JP2003263651A - Volume rendering method and its program - Google Patents

Volume rendering method and its program

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JP2003263651A JP2002066249A JP2002066249A JP2003263651A JP 2003263651 A JP2003263651 A JP 2003263651A JP 2002066249 A JP2002066249 A JP 2002066249A JP 2002066249 A JP2002066249 A JP 2002066249A JP 2003263651 A JP2003263651 A JP 2003263651A
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俊太郎 山崎
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究 加瀬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a volume rendering method and its program for executing volume rendering by using a normal PC or game machine, and for dealing the relatively large volume data at an interactive speed, and reducing the deterioration of image quality to the minimum. <P>SOLUTION: This volume rendering method comprises a basic slice data preparing step (A) for expressing whole volume data with the accumulation of the slide data by using a texture map function and α-blending function by using a device having graphics hardware having a texture map function, α- blending function, and multi-texture mechanism and an intermediate slice data preparing step (B) for linearly interpolating and inserting the intermediate slice data between the basic slide data. Also, the whole volume data are expressed with blocks whose resolutions are fixed without being hierarchically expressed so that the data structure can be simplified, and the data quantity is reduced by using the locality of data in each block so that the memory can be efficiently used. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、通常のPC(パー
ソナルコンピュータ)やゲーム機を用いてボリュームレ
ンダリングを行うボリュームレンダリング方法とそのプ
ログラムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a volume rendering method and program for performing volume rendering using a normal PC (personal computer) or game machine.

【0002】[0002]

【従来の技術】ボリュームレンダリングとは、空間の密
度のデータであるボリュームデータを直接表示する画像
表示手段である。ボリュームレンダリングでは、視線を
伸ばし、その視線上にあるボクセルの密度を合計してい
く。このような手法を『レイキャスティング』と呼ぶ。
従ってボリュームレンダリングでは、最終的な数値を元
にして、透明度を考慮した画像を生成する。
2. Description of the Related Art Volume rendering is image display means for directly displaying volume data, which is space density data. In volume rendering, the line of sight is extended and the density of voxels on the line of sight is summed. Such a method is called "ray casting".
Therefore, in volume rendering, an image considering transparency is generated based on the final numerical value.

【0003】言い換えれば、ボリュームレンダリングは
3次元のスカラー場を2次元の画面に表示するための可
視化手法であり、その方法は大きく間接法と直接法に分
類できる。間接法(indirect volume
rendering)では、前処理によって表示する情
報を抽出し、データの一部分を表示する。代表的なもの
にMarching Cubes法を利用した等値面表
示がある。直接法(direct volume re
ndering)は、全てのサンプル点の寄与を計算し
て全体を表示する方法であり、描画面から視線方向に沿
って輝度を積分(backward projecti
on)するRay Casting、サンプル点を描画
面に投影(forward projection)す
るCell Projection、Shear-Wa
rp Factorization、Splattin
g等が知られている。通常、ボリュームレンダリングと
いう場合には直接法を指し、本発明でも直接法を扱う。
In other words, the volume rendering is a visualization method for displaying a three-dimensional scalar field on a two-dimensional screen, and the method can be roughly classified into an indirect method and a direct method. Indirect volume
In rendering, information to be displayed is extracted by preprocessing and a part of data is displayed. A typical example is isosurface display using the Marching Cubes method. Direct method (direct volume re)
is a method of calculating the contributions of all the sample points and displaying the whole, and integrating the luminance along the line-of-sight direction from the drawing surface (backward projecti).
on) Ray Casting, Cell Projection that projects sample points on the drawing surface (Forward projection), Shear-Wa
rp Factorization, Splattin
g etc. are known. Usually, the term volume rendering refers to the direct method, and the present invention also handles the direct method.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ボリュームレンダリン
グを用いると高画質でデータの全体の様子を把握するこ
とが容易な画像を得ることができるため、工学、医学、
娯楽などの分野で幅広く利用されている。しかし計算に
必要な時間が長く、必要な記憶容量が大きい問題点があ
った。そのため、従来は、速度が問題にならない場合
や、大規模な計算機環境や特殊な高速ハードウェアを使
える場合に利用が限られていた。
The use of volume rendering makes it possible to obtain an image with high image quality and easy to grasp the overall state of data.
Widely used in entertainment and other fields. However, there is a problem that the time required for calculation is long and the required memory capacity is large. Therefore, conventionally, the use has been limited when the speed does not matter, or when a large-scale computer environment or special high-speed hardware can be used.

【0005】すなわち、従来のボリュームレンダリング
には、以下の問題点があった。 (1)計算コストが高い。すなわち、記憶容量が大きい
大規模な計算機環境や特殊な高速ハードウェアを利用で
きない限り、インタラクティブな速度で描画を行うこと
ができなかった。 (2)通常のPC(パーソナルコンピュータ)やゲーム
機でボリュームレンダリングを行う場合には、扱えるボ
リュームデータのデータ容量が小さい。例えば、64×
64×64程度の小さいボリュームデータであれば、3
0fps(1秒間に30フレーム)程度のインタラクテ
ィブな速度(待ち時間のほとんどない快適な速度)で従
来もボリュームレンダリングを行うことができるが、2
56×256×256(16Mbyte)程度のボリュ
ームデータでは例えば20fps以下に低下し、快適な
利用ができない。さらに、512×512×512(1
28Mbyte)程度のボリュームデータでは、1fp
s以下までに低下してしまいほとんど実用できなくな
る。 (3)通常のPCやゲーム機で描画速度を高めるため
に、データを間引くなどの処理を行うと、モアレ等が激
しくなり、画質の劣化が目立つ。
That is, the conventional volume rendering has the following problems. (1) The calculation cost is high. That is, unless a large-scale computer environment with a large storage capacity or special high-speed hardware can be used, it is not possible to perform drawing at an interactive speed. (2) When performing volume rendering on a normal PC (personal computer) or game machine, the volume of volume data that can be handled is small. For example, 64x
If the volume data is as small as 64 × 64, then 3
Conventionally, volume rendering can be performed at an interactive speed of 0 fps (30 frames per second) (a comfortable speed with almost no waiting time).
With volume data of about 56 × 256 × 256 (16 Mbytes), for example, it drops to 20 fps or less, and comfortable use cannot be performed. Furthermore, 512 × 512 × 512 (1
1 fp for volume data of about 28 Mbytes
It becomes less than s and becomes practically impossible. (3) When processing such as data thinning is performed in order to increase the drawing speed in a normal PC or game machine, moire and the like become severe and the image quality is conspicuously deteriorated.

【0006】本発明は、これらの問題点を解決するため
に創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、
(1)通常のPC(パーソナルコンピュータ)やゲーム
機を用いてボリュームレンダリングを行うことができ、
(2)128Mbyte程度以上の比較的大きいボリュ
ームデータをインタラクティブな速度で扱うことがで
き、(3)更に画質の劣化を最小限に抑えることができ
るボリュームレンダリング方法とそのプログラムを提案
することにある。
The present invention was devised to solve these problems. That is, the object of the present invention is to
(1) Volume rendering can be performed using a normal PC (personal computer) or game console,
(2) To propose a volume rendering method and its program capable of handling relatively large volume data of about 128 Mbytes or more at an interactive speed, and (3) further minimizing deterioration of image quality.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、テクス
チャマップ機能、α-ブレンディング機能およびmul
ti-texture機構を有するグラフィクスハード
ウェアを備える装置を用い、ボリュームデータ全体をテ
クスチャマップ機能とα-ブレンディング機能を用いて
スライスデータの積み重ねで表現する基本スライスデー
タ作成ステップ(A)と、前記基本スライスデータの間
に中間スライスデータを線形補間して挿入する中間スラ
イスデータ作成ステップ(B)とを有する、ことを特徴
とするボリュームレンダリング方法が提供される。グラ
フィクスハードウェアは、例えばPCグラフィクスカー
ドであるが、ワークステーションに搭載される同様の機
能のグラフィクスハードウェアでもよい。また、装置
は、例えばパーソナルコンピュータであるが、同様の機
能を有するゲーム機や、その他の機器でもよい。
According to the present invention, a texture map function, an α-blending function and a mul are provided.
A basic slice data creation step (A) in which the entire volume data is expressed by stacking slice data using a texture map function and an α-blending function using a device having graphics hardware having a ti-texture mechanism; And a step (B) of creating intermediate slice data in which the intermediate slice data is linearly interpolated and inserted between the data, and a volume rendering method is provided. The graphics hardware is, for example, a PC graphics card, but may be graphics hardware with a similar function installed in a workstation. Further, the device is, for example, a personal computer, but may be a game machine or other device having the same function.

