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98540字硕士毕业论文医学数据三维交互式可视化原理探索

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:98540字
论点:可视化,图形,数据
论文概述:

本文从宏观上介绍了三维医学数据交互分析平台的搭建过程和模式,将面向对象的思想和三维可视化技术结合起来,建立一套完整的交分析框架

论文正文:

第一章引言

1.1研究背景和意义

科学技术的进步促进了人类社会各个方面的发展,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。尤其是在20世纪,计算机技术发展迅速。以信息获取、表示、存储、处理和控制为核心的计算机技术已经渗透到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,信息源越来越多。除了存储、传输、检索和分类大量数据外,还迫切需要了解数据的相互关系和发展趋势。虽然目前的数据库系统能够高效地实现数据录入、查询、统计等功能,但它无法找到数据中存在的关系和规则,也无法根据现有数据预测未来的发展趋势。事实上,汹涌澎湃的数据背后隐藏着许多重要信息,人们希望能够进行高层次的分析,更好地利用这些数据。在医疗领域,这种情况更加明显。自从伦琴在1895年发现x光产生方法以来,医学诊断技术进入了活跃期。

20世纪60年代末至70年代初,随着计算机和微电子技术的飞速发展,大量全新的成像技术进入医学应用领域,极大地丰富了医学诊断信息的领域和水平,提高了诊断水平,对临床医学和工程都产生了巨大的影响。医学成像技术利用计算机控制、提取和处理图像参数,并以二维图像的形式显示出来,从而形成一种快速、无创的诊断方法。利用这种方法,医务工作者可以在不进行解剖检查的情况下快速获得人体器官的解剖图像,从而诊断人体器官的器质性疾病。各种医疗成像设备,如电脑断层扫描、核磁共振、正电子断层扫描、SPET扫描、数字减影等。,可以为不同病因生成清晰的解剖图像。目前,主流医学成像设备可以提供大量等距空对齐的二维图像序列,并且分析整个图像数据的工作量非常大。同时,为了获得准确的诊断结果,医生需要依靠自己的专业知识和主观判断,从多个二维图像中构思出人体内焦点的三维位置、形状和大小,从而导致整个过程不直观。

1.2三维交互式可视化的研究现状

进入20世纪80年代,计算机已经成为人们工作和生活的必要工具,与计算机相关的各种学科也越来越完善。计算机图形学、图像处理和虚拟现实技术已经开始从理论研究向产业化发展。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性逐渐成为医学诊断、解剖学教学、手术计划等方面亟待解决的问题。为了实现可视化技术在医学领域的应用,降低治疗风险,同时最大限度地提高诊断的准确性和直观性,各个领域的专家对此问题进行了深入的研究。三维可视化技术可以从一系列二维图像中重建三维物体。用于重建的数据类型不同。常用的类型是标量值,如医学断层图像集。三维空中分布在离散网格上的数据一般是通过断层扫描、有限元分析或随机采样和插值运算的连续数据获得的,而显示器上显示的图像是通过图形硬件由存储在帧缓冲器中的二维离散信号重建的,这需要我们根据一定的规则,即像素点的颜色透明度值,将离散三维数据场转换成显示器帧缓冲器中的离散颜色信号。

第二章加速可视化增强真实感

2.1导言

真实感图形技术是计算机图形学的重要组成部分,在真实感仿真过程中,光照效果的处理是增强真实感效果的最重要手段。照亮表面的三维图形可以给人多层次颜色渐变或明暗过渡的三维视觉效果,从而在计算机上实现真实效果的更逼真模拟。灯光效果主要是根据物理材料、图形的凹凸性和光源的性质,结合光学物理的相关规律,实现对自然界灯光效果的计算机模拟。就光照模型的建立而言,一般可以分为两种方式:局部光照模型和全局光照模型。局部光只考虑光源和物体产生的效果,而全局光也考虑周围环境对物体颜色的影响。三维可视化技术中的代表性模型包括布林-冯模型、兰伯特模型、高斯模型、光线跟踪技术等。目前,利用纹理技术可以实现一定数据量的交互式渲染,二维和三维纹理功能在低端图形硬件中已经很流行。医学图像需要高成像效果。在临床应用过程中,除了要求三维模型具有快速的交互速度外,还要求它尽可能真实。

然而,照明效果的引入实际上增加了图形硬件的计算负担,使得在普通微型计算机上实现一定量数据的相互可视化变得非常困难。因此,为了加速可视化,常用的方法是关闭照明效果并牺牲渲染质量以实现更快的速度。随着可视化技术的进步,现代图形卡在图形显示中发挥着越来越重要的作用,特别是图形处理器的出现彻底改变了传统图形渲染流水线的固定模式。此外,专业的图形硬件和多机并行渲染也使真实感图形的渲染达到实时水平。然而,这些专用硬件的价格通常相对较高,这在很大程度上限制了真实感图形技术的普及。许多学者对交互技术进行了研究,以增强视觉真实感,并构建了一些加速算法。虽然渲染速度有了一定程度的提高,但仍然无法在成像质量和交互速度之间取得良好的折衷。为了使重建的医学数据更加真实,有必要考虑外部照明的模拟。因此,如何更有效地利用现有的图形硬件特性,实现可视化过程中的光照模拟,最大限度地在普通微机上实现更逼真的交互式渲染是本章的内容。

2.2硬件加速体绘制

2.2.1图形绘制管道

建立特殊图形系统的最早想法是将通用计算机从不断刷新屏幕的繁重任务中解放出来。图形处理器具有传统处理器的体系结构,并且具有用于在阴极射线管上显示基本图元的指令系统。它的主要优点是图像生成指令只需要在主计算机中编译一次,然后传输到显示处理器。显示处理器将重复执行显示存储器中的指令,并以足够快的速度刷新,以防止显示器闪烁。所有这些任务都独立于主处理器,因此减轻了主处理器的负担,并允许它专门处理其他任务。利用图形硬件加速体绘制算法是近年来可视化技术研究的热点之一,基于纹理的绘制技术是最具代表性的结果之一。大规模集成电路的快速发展极大地提高了计算机处理图形的能力,使数据计算和图形显示分离开来。显卡主要负责显示相关计算,而中央处理器专门处理数据。由于图形硬件的纹理特性可以快速完成图像显示中的一些计算,因此可以有效提高实现过程中的渲染效果

系统的速度。

第一章引言...............................................1

1.1研究背景和意义................................1

1.2三维交互式可视化的研究现状...................3

1.3论文的内容和主要目标……11

第二章增强现实的加速可视化……13

2.1导言............................................................13

2.2硬件加速体绘制..........................................14

2.3照明效果的可视化..............................19

2.4可视化加速照明效果的实现............................24

结论

本文在当前主流图形硬件的基础上,对可视化技术进行了系统的研究,并提出了一些想法和想法,但可视化在医学领域的应用是一个相当困难的研究领域。随着硬件技术的飞速发展,如何更好地利用这一技术需要一个漫长的研究过程。结合本文,还有以下问题亟待研究:

成像质量和交互性是可视化领域中一对矛盾的问题,在有限的硬件条件下,单个主机无法实现。如何利用并行处理提高渲染质量和效率是一个研究方向。在重建的同时,可以实现不同类型的数据融合,便于医务人员观察。然而,数据融合操作涉及大量数据和较差的交互性。如何在有效的硬件条件下实现交互式观察是一个研究方向。对于具有大量数据的医学数据交互,在当前方法中,将数据块加载到纹理存储器是顺序的。多线程和多主机可以考虑实现异步数据块加载,这可以进一步加快渲染速度。

看文献

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