KR950001352B1 - Method and apparatus for rendering of geometric volumes - Google Patents
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Abstract
내용없음.None.
Description
제1도는 컴퓨터 디스클레이상에 체적 데이타를 렌더링하는 컴퓨터 시스템의 블럭도.1 is a block diagram of a computer system for rendering volume data on a computer disk.
제2도는 체적공간내의 체적성분을 기하공간내의 성분으로 매핑하는 예시도.2 is an exemplary diagram for mapping volume components in volume space to components in geometric space.
제3a, 3b 및 3c도는 본 발명의 바람직한 실시예의 적용 예시도.3a, 3b and 3c are application examples of the preferred embodiment of the present invention.
제4a 및 4b도는 기하 입방체에 의해 제한된 체적의 매핑 및 디스플레이의 예시도.4A and 4B illustrate exemplary volumetric mapping and display limited by geometric cubes.
제5도는 3선의 선형 매핑 기능의 예시도.5 is an exemplary diagram of a linear mapping function of three lines.
[발명의 분야][Field of Invention]
본 발명의 방법 및 장치는 컴퓨터 그래픽 분야에 관한 것이며 더욱 상세히는 컴퓨터 디스플레이상에 체적 데이타를 렌더링하는 것에 관한 것이다.The method and apparatus of the present invention relate to the field of computer graphics and more particularly to rendering volume data on a computer display.
[발명의 배경][Background of invention]
3차원의 특징을 갖는 데이타인 체적렌더링 기법은 X레이 결정학, 컴퓨터 단층 X선 사진 촬영법, 양 전자 발산 사진 촬영법 및 계산 유체역학을 통해 생성된 영상의 디스플레이와 같은 응용을 위한 컴퓨터 그래픽에 주로 사용된다. 체적 데이타(Volume data)는 "박셀(VOXEL)"이라는 체적성분의 3차원 배열(array)로 나타내어진다. 각각의 박셀에 연관되어 체적공간에서 박셀의 위치를 나타내는 3개의 정수좌표가 있으며 박셀의 농도라 불리는 적어도 하나의 정수값은 그 위치의 어떤 성질 예를 들어 온도나 합성물을 나타내고 렌더링 속성엔 직접 관련되지 않는다.Volume-rendering techniques, three-dimensional data, are mainly used in computer graphics for applications such as X-ray crystallography, computed tomography, positron emission imaging, and display of images generated through computational hydrodynamics. . Volume data is represented by a three-dimensional array of volume components called VOXEL. There are three integer coordinates associated with each box that indicate the location of the box in volume space, and at least one integer value called the concentration of the box contains a certain property of that location, eg temperature or composite, and is not directly related to the rendering properties. Do not.
반면에, 기하 데이타(geometric data)는 x,y,z좌표 위치로 표시되며 칼라와 같은 렌더링 속성과 관련된다. 기하 데이타는 체적 데이타와 다르게, 디스플레이를 위해 쉽게 렌더되어질 수 있으며 이는 기하 데이타가 기하 영상을 디스플레이하기 위해 필요한 렌더링 정보를 제공하기 때문이며 체적 데이타는 체적물 자체에 관련된 정도를 포함한다.Geometric data, on the other hand, is represented by x, y, z coordinate positions and is associated with rendering attributes such as color. Geometry data, unlike volume data, can be easily rendered for display because geometry data provides the rendering information needed to display a geometry image and volume data includes the extent to which the volume itself is related.
그러므로, 체적 데이타를 디스플레이 하기 위해, 체적 데이타는 체적공간으로 부터 디스플레이 시스템 공간과 양립할 수 있는 표맷으로 변환되어야 한다. 컴퓨터 그래픽 디스플레이상에 체적을 렌더하는데 있어서 기본적으로 두가지 기술이 있다; 기하학적 기법 및 체적측정기법.Therefore, in order to display volume data, the volume data must be converted from volume space into a format compatible with the display system space. There are basically two techniques for rendering volumes on a computer graphics display; Geometric and Volumetric Techniques.
