DE69233060T2

DE69233060T2 - System zur Anzeige von räumlichen Einschnitten für Festkörpermodellflächen

Info

Publication number: DE69233060T2
Application number: DE1992633060
Authority: DE
Inventors: William Edward Ballston Lake Lorensen; Harvey Ellis Schenectady Cline; Bruce Charles Delafield Teeter; Siegwalt Scotia Ludke
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1992-12-09
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: JP2809955B2; EP0549183B1; DE69233060D1; JPH05274446A; EP0549183A2; EP0549183A3

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf Anmeldungen System For 3D Scan Conversion of A Polygonal Model Into A Point and Normal Format, Displayed Utilizing an Accelerator Circuit, Anmeldenummer (Anmelderzeichen RD-21,024), Solid Models Generation By Span Method Using Dividing Cubes, Anmeldenummer (Anmelderzeichen RD-21,335) und Apparatus and Method for Displaying Surgical Cuts In Three-Dimensional Models, Anmeldenummer (Anmelderzeichen RD-21,827), alle von Harvey E. Cline, William E. Lorensen und Siegwalt Ludke, alle gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht und auf die vorliegende Rechtsnachfolgerin übertragen.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine dreidimensionale (oder 3D) Grafik-Workstation und insbesondere eine 3D Grafik-Workstation, die Schnittflächen von einem 3D Modell als Festkörper darstellt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Übliche Computer-Grafikmethoden stellen polygonale Modelle dar, indem das Modell zunächst in einen Drahtrahmen transformiert wird. Ein Drahtrahmen ist ein Netzwerk von Linien, die die Scheitel von einem polygonalen Modell verbinden. Der Drahtrahmen wird dann auf die Bildebene projiziert. Die Intensitäten der Scheitelpixel werden berechnet, um ein Bild zu kreieren, das einem festen schattierten 3D Modell ähnelt. Die Intensität von jedem gewünschten Pixel ist proportional zu der Komponente von einem Vektor senkrecht (normal) zu der Bildfläche, die parallel zu der Richtung des simulierten auftreffenden Lichtes ist.
Flächen des Bildes, die hinter anderen Flächen liegen, sind verdeckt (hidden). Gewöhnlich wird ein Tiefen-Puffer, der ein Speicherelement ist, verwendet, um die vorhandene Tiefe von jedem Pixel in dem 3D Bild zu speichern, so dass nur die sichtbaren Flächen bildlich dargestellt werden. Die Tiefen der nachfolgenden Pixel werden mit den vorhandenen Tiefen der Pixel in dem Tiefen-Puffer verglichen. Der Tiefen-Puffer wird aktualisiert, wenn ein Pixel mit einer flacheren Tiefe auftritt. Für zusätzliche Details siehe Fundamentals of Interactive Computer Graphics von Foley und Van Dam, Addison-Wesley Press 1982, Kapital 8, Seiten 267–318.
Eine oder mehrere Strukturen in einem Modell können manipuliert werden, indem sie gedreht und in verschiedenen Ebenen geschnitten werden. Es werden Transformationen von Koordinaten durch Multiplikation mit einer 4 × 4 Matrixgleichung verwendet, um das Modell zu drehen. Nach der Transformation wird das transformierte Modell bildlich dargestellt.
Die polygonalen Modelle werden generiert durch übliche CAD/CAM Methoden oder aus Volumendaten, wie es in der „wandernde Wür fel" Methode des US-Patents 4,710,876, System and Method for the Display of Surface Structures Contained Within the Interior Region of a Solid Body, von Harvey E. Cline und William E. Lorensen, erteilt am 1. Dezember 1987, übertragen auf die vorliegende Rechtsnachfolgerin, beschrieben ist. Die Volumendaten werden aus üblichen 3D Bildgebungssystemen erhalten, wie beispielsweise Magnetresonanz-Bildgebung (MRI), Computer-Axial-Tomografie (CRT), Positron-Emission-Tomografie (PET) usw.