【0008】上記本発明の方法によれば、ボリュームデ
ータ全体をテクスチャマップ機能とα-ブレンディング
機能を用いてスライスデータの積み重ねで表現すること
により、グラフィクスハードウェア(例えばPCグラフ
ィクスカード)のポリゴン表示機能を利用して高速なボ
リュームレンダリングを実現できる。また、基本スライ
スデータの間に中間スライスデータを線形補間して挿入
することにより、スライスと垂直な方向への補間精度の
不足を補い、補間精度の不一致による画質上の不具合
(例えばモアレの発生)を防止することができる。
According to the above-mentioned method of the present invention, the entire volume data is expressed by stacking slice data using the texture map function and the α-blending function, so that the polygon display function of the graphics hardware (for example, PC graphics card) is displayed. Can be used to realize high-speed volume rendering. Also, by inserting the intermediate slice data by linearly interpolating between the basic slice data, the lack of interpolation accuracy in the direction perpendicular to the slices is compensated for, and the image quality failure due to the mismatch of interpolation accuracy (for example, moire) Can be prevented.

【0009】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
中間スライスデータの挿入間隔は、描画の際に必要な解
像度に応じてスライスデータ上でのサンプリング間隔と
同一またはそれより狭くする。この方法によりモアレを
効果的に防ぐことができる。
According to a preferred embodiment of the present invention, the insertion interval of the intermediate slice data is set to be equal to or narrower than the sampling interval on the slice data according to the resolution required for drawing. By this method, moire can be effectively prevented.

【0010】また、前記中間スライスデータのテクスチ
ャは、グラフィクスハードウェアのmulti-tex
ture機構を使って描画時に作成する。この方法によ
り中間スライスデータのテクスチャをメモリ上に保持し
ないので、必要なメモリ容量を増やすことなくスライス
と垂直な方向にサンプル点を増加させることができる。
The texture of the intermediate slice data is the multi-text of the graphics hardware.
Created at the time of drawing using the true mechanism. Since the texture of the intermediate slice data is not held in the memory by this method, the sample points can be increased in the direction perpendicular to the slice without increasing the required memory capacity.

【0011】また本発明によれば、ボリュームデータ全
体を階層表現せずに固定解像度のブロックで表現してデ
ータ構造を簡略化し、かつ各ブロック内のデータの局所
性を利用してデータ量を削減してメモリ利用を効率化す
る、ことを特徴とするボリュームレンダリング方法が提
供される。
Further, according to the present invention, the entire volume data is represented by blocks of fixed resolution instead of hierarchical representation to simplify the data structure, and the locality of the data in each block is utilized to reduce the data amount. The present invention provides a volume rendering method characterized by efficiently utilizing memory.

【0012】上記本発明の方法によれば、入力データの
サイズを縮小し、ハードウェアの容量を上回るボリュー
ムも画質の劣化を抑えつつ高速に描画することが可能と
なる。
According to the above method of the present invention, it is possible to reduce the size of input data and draw a volume exceeding the capacity of hardware at high speed while suppressing deterioration of image quality.

【0013】本発明の好ましい実施形態によれば、ボリ
ューム全体Vを固定サイズ23NのブロックVBに分割す
る23Nブロック分割ステップ(C)と、分割した各ブロ
ック毎に解像度をNから順に1つ減少させて、その際に
生じる元のデータとの誤差を計算するブロック誤差計算
ステップ(D)と、全てのブロックの計算誤差のうち、
最も誤差が小さいブロックの解像度を下げる解像度低減
ステップ(E)とを有し、ステップ(D)と(E)を繰
り返して、全体としてデータのサイズを減少させなが
ら、各ブロックに対する最適な解像度を決定する。この
方法により、全体として同じボリュームのサイズでも、
描画結果の画質を高画質に保つことが可能となる。
According to a preferred embodiment of the present invention, a 2 3N block division step (C) is performed to divide the entire volume V into blocks V B having a fixed size of 2 3N , and the resolution is set to 1 in order from N for each divided block. Of the block error calculation step (D) for calculating the error with the original data that occurs at that time and the calculation error of all the blocks.
A resolution reduction step (E) for reducing the resolution of the block having the smallest error, and steps (D) and (E) are repeated to determine the optimum resolution for each block while reducing the data size as a whole. To do. By this method, even if the size of the same volume as a whole,
It is possible to maintain the high image quality of the drawing result.

【0014】また本発明によれば、ボリュームデータ全
体をテクスチャマップ機能とα-ブレンディング機能を
用いてスライスデータの積み重ねで表現する基本スライ
スデータ作成ステップ(A)と、前記基本スライスデー
タの間に中間スライスデータを線形補間して挿入する中
間スライスデータ作成ステップ(B)と、ボリューム全
体Vを固定サイズ23NのブロックVBに分割する23N
ロック分割ステップ(C)と、分割した各ブロック毎に
解像度をNから順に1つ減少させて、その際に生じる元
のデータとの誤差を計算するブロック誤差計算ステップ
(D)と、全てのブロックの計算誤差のうち、最も誤差
が小さいブロックの解像度を下げる解像度低減ステップ
(E)とを有し、ステップ(D)と(E)を繰り返し
て、全体としてデータのサイズを減少させながら、各ブ
ロックに対する最適な解像度を決定する、ことを特徴と
するボリュームレンダリングプログラムが提供される。
Further, according to the present invention, an intermediate step is created between the basic slice data creating step (A) in which the entire volume data is expressed by stacking slice data by using the texture map function and the α-blending function, and the basic slice data. Intermediate slice data creation step (B) for linearly interpolating slice data and inserting, and 2 3N block division step (C) for dividing the entire volume V into blocks V B having a fixed size 2 3N , and for each divided block The block error calculation step (D) in which the resolution is sequentially decreased from N by 1 and the error with the original data generated at that time is calculated, and the resolution of the block with the smallest error among the calculation errors of all blocks is A resolution reduction step (E) of decreasing, and repeating steps (D) and (E) to obtain data as a whole. While reducing size, to determine the optimum resolution for each block, volume rendering program is provided, characterized in that.

【0015】このプログラムを、テクスチャマップ機
能、α-ブレンディング機能およびmulti-text
ure機構を有するグラフィクスハードウェアを備える
装置で実行することにより、グラフィクスハードウェア
のポリゴン表示機能を利用して高速なボリュームレンダ
リングを実現でき、補間精度の不一致による画質上の不
具合(例えばモアレの発生)を防止することができ、全
体として同じ誤差でもボリュームのサイズをより小さく
することが可能となり、入力データのサイズを縮小し、
ハードウェアの容量を上回るボリュームも高速に描画す
ることが可能となる。
This program has a texture map function, an α-blending function, and a multi-text function.
By executing on a device equipped with graphics hardware having a ure mechanism, high-speed volume rendering can be realized by utilizing the polygon display function of the graphics hardware, and image quality problems due to mismatch in interpolation accuracy (for example, moire) It is possible to reduce the size of the volume even with the same error as a whole, reducing the size of the input data,
A volume that exceeds the capacity of the hardware can be drawn at high speed.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0017】1.ボリュームレンダリングを用いると高
画質でデータの全体の様子を把握することが容易な画像
を得ることができるため、工学、医学、娯楽などの分野
で幅広く利用されている。しかし計算に必要な時間や記
憶容量が大きいことから、速度が問題にならない場合
や、大規模な計算機環境や特殊ハードウェアを使える場
合に利用が限られている。計算コストが高い理由として
は主に1)視線に沿った輝度の累積計算の際に必要なデ
ータのメモリ局所性が低く、メモリアクセスの効率が悪
い点、2)入力データの再サンプリングの際に必要な3
次線形補間が複雑である点、3)多くの場合、入力デー
タ量が膨大である点、が挙げられる。速度を向上させる
ために、必要のない累積計算を途中で打ち切るearl
y ray termination最適化や、oct
reeやk-d木を使ってデータの局所的性質を利用す
る方法等、アルゴリズムに対する改良がされている。し
かしこれらの最適化を行っても依然として計算量は大き
いため、インタラクティブな速度で描画するために、並
列計算機や専用の特殊ハードウェアを利用する必要があ
った。
1. Volume rendering is widely used in fields such as engineering, medicine, and entertainment because it makes it possible to obtain an image with high image quality and an easy understanding of the overall state of data. However, since the time required for calculation and the storage capacity are large, its use is limited when speed is not an issue, or when a large-scale computer environment or special hardware can be used. The main reasons for the high calculation cost are 1) the memory locality of the data required for the cumulative calculation of the luminance along the line of sight is low and the memory access efficiency is low, and 2) the input data is resampled. 3 needed
The points are that the linear interpolation is complicated and 3) In many cases, the amount of input data is huge. Earl aborts any unnecessary accumulations in the middle to improve speed
y ray termination optimization, oct
Improvements have been made to the algorithm, such as the method of utilizing local properties of data using ree and kd trees. However, even if these optimizations are performed, the amount of calculation is still large, so it was necessary to use a parallel computer or special dedicated hardware to draw at an interactive speed.