기하학적 접근에서 체적 데이타는 기하 프리미티브로 구성되는 모델을 산출하는 적절한 기하 프리미티브로 갖춰진다. 체적측정 접근에서 체적은 광선투사기술이나 다층 재투사기법을 사용하여 직접 렌더된다.In the geometric approach, volumetric data is equipped with appropriate geometric primitives that yield a model consisting of geometric primitives. In the volumetric approach, the volume is rendered directly using light projection techniques or multilayer reprojection techniques.
"평삭반 윤곽에 대한 최적의 면 재구성"(Fuchs, Optimal Surface Recons truction for Planer Contours, CACM(1977))은 체적을 통해 일련의 슬라이스에 그려진 한 세트의 윤곽으로부터 3차원 면(surface)을 재구성하여 체적측정 데이타에 포함된 면을 렌더링하는 기하학적 알고리즘을 설명한다. 윤곽은 공통적으로 루틴을 따르는 반자동 에지(edge)를 사용하여 얻어지며 이것은 그후 삼각형, 다면형, 혹은 쌍 입방의 조각(bi-cubic patch)들 같은 기하 프리미티브를 사용하여 이어지게 된다. 이 프리미티브들은 종래 기술을 사용하여 렌더될 수 있는 3차원 다변형 모델을 형성한다. 면 재구성에 대한 유사한 기술이 클라인 씨의 미합중국 특허 제4,729, 098호에 기술되어 있지만 면 윤곽의 추출은 흔히 오퍼레이터의 간섭을 요한다.Optimal Surface Recons truction for Planer Contours (CACM (1977)) reconstructs a three-dimensional surface from a set of contours drawn on a series of slices through volume. Describes geometric algorithms for rendering faces included in volumetric data. The contour is commonly obtained using a semi-automatic edge following the routine, which is then followed using geometric primitives such as triangles, polyhedrons, or bi-cubic patches. These primitives form a three-dimensional polymorphic model that can be rendered using the prior art. Similar techniques for face reconstruction are described in Mr. Klein's US Pat. No. 4,729,098, but extraction of face contours often requires operator intervention.
다수의 다변형은 상세히 유지될 것을 요한다. 부가하여, 체적 데이타가 이제 체적의 면 데이타로만 나타내어지기 때문에, 원시(raw) 체적 데이타가 없어지며 부분적인 면이나 물체는 디스플레이될 수 없다.Many polymorphs need to be maintained in detail. In addition, since the volume data is now represented only as volume face data, the raw volume data is lost and no partial face or object can be displayed.
박셀레벨에서 면을 세밀하게 유지할 노력의 일환으로 큐버릴(Cuberille) 방법(Gordon, Image Space Shading of 3-Dimensional Objects, computer Vision Graphics Image Processing 29, 377-393(1985))이 개발되었다. 이 기술은 면의 경계선을 나타내는 렌더링 효과를 위해 축약된 이원(二元) 체적(binary volume)을 창출한다. 박셀의 면은 명암된 다변형으로 렌더된다.In an effort to keep the finer details at the box cell level, the Cuberille method (Gordon, Image Space Shading of 3-Dimensional Objects, computer Vision Graphics Image Processing 29, 377-393 (1985)) was developed. This technique creates a condensed binary volume for rendering effects that represent the boundary of the face. The face of the thin cell is rendered in contrast polymorph.
이 기술은 반투명 혹은 부분적인 면에는 허용되지 않는다. 마칭 큐브(Marching Cubes)로 알려진 도 하나의 기하학적 알고리즘은 박셀 입방체로 면의 교차점을 게산하고 아주 상세한 면 근사치를 제공하는 삼각형을 생성한다. 로렌슨의 마칭 큐브; "고해상도 3차원 면 구성 알고리즘"(Computer Graphics, Siggraph 1987 Proceedings, page 163-169(July, 1987))을 보시오, 더 상세한 것은 분할 입방체 알고리즘으로 제공되는바 이것은 일련의 점으로 경계를 표시한다. 클라인 씨의 미국특허(No. 4 719 585) 및 "단층 X선 사진으로 부터 면의 재구성에 대한 두개의 알고리즘"(Medical physics, June 1988)을 보시오.This technique is not allowed for translucent or partial aspects. The geometrical algorithm of FIG. 1, known as Marching Cubes, computes triangles that compute the intersections of faces into thin cell cubes and provide very detailed face approximations. Lawrence's Marching Cube; See “High Resolution Three-Dimensional Surface Composition Algorithms” (Computer Graphics, Siggraph 1987 Proceedings, page 163-169 (July, 1987)), for more details provided by the segmented cube algorithm, which is bounded by a series of points. See Kline's US patent (No. 4 719 585) and two algorithms for reconstructing faces from tomographic X-rays (Medical physics, June 1988).
