[發明專利]ARM+GPU異構架構下的光線投射算法的OpenGLES實現方法

有效

• 申請號: 201410225333.4
• 申請日: 2014-05-24
• 公開（公告）號: CN103971396B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 金晶;申瑞雪;賈恒;沈毅
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06T15/08
• 分類號: G06T15/08;G06T15/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及嵌入式系統中圖像處理及計算機視覺領域的三維成像實現過程，具體涉及ARM+GPU異構系統級芯片(System On Chip，SOC)架構下光線投射算法的OpenGL ES實現。

背景技術

醫學超聲成像是一種基于超聲波的醫學影像診斷技術，通過超聲換能器向人體發出超聲波并接收組織回波，利用超聲波的物理特性和人體組織器官聲學性質上的差異，顯示人體內部的形態學信息，借以進行疾病診斷。其具有無創傷、無輻射、成本低和成像速度快等優點，且具有便攜性，能夠實時獲取圖像，故在一般的醫療診斷中，超聲成像占有很大比例。特別地，對于胎兒檢查，超聲成像是四大醫學影像中(CT/核磁/PET/超聲)唯一能夠使用的成像手段。

傳統的二維超聲成像系統只能提供人體組織器官某一切面的圖像，醫生需要根據二維圖像在自己的大腦中合成相應的三維結構。這就對醫生的熟練程度提出了很高的要求，并在一定程度上影響了臨床診斷的準確性，使其在應用上存在一定局限性。尤其對于胎兒檢測來說，三維超聲成像具有成像直觀、定位準確、確診速度快等優點。因此，在超聲診斷系統中研究三維超聲成像方法具有重要意義。

目前廣泛使用的3D體繪制成像算法是光線投射算法，它是一種基于圖像空間的成像方法，其假設從圖像空間的每一個像素向物體空間發出一條光線，在光線穿過物體空間的過程中，對相交體素的光學屬性與吸收屬性按照一定的方法進行累積，從而形成最后的圖像。與其他體繪制算法相比，其成像質量高，且可以設置不同的閾值以顯示內部特征；但是光線投射算法計算量較大，在角度變換以及人機交互的時候難以達到實時效果。

OpenGL是一個跨編程語言、跨平臺的2D/3D圖形處理庫，開發人員可以利用其所提供的頂點著色器與片段著色器自定義渲染算法，實現通用計算。光線投射算法同時包含圖形處理和通用計算兩個方面，物體的頂點、光柵化、片段處理以及旋轉視點變換等屬于圖形學范疇，沿光線上的積分過程屬于通用計算范疇。OpenGL能很好地兼顧這兩個方面，直接利用OpenGL的圖形管線能夠簡潔高效的實現圖形處理部分，利用OpenGL頂點著色器與片段著色器的可編程能力能實現復雜的算法設計。將OpenGL與GPU相結合，可以很方便地對光線投射算法進行實現。

隨著超聲成像設備的便攜性、小型化和專科化要求，同時考慮到產品的體積、功耗和性價比，超聲診斷系統所選用的處理器的通用計算能力逐漸下降，逐漸以嵌入式處理器替代X86架構的處理器核心。隨著技術發展，ARM的計算能力有了巨大的提升，逐漸成為便攜設備的主流體系結構。硬件平臺計算能力的降低會對超聲數據處理模塊的實現提出挑戰。尤其對于超聲系統中的三維成像算法，相比于二維成像算法，數據的吞吐量和計算量通常大兩個數量級。如果僅僅依靠ARM處理器難以實現三維超聲成像功能，即使采用針對并行處理的單指令多數據(Single Instruction Multiple Data，SIMD)技術，仍然無法達到要求。

從目前處理器的發展來看，對于嵌入式處理器，通常會攜帶可用于通用計算的圖形處理單元(Graphic Processing Unit，GPU)，組合起來形成異構架構，更有利于提高嵌入式處理器的計算能力。以ARM核心為主控的多核SOC芯片通常集成有GPU內核作為三維加速引擎。

但是，對于ARM+GPU的異構架構，嵌入式GPU存在兩個明顯的限制：1)并行運算單元少，計算能力弱；2)ARM與GPU共用系統內存，沒有專門的高速顯存。同時，在嵌入式體系下，專用的開放圖形庫接口也從OpenGL變成了OpenGL ES，因此，在OpenGL下開發的成熟的光線投射算法并不能直接應用到嵌入式系統中。

發明內容

本發明針對目前超聲設備發展專用性趨勢的要求以及成像算法龐大的計算量和數據吞吐，提出了以ARM+GPU異構架構對三維超聲成像光線投射算法的實現。ARM核心作為主控芯片負責整個過程中所有的任務調度及預處理工作，GPU核心作為加速引擎，實現并行計算的算法核心，通過OpenGL ES被應用程序調用，實現光線投射算法。本發明將傳統的基于顯卡和Intel處理器的光線投射算法在嵌入式平臺下實現，降低了系統開發成本。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種ARM+GPU異構架構下的光線投射算法的OpenGL ES實現方法，包括如下步驟：

步驟一：在ARM中建立顯示窗口系統；

步驟二：在ARM中獲取原始體數據，并將原始體數據重建到三維笛卡爾坐標系下；