【0018】一方でPCグラフィックスカードの描画速
度と機能が向上したため、これを利用してさまざまな可
視化手法を通常のPCで実現することが盛んに研究され
ている。ボリュームレンダリングに関しても、ボリュー
ムを座標軸に垂直なスライスの重ねあわせで表現し、テ
クスチャマップされたポリゴンのαブレンディングを使
って描画する方法が提案されている。
On the other hand, since the drawing speed and function of the PC graphics card have improved, various researches have been actively conducted to realize various visualization methods on a normal PC. Regarding volume rendering as well, a method has been proposed in which a volume is represented by superimposing slices perpendicular to the coordinate axes and is drawn using α blending of texture-mapped polygons.

【0019】ここで、テクスチャマップまたは「テクス
チャマッピング」とは、オブジェクトの表面にテクスチ
ャと呼ばれる画像を貼り付けるもので、3Dオブジェク
トをリアルに見せるためのもっとも基本的な技術の一つ
である。コンピュータによって描かれる3Dオブジェク
ト(立体物)は、「ポリゴン」という三角形の板で構成
され、その大きさが(キメ)細かくなればなるほど、オ
ブジェクトの細部を表現できるため、形状はよりリアル
になるが、これだけでは、オブジェクトの表面の模様や
質感などを表わすことはできないため、テクスチャマッ
プが必要となる。
Here, the texture map or "texture mapping" is to paste an image called a texture on the surface of an object, which is one of the most basic techniques for making a 3D object look realistic. A 3D object (three-dimensional object) drawn by a computer is composed of triangular plates called "polygons", and the finer the size of the object, the more detailed the object can be expressed, so the shape becomes more realistic. The texture map is necessary because the surface pattern and texture of the object cannot be represented by this alone.

【0020】また、αブレンディングまたは「アルファ
ブレンディング(Alpha Blending)」と
は、半透明処理のことを指す。ある画像の上に別の画像
を半透明に重ね合わせるとき、透明度を表わす値を「ア
ルファ(Alpha)値」と呼び、この値にもとづいて
画像を合成(ブレンド)することからアルファブレンデ
ィングと名付けられている。3D処理においては、単純
なガラス板から、水、雲や煙などの不定形なものまで、
さまざまな半透明処理に用いられる。
Further, α blending or “alpha blending” refers to a translucent treatment. When another image is overlaid semi-transparently on one image, the transparency value is called "Alpha value", and the image is composed (blended) based on this value. ing. In 3D processing, from simple glass plates to irregular shapes such as water, clouds and smoke,
Used for various translucent treatments.

【0021】上述したスライスを使う方法は、描画にハ
ードウェアの加速が利用できるため高速であるという利
点がある一方、スライスと垂直な方向へのデータの補間
・サンプリングが行われないために画質が悪く、またP
Cグラフィクスカードの記憶容量の制限から、扱えるデ
ータサイズが小さいという欠点があった。
The above-described method using slices has an advantage of being high-speed because hardware acceleration can be used for drawing, while image quality is improved because interpolation / sampling of data in a direction perpendicular to the slices is not performed. Bad again p
Due to the limited storage capacity of the C graphics card, the data size that can be handled is small.

【0022】本発明では、スライスの重ね合わせに基づ
くボリュームレンダリングを元に、画質と扱えるデータ
サイズの2点に関して改良した。1点目に関しては、グ
ラフィクスハードウェア(例えばPCグラフィクスカー
ド)のmulti-texture機能を利用し、描画
に必要なメモリ容量を増やすことなくスライスと垂直な
方向にサンプル点を増加させ、結果の画質を向上させ
た。2点目に関しては、高速度描画に適したボリューム
の適応的サンプリングを行って入力データのサイズを縮
小し、ハードウェアの容量を上回るボリュームも高速に
描画することを可能にした。また以上の手法を一般のP
Cグラフィクスカード上で実装し、十分大きいサイズの
ボリュームデータを、十分な画質で、インタラクティブ
な速度で描画できることを確認した。
In the present invention, based on the volume rendering based on the superposition of slices, the image quality and the data size that can be handled are improved in two points. Regarding the first point, the multi-texture function of the graphics hardware (for example, PC graphics card) is used to increase the sample points in the direction perpendicular to the slice without increasing the memory capacity necessary for drawing, and the resulting image quality is improved. Improved. Regarding the second point, adaptive sampling of a volume suitable for high-speed drawing is performed to reduce the size of input data, and it is possible to draw a volume that exceeds the capacity of hardware at high speed. In addition, the above method
It was confirmed that it could be implemented on a C graphics card and that it could draw a sufficiently large volume data with sufficient image quality and interactive speed.

【0023】multi-texture機能または
「マルチテクスチャ(Multi Texture)」
とは、その名のとおり複数のテクスチャ(Direct
X 7では最大8枚)を重ねる(合成)機能である。ビ
デオチップの機能で、俗に「マルチテクスチャ対応」と
いう場合は、上記の重ね合わせ処理を1回のポリゴン描
画の際にまとめて行なう、「シングルパス・マルチプル
・テクスチャ・ブレンディング(SinglePass
Multiple Texture Blendi
ng)」という方法を指す。これに対してソフトウェア
で複数回違うテクスチャが貼り込まれたポリゴンを描画
することで実現する方法を、マルチパス・テクスチャ・
ブレンディング(MultiPass Texture
Blen ding)と呼ぶ。基本的にどちらの手法
でも描画結果は同じだが、前者のほうが高速に処理を行
なうことができる。
Multi-texture function or "multi-texture"
And as its name implies, multiple textures (Direct
X7 is a function to combine (composite) up to 8 sheets. When the function of the video chip is generally called "multi-texture compatible", the above-mentioned overlay processing is collectively performed at the time of one polygon drawing, and "single-pass multiple texture blending (SinglePass
Multiple Texture Blendi
ng) ”. On the other hand, the method realized by drawing polygons with different textures pasted multiple times with software
Blending (MultiPass Texture)
Blen ding). Basically, the drawing results are the same with both methods, but the former can process faster.

【0024】2. Direct Volume Re
ndering 2.1 Rendering Equation 図1は、従来の直接法のボリュームレンダリングの模式
図である。ボリュームレンダリングは、描画面から視線
方向に輝度を累積する方法(backwardproj
ection)とサンプル点を描画面に投影する方法
(forward projection)に分けられ
るが、どちらの場合も描画の方程式は共通で、描画面の
各画素から視線方向に伸びる光線に沿ってボリュームの
輝度値を積分する。描画面からの光線に沿った距離を
λ、ボリューム内の位置をx(λ)とすると、描画面上
の画素値Iは式(1)で求められる。ここでc〜は各点
で放出される色(RGB値)を表す関数、τは各点にお
ける光線の減衰率を表す関数である。これらを用いて、
ボリュームデータとして与えられるスカラー値s(x)
に表示色を割り当てる。通常τはs(x)の関数として
定義されるが、tildecの計算は次の2つの段階を
経て行われる。
2. Direct Volume Re
Nendering 2.1 Rendering Equation FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional direct method volume rendering. Volume rendering is a method of accumulating luminance from the drawing surface in the direction of the line of sight (backwardproj).
section) and the method of projecting sample points on the drawing surface (forward projection), but in both cases, the drawing equation is common, and the brightness value of the volume along the ray extending from each pixel on the drawing surface in the line-of-sight direction. Is integrated. Assuming that the distance from the drawing surface along the light ray is λ and the position in the volume is x (λ), the pixel value I on the drawing surface is obtained by the equation (1). Here, c to are functions that represent colors (RGB values) emitted at each point, and τ is a function that represents the attenuation rate of the light ray at each point. With these,
Scalar value s (x) given as volume data
Assign a display color to. Normally, τ is defined as a function of s (x), but the calculation of tildec is performed in the following two stages.