Eine andere Methode der bildlichen Darstellung von Modellen ist in dem US-Patent 4,719,585, teilt am 12. Januar 1988, beschrieben mit der Bezeichnung Dividing Cubes System and Method for the Display of Surface Structures Contained Within the Interior Region of a Solid Body, von Harvey E. Cline, Siegwalt Ludke und William E. Lorensen („teilende Würfel"), das auf die vorliegen de Rechtsnachfolgerin übertragen ist. Die Methode beginnt mit Volumendaten und kreiert eine Oberfläche, die durch eine Anzahl von Punkten und Normalen-Vektoren beschrieben ist, die jedem Punkt zugeordnet sind, anstatt durch Polygone. Die „teilende Würfel" Methode ist verwendet worden, um Flächen darzustellen, die in volumetrischen medizinischen Daten enthalten sind.
Bilder, die durch übliche Methoden erzeugt sind, unterscheiden nicht zwischen nach vorne gerichteten Flächen und der Innenseite von rückwärts gerichteten Flächen. Modelle, die in mehreren Ebenen geschnitten sind, können schwierig zu interpretieren sein, da die Schattierung die gleiche ist für nach vorne gerichtete Flächen und die Innenseite von nach hinten gerichteten Flächen, wodurch ein Betrachter bezüglich der Flächen verwirrt wird. Um die Modelle richtig zu manipulieren, wie beispielsweise im Falle einer Operationsplanung, müssen die nach vorne gerichteten Flächen und die nach hinten gerichteten Flächen unterscheidbar sein. Operationsplanung ist die Simulation einer Operation auf einer Grafik-Workstation unter Verwendung tatsächlicher Daten, die von dem zu operierenden Objekt gewonnen werden. Deshalb besteht ein Bedürfnis für eine Einrichtung, die . Bilder in einer unzweideutigen Art und Weise bildlich darstellen und die jedes Bild schnell darstellen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen und 1 und 2 angegeben. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Display-System bereitzustellen, das deutlicher, als es bisher möglich war, Sektionsschnitte durch Modelle darstellen kann, wodurch Strukturen des Modells simuliert werden.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Manipulation von festen Modellen auf einer relativ lei stungsschwachen Workstation durchführbar zu machen, indem die Bearbeitungszeit verkürzt wird.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Workstation bereitzustellen, die CAD/CAM, polygonale und Volumendatenmodelle bearbeiten und bildlich darstellen kann.
Die Grafik-Workstation, die in der Lage ist, Modelle von Computergestütztem Design oder Volumendaten mit der Hilfe von einer handelsüblichen Beschleunigerschaltung zu bearbeiten, verwendet einen Host-Computer, der das Modell oder die Volumendaten in eine Punkt-und-Normalen-Display-Liste wandelt. Ein Benutzer verwendet Eingabevorrichtungen, um Ebenen, in denen die Strukturen in dem Modell, dreidimensionale Orientierung des Modells, geschnitten werden sollen, und Bildschirm-Schnittebenen zu wäh-len, die einen Workstation-Sichtbereich definieren. Eine Modell-Klippschaltung ermittelt Punkte innerhalb der Modell-Schnittebenen. Eine Rotations- bzw. Drehschaltung dreht Punkt- und Normalen-Vektoren in der Punkt-und-Normalen-Display-Liste und ermittelt Schattierung auf der Basis der Orientierung des Normalen-Vektors an jedem Punkt. Eine Bildschirm-Klippschaltung ermittelt Punkte innerhalb eines Bereiches, der durch Bildschirm-Schnittebenen definiert ist. Eine Schattierungsschaltung ermittelt nach hinten gerichtete Oberflächenelemente durch das