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[導讀]“我們?yōu)椴⑿杏嬎阍u估了多種開發(fā)環(huán)境,”負責CUDA實現(xiàn)的研究人員Herlambang這樣說,“最終選擇了CUDA,因為它使我們能夠使用熟悉的C語言語法進行開挑戰(zhàn)在成像技術(shù)中,一個非常有趣的領(lǐng)域就是裸眼立體

“我們?yōu)?strong>并行計算評估了多種開發(fā)環(huán)境,”負責CUDA實現(xiàn)的研究人員Herlambang這樣說,“最終選擇了CUDA,因為它使我們能夠使用熟悉的C語言語法進行開挑戰(zhàn)

在成像技術(shù)中,一個非常有趣的領(lǐng)域就是裸眼立體成像技術(shù),它無需特殊眼鏡就能顯示三維立體圖像。這種有趣的技術(shù)不僅有著娛樂方面的應用潛力,也可作為多種專業(yè)應用程序的實用技術(shù)。東京大學信息科學與技術(shù)研究生院機械信息系的Takeyoshi Dohi教授與他的同事研究了NVDIA的CUDA"并行計算平臺之后認為,醫(yī)療成像是這種平臺非常有前途的應用領(lǐng)域之一。

自2000年以來,這所大學的研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種系統(tǒng),通過CT或MRI掃描實時獲得的活體截面圖被視為體紋理,這種系統(tǒng)不僅能夠通過體繪制再現(xiàn)為三維圖像,還可作為立體視頻顯示,供IV系統(tǒng)使用。

該系統(tǒng)為實時、立體、活體成像帶來了革命性的變化。但是,它的計算量極其龐大,僅體繪制本身就會帶來極高的處理工作量,況且此后還需要進一步處理來實現(xiàn)立體成像。對于每一個圖像幀,都有眾多角度需同時顯示。將此乘以視頻中的幀數(shù),您會看到令人震驚的龐大計算數(shù)量,且必須在很短的時間內(nèi)高度精確地完成這樣的計算。

在2001年的研究中,使用了一臺Pentium III 800 MHz PC來處理一些512 x 512解析度的圖片,實時體繪制和立體再現(xiàn)要花費10秒鐘以上的時間才能生成一幀。為了加速處理,研究小組嘗試使用配備60塊CPU的UltraSPARC III 900 MHz機器,這是當時性能最高的計算機。但可以得到的最佳結(jié)果也不過是每秒鐘五幀。從實用的角度考慮,這樣的速度還不夠快。

解決方案

體繪制和隨后轉(zhuǎn)換為IV格式都需要進行數(shù)據(jù)平行矢量計算。為此,最佳計算范式是GPU。相應地,Liao和Herlambang 著手研究使用CUDA實現(xiàn)GPU,這是來自NVIDIA的通用C語言GPU開發(fā)環(huán)境。

首先,研究人員使用最新一代的GPU GeForce® 8800 GTX開發(fā)了一個原型系統(tǒng)。在使用CUDA的GPU上運行2001年研究所用的數(shù)據(jù)集時,性能提升到每秒13至14幀。UltraSPARC系統(tǒng)的成本高達數(shù)千萬日元,是GPU的上百倍,而GPU卻交付了幾乎等同于其三倍的性能,研究人員為此感到十分驚訝。不僅如此,根據(jù)小組的研究,NVIDIA的GPU比最新的多核CPU至少要快70倍。另外,測試顯示,對于較大規(guī)模的體紋理數(shù)據(jù),GPU的性能更為突出。

目前,這支研究小組正運用NVDIA最新的桌面端超級計算機Tesla" D870,針對使用CUDA的Tesla優(yōu)化目前的IV系統(tǒng)。這一舉措有望使性能獲得更大幅度的提升。

效果

此外,我們還可以在不必修改已開發(fā)系統(tǒng)的前提下利用速度更快的新生代GPU。如果某種環(huán)境使得調(diào)試大型CUDA程序成為可能,CUDA必將成為一種更強大的并行計算開發(fā)環(huán)境,我們希望它在醫(yī)療成像處理領(lǐng)域中得到更廣泛的應用。”

如果能夠以立體方式實時查看來自CT和MRI的圖像,醫(yī)生就能夠檢查病患組織的狀態(tài)并做出診斷,而無需活體檢查和外科處理。此外,某些醫(yī)生可以同時查看此類圖像,彼此溝通。這使部分醫(yī)生能夠同時進行關(guān)節(jié)鏡手術(shù)和其他微創(chuàng)型外科技術(shù),而每名外科醫(yī)生都能實時觀察手術(shù)過程。

將龐大的并行計算陣列引入臨床設(shè)備非常困難,但GPU和Tesla的強大計算能力使得提供緊湊的并行計算模塊成為可能。

Integral Videography(IV)原理示意圖

圖字:計算機內(nèi)部處理 calculation of IV element image IV像素圖計算 Voxel data 三維數(shù)據(jù) virtual lens array 虛擬透鏡陣列

Flat display 平面顯示屏

Space image formation:空間立體圖像構(gòu)成

Micro convex lens array:微型透鏡陣列 observer:觀察者

解決方案

遠距離觀察IV圖像的示例。在顯示屏前兩米的位置形成非常逼真、立體的黃色竹竿圖像,看上去就像是被握在手中。即便在觀察者移動時,圖像依然保持“被握在手中”的可見狀態(tài)。要創(chuàng)建高解析度、立體的圖像,就要使用體繪制之類的處理方法,但需要極高的計算能力。

效果

使用CUDA的IV系統(tǒng)

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