【0025】[0025]

【数1】 [Equation 1]

【0026】まず最初にスカラー値s(x)から色(R
GB値)への変換関数を通すことで、各点のスカラー値
による色の寄与を決定する(classificati
on)。これはボリュームの各点から放出される光の効
果に相当する。この変換関数は通常ユーザーによって定
義され、レンダリングの途中で変更されることがある
が、視点には依存せず一定である。次に各点と光源の位
置関係から与えられる色情報を付加する(shadin
g)。これには光の拡散反射や鏡面反射の成分が含まれ
る。classificationの効果とshadi
ngの効果は個別に計算して、加算により合成すること
が可能である。入力のスカラー値の分布をそのまま可視
化する場合には、classificationだけを
使って描画することもできるが、物体の幾何形状を表示
する際には、3次元の空間を正確に認識するためにsh
adingが必要である。ボリュームに対してshad
ingを行う具体的な方法は5.で説明する。
First, from the scalar value s (x) to the color (R
The color contribution by the scalar value of each point is determined by passing a conversion function to (GB value) (classificativity).
on). This corresponds to the effect of the light emitted from each point of the volume. This conversion function is usually defined by the user and may change during rendering, but it is constant regardless of the viewpoint. Next, color information given from the positional relationship between each point and the light source is added (shadin
g). This includes components of diffuse reflection and specular reflection of light. Effect of classification and shadi
The effects of ng can be calculated individually and combined by addition. When the distribution of the input scalar value is visualized as it is, it can be drawn using only classification, but when displaying the geometrical shape of the object, sh is necessary to accurately recognize the three-dimensional space.
I need ading. Shad for volume
The specific method of performing ing is 5. Described in.

【0027】2.2 Discretization 描画計算を行うために式(1)の光の減衰率の部分を離
散化すると式(2)〜(4)と書ける。ただしDはサン
プリング幅、iはサンプル点の番号で、式(5)と置い
た。αiは不透明度(α値)と呼ばれる値である。
2.2 Discretization When the portion of the light attenuation factor of the equation (1) is discretized in order to perform drawing calculation, the equations (2) to (4) can be written. However, D is the sampling width, i is the number of the sampling point, and is set as equation (5). α i is a value called opacity (α value).

【0028】[0028]

【数2】 [Equation 2]

【0029】式(5)で定義されたαiを使って、c〜
=αciと表せる。ここでciは透明度を考慮しないRG
B値であり、αciはopacity-weighted
colorまたはassociated color
と呼ばれ、不透明度を考慮した時の色である。離散化さ
れたi番目の微小領域領域からの色の寄与を式(6)と
書くと、式(5)を使って式(1)を離散化した結果は
式(7)となる。光線の無限遠方からiまでの累積輝度
i'を使ってこの式を変形して、式(8)を得る。最終
的に求めたい値はI=C0'である。
Using α i defined in equation (5), c ~
= Αc i Where c i is an RG that does not consider transparency
B value, αc i is capacity-weighted
color or associated color
It is called the color when considering the opacity. When the color contribution from the discretized i-th minute region area is written as equation (6), the result of discretizing equation (1) using equation (5) is equation (7). Equation (8) is obtained by modifying this equation using the cumulative luminance C i 'from the infinite distance of the ray to i. The final desired value is I = C 0 '.

【0030】[0030]

【数3】 [Equation 3]

【0031】2.3 Slice-based Vol
ume Rendering 式(8)は、ボリュームのサンプリングを視線方向に伸
びる光線に沿って一定間隔で行い、描画面から遠いほう
から順にRGB値を繰り返しαブレンディングすること
でボリュームレンダリングの計算が実現できることを示
している。そこで、ボリューム全体を視線方向になるべ
く垂直な複数のスライスの積み重ねで表現し、テクスチ
ャマップされたポリゴンのαブレンディング計算でボリ
ュームレンダリングを行うことを考える(図2)。この
ように表現することでグラフィクスハードウェア(例え
ばPCグラフィクスカード)のポリゴン表示機能を利用
して高速なボリュームレンダリングを実現できる。ハー
ドウェアがソリッドテクスチャ(3次元テクスチャ)を
サポートしている場合には、視線に垂直な面(imag
e-aligned slice:図3B)を生成し、
ボリュームをソリッドテクスチャとして持つ方法が可能
である。視線と面が常に垂直であるためには、視点変更
の度にスライスの位置とテクスチャ座標を再計算する必
要がある。
2.3 Slice-based Vol
The ume Rendering equation (8) shows that volume rendering can be realized by sampling the volume at regular intervals along a ray extending in the line-of-sight direction and repeating α blending of RGB values in order from the farthest from the drawing surface. ing. Therefore, it is considered that the entire volume is represented by stacking a plurality of slices that are as vertical as possible in the line-of-sight direction, and the volume rendering is performed by α blending calculation of texture-mapped polygons (FIG. 2). By expressing in this way, high-speed volume rendering can be realized by using the polygon display function of the graphics hardware (for example, PC graphics card). If the hardware supports solid textures (3D textures), the plane perpendicular to the line of sight (image
e-aligned slice: Fig. 3B),
It is possible to use a method that has a volume as a solid texture. Since the line of sight and the plane are always vertical, it is necessary to recalculate the position of the slice and the texture coordinates each time the viewpoint is changed.

【0032】ソリッドテクスチャが利用できない場合に
は2次元のテクスチャマップを利用する。ボリュームを
座標軸に沿って切断したスライス(object-al
igned slices:図3A)の集合を生成し
て、ボリュームの断面画像を2次元テクスチャとしてマ
ップする。表示の際には視線方向と座標軸の関係を調
べ、視線とスライスの法線のなす角が常に一定以下にな
るようにスライスする軸の方向を選択する。スライス軸
の変更の際にテクスチャを切り替える必要があり、イン
タラクティブ性を保証するためにはx、y、z軸方向の
スライスを3組用意しておく必要がある。この場合、ハ
ードウェアの制限から各テクスチャ画像はメモリ中で連
続領域を占めていなければならないので、テクスチャは
軸方向ごとに合計3組の複製を持つ必要がある。多くの
ハードウェアでソリッドテクスチャよりも2次元のテク
スチャのほうが高速のため、object-align
edなスライスを切り替えて表示する方法が描画速度は
速い。
When the solid texture cannot be used, a two-dimensional texture map is used. A slice obtained by cutting a volume along the coordinate axis (object-al
generated slices: FIG. 3A) is generated to map the cross-sectional image of the volume as a two-dimensional texture. At the time of display, the relationship between the line-of-sight direction and the coordinate axis is checked, and the direction of the slicing axis is selected so that the angle between the line-of-sight and the normal line of the slice is always less than a certain value. It is necessary to switch the texture when changing the slice axis, and it is necessary to prepare three sets of slices in the x-, y-, and z-axis directions in order to guarantee the interactivity. In this case, each texture image must occupy a contiguous region in memory due to hardware limitations, so the texture must have a total of three sets of duplicates in each axial direction. Two-dimensional textures are faster than solid textures on most hardware, so object-align
The method of switching and displaying ed slices has a high drawing speed.

【0033】3. Improvement of v
isual quality 通常のボリュームレン
ダリングでは入力のスカラー値を3次線形補間しながら
サンプリングするのに対し、スライスを使ったレンダリ
ングではスライス上で2次線形補間しながらサンプリン
グする。スライス方向には任意の解像度でサンプリング
が可能であるのに対し、スライスの法線方向には一定間
隔でしかサンプリングできないため、描画する解像度や
視点を変更すると、補間精度の不一致により画質上の不
具合が現れることがある。図4Aに見られる縞状の模様
は、スライスを使ったレンダリングの際に、スライスと
垂直な方向への補間精度が不足することによって生じる
モアレである。
3. Implementation of v
Whereas in normal volume rendering, input scalar values are sampled while performing cubic linear interpolation, in rendering using slices, sampling is performed while performing quadratic linear interpolation on slices. Although it is possible to sample at any resolution in the slice direction, it is possible to sample only at regular intervals in the slice normal direction, so if the drawing resolution or viewpoint is changed, the interpolation accuracy will not match, resulting in a poor image quality. May appear. The striped pattern seen in FIG. 4A is a moiré caused by insufficient interpolation accuracy in the direction perpendicular to the slice during rendering using the slice.

【0034】3次補間を近似してサンプリング幅を合わ
せるの方法のひとつに、元のスライス間に上下のスライ
スを線形補間して得られる中間スライスを挿入する方法
がある(図5)。モアレを防ぐためには、中間スライス
の発生間隔を、描画の際のスライス上でのサンプリング
間隔と同程度にする必要がある。中間スライスのテクス
チャはメモリ上に保持するのではなく、multi-t
exture機構を使って描画時に生成できる。隣接す
るスライスSiとSi+1の間の、i+αの位置に発生させ
る中間スライスSi+αは式(9)と定義できる。座標の
補間により中間スライスの位置を決定し、新規に発生し
たポリゴンにグラフィクスハードウェアのmulti-
texture機能で生成したテクスチャをマップす
る。
One of the methods of approximating the cubic interpolation to match the sampling width is to insert an intermediate slice obtained by linearly interpolating the upper and lower slices between the original slices (FIG. 5). In order to prevent moire, it is necessary to make the interval of generation of intermediate slices approximately the same as the sampling interval on slices during drawing. The texture of the intermediate slice is not stored in the memory but is multi-t
It can be created at the time of drawing using the extract mechanism. The intermediate slice S i + α generated at the position of i + α between the adjacent slices S i and S i + 1 can be defined as equation (9). The position of the intermediate slice is determined by the interpolation of the coordinates, and the newly generated polygon is added to the graphics hardware multi-
Map the texture generated by the texture function.