그러나, 이 방법들은 체적의 면 추출을 제공하고 원시 체적 데이타는 유지되지 않는다. 그러므로, 체적면 정보만 유지되기 때문에 원시 체적 데이타를 갖는 더 이상의 상호 작용은 불가능하다. 따라서 부분적인 체적, 투명, 반투명 같은 기능과 피킹(즉, 체적으로 부터 데이타 값을 판독하거나 체적으로 부터 데이타 값을 기록하는 것)같은 체적과의 상호작용 및 체적위에 기하 물체를 부과하는 것은 실행될 수 없다. 기술을 구성하는데 있어, 색깔, 불투명 및 구성같은 다양한 렌더링 속성에 따라 각각의 박셀을 분류함으로써 체적 데이타는 사전처리되고 이렇게 하여 다수의 체적 표현이 창출된다. 상이한 체적 표현은 그후 디스플레이 장치에 렌더될 하나의 체적표현을 형성하기 위해 결합되어진다. "체적 렌더링"(Drebin, et al., Volume Rendering, Computer Graphics Siggraph Proceedings, pages 65-74, August 1988); "체적 데이타로 부터 면을 디스플레이"(Lavoy, Display of Surfaces From Volume Data, IEEE Computer Graphics and Applications(May 1988)) 및 골드와서씨의 미국특허(No. 4737921)를 보시요.However, these methods provide volume extraction of the volume and raw volume data is not maintained. Therefore, no further interaction with raw volumetric data is possible because only volumetric information is maintained. Thus, functions such as partial volume, transparency, and translucency and interaction with volumes such as picking (i.e. reading data from or writing data values from volume) and imposing geometric objects on the volume can be performed. none. In constructing the technique, volume data is preprocessed by classifying each thin cell according to various rendering attributes such as color, opacity and composition, thereby creating multiple volume representations. The different volume representations are then combined to form one volume representation to be rendered to the display device. “Volume Rendering” (Drebin, et al., Volume Rendering, Computer Graphics Siggraph Proceedings, pages 65-74, August 1988); See Lavoy, Display of Surfaces From Volume Data, IEEE Computer Graphics and Applications (May 1988), and US Patent (No. 4737921) by Mr. Gold Waser.
그러나, 이 기술은 연속적인 매핑함수를 제공하지 않는다.However, this technique does not provide a continuous mapping function.
따라서, 렌더될 출력영상이 원래의 체적 데이타보다 훨씬 크다면 커다란 앨리아싱이 일어난다.Therefore, if the output image to be rendered is much larger than the original volume data, large aliasing occurs.
광선투사(Raycasting)는 직접적인 박셀렌더링의 하나의 간단한 방법이다. "고체모델을 위한 광선투사"(Roth, Raycasting For Modeling Solids, Computer Graphics and Image Processing 18, pages 109-144); "3차원 스케일러 분야 가시화에 대한 렌더링 알고리즘"(Sabella, A Rendering Algorithm For Visualizing 3-D Scaler Fields, Computer Graphics Siggraph 1988 Proceedings, pages 51-55, August 1988); "V-버퍼 가시가능 체적 렌더링"(Upson et al., V-buffer visible Volume Rendering, computer Graphics Siggraph 1988 Proceedings, pages 59-64, August 1988)을 보시요. 광선투사기술에 있어서 광선은 뷰우(view)벡터를 따라 체적을 통해 각 픽셀에서 방출된다.Raycasting is a simple method of direct box-selendering. "Roth, Raycasting For Modeling Solids, Computer Graphics and Image Processing 18, pages 109-144"; “Rendering Algorithm for 3-D Scaler Field Visualization” (Sabella, A Rendering Algorithm For Visualizing 3-D Scaler Fields, Computer Graphics Siggraph 1988 Proceedings, pages 51-55, August 1988); See Upson et al., V-buffer visible Volume Rendering, computer Graphics Siggraph 1988 Proceedings, pages 59-64, August 1988. In the light projection technique, light rays are emitted at each pixel through a volume along a view vector.
