲(chǔ)器和常數(shù)存儲(chǔ)器，借助紋理綁定及紋理自帶的濾波，來加速體繪制算法，從而使得體繪制在實(shí)際的應(yīng)用中能夠達(dá)到可人工交互的顯示頻率，在應(yīng)用軟件中，是非常具有實(shí)際意義的。第五章 體繪制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 引言軟件作為計(jì)算機(jī)重要的組成部分，作用于硬件之上，借助硬件完成需要完成的任務(wù)，應(yīng)用軟件是在操作系統(tǒng)之上的計(jì)算機(jī)程序，完成一些特定的功能。作為一款軟件，最基本的要求應(yīng)該是要完成其定義的最基本功能，其次是其穩(wěn)定性要盡量高，可操作性要強(qiáng)，考慮到其后期的維護(hù)以及版本的升級(jí)，其可擴(kuò)充性也應(yīng)該在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行考慮。一般來說做好一款軟件并非一件容易的事，軟件開發(fā)是一項(xiàng)包括需求捕捉，需求分析，設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)和測試以及發(fā)布的系統(tǒng)工程?；谶@些基本準(zhǔn)則以及開發(fā)流程，本文針對(duì)工業(yè)CT重建數(shù)據(jù)開發(fā)出一款特定的體繪制軟件，主要包括一般的體顯示、體剖切顯示、缺陷分割及統(tǒng)計(jì)顯示。下面就具體介紹整個(gè)軟件的框架及實(shí)現(xiàn)。 主要框架本軟件是基于MFC進(jìn)行開發(fā)的，MFC作為微軟推出的在Windows操作系統(tǒng)中的基本類庫，封裝了大量Windows的API（Application Programming Interface），其中包含了一個(gè)應(yīng)用程序框架，開發(fā)人員可以將此框架作為基礎(chǔ)來節(jié)約開發(fā)時(shí)間。Figure The overall effect diagram of the software本軟件主要包括工具欄（上）、主視圖（左）以及控制視圖（右）三個(gè)部分。其中工具欄主要集中了主視圖切換、控制視圖切換、輔助功能調(diào)用。而主視圖，作為體繪制結(jié)果的呈現(xiàn)窗口，主要利用了OpenGL（Open Graphics Library）這個(gè)圖形操作接口，可以很方便且快速的顯示二維圖像，而且OpenGL提供了一組函數(shù)接口來方便獲取鼠標(biāo)等外部設(shè)備的操作，最終生成我們需要的旋轉(zhuǎn)或者平移數(shù)據(jù)，這在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示中是十分重要的，最后將這些獲取的參數(shù)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換然后傳遞給體繪制函數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)變化繪制。本軟件主要利用到了GpenGL的雙緩存機(jī)制來實(shí)現(xiàn)顯示，使其在實(shí)時(shí)顯示的時(shí)候更加流暢，而后利用到了OpenGL內(nèi)置的矩陣，來記錄操作以提供給CUDA來使用，做到實(shí)時(shí)響應(yīng)。主視圖除了可以顯示體繪制結(jié)果，還可以切換到切片顯示模式，來對(duì)原始數(shù)據(jù)的切片進(jìn)行顯示。除了主視圖，控制視圖在整個(gè)軟件中起到了非常重要的作用，控制視圖也可以進(jìn)行切換，每個(gè)控制視圖包含了一系列關(guān)系相對(duì)緊密的功能。 部分控制界面視圖Figure Part of the control interface view 部分控制界面視圖Figure Part of the control interface view，左邊的控制視圖是用來人工調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)的，包括了透明度以及顏色的三個(gè)分量；中間的控制視圖，用來設(shè)置包圍盒，實(shí)現(xiàn)簡單體剖切；右邊的控制視圖，是用來設(shè)置三維CV分割的參數(shù)以及區(qū)域生長統(tǒng)計(jì)分類需要的體積向量。