【0035】[0035]

【数4】 [Equation 4]

【0036】モアレを防ぐためには、ポリゴンの描画の
際のポリゴン上でのサンプリング幅とスライス幅が同程
度であればよい。そこで描画の際に画面上で1つのスラ
イスが占める領域を調べ、そのサイズに応じて中間スラ
イスの発生枚数を変更することでモアレを解消すること
ができる(図4B)。中間スライスの発生枚数を変更す
ると式(5)のDが変わるため、各点におけるα値を更
新する必要がある。
In order to prevent moire, the sampling width and the slice width on the polygon at the time of drawing the polygon may be about the same. Therefore, when drawing, the area occupied by one slice on the screen is examined and the number of intermediate slices generated is changed according to the size of the area to eliminate moire (FIG. 4B). When the number of generated intermediate slices is changed, D in equation (5) changes, so it is necessary to update the α value at each point.

【0037】4. Adaptively sampl
ed 23N -block テクスチャマップとαブレンディングを使うと、グラフ
ィクスハードウェア(例えばPCグラフィクスカード)
の加速を利用して高速にボリュームレンダリングできる
が、テクスチャ保持するビデオメモリ(VRAM)のサ
イズには制限があるため、メモリ容量を上回る巨大なデ
ータを描画する際には速度が劇的に落ちる。一般にVR
AMは主記憶と比べて10倍から100倍程度小さく、
サイズの制限は大きな問題になる。
4. Adaptable sample
ed 2 3N -block With texture maps and alpha blending, graphics hardware (eg PC graphics card)
However, the size of the video memory (VRAM) that holds textures is limited, so the speed drops dramatically when drawing huge data that exceeds the memory capacity. VR in general
AM is about 10 to 100 times smaller than main memory,
Size limitations are a big issue.

【0038】データの局所性を仮定できるボリュームデ
ータに対しては、octree表現を使うことでメモリ
の利用効率を上げることが期待できる。しかしoctr
eeの階層構造が多段になり複雑化すると、データの局
所的な連続性が落ちることからデータアクセスに必要な
時間が増す。したがって処理速度が必要な場合にはoc
treeを使うことは必ずしも効果的ではない。多重解
像度表現のメモリ効率の優位性を確保しながら同時に処
理速度を落とさない表現方法として、8分木(octr
ee)の一般化である23N分木(23N-tree)を使
う方法がある。この方法は、処理の対象となるシーン全
体が巨大で、物体への距離に応じた詳細度制御(lev
els of detail)や視界の外側にあるデー
タの切り捨て(view frustum culli
ng)が必要がある場合に効果的である。
For volume data for which data locality can be assumed, the use efficiency of the memory can be expected to be improved by using the octree expression. But octr
If the hierarchical structure of ee becomes multi-tiered and becomes complicated, local continuity of data is deteriorated, so that time required for data access increases. Therefore, when processing speed is required, oc
Using tree is not always effective. An octree (octr) tree is used as an expression method that does not reduce the processing speed at the same time while ensuring the memory efficiency superiority of the multi-resolution expression.
There is a method of using a 2 3N branch tree (2 3N -tree) which is a generalization of ee). In this method, the entire scene to be processed is huge and the level of detail control (lev
els of detail) and truncation of data outside the field of view
ng) is effective.

【0039】一方、通常のボリュームレンダリングで
は、多くの場合データの解像度は画面の解像度より十分
小さいため、階層構造のレベルを上下する必要はない。
またテクスチャの読み込みには比較的時間がかかるた
め、インタラクティブ性を確保するためには、常に全て
のデータを最高解像度で保持しておくほうが望ましい。
そこで、本発明ではデータを階層表現せずに固定解像度
のブロックで表現することでデータ構造を簡略化してイ
ンタラクティブ性を確保すると同時に、ブロック内の局
所性を利用してデータ量を削減することでメモリ利用の
効率化を行う。
On the other hand, in the normal volume rendering, in many cases, the resolution of data is sufficiently smaller than the resolution of the screen, so that it is not necessary to raise or lower the level of the hierarchical structure.
It also takes a relatively long time to read the texture, so it is desirable to always keep all data at the highest resolution in order to ensure interactivity.
Therefore, in the present invention, by expressing the data in a block of fixed resolution instead of the hierarchical representation, the data structure is simplified to ensure the interactivity, and at the same time, the locality in the block is used to reduce the data amount. Improve the efficiency of memory usage.

【0040】まず(1)最初にボリューム全体Vを固定
サイズ23NのブロックVBに分割する(23N-block
ing)。このとき各ブロックには23Nサイズの部分ボ
リュームが割り当てられる。次に(2)各ブロック毎に
解像度をNから順に1つ減少させて、その際に生じる元
のデータとの誤差を計算する。(3)全てのブロックで
誤差計算を行い、最も誤差が小さいブロックの解像度を
下げる操作を繰り返すことで、全体としてデータのサイ
ズを減少させながら、各ブロックに対する最適な解像度
を決定する。
First (1) First, the entire volume V is divided into blocks V B of fixed size 2 3N (2 3N -block).
ing). At this time, a partial volume of 2 3N size is allocated to each block. Next, (2) the resolution is reduced by 1 from N in each block, and the error from the original data at that time is calculated. (3) The error calculation is performed for all blocks, and the operation of lowering the resolution of the block having the smallest error is repeated to determine the optimum resolution for each block while reducing the data size as a whole.

【0041】ブロック番号をBとして、このブロックに
おける解像度nのボリュームをVn Bと書くと、元のボリ
ュームはVN Bと表される。解像度を変化させた時、VN B
とV n Bの誤差は、それぞれのボリュームをVN Bのサンプ
ル点の位置で3次線形補間を使ってサンプリングした値
の自乗誤差で定義する。即ち、ブロックB内の座標
(i、j、k)におけるVn Bの値をvn B(i、j、k)
とすると、ブロックBの解像度nにおける元のボリュー
ムとの誤差Rn Bは式(10)と表せる。
Assuming that the block number is B,
The volume of resolution n in Vn BWhen you write
Hum is VN BIs expressed as When changing the resolution, VN B
And V n BThe error of each volume is VN BThe sump
Value sampled using cubic linear interpolation at the point
It is defined by the squared error of. That is, the coordinates in block B
V in (i, j, k)n BThe value of vn B(I, j, k)
Then the original volume at resolution n of block B
Error Rn BCan be expressed as equation (10).

【0042】[0042]

【数5】 [Equation 5]

【0043】全てのブロックに対して式(10)を計算
し、この値が最も小さくなるブロックの解像度nを減少
させ、インタラクティブな速度で処理を行うのに必要な
サイズまで全体のボリュームサイズを縮小する。図7に
実際のデータに対するブロック化の過程とデータサイズ
の変化の様子を示す。以上のボリュームサイズ縮小のア
ルゴリズムを図6に示す。Rn B=0の場合は画質を全く
変えずに解像度を減らすことができる。そうでない場合
は、最も画質の損失が少ないと期待されるブロックから
順に、必要メモリ容量がハードウェアがサポートしてい
る容量に収まるようになるまで、解像度を落としてい
く。
Equation (10) is calculated for all blocks, the resolution n of the block having the smallest value is reduced, and the total volume size is reduced to a size required for processing at an interactive speed. To do. FIG. 7 shows the process of blocking the actual data and how the data size changes. FIG. 6 shows the algorithm of the above volume size reduction. When R n B = 0, the resolution can be reduced without changing the image quality. If not, the resolution is reduced in order from the block expected to have the least loss of image quality until the required memory capacity falls within the capacity supported by the hardware.