광선을 따라 결정된 값들은 단 하나의 값으로 결합되어 디스플레이 출력에서 디스플레이 된다. 광선에 의해 렌더된 출력을 결정하기 위해 많은 알고리즘이 개발되어 왔다. 예를 들어, 부가의 재투사 알고리즘은 광선을 따라 체적점의 명암도를 평균함으로써 영상과 같은 X선을 만든다.The values determined along the ray are combined into only one value and displayed at the display output. Many algorithms have been developed to determine the output rendered by a ray. For example, additional reprojection algorithms produce an image-like X-ray by averaging the intensity of the volume point along the ray.
또 하나의 광선투사 기술은 체적이 반투명 겔의 합성으로 보이도록 하여 명암도 범위에 색깔과 불투명도를 할당한다. "의학영상 체적의 3차원 표시"(Schlusselberg, et al., 3-Dimensional Display of Medical Image Volumes, Proceedings of the NCGA, March 1986)를 보시요. "체적농도의 광선추적"(Kjiya, et al., Raycasting Volume Densities, Computer Graphics Siggraph 1984 Proceedings, pages 165-173)은 부가광선이 면간의 반사성질 계산을 위해 면 경계에서 생기는 진짜 광선추적을 기술한다. 그러나, 사실상 광선 추적은 계산적으로 광범위하고 경비가 많이 들기에 이용되어 오지 않았다. 다수평면의 재투사 기술에 있어서, 하나 이상의 면이 어떤 채택기능에 매핑된 농도값을 디스플레이 하는 체적을 통해 움직인다. 그러나, 광선투사와 마찬가지로 이 기술은 번거롭고 게산이 광범위하고 다른 투시도에 대해선 추가 렌더링을 요한다.Another light projection technique assigns color and opacity to a range of contrasts, making the volume appear to be a synthesis of translucent gels. See Schlusselberg, et al., 3-Dimensional Display of Medical Image Volumes, Proceedings of the NCGA, March 1986. Raytracing Volume Densities (Kjiya, et al., Computer Graphics Siggraph 1984 Proceedings, pages 165-173) describes the true ray tracing where additional light is generated at the plane boundaries to calculate the interfacial reflectivity. . In practice, however, ray tracing has not been used computationally extensive and expensive. In multi-plane reprojection techniques, one or more faces move through a volume that displays concentration values mapped to a function of adoption. However, like ray projection, this technique is cumbersome, extensive, and requires additional rendering for other perspectives.
[발명의 목적][Purpose of invention]
그러므로 체적 프리미티브(Volume primitives)를 사용하여 직접 체적렌더링을 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.It is therefore an object of the present invention to provide a method and apparatus for direct volume rendering using volume primitives.
체적 매핑 기하 프리미티브가 포함된 체적을 렌더링하는 장치와 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for rendering a volume containing a volume mapping geometric primitive.
체적이 기하 물체와 상호 작용하는 체적을 렌더링하는 장치와 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 하나의 목적이다.It is another object of the present invention to provide an apparatus and method for rendering a volume in which a volume interacts with a geometric object.
본 발명의 장치와 방법에 있어서, 체적 데이타로부터 체적을 직접 렌더하는 수단이 제공되는바 체적의 해상도는 없어지지 않고 체적 데이타는 완전히 기하 데이타와 상호 작용한다.In the apparatus and method of the present invention, a means of directly rendering a volume from volume data is provided such that the resolution of the volume is not lost and the volume data completely interacts with the geometric data.