Vorzeichen von einer Komponente ihrer Normalen-Vektoren und koloriert sie mit einer konstanten Farbe. Eine Display-Schaltung stellt ein dreidimensionales Bild von vielen Flächen dar, die sich innerhalb der Modell-Schnittebenen und der Bildschirm-Schnittebenen befinden, wodurch es dem Benutzer gestattet wird, zwischen den innenseitigen und außenseitigen Flächen zu differenzieren. Die Workstation ist in der Lage, die Modelle als schattierte dreidimensionale feste Flächen darzustellen, die mit einer Geschwindigkeit von mehreren Malen pro Sekunde auf einer relativ leistungsarmen Grafik-Workstation neu gezeichnet werden, wodurch eine Manipulation in nahezu Realzeit gestattet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale der Erfindung, die als neuartig betrachtet werden, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüche angegeben. Die Erfindung selbst jedoch, sowohl bezüglich ihres Aufbaues als auch des Arbeitsverfahrens, zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen, kann am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen:
1 ein vereinfachtes Blockdiagramm von dem System gemäß der Erfindung ist;
2 eine Darstellung von einem darzustellenden Modell ist, das eine Modell-Klippbox und eine Bildschirm-Klippbox schneidet;
3 ein vereinfachtes Blockdiagramm von der Schattierungsschaltung gemäß der Erfindung ist;
4 eine Darstellung von einem geschnittenen Oberflächenmodell ist, das die nach hinten gerichtete Fläche zeigt;
5 eine Darstellung von einem geschnittenen Oberflächenmodell ist, bei dem die nach hinten gerichtete Fläche ersetzt ist, um durch das erfindungsgemäße System als ein fester Körper dargestellt zu werden;
6 ein Fließbild von dem Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bildes gemäß der Erfindung ist;
7 ein grafisches Bild von einem Abschnitt von einem festen Modell ist, das durch ein bekanntes Verfahren erzeugt ist, wobei sowohl die nach hinten gerichteten als auch nach vorne gerichteten Flächen in der gleichen Art und Weise schattiert sind;
8 ein grafisches Bild von einem Abschnitt von einem festen Modell ist, das unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erzeugt ist, wobei die nach hinten gerichtete Fläche durch eine konstante Farbe ersetzt ist und die nach vorne gerichtete Fläche schattiert ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In Figur 1-ist ein Host-Prozessor 3 gezeigt zum Kreieren einer Punkt-und-Normalen-Display-Liste von entweder einem polygonalen Modell, das durch ein CAD/CAM-System geliefert wird, oder von Volumendaten, die von einem System zur Bereitstellung dreidimensionaler Bildgebung erhalten ist, wie beispielsweise Positron-Emissions-Tomografie, Computer-Axial-Tomografie, Magnetresonanz-Bildgebung usw. Die Punkt-und-Normalen-Display-Liste wird von Punkten (x, y, z) und Normalen-Vektoren (n_x, n_y, n_Z) gebildet, die jedem Punkt zugeordnet sind. Die Punkt-und-Normalen-Display-Liste wird in einem Punkt-undNormalen-Display-Listenspeicher 20 von einer Beschleunigerkarte 5 gespeichert.
Viele Elemente der Beschleunigerkarte sind ähnlich den Elementen in dem US-Patent 4,985,834 mit der Bezeichnung System and Method Employing Pipelined Parallel Circuit Architecture For Displaying Surface Structures of the Interior Region of a Solid Body, von Harvey E. Cline, Richard I. Hartley, Siegwalt Ludke und Sharbel E. Noujaim, erteilt am 15. Januar 1991 und auf die vorliegende Rechtsnachfolgerin übertragen.