【0044】image-alignedなスライスを
使ったボリュームレンダリングでは、23N-block
ingを行った後、各ブロックに1つのソリッドテクス
チャ、1組のスライス集合を与えて、ブロックごとに描
画する。object-alignedなスライスを使
ったレンダリング時には、同様のブロック化のほかに、
2次元の各スライス内で23N-blockingをする
ことができる。これによって全体として同じ誤差でもボ
リュームのサイズをより小さくすることが可能である。
ただし、この場合には、誤差があまり大きくなると、隣
接スライス間での解像度の変動が大きくなり、結果とし
てモアレが強く現れることがある。
In volume rendering using image-aligned slices, 2 3N -block
After ing, one solid texture and one set of slice sets are given to each block, and each block is drawn. When rendering using object-aligned slices, in addition to the same blocking,
It is possible to perform 2 3 N -blocking within each two-dimensional slice. This makes it possible to reduce the size of the volume even with the same error as a whole.
However, in this case, if the error becomes too large, the variation in resolution between adjacent slices becomes large, and as a result, moire may appear strongly.

【0045】5.Implementation 5.1 Intermediate slices 中間スライスを生成するためには、混合比を指定しなが
らmulti-texture処理を行う必要がある。
本発明ではOpenGLグラフィクスライブラリのCO
MBINEテクスチャ環境使ってこれを実現する。
5. Implementation 5.1 Intermediate slices In order to generate an intermediate slice, it is necessary to perform a multi-texture process while designating a mixing ratio.
In the present invention, the CO of the OpenGL graphics library is used.
This is accomplished using the MBINE texture environment.

【0046】multi-textureが利用できる
環境では2つ以上のテクスチャユニットが図8のように
接続している。各ユニットは別々のテクスチャ、テクス
チャ座標、テクスチャ環境を持ち、それぞれTEXTU
RE(テクスチャ値)の他に、PRIMARY_COL
OR(diffuse値)、PREVIOUS(直前ユ
ニットの出力)、CONSTANT(ユーザー定義の定
数)を入力として利用できる。
In the environment where the multi-texture can be used, two or more texture units are connected as shown in FIG. Each unit has its own texture, texture coordinates and texture environment
In addition to RE (texture value), PRIMARY_COL
OR (diffuse value), PREVIOUS (output of immediately preceding unit), and CONSTANT (user-defined constant) can be used as inputs.

【0047】中間スライスのテクスチャの生成ははじめ
の2つのユニットで行う(図8)。まず定数として中間
スライスの位置を保存し、ユニット1でSiの、ユニッ
ト2でSi+1のテクスチャ値を取得する。ユニット1は
REPLACEテクスチャ環境を使い、テクスチャ値を
そのまま取り出す。ユニット2ではCOMBINEテク
スチャ環境のINTERPOLATE関数を使い、RG
Bおよびαチャネル共にテクスチャ値をαブレンドす
る。INTERPOLATE関数は3つの引数をとり、
それぞれArg0、Arg1、Arg2としたとき式
(11)という式でテクスチャを混合するので、Arg
0=TEXTURE(=Si)、Arg1=PREVI
OUS(=Si+1)、Arg2=CONSTANT
(=α)とすると式(11)より式(12)となり、こ
れは式(9)の中間スライスの式と一致する。生成され
た中間スライスのテクスチャは、常のテクスチャと同様
に扱うことができる。
Generation of the texture of the intermediate slice is performed by the first two units (FIG. 8). First save the position of the intermediate slices as a constant, the unit 1 of the S i, to obtain the texture value of S i + 1 in unit 2. Unit 1 uses the REPLACE texture environment and retrieves the texture value as is. In Unit 2, use the INTERPOLATE function of the COMBINE texture environment and
Α blends the texture values for both the B and α channels. The INTERPOLATE function takes three arguments,
When Arg0, Arg1, and Arg2 are used, the textures are mixed by the formula (11).
0 = TEXTURE (= Si), Arg1 = PREVI
OUS (= Si + 1), Arg2 = CONSTANT
When (= α), formula (11) becomes formula (12), which matches the formula of the intermediate slice of formula (9). The texture of the generated intermediate slice can be treated like a normal texture.

【0048】[0048]

【数6】 [Equation 6]

【0049】テクスチャと同様にポリゴンの座標をαで
補間して得られる中間スライスのポリゴンに対して、こ
の補間されたテクスチャをマップすると、中間スライス
が得られる。中間スライスを他のスライスと同様にαブ
レンディングすることで、処理に必要なメモリ容量を増
やすことなく、スライス枚数を増やすことができる。
Similar to the texture, when the interpolated texture is mapped to the polygon of the intermediate slice obtained by interpolating the coordinates of the polygon with α, the intermediate slice is obtained. By performing the α blending on the intermediate slice like other slices, it is possible to increase the number of slices without increasing the memory capacity required for processing.

【0050】5.2 Volume Shading 3次元形状の認識を容易にするために、光源を考慮した
shadingを行うことは有効である。特にデータが
均質で不透明度が高い場合、光源を考慮しないボリュー
ムレンダリングでは元の形状の輪郭線以外を識別するこ
とは困難である(図10)。ここでは、光源の影響とし
て拡散反射のみを考え、Gourand shadin
gを使って表示する方法を説明する。2.1.で述べた
ように、ボリュームは各点において光を放出すると考え
られるので、描画結果はこの放射光と拡散反射光の合成
になる。光源方向をl、ボリュームの輝度勾配をn、ボ
リュームの各点における光の放出をIe、光源の光の反
射をIdとすると各点でのshadingは式(13)
を使って計算する。
5.2 Volume Shading To facilitate the recognition of three-dimensional shapes, it is effective to carry out shading considering the light source. Especially when the data is homogeneous and the opacity is high, it is difficult to identify other than the contour line of the original shape by volume rendering without considering the light source (FIG. 10). Here, considering only diffuse reflection as the influence of the light source, the Gourand shadin
A method of displaying using g will be described. 2.1. As described above, since it is considered that the volume emits light at each point, the drawing result is a combination of the emitted light and the diffuse reflected light. When the light source direction is 1, the brightness gradient of the volume is n, the light emission at each point of the volume is Ie, and the light reflection of the light source is Id, the shading at each point is given by Equation (13).
Calculate using.

【0051】[0051]

【数7】 [Equation 7]

【0052】あらかじめ、適当なフィルタ処理を行って
スカラー場の勾配ベクトルを計算しておき、その値であ
る3次元ベクトルをボクセルのRGB値として保持する
ボリュームを用意しておくことで、効率よく拡散反射成
分を計算することができる。ここではCOMBINEテ
クスチャ環境のDOT3_RGB関数を使うことで光源
のパラメータをインタラクティブに変更する方法を説明
する。DOT3_RGB関数はテクスチャ値のRGBチ
ャネルを3次元ベクトルとみなし、その内積結果をテク
スチャ値のRGBチャネルに返す関数である。この関数
は2つの引数をとり、それぞれArg0、Arg1とし
たとき、式(14)をRGB値としてそれぞれ返す。返
り値は[0、1]で切り捨てられる。この関数を使うこ
とで拡散反射の計算に必要な内積n・lを計算する。光
源の色Idはn・lの結果にMODULATE関数を使
ってIdを掛けることで実現できるが、ここでは簡単の
ためにId=(1、1、1)(白色光)の拡散反射のみ
を考える。最後にADD関数を使って放射光の反射成分
と混合する。
The gradient vector of the scalar field is calculated in advance by performing an appropriate filter process, and a volume for holding the three-dimensional vector, which is the value, as the RGB values of the voxels is prepared, so that the diffusion is efficiently performed. The reflection component can be calculated. Here, a method for interactively changing the parameters of the light source by using the DOT3_RGB function of the COMBINE texture environment will be described. The DOT3_RGB function is a function that regards the RGB channel of the texture value as a three-dimensional vector and returns the inner product result to the RGB channel of the texture value. This function takes two arguments and returns Arg0 and Arg1, respectively, and returns equation (14) as RGB values. The return value is truncated at [0,1]. By using this function, the inner product n · l necessary for the diffuse reflection calculation is calculated. The color Id of the light source can be realized by multiplying the result of n · l by Id using the MODULATE function, but here, for simplicity, only the diffuse reflection of Id = (1,1,1) (white light) is considered. . Finally, it is mixed with the reflected component of the emitted light using the ADD function.

【0053】[0053]

【数8】 [Equation 8]

【0054】具体的には、図9にあるようにテクスチャ
ユニットにおいて、定数に光源方向lを与え、1つ目の
テクスチャユニットで輝度勾配n、2つ目のユニットで
放射光Ieを取得する。そして1つ目のユニットでDO
T3_RGB関数を使ってId(n・l)を計算し、2
つ目のユニットでADD関数を使ってIa+Id(n・
l)を計算する。
Specifically, as shown in FIG. 9, in the texture unit, the light source direction 1 is given to a constant, and the first texture unit obtains the brightness gradient n and the second unit obtains the emitted light I e . . And DO in the first unit
Id (n · l) is calculated using the T3_RGB function, and 2
In the second unit, using the ADD function, Ia + Id (n
Calculate l).