렌더되어질 체적이나 체적의 부분은 기하 프리미티브와 정렬되며 체적이나 체적부분에 기하 프리미티브를 관련시키는 매핑기능이 발생된다. 매핑기능은 체적공간내의 각각의 박셀을 프리미티브의 점이나 성분에 관련시킨다. 따라서, 체적은 체적이나 체적부분이 매핑되어진 기하 프리미티브의 함수로서 디스플레이 된다.The volume or portion of the volume to be rendered is aligned with the geometric primitive and a mapping function is generated that associates the geometric primitive with the volume or volume portion. The mapping function associates each box in volume space with a point or component of a primitive. Thus, the volume is displayed as a function of the geometric primitive to which the volume or volume portion is mapped.
바람직한 실시예에서 렌더되어질 체적이나 체적의 부분은 하나 이상의 기하 프리미티브로 연관시키는 매핑이 발생된다. 그후, 체적상에서 수행된 임의의 기하동작은 기하 프리미티브상에서 동작을 수행하고 체적 데이타가 디스플레이 되도록 기하 공간내로 체적을 변환하는 매핑기능을 사용함으로써 성취된다. 바람직하게, 체적의 경계가 되는 다변형은 정점범위가 -1부터 +1인 정규화된 입방체와 같은 직선형 입방체(rectilinear cube)이다.In a preferred embodiment a mapping is generated in which the volume or portion of volume to be rendered is associated with one or more geometric primitives. Any geometry operation performed on the volume is then accomplished by using the mapping function to perform the operation on the geometric primitives and convert the volume into the geometric space so that volume data is displayed. Preferably, the polymorphism bounded by the volume is a rectilinear cube, such as a normalized cube with a vertex range of -1 to +1.
다변형과 같은 기하 프리미티브의 함수로서 체적을 정의함으로써, 클리핑이나 회전같은 기하동작은 프리미티브상에서 쉽게 실행되고 데이타는 디스플레이될 대응체적 데이타를 결정하는 매핑함수를 통하여 검사하는데 사용된다.By defining a volume as a function of a geometric primitive such as polymorphism, geometric operations such as clipping or rotation are easily performed on the primitive and the data is used to check through mapping functions that determine the corresponding volume data to be displayed.
더욱이, 원시 체적 데이타가 직접 기하 공간에서 렌더되기 때문에 기하 데이타는 원래 체적 데이타와 쉽게 상호 작용한다.Moreover, geometric data easily interacts with the original volume data because raw volume data is directly rendered in the geometric space.
[주석 및 표기][Comment and notation]
하기 기술되는 상세한 설명은 컴퓨터 메모리내에서 데이타 비트상에서의 동작의 기호표현과 알고리즘으로 대부분 설명된다.The detailed description set forth below is chiefly described in terms of symbolic representations and algorithms of operations on data bits in computer memory.
이 알고리즘의 기술과 표현은 당업자에게 그들 작업의 실체를 가장 효과적으로 전달하기 위해 데이타 프로세싱 분야의 당업자에 의해 사용되는 수단이다. 알고리즘은 여기서 일반적으로 바람직한 결과를 초래하는 조리가 정연한 단계들로 받아들여진다. 이 단계는 물리량의 물리적인 조작을 요하는 것들이다. 보통, 필요치는 않지만, 이 물리량들은 저장하고, 이동하고, 결합하고 비교할 수 있는 전기적 혹은 자기적 신호의 형식을 취하거나 그렇지 않으면 조작된다. 그것은 주로 공통적인 사용의 이유로 비이트, 값, 요소, 신호, 문자, 수치나 그와 유사한 것 같은 이런 신호로 언급되는 것이 때때로 편리하다는 것을 입증한다.The description and representation of this algorithm is the means used by those skilled in the data processing arts to most effectively convey the substance of their work to others skilled in the art. Algorithms are generally accepted here with ordered steps that result in desirable results. These steps are those requiring physical manipulation of physical quantities. Usually, though not necessary, these physical quantities take the form of electrical or magnetic signals that can be stored, moved, combined and compared or otherwise manipulated. It proves convenient at times to be referred to as such signals, such as bits, values, elements, signals, letters, numbers, or the like, mainly for common use.