Gemäß den 1 und 2 betätigt ein Benutzer eine Eingabevorrichtung 40, um Sektionen durch ein Modell 2 zu wählen, die bildlich dargestellt werden sollen, wobei die Sektionen die Modell-Schnittebenen 206 sind. Diese Ebenen sind in Bezug auf ein X', Y', Z' Koordinatensystem (Modellraum) definiert und bleiben während der Rotation des Modells in Bezug auf das Modell 2 fest. Der Benutzer betätigt eine Eingabevorrichtung 50, um eine dreidimensionale Orientierung des Modells 2 im Raum zu wählen, und er betätigt eine Eingabevorrichtung 60, um Bildschirm-Schnittebenen 212 zu wählen, die durch das Modell 2 geschnitten werden sollen. Die Bildschirm-Schnittebenen 212 bleiben fest in Bezug auf einen Monitorschirm 250 und ein X, Y, Z Koordinatensystem (Workstation-Raum), ändern sich aber relativ zum Modell 2, wenn das Modell gedreht wird. Die Parameter aus den Eingabevor richtungen 40,50,60 werden verwendet, um gewählte Abschnitte von dem 3D Modell zu bearbeiten und darzustellen.
Eine Modell-Klippschaltung 70 empfängt die Modell-Schnittebenen 206 von der Eingabevorrichtung 40 und ermittelt eine Modell-Klippbox 208, die durch Modell-Schnittebenen 206 definiert ist. Die Modell-Klippschaltung 70 vergleicht dann jeden Punkt (x, y, z) in dem Display-Listenspeicher 20 um zu ermitteln, ob er innerhalb der Modell-Klippbox 208 ist.
Wenn ein Punkt (x, y, z) innerhalb der Modell-Klippbox 207 liegt, wird eine Wählleitung 80, die die Modell-Klippschaltung 70 und eine UND-Schaltung 220 verbindet, durch die Schaltung 70 „hoch" gesetzt.
Eine Drehschaltung 130 empfängt die Orientierungs-Eingabeparameter von der Orientierungs-Eingabevorrichtung 50 und erzeugt eine 4 × 4 Transformationsmatrix. Sowohl der Punkt (x, y, z) als auch der Normalen-Vektor (n_x, n_y, n_Z) werden durch die Drehschaltung 130 transformiert, um einen transformierten Punkt (x', y', z') 140 und eine Pixelintensität nml zu erhalten, die zur Schattierung des Bildes verwendet wird. Die Drehschaltung 130 transformiert den Punkt (x, y, z) und die Normalen-Vektoren (n_x, n_y, n_Z) gemäß den folgenden Gleichungen: x' = m11x + m12y + m13z + m14 y' = m21x + m22y + m23z + m24 z' = m31x + m32y + m33z + m34 nml = m41nx + m42ny + m43n2 wobei „m₁₁ ...m₄₃" Matrixelemente sind, die berechnet werden, um das Modell zu orientieren und zu verschieben, und pix ist die berechnete Pixelintensität, die zum Schattieren der Oberfläche verwendet ist. (Matrixelement m₄₄ ist 0.) Die Drehschaltung 130 leitet die gedrehte Koordinaten (x', y') entlang einem Adressbus 90 zu sowohl einem Tiefen-Pufferspeicher 180 als auch einem Bild-Pufferspeicher 190. Die Koordinaten (x', y') werden als eine Adresse für beide Speicher verwendet. Die Drehschaltung 130 leitet auch den Wert nml entlang einem Bus 135 zu einer Schattierungsschaltung 170. Die Schattierungsschaltung 170 leitet den Wert nml entweder zum Bild-Pufferspeicher 190 als eine Pixelintensität pix, wenn das Vorzeichen von nml positiv ist, anderenfalls leitet die Schattierungsschaltung 170 einen konstanten Wert, der eine konstante Farbe angibt, von einem Konstantfarbenregister 175 als den Pixelintensitätswert pix.
Eine Schirm-Klippschaltung 150 empfängt die Schirm-Sichtebenen 212 von der Workstation-Sichteingabevorrichtung 60 und kreiert eine Schirm-Klippbox 214 ähnlich der Modell-Klippbox 208, die aber in Bezug auf den Bildschirm des Monitors 250 stationär ist. Der transformierte Punkt (x', y', z') 140 wird mit der Schirm-Klippbox 214 im Raum der Workstation verglichen. Wenn der Punkt (x', y', z') 140 innerhalb der Schirm-Klippbox 214 ist, wird die Leitung 160, die die Schirm-Klippschaltung 150 mit einer UND-Schaltung 220 verbindet, durch eine Schaltung 150 auf „hoch" gesetzt.