，左邊是加載數(shù)據(jù)源以及顯示數(shù)據(jù)源信息和原始數(shù)據(jù)切片的控制視圖；中間是一個(gè)輔助功能視圖，用來保存顯示結(jié)果和進(jìn)行自動(dòng)變化演示；右邊是集成的其他功能，利用了整個(gè)框架的可擴(kuò)展性。上面這樣的整體視圖構(gòu)建，是基于SDMV（Single Document Multi View）[55]這樣的一種模式來實(shí)現(xiàn)的，SDMV主要是利用到類CSplitterWnd來實(shí)現(xiàn)視圖分割的，CSplitterWnd類可以將一個(gè)窗口分成多個(gè)視圖窗口，每個(gè)窗口需要一個(gè)視圖類來進(jìn)行管理，通過這樣的方式，本軟件將整體的大窗口分成左右兩部分，左邊負(fù)責(zé)主視圖顯示，右邊負(fù)責(zé)控制視圖的顯示，根據(jù)需要，又將右邊再一次進(jìn)行分割，得到幾個(gè)不同的控制視圖（可根據(jù)需求擴(kuò)充），這樣分割的目的，是為了將不同的功能集中在不同的控制視圖中，防止將所有功能放在一個(gè)視圖中而造成雜亂無章的現(xiàn)象，并且這樣也自然而然地將不同的功能塊進(jìn)行了分離，方便軟件的整體管理以及測試，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。 視圖分割結(jié)構(gòu)圖Figure Split views Structure上面已經(jīng)對(duì)軟件的主要框架進(jìn)行了介紹，下面將介紹最為核心的部分：功能實(shí)現(xiàn)。本文采用的是DLL這種方式，作為Windows系統(tǒng)中最為核心的東西，DLL在Windows軟件設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位。自從MicroSoft公司推出第一個(gè)版本的Windows操作系統(tǒng)以來,DLL一直是這個(gè)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。Windows API中的所有函數(shù)都包含在DLL中[56]。DLL是一個(gè)包含可由多個(gè)程序同時(shí)使用的代碼與數(shù)據(jù)的庫，但是其本身不是可執(zhí)行文件，DLL的使用可以有效地簡化軟件項(xiàng)目的管理，并且有助于節(jié)約內(nèi)存，一個(gè)DLL在需要的時(shí)候才被裝入內(nèi)存，而在不需要的時(shí)候，可以將其從內(nèi)存中清除，這樣可以節(jié)約內(nèi)存空間，并且也可以使應(yīng)用程序本身的體積變小，在程序啟動(dòng)時(shí)不至于等待很長時(shí)間。本文將以下一些功能分別在不同的DLL中實(shí)現(xiàn)：三維CV分割、三維區(qū)域生長、體繪制。這些功能塊有其特有的接口，并且在組裝之前，都是經(jīng)過單獨(dú)測試過的，這樣可以避免在一個(gè)較大系統(tǒng)中來調(diào)試這些功能塊，提高開發(fā)效率。得益于SDMV這個(gè)模型以及DLL模塊化，本軟件的可擴(kuò)充性也非常良好，可以通過將需要擴(kuò)展的功能塊進(jìn)行模塊化，提供接口并生成相應(yīng)的DLL，然后通過SDMV在控制視圖中進(jìn)行功能塊的擴(kuò)充，這種擴(kuò)充并不會(huì)影響到其他控制塊的功能，由于在這些控制視圖之間采用的是Windows的消息傳遞機(jī)制，所以在設(shè)計(jì)每個(gè)控制視圖類的時(shí)候，將能夠接受的消息功能都實(shí)現(xiàn)，就能很容易擴(kuò)充到整個(gè)軟件中了。 總結(jié)本文的三維體繪制軟件，主要基于MFC這個(gè)應(yīng)用程序框架，利用SDMV這個(gè)模型，并通過CSplitterWnd這樣一個(gè)類來實(shí)現(xiàn)了視圖分割，將主視圖與控制塊分開，有將不同的控制塊繼續(xù)分成幾個(gè)部分，最核心的功能塊都是通過DLL這樣的方式來實(shí)現(xiàn)的，方便開發(fā)與測試，而且使得整個(gè)應(yīng)用程序具有更好的可擴(kuò)充性。