그러나 이 모든 것과 유사한 용어가 적당한 물리적 양과 연관되고 이런 양에 적용된 단순히 필요한 레벨이라는 것을 명심해야 할 것이다. 더욱이, 실행된 조작은 종종 가산이나 비교같은 용어로 언급되는바 이것은 운용하는 사람에 의해 실행된 정신활동과 연관된다. 여기 기술된 어떤 동작에 있어서 대부분의 경우에 운용하는 사람의 능력이 필요하진 않지만 본 발명의 부분을 이룬다; 작동은 기계적 작동이다.However, it should be borne in mind that terms similar to all of these are simply required levels associated with and appropriate to these physical quantities. Moreover, the manipulations performed are often referred to in terms, such as additions or comparisons, which are associated with the mental activity performed by the operator. Some operations described herein do not require the ability of a person to operate in most cases, but form part of the present invention; Operation is mechanical operation.
본 발명의 동작을 실행하는 유용한 기계는 범용의 디지탈 컴퓨터 및 그외 유사한 장비를 포함한다. 모든 경우에 컴퓨터 동작에 있어 동작방법과 게산방법 자체 사이에 정신적 분별이 있어야 한다. 본 발명은 다른 바람직한 물리신호를 생성하는 전기적 혹은 다른(예를 들어 기계적, 화학적) 물리적신호를 처리하는데 있어 컴퓨터를 작동하는 방법의 단계와 관련된다. 본 발명은 역시 이런 동작을 실행하는 장치에 관련된다. 이 장치는 특히 필요한 목적을 위해 구성되고 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 움직이거나 재구성된 범용의 컴퓨터를 포함한다.Useful machines for performing the operations of the present invention include general purpose digital computers and other similar equipment. In all cases there must be a mental discernment between the method of operation and the calculation method itself in computer operation. The present invention relates to the steps of a method of operating a computer in processing electrical or other (eg mechanical, chemical) physical signals that produce other desirable physical signals. The invention also relates to a device for performing this operation. The apparatus includes a general purpose computer that is specifically configured for the necessary purpose and which is selectively moved or reconfigured by a computer program stored in the computer.
여기 나오는 알고리즘은 특별한 컴퓨터나 그외 장치에는 본래부터 관련되지 않는다. 특히, 여러 목적의 기계는 여기의 가르침에 따라 쓰인 프로그램으로 사용되지만 필요한 방법의 단계를 실행하기 위해 더 특별한 장치를 구성하는 것이 더 필요하다는 것이 입증된다. 다수의 이런 기재에 대한 필요한 구조는 하기 기술로부터 나타날 것이다.The algorithm here is not inherently related to any particular computer or other device. In particular, machines for various purposes are used as programs written according to the teachings here, but it is further demonstrated that it is necessary to construct more special devices in order to carry out the steps of the required method. The required structure for a number of these substrates will appear from the description below.
[일반적인 시스템 구성][General system configuration]
제1도는 본 발명에 따른 컴퓨터 디스플레이상에 체적 데이타의 렌더링을 위한 컴퓨터을 기초로 한 전형적인 시스템을 보여준다. 3개의 주요 구성요소로 이루어진 컴퓨터(1)가 도시되어 있다. 이중 제1의 것은 입력/출력(I/O)회로(2)로서 이것은 컴퓨터(1)의 다른 부분으로 혹은 부분으로 부터 적절히 구성된 형식으로 정보를 상호 교환하는데 사용된다. 역시 중앙연산처리장치(CPU)(3)와 메모리(4)가 컴퓨터(1)의 부분으로 도시되어 있다. 이 두 요소는 대부분의 범용 컴퓨터와 거의 모든 특수목적 컴퓨터에서 전형적으로 볼 수 있다. 사실, 컴퓨터(1)내 포함된 여러 구성요소는 데이타 프로세서의 넓은 카테고리를 나타내는 것으로 의도된다. 컴퓨터(1)의 역할을 충족하기 위한 적당한 데이타 프로세서의 특별한 예로 캘리포니아주 마운틴 뷰소재 선 마이크로 회사가 제작한 기계를 들 수 있다. 물론 같은 기능을 갖는 다른 컴퓨터도 하기 기능을 수행하는데 같은 방식으로 채택되어질 수 있다.Figure 1 shows a computer based typical system for the rendering of volumetric data on a computer display according to the present invention. A computer 1 is shown consisting of three main components. The first of these is the input / output (I / O)