Eine Display-Schaltung 7 stellt freiliegende Flächen von einem Bild dar, das von den transformierten Punkten innerhalb des gewünschten Bereiches kreiert ist. Das Bild ähnelt einem festen Objekt, wobei künstliche Flächen sichtbar sind, und Flächen, die hinter den künstlichen Flächen liegen, verdeckt sind. Die Display-Schaltung wird von dem Tiefen-Pufferspeicher 180, der UND-Schaltung 220, dem Bild-Pufferspeicher 190 und einer Vergleichsschaltung 210 gebildet.
Die Vergleichsschaltung 210 empfängt eine Tiefen-Koordinate z' von einem Bus 200 und vergleicht die Tiefe z' mit einem vorhandenen Wert in dem Tiefen-Puffer 180 an der Adresse (x', y').
Wenn die Tiefe z' des vorhandenen Punktes (x', y', z') näher an dem Betrachter ist (d. h. einen kleineren Wert hat) als die vor herige Tiefe, die in dem Tiefen-Pufferspeicher 180 an der Adresse (x', y') gespeichert ist, dann setzt die Vergleichsschaltung 210 eine Tiefen-Leitung 202, die mit der UND-Schaltung 220 verbunden ist, auf „hoch".
Die UND-Schaltung 220 setzt eine „Aktualisierungs"-Leitung 225, die sowohl mit dem Tiefen-Puffespeicher 180 als auch dem Bild-Pufferspeicher 190 verbunden ist, auf „hoch", wenn sie die Leitungen 80, 160 und 202 alle mit „hoch" abtastet, wodurch die Pixelintensität pix an der Adresse (x', y') des Bild-Pufferspeichers gespeichert wird. Wenn die Aktualisierungs-Leitung 225 auf „hoch" geht, wird die Tiefe z' an der Adresse (x', y') des Tiefen-Pufferspeichers gespeichert, wodurch die gegenwärtige Tiefe an der Adresse (x', y') aktualisiert wird. Nachdem alle Punkte in dem Modell bearbeitet worden sind, wird der Bild-Pufferspeicher als ein schattiertes Bild auf dem Monitor 250 dargestellt.
In 3 ist eine Schattierungsschaltung 170 gezeigt, die den Wert nml von dem Bus 135 empfängt. Die Schattierungsschaltung 170 empfängt auch einen Wert von einem Konstantfarbenregister 175 auf einem Bus 320. Eine Entscheidungsschaltung 330 ermittelt, ob das Vorzeichen von dem Wert nml positiv ist. Wenn das Vorzeichen von nml positiv ist, dann ist die Fläche nach vorne gerichtet und der Wert nml wird zu einem Pixel-Schattierungsgenerator 340 geleitet; anderenfalls ist die Fläche nach hinten gerichtet, und der Wert, der eine konstante Farbe darstellt und auf dem Bus 320 empfangen ist, wird zu dem Pixel-Schattierungsgenerator 340 geleitet. Der Pixel-Schattierungsgenerator kreiert ein Signal, das den Wert darstellt, den er von der Entscheidungsschaltung 330 empfängt. Das Ergebnis ist, dass die nach hinten gerichteten Flächen mit einer konstanten Farbe koloriert wird, und die nach vorne gerichteten Flächen sind gemäß der Orientierung ihrer Oberflächen-Vektoren schattiert.
In 4 ist ein Schnittfläche von einem Modell 2 aus Sicht von einer Blickrichtung 73 gezeigt. Ein Schnitt beseitigt einen Teil der Fläche, wodurch der Betrachter in das Modell hinein sehen kann. Die Fläche ist ein Mantel, der das Modell umgibt, ohne feste Information. Sowohl die nach vorne gerichteten Flächen 43,53 als auch die nach hinten gerichtete Fläche 73 sind sichtbar und würden in einer ähnlichen Art und Weise schattiert, wenn sie gemäß der bekannten „Teilende Würfel"-Methode dargestellt werden, was ein Bild zur Folge hat, das keine Unterscheidung zwischen nach vorne gerichteten und nach hinten gerichteten Flächen darstellt.