【0055】[0055]

【実施例】6. Experiments OpenGLグラフィクスライブラリを利用してPC上
で実験を行った。使用した環境はCPUがPentiu
m4 1.7GHz、主記憶が1GB、使用したPCグ
ラフィクスカードはGeForce3 AGP4x 6
4MB DDR、OSがMicrosoft Wind
ows 2000である。
[Example] 6. Experiments were performed on a PC utilizing the Experiments OpenGL graphics library. The environment used is that the CPU is Pentiu
m4 1.7 GHz, main memory 1 GB, PC graphics card used is GeForce3 AGP4x6
4MB DDR, OS is Microsoft Wind
ows 2000.

【0056】3.で述べた、中間スライスを使った3次
線形補間の近似を行った結果を図4に示す。入力はサイ
ズは256×256×128で描画面サイズは約2倍で
ある。元の結果では特に輝度変化の激しいところでモア
レが観察できる(図4A)が、各スライス間に中間スラ
イスを1枚発生させてスライス枚数を2倍に増やした結
果、画質が改善された(図4B)。
3. FIG. 4 shows the result of approximation of the cubic linear interpolation using the intermediate slice described above. The input size is 256 × 256 × 128, and the drawing surface size is about double. According to the original result, moiré can be observed especially in the case where the brightness changes drastically (FIG. 4A), but the image quality is improved as a result of generating one intermediate slice between each slice and doubling the number of slices (FIG. 4B). ).

【0057】4.で述べた、ブロック単位での適応的な
解像度変化を行った場合のサイズの変化を表1に示す。
誤差の許容値は、元のボリュームと空ボリューム(全ボ
クセルが0)との差の5%とした。23Nブロック(2N
×2N×2N)を使った場合に25%から75%程度の、
3Nブロックを使った場合にはさらにデータを縮小でき
ていることが分かる。
4. Table 1 shows the change in size when the adaptive resolution change is performed in block units as described above.
The allowable value of the error is 5% of the difference between the original volume and the empty volume (all voxels are 0). 2 3N block (2 N
25% to 75% when using (× 2 N × 2 N ),
It can be seen that the data can be further reduced when the 2 3 N block is used.

【0058】[0058]

【表1】 [Table 1]

【0059】一般に、断層撮影などから得られるボリュ
ームデータは全体の70%から95%が透明領域であ
り、この部分のデータ量をブロック化により効果的に削
減できる。一般にボリュームの縮小化を進めるほど画質
は劣化するが、23N-blockingを使うとほとん
どが質の劣化なく、データ量を大幅に削減できる。図1
1に実際のデータに対してblockingを行いデー
タを削減した時の画質の変化を示す。
In general, 70% to 95% of the volume data obtained by tomography is a transparent area, and the amount of data in this area can be effectively reduced by blocking. Generally, as the volume is reduced, the image quality deteriorates. However, when 2 3 N -blocking is used, most of the quality does not deteriorate and the data amount can be greatly reduced. Figure 1
1 shows a change in image quality when the actual data is blocked and the data is reduced.

【0060】ブロックサイズは、小さくなると描画時の
オーバーヘッドが増加し、大きくなるとデータの局所性
を利用しにくくなるため、最適値は処理系とデータに依
存する。実験では、256×256×256サイズの8
bitボリュームデータでさまざまなサイズに関して描
画速度を比較した結果、N=5、すなわち1辺の長さが
32の場合に最も高速となった(図12)。N=4の時
データサイズが最も小さくなるが、描画速度が高速にな
らないのは、ブロック数が増えることによる描画のオー
バーヘッドが増加するためだと思われる。
The optimum value depends on the processing system and the data, because the smaller the block size is, the more the overhead at the time of drawing increases, and the larger the block size becomes, the more difficult it is to use the locality of the data. In the experiment, 256 × 256 × 256 size 8
As a result of comparing drawing speeds for various sizes with bit volume data, the highest speed was obtained when N = 5, that is, when the length of one side was 32 (FIG. 12). When N = 4, the data size becomes the smallest, but the reason why the drawing speed does not become high is considered to be that the drawing overhead increases due to the increase in the number of blocks.

【0061】最後に、さまざまなデータに対して23N
ロック化を行い、レンダリング速度の変化を調べた結果
を表2に示す。様々なデータに対して、解像度変化無
し、誤差の許容値5%、許容値10%の単純化を行った
結果、単純化の効果はデータの性質に依存するが、一定
の速度向上が得られており、10%の許容値を設定する
ことで巨大なボリュームをインタラクティブな速度で描
画できる事がわかる。なお、一般的に、30fps(1
秒間に30フレーム)以上であれば、待ち時間のほとん
どないインタラクティブな速度(非常に快適な速度)で
あるといえ、10fps以上が実用範囲とされている。
Finally, Table 2 shows the results of investigating changes in the rendering speed by subjecting various data to 2 3N blocking. As a result of simplification of various data with no change in resolution, error tolerance of 5% and tolerance of 10%, the simplification effect depends on the nature of the data, but a certain speed improvement is obtained. Therefore, it can be seen that a huge volume can be drawn at an interactive speed by setting an allowable value of 10%. Generally, 30 fps (1
It can be said that the interactive speed (very comfortable speed) with almost no waiting time is 30 frames or more per second) and 10 fps or more is a practical range.

【0062】[0062]

【表2】 [Table 2]

【0063】7.Conclusions グラフィクスハードウェア(例えばPCグラフィクスカ
ード)の機能を使ってインタラクティブなボリュームレ
ンダリングを行う方法を提案した。グラフィクスカード
の加速を利用するためにスライスを使ったレンダリング
を行う際に問題となる視覚的な画質の問題を中間スライ
スを使って解決し、扱えるサイズの問題をスライスに適
した単純化を行うことで改善した。その結果、特殊なハ
ードウェアなしに高画質のボリュームレンダリングをイ
ンタラクティブな速度で実現でき、最大512×512
×512のサイズの巨大なデータに対してもほとんど画
質を損なうことなく十分な速度で描画することができ
た。ボリュームレンダリングは計算量が大きく、インタ
ラクティブに行うためには特殊な計算機や専用のハード
ウェアが必要であった。本発明の方法を用いると、通常
のPCでも大きいサイズのボリュームデータをインタラ
クティブにレンダリングできることから、従来速度の点
からボリュームを扱うことができなかった分野への応用
が期待できる。
7. We proposed a method of interactive volume rendering using the functions of the Confusions graphics hardware (eg PC graphics card). Use intermediate slices to solve the visual quality problem that occurs when rendering using slices to utilize the acceleration of the graphics card, and simplify the problem of the size that can be handled to slices. Improved. As a result, high-quality volume rendering can be realized at an interactive speed without special hardware, and a maximum of 512 x 512 can be achieved.
Even with enormous data of size * 512, it was possible to draw at a sufficient speed with almost no loss of image quality. Volume rendering requires a large amount of calculation and requires a special computer and dedicated hardware to be interactive. By using the method of the present invention, it is possible to interactively render a large size volume data even on a normal PC, and therefore, it can be expected to be applied to a field in which a volume could not be handled in view of the conventional speed.

【0064】なお本発明では、直接法のボリュームレン
ダリングだけを対象としたが、等値面抽出を同じ枠組み
で行う方法、またポリゴンとボリュームを同時に表示す
る方法、などにも適用可能である。
In the present invention, only the direct method volume rendering is targeted, but the present invention can be applied to a method of performing isosurface extraction in the same framework, a method of simultaneously displaying polygons and a volume, and the like.

【0065】[0065]

【発明の効果】上述したように、本発明では、ボリュー
ムレンダリングの計算コストを低減するために、グラフ
ィクスハードウェア(PCグラフィクスカード)を備え
る装置(パーソナルコンピュータ)を用い、ボリューム
をスライスの積み重ねで表現し、ハードウェアの加速を
利用したテクスチャマップ機能とα-ブレンディング機
能を使うことで、高速描画を可能にした。またこの方法
ではデータ補間の不足により深刻な画質の劣化が起こる
ため、multi-texture機能を使ってサンプ
ル点を増やすことにより画質を向上させた。またグラフ
ィクスハードウェア(PCグラフィクスカード)のメモ
リ容量の制限から扱えるデータサイズが小さくなるの
で、23Nブロック化を使った単一階層の適応的サンプリ
ングを行い、画質の劣化を最小限に抑えてインタラクテ
ィブな速度で描画を行うことを可能にした。
As described above, according to the present invention, in order to reduce the calculation cost of volume rendering, a device (personal computer) equipped with graphics hardware (PC graphics card) is used to represent a volume by stacking slices. However, high-speed drawing is possible by using the texture map function and α-blending function that utilize hardware acceleration. Further, in this method, since the image quality is seriously deteriorated due to lack of data interpolation, the image quality is improved by increasing the number of sampling points by using the multi-texture function. In addition, since the data size that can be handled is small due to the limited memory capacity of the graphics hardware (PC graphics card), adaptive sampling of a single layer using 2 3N block formation is performed to minimize the deterioration of image quality and make it interactive. It became possible to draw at various speeds.