역시 제1도에서 보듯이 키보드로 대표적 실시예에 나타난 것은 입력장치(5)이다. 그러나 입력장치는 실직적으로 카드판독기, 자기 혹은 종이 테이프판독기, 혹은 다른 잘 알려진 입력장치(물론 컴퓨터 X선 단층사진 촬영장치 같은 컴퓨터화된 데이타 수집 장비나 다른 컴퓨터를 포함하여)일 수 있음을 이해하여야 한다. 대용량 메모리 장치(6)는 I/O회로(2)에 연결되고 컴퓨터(1)를 위해 추가 저장기능을 제공한다. 대용량 메모리는 다른 프로그램 및 이와 유사한 것을 포함하고 마그네틱 혹은 종이테이프 판독기 혹은 그외 잘 알려진 장치의 형식을 취할 수 있다. 대용량 메모리(6)에 보유된 데이타는 적당한 경우에 메모리(4)의 일부로서 컴퓨터(1)에 표준형식으로 포함되어질 수 있다.As shown in FIG. 1, the
부가하여, 예를 든 디스플레이 모니터(7)는 사용자에게 메세지나 다른 전송내용을 디스플레이 하는데 사용된다. 이런 디스플레이 모니터는 여러 잘 알려진 다수 CRT 디스플레이의 형태를 취할 수 있다. 바람직하게, 디스플레이 모니터(7)는 고해상도 컴퓨터 라스터 디스플레이장치로 본 발명의 프로세스에 따라 렌더된 체적 영상을 디스플레이 할 수 있다. 커서 제어(8)는 명령모드를 선택하고 예를 들어 활자체 같은 입력데이타를 편집하고 시스템에 정보를 입력하기 위한 더욱 편리한 수단을 제공한다.In addition, an example display monitor 7 is used to display messages or other transmissions to the user. Such display monitors can take the form of several well-known and many CRT displays. Preferably, the display monitor 7 can display the rendered volume image in accordance with the process of the present invention with a high resolution computer raster display device. Cursor control 8 provides a more convenient means for selecting a command mode, editing input data such as typography, and entering information into the system.
[프로세스의 개관[Overview of Process
본 발명의 장치와 방법에 있어, 체적물체의 부분이나 체적물체는 하나 이상의 기하 프리미티브와 정렬되며 기하 공간내의 기하 프리미티브와 체적공간내의 체적물체사이에서의 매핑함수가 발생된다. 매핑함수의 사용을 통해, 체적이 매핑되는 프리미티브상에서 기하동작을 수행하고 대응 체적 데이타를 변환하는 것에 의해 변형, 관찰 및 다른 기하동작이 체적위에서 단순히 실행되어질 수 있다.In the apparatus and method of the present invention, a portion or volume of a volume object is aligned with one or more geometric primitives and a mapping function is generated between the geometric primitives in the geometric space and the volume objects in the volume space. Through the use of mapping functions, deformations, observations, and other geometries can simply be performed on the volume by performing geometry on the primitive to which the volume is mapped and transforming the corresponding volume data.
체적공간내의 특정위치에서의 체적의 속성을 포함하는 체적물체를 표현하는 박셀인 체적 데이타는, 체적물체를 표현하는 박셀의 3차원 배열내에서의 각각의 발셀 위체에 따른 메모리에 저장된다. 체적물체를 디스플레이 하기 위해 체적물체는 적어도 하나의 기하 프리미티브, 예를 들어 한개의 입방체로 기술된다. 사용된 기하 프리미티브 혹은 프리미티브들은 렌더될 체적이나 체적의 부분이 프리미티브에 매핑될 수 있는 방법으로 정렬되야 되고 매핑될 수 있는 크기이어야 한다.The volume data, which is a thin cell representing a volume object containing a volume attribute at a specific position in the volume space, is stored in a memory according to each Valsell body in a three-dimensional array of thin cells representing the volume object. In order to display the volume object, the volume object is described by at least one geometric primitive, for example one cube. The geometric primitives or primitives used must be aligned and sized in such a way that the volume or portion of the volume to be rendered can be mapped to the primitive.