其中主視圖的顯示是通過OpenGL來實(shí)現(xiàn)的，目的是為了提供更好的交互機(jī)制以及利用其雙緩存機(jī)制，使顯示更加流暢。第六章 總結(jié)與展望 主要結(jié)論本文主要針對(duì)工業(yè)CT重建數(shù)據(jù)的體繪制進(jìn)行相關(guān)算法研究。研究類容主要包含了直接體繪制算法，缺陷的分割及統(tǒng)計(jì)顯示，以及體繪制算法的CUDA加速和三維交互軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文主要的內(nèi)容可分為以下幾個(gè)部分闡述：一、研究了工業(yè)CT重建數(shù)據(jù)的體繪制算法，通過分析工業(yè)CT重建數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，結(jié)合LIDA算法中過渡段的思想，針對(duì)不同材質(zhì)之間的灰度過渡段，通過調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)使得在這些段上呈現(xiàn)波峰的狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)工件外部輪廓以及內(nèi)部輪廓同時(shí)顯示的效果。采用簡單的光線投射算法與人工調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)相結(jié)合的方式，使得最終在顯示工件的時(shí)候，到達(dá)內(nèi)外兼?zhèn)涞男Ч?。二、研究工業(yè)CT重建數(shù)據(jù)中的缺陷的顯示，對(duì)于缺陷，單純利用過渡段來進(jìn)行調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)，不能到達(dá)突出的效果，于是通過利用三維CV再結(jié)合區(qū)域生長，將缺陷分割后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選以及重新賦值，最后通過調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)，使得缺陷得以突出顯示的同時(shí)還能保留工件的整體輪廓，從而在顯示結(jié)果中體現(xiàn)出缺陷的相對(duì)大小以及相對(duì)位置，再加上統(tǒng)計(jì)信息，視覺與量化的結(jié)合不失為一種好的輔助手段。三、針對(duì)體繪制算法本身的計(jì)算量問題，采用了CUDA來進(jìn)行加速，通過CUDA來利用GPU的并行處理能力，通過合理安排CUDA的線程分塊，以及利用GPU中的紋理存儲(chǔ)器來進(jìn)一步優(yōu)化加速效果，使得最終的加速可以滿足在普通PC上進(jìn)行流程的人機(jī)交互操作。四、對(duì)上述的研究，最終通過MFC與SDMV模型，以及DLL的模塊化，使得工業(yè)CT重建數(shù)據(jù)體繪制軟件得以實(shí)現(xiàn)，通過利用OpenGL的相關(guān)函數(shù)，使得交互變得更加簡潔。 后續(xù)研究及展望由于本人的研究能力和研究精力有限，以及問題本身的難度，以至于還存在一些尚待解決的問題。一、體剖切問題。本文只是實(shí)現(xiàn)了一種比較簡單的剖切，通過丟掉數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，而真實(shí)的剖切，在剖切面應(yīng)該有更多的處理，已達(dá)到更好的效果。 二、針對(duì)體數(shù)據(jù)過大的問題。本人在研究的過程中遇到數(shù)據(jù)過大而造成顯存無法加載的問題，通過簡單的數(shù)據(jù)分段來實(shí)現(xiàn)過，但是此方法切換比較麻煩，而且影響整體的觀感，所以并未在文中列出，對(duì)此需要一種方法來進(jìn)行處理，在CT重建中，由于精度的需要，重建的數(shù)據(jù)維度可以是很高的，這是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中的問題，具有一定價(jià)值和意義。三、