Komponenten der nach vorne gerichteten Flächen 43,53 entlang der Blickrichtung von Normalen-Vektoren 23 sind positiv, während die Komponenten von nach hinten gerichteten Flächen entlang der Blickrichtung von Normalen-Vektoren 33 negativ sind. Die Oberflächen-Normalen-Information kann verwendet werden, um ein Bild zu generieren, das einem festen Schnitt ähnelt, indem nach hinten gerichtete Flächenelemente mit einer konstanten Farbe schattiert werden, wie es in 5 gezeigt ist.
5 zeigt das gleiche Modell 2 mit den gleichen Schnitten wie dasjenige von 4, verwendet aber die Methode der vorliegenden Erfindung. Eine Fläche 64, die Normalen-Vektoren mit Komponenten hat, die negative Werte haben, ist eine nach hinten gerichtete Fläche. Die nach hinten gerichtete Fläche 64 wird durch eine Schattierungsschaltung 170 (1) mit der konstanten Farbe ersetzt, wodurch sie als eine synthetisierte Fläche 86 erscheint, die an der Schnittebene 94 angeordnet ist. Die nach vorne gerichteten Flächen 44, 54 werden nicht ersetzt und werden wie in den üblichen Methoden schattiert, wie beispielsweise der „Teilende Würfel"-Methode. Deshalb wird durch Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung das Aussehen der hohlen Schnittfläche gewandelt zu demjenigen von einem geschnittenen festen Modell.
6 ist ein Fließbild von dem Verfahren, das durch die vorliegende Erfindung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes verwendet wird. Das Verfahren beginnt am Schritt 602. Ein Modell wird am Schritt 604 in ein Punkt-und-Normalen-Display-Format gewandelt. Der Benutzer wählt einen Sichtbereich am Schritt 606 und eine Modell-Orientierung am Schritt 608. Das Modell wird am Schritt 610 gemäß der gewählten Modell-Orientierung gedreht. Der Benutzer wählt auch am Schritt 612 Bereiche des Modells, die bildlich dargestellt werden sollen. Am Schritt 614 werden sichtbare Punkte ermittelt auf der Basis der Benutzereingaben und der Modelldaten, wobei sichtbare Punkte Punkte innerhalb der durch den Benutzer definierten Bereiche und Punkte auf Oberflächen sind, die nicht durch andere Oberflächen verdeckt sind, wenn sie von einem gewählten Sichtwinkel betrachtet werden. (Der Sichtwinkel ist das Komplement von dem Modell-Orientierungswinkel, den der Benutzer gewählt hat.) Am Schritt 616 werden der Normalen-Vektor und eine Komponente des Normalen-Vektors gewählt, die parallel zu dem Sichtwinkel ist. Am Schritt 618 wird die Komponente von dem Normalen-Vektor parallel zu dem Sichtwinkel untersucht, um zu ermitteln, ob sie einen positiven oder negativen Wert hat. Wenn die parallele Komponente des Normalen-Vektors einen positiven Wert hat, wird die Größe des Normalen-Vektors als die Pixel-Intensität pix verwendet. Wenn andererseits die parallele Komponente des Normalen-Vektors einen negativen Wert hat, wird die Pixel-Intensität pix auf einen vorbestimmten konstanten Wert gesetzt, der ein Wert ist, der eine Bildschirm-Farbe angibt, mit der die nach hinten gerichteten Flächen ausgefüllt werden. Am Schritt 624 wird eine Abfrage gemacht, um herauszufinden, ob alle Punkte bearbeitet worden sind. Wenn weniger als alle Punkte bearbeitet worden sind, wird der nächste zu bearbeitende Punkt am Schritt 626 gewählt und das Verfahren setzt sich am Schritt 616 fort. Wenn alle Punkte bearbeitet worden sind, werden die Pixel-Intensitätswerte pix für alle sichtbaren Punkte dargestellt, um ein Bild von einer festen dreidimensionalen Fläche zu erzeugen, wobei alle nach hinten gerichteten Flächen durch eine konstante Farbe ersetzt sind. Das Verfahren endet am Schritt 630.