【0066】従って、本発明のボリュームレンダリング
方法とそのプログラムは、(1)通常のPC(パーソナ
ルコンピュータ)やゲーム機を用いてボリュームレンダ
リングを行うことができ、(2)128Mbyte程度
以上の比較的大きいボリュームデータをインタラクティ
ブな速度で扱うことができ、(3)更に画質の劣化を最
小限に抑えることができる、等の優れた効果を有する。
Therefore, the volume rendering method and the program thereof according to the present invention can (1) perform volume rendering using a normal PC (personal computer) or game machine, and (2) relatively large, such as 128 Mbytes or more. The volume data can be handled at an interactive speed, and (3) further, the deterioration of the image quality can be minimized, which is an excellent effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来の直接法のボリュームレンダリングの模式
図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional direct method volume rendering.

【図2】本発明のスライスデータに基づく直接法のボリ
ュームレンダリングの模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of volume rendering of a direct method based on slice data of the present invention.

【図3】スライス方向の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a slice direction.

【図4】補間精度の不足時と線形補間時のディスプレイ
上の画像である。
FIG. 4 is an image on a display when interpolation accuracy is insufficient and when linear interpolation is performed.

【図5】本発明による線形補間を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing linear interpolation according to the present invention.

【図6】本発明によるボリュームサイズ縮小のアルゴリ
ズムを示すフロー図である。
FIG. 6 is a flowchart showing an algorithm for volume size reduction according to the present invention.

【図7】本発明による実際のデータに対するブロック化
の過程とデータサイズの変化の様子を示すディスプレイ
上の画像である。
FIG. 7 is an image on a display showing a process of blocking data and a change in data size according to the present invention.

【図8】本発明による中間スライスのテクスチャ生成を
示す模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing texture generation of an intermediate slice according to the present invention.

【図9】Shadingによる中間スライスのテクスチ
ャ生成を示す模式図である。
FIG. 9 is a schematic diagram showing texture generation of an intermediate slice by Shading.

【図10】光源を考慮したshadingの相違による
ディスプレイ上の画像である。
FIG. 10 is an image on a display due to a difference in shading considering a light source.

【図11】実際のデータに対してblockingを行
いデータを削減した時の画質の変化を示すディスプレイ
上の画像である。
FIG. 11 is an image on a display showing a change in image quality when data is reduced by performing blocking on actual data.

【図12】8bitボリュームデータのブロックサイズ
とデータサイズ及びレンダリング速度との関係図であ
る。
FIG. 12 is a relationship diagram of a block size of 8-bit volume data, a data size, and a rendering speed.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池内 克史 神奈川県横浜市青葉区梅が丘2−12 Fターム(参考) 5B080 AA13 AA20 CA04 CA05 FA03 FA09 FA16 FA17 GA14 GA22   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Katsushi Ikeuchi             2-12 Umegaoka, Aoba-ku, Yokohama-shi, Kanagawa F term (reference) 5B080 AA13 AA20 CA04 CA05 FA03                       FA09 FA16 FA17 GA14 GA22

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 テクスチャマップ機能、α-ブレンディ
ング機能およびmulti-texture機構を有す
るグラフィクスハードウェアを備える装置を用い、 ボリュームデータ全体をテクスチャマップ機能とα-ブ
レンディング機能を用いてスライスデータの積み重ねで
表現する基本スライスデータ作成ステップ(A)と、 前記基本スライスデータの間に中間スライスデータを線
形補間して挿入する中間スライスデータ作成ステップ
(B)とを有する、ことを特徴とするボリュームレンダ
リング方法。
1. Using a device having graphics hardware having a texture map function, an α-blending function, and a multi-texture mechanism, the entire volume data is represented by stacking slice data using the texture map function and the α-blending function. And a basic slice data creating step (A) and an intermediate slice data creating step (B) of linearly interpolating and inserting intermediate slice data between the basic slice data.
【請求項2】 前記中間スライスデータの挿入間隔は、
描画の際に必要な解像度に応じてスライスデータ上での
サンプリング間隔と同一またはそれより狭くする、こと
を特徴とする請求項1に記載のボリュームレンダリング
方法。
2. The insertion interval of the intermediate slice data is
The volume rendering method according to claim 1, wherein the sampling interval on the slice data is set to be equal to or narrower than the sampling interval according to the resolution required for drawing.
【請求項3】 前記中間スライスデータのテクスチャ
は、グラフィクスハードウェアのmulti-text
ure機構を使って描画時に作成する、ことを特徴とす
る請求項1に記載のボリュームレンダリング方法。
3. The texture of the intermediate slice data is a multi-text of graphics hardware.
The volume rendering method according to claim 1, wherein the volume rendering method is created at the time of drawing using the ure mechanism.
【請求項4】 ボリュームデータ全体を階層表現せずに
固定解像度のブロックで表現してデータ構造を簡略化
し、かつ各ブロック内のデータの局所性を利用してデー
タ量を削減してメモリ利用を効率化する、ことを特徴と
するボリュームレンダリング方法。
4. The whole volume data is represented by fixed resolution blocks instead of hierarchical representation to simplify the data structure, and the locality of the data in each block is used to reduce the amount of data for memory utilization. A volume rendering method characterized by increasing efficiency.
【請求項5】 ボリューム全体Vを固定サイズ23Nのブ
ロックVBに分割する23Nブロック分割ステップ(C)
と、 分割した各ブロック毎に解像度をNから順に1つ減少さ
せて、その際に生じる元のデータとの誤差を計算するブ
ロック誤差計算ステップ(D)と、 全てのブロックの計算誤差のうち、最も誤差が小さいブ
ロックの解像度を下げる解像度低減ステップ(E)とを
有し、ステップ(D)と(E)を繰り返して、全体とし
てデータのサイズを減少させながら、各ブロックに対す
る最適な解像度を決定する、ことを特徴とする請求項4
に記載のボリュームレンダリング方法。
5. A 2 3N block dividing step (C) of dividing the entire volume V into blocks V B of fixed size 2 3N
And a block error calculation step (D) in which the resolution is sequentially decreased from N for each of the divided blocks and an error with the original data generated at that time is calculated, and among the calculation errors of all blocks, A resolution reduction step (E) for reducing the resolution of the block having the smallest error, and steps (D) and (E) are repeated to determine the optimum resolution for each block while reducing the data size as a whole. It is characterized by the above-mentioned.
Volume rendering method described in.
【請求項6】 ボリュームデータ全体をテクスチャマッ
プ機能とα-ブレンディング機能を用いてスライスデー
タの積み重ねで表現する基本スライスデータ作成ステッ
プ(A)と、 前記基本スライスデータの間に中間スライスデータを線
形補間して挿入する中間スライスデータ作成ステップ
(B)と、 ボリューム全体Vを固定サイズ23NのブロックVBに分
割する23Nブロック分割ステップ(C)と、 分割した各ブロック毎に解像度をNから順に1つ減少さ
せて、その際に生じる元のデータとの誤差を計算するブ
ロック誤差計算ステップ(D)と、全てのブロックの計
算誤差のうち、最も誤差が小さいブロックの解像度を下
げる解像度低減ステップ(E)とを有し、ステップ
(D)と(E)を繰り返して、全体としてデータのサイ
ズを減少させながら、各ブロックに対する最適な解像度
を決定する、ことを特徴とするボリュームレンダリング
プログラム
6. A basic slice data creating step (A) in which the entire volume data is expressed by stacking slice data using a texture map function and an α-blending function, and intermediate slice data is linearly interpolated between the basic slice data. The intermediate slice data creation step (B) for inserting the whole volume V and the 2 3N block dividing step (C) for dividing the entire volume V into blocks V B of fixed size 2 3N , and the resolution of each divided block in order from N. The block error calculation step (D) of reducing one by one and calculating the error with the original data generated at that time, and the resolution reduction step of decreasing the resolution of the block with the smallest error among the calculation errors of all blocks ( E) and repeat steps (D) and (E) to reduce the size of the data as a whole. Reluctant, volume rendering program for determining the optimum resolution for each block, characterized in that
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