Ein Bild, das durch die Verwendung von einem üblichen Verfahren erzeugt worden ist, ist in 7 gezeigt. Hier sind sowohl die nach vorne gerichteten als auch nach hinten gerichteten Flächen in der gleichen Art und Weise schattiert. Wenn es viele Modell-Schnittebenen und viele Schirm-Schnittebenen gibt, die durch viele Modelle in einem Modell hindurchführen, wird es sehr schwierig zu ermitteln, ob eine Fläche eine nach vorne gerichtete oder nach hinten gerichtete Fläche ist, wodurch eine Verwirrung für den Betrachter hervorgerufen wird.
Ein Bild, das durch das erfindungsgemäße Verfahren generiert worden ist, ist in 8 gezeigt. Eine Scheibe ist durch das Gesicht von einem Patienten gelegt. Nur die Sinus-Passagen sind in der Mitte von dem Schädel zu sehen, wobei die Rückseite von dem Schädel durch die konstante Farbe verdeckt ist. Dies gestattet eine besser unterscheidbare Betrachtung von Abschnitten des Bildes, das dargestellt wird.
Es sind zwar mehrere gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben worden, für den Fachmann ergeben sich aber viele Modifikationen und Variationen. Es ist deshalb verständlich, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Variationen einschließen sollen, die in den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung fallen.

Claims

Graphik-Workstation zum Bearbeiten und Darstellen eines Punkt- und Normalflächenmodells, enthaltend: a) einen Punkt- und Normaldisplaylistenspeicher (20), b) einen Host-Computer, der eine Punkt- und Normaldisplayliste kreieren kann, die von einem Satz von Oberflächenpunkten (x, y, z) und Normalvektoren (n_x, n_y, n_Z) aus einem Oberflächenmodell gebildet ist, wobei der Host-Computer auch die Displayliste in dem Punkt- und Normaldisplaylistenspeicher speichert, c) eine erste Eingabevorrichtung (40) zum Definieren von Modellschnittebenen, die in bezug auf das Modell fest sind, d) eine zweite Eingabevorrichtung (50) zum Definieren einer dreidimensionalen Orientierung des Modells im Raum, e) eine dritte Eingabevorrichtung (60) zum Definieren von Schirmschnittebenen des Modells, die in Relation zum Display fest sind, f) eine Modellklippschaltung (70), die auf die erste Eingabevorrichtung (40) anspricht, zum Kreieren eines Signals, das anzeigt, wenn ein Punkt (x, y, z) innerhalb eines Bereiches ist, der durch Modellschnittebenen definiert ist, die durch die erste Eingabevorrichtung (40) geliefert werden, g) eine Drehschaltung (130), die auf die zweite Eingabevorrichtung (50) anspricht, zum Transformieren jedes Punktes (x, y, z) und Normalvektors (n_X, n_y, n_Z) in der Displayliste in einen transformierten Punkt (x', y', z') mit einer Adresse (x', y') und einer Tiefe (z') und einen Normalvektorwert nml gemäß der dreidimensionalen Orientierung, die durch die zweite Eingabevorrichtung (50) geliefert wird, h) eine Schirmklippschaltung (150), die auf die dritte Eingabevorrichtung (60) anspricht, zum Kreieren eines Signals, das anzeigt, wenn ein transformierter Punkt (x', y', z') in nerhalb eines Bereiches ist, der durch Schirmschnittebenen definiert ist, die durch die dritte Eingabevorrichtung (60) geliefert werden, i) einen Konstantfarbenspeicher (175) zum Speichern eines vorbestimmten konstanten Farbwertes, j) eine Schattierungsschaltung (170), die auf den Konstantfarbenspeicher (175) und die Drehschaltung (130) anspricht, zum Empfangen des konstanten Farbwertes aus dem Konstantfarbenspeicher (175) und zum Empfangen des Normalvektorwertes nml aus der Drehschaltung (130), wobei die Schattierungsschaltung (170) in der Lage ist, ein Signal pix für nach hinten gerichtete Oberflächenpunkte, wie sie durch den Konstantfarbenwert dargestellt sind, und ein Signal pix für nach vorn gerichtete Oberflächenpunkte zu kreieren, wie sie durch den nml Wert dargestellt werden, der von dem Vorzeichen der Vektorkomponente abhängt, k) eine Displayschaltung (7), die auf die Modellklippschaltung (70), die Schirmklippschaltung (160) und die Schattierungsschaltung (170) anspricht und in der Lage ist, einen Satz von sichtbaren Oberflächenpunkten zu ermitteln, wobei der Satz die transformierten Punkte (x', y', z') innerhalb des gewählten Schirmsichtbereiches ist, der innerhalb der gewählten Bereiche des Modells ist und nicht hinter anderen Oberflächen ist, wenn man aus dem gewählten Sichtwinkel schaut, der das Komplement des gewählten Modellorientierungswinkels ist, um so ein dreidimensionales (3D) Bild von vielen Oberflächen aus transformierten Punkten (x', y', z') und dem Signal pix aus der Schattierungsschaltung (170) zu bilden, und l) einen Displaymonitor (250) zum Darstellen des 3D Bildes.
Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen graphischen Bildes von einem Oberflächenmodell, enthaltend die Schritte: a) Wandeln (604) des Modells in Oberflächen, die durch einen Satz von Oberflächenpunkten definiert sind, wobei jedem Punkt ein Einheitsvektorpunkt zugeordnet wird, der in einer Richtung normal zur Oberfläche an diesem Punkt gerichtet ist, b) Definieren von Modellschnittebenen, die in Bezug auf das Modell fest sind, zum Wählen (606) eines Schirmsichtbereiches, c) Wählen (608) einer Modellorientierung, d) Drehen (610) des Modells in die Modellorientierung, um transformierte Punkte (x', y', z') mit einer Adresse (x', y') und einer Tiefe (z') und einem Normalvektorwert nml zu erhalten, e) Wählen (612) von darzustellenden Bereichen des Modells, f) Ermitteln, wenn ein Punkt (x, y, z) innerhalb des gewählten Sichtbereiches ist, g) Ermitteln (614) eines Satzes von sichtbaren Oberflächenpunkten, wobei der Satz die transformierten Punkte (x', y', z') innerhalb des gewählten Schirmsichtbereiches ist, der innerhalb der gewählten Bereiche des Modells ist und nicht hinter anderen Oberflächen ist, wenn man aus dem gewählten Sichtwinkel schaut, der das Komplement des gewählten Modellorientierungdswinkels ist, h) Ermitteln (616) an jedem transformierten sichtbaren Oberflächenpunkt (x', y', z') einer Komponente von einem Normalvektor (n_x, n_Y, n_Z), der parallel zu dem gewählten Sichtwinkel ist, i) Prüfen (618) des Vorzeichens der Vektorkomponente für jeden der transformierten Punkte (x', y', z'), i. wenn das Vorzeichen der Vektorkomponente positiv ist, um dann eine nach vorn gerichtete Oberfläche am Punkt (x', y', z') anzuzeigen, Setzen eines Wertes pix auf den von der Vek torkomponente, ii. wenn das Vorzeichen der Vektorkomponente negativ ist, um dann eine nach hinten gerichtete Oberfläche am Punkt (x', y', z') anzuzeigen, Setzen des Wertes pix auf den von einer vorbestimmten Zahl, j) Darstellen (628) des Wertes pix für jeden der sichtbaren Punkte, um ein 3D Bild zu erzeugen.