사용된 프리미티브는 영상의 확대, 변환, 혹은 회전같은 그렇게 실행되는 연속의 계산을 단순화 하기 위해 정규화 되는 것이 바람직하다.The primitives used are preferably normalized to simplify the calculation of the continuation so performed, such as magnification, transformation, or rotation of the image.
예를 들어, 제2도에 대해, 체적 벡터(80)의 체적표시 부분이 기하 벡터로 매핑될 수 있고 스크린 공간에서 디스플레이 될 수 있다. 이 벡터가 일단 매핑되면 체적 벡터가 매핑된 기하 벡터상에서 회전 /변환동작을 수행하고 매핑함수를 사용하여 대응체적 요소를 검색함으로서 단순히 기하 공간에서 쉽게 회전하고 변환된다. 이것은 특히 체적 벡터 프리미티브를 사용하여 곡면을 추출하는 기법에 유용하다.For example, for FIG. 2, the volume representation portion of volume vector 80 may be mapped to a geometric vector and displayed in screen space. Once this vector is mapped, the volume vector is easily rotated and transformed in the geometric space simply by performing a rotation / transformation operation on the mapped geometric vector and searching the corresponding volume element using the mapping function. This is especially useful for techniques for extracting surfaces using volume vector primitives.
예를 들어 제3a,3b 및 3c도에 대해 체적물체는 인간의 기관 및/혹은 조직을 표현할 수 있으며 여기서 체적은 체적을 통하여 위치된 캐필러리(100)를 포함한다. 체적을 표현하는 기관/조직을 통하여 캐필러리의 정확한 경로 및 형태를 측정하는 다양한 투시도로부터 캐필러리를 관찰하고 추출하는 것이 때때로 바람직하다.For example, for FIGS. 3A, 3B, and 3C, the volumetric object may represent human organs and / or tissues where the volume includes a capillary 100 located through the volume. It is sometimes desirable to observe and extract the capillary from various perspective views measuring the exact path and shape of the capillary through the organ / tissue representing the volume.
이것은 곡면 예를들면 캐필러리를 따라 점(120)에서 기하 벡터로 체적 벡터(110)를 매핑하여 얻어진다. 매핑이 실행되면, 기하 벡터가 회전되고 대응 체적 데이타가 매핑되어 예를 들어 제3c도에 도시한 투시도와 같이, 다른 투시도로부터 캐필러리를 도시하는 디스플레이를 렌더링한다.This is obtained by mapping the
바람직하게, 체적은 직선입방체 같은 3차원 물체를 형성하는 하나 이상의 기하 프리미티브에 매핑된다. 입방체가 체적의 경계를 이루도록 정렬된다.Preferably, the volume is mapped to one or more geometric primitives that form a three-dimensional object, such as a linear cube. The cubes are arranged to form a volume boundary.
제4a도에서 보듯이 체적물체(150)가 입방체(160)에 의해 둘러싸인다. 체적을 포함하는 박셀과 입방체의 {x,y,z}좌표 사이에 매핑함수가 발생된다. 매핑함수가 발생되면, 여러 기하동작이 입방체상에서 수행된 동작을 통해 체적물체에서 수행된다. 예를 들어, 체적(170)의 부분(175)이 입방체(160)에서 클리핑 동작을 실행함으로써 제거되고 노출된 체적의 결과영상이 제4b도에서 보듯이 쉽게 디스플레이 될 수 있다.As shown in FIG. 4A, the
매핑함수는 체적공간((u,v,w) 공간으로도 참조됨)에 체적물체의 각각의 박셀과 {x,y,z} 공간(기하공간)내의 기하 프리미티브의 그리드점(grid point)이나 정점사이에 수학적 대응을 제공한다. 체적물체가 기하 프리미티브에 "맞춰짐(fitted)"으로써 체적의 경계가 기하 프리미티브의 경계에 매핑된다고 말할 수 있다.The mapping function is the grid point of the geometric primitive in the volume space (also referred to as the (u, v, w) space) of each volume cell in the volume object and in the {x, y, z} space (geometric space). Provide a mathematical correspondence between vertices. It can be said that the volume boundary is mapped to the geometric primitive by fitting the volume object to the geometric primitive.
따라서, 체적 데이타가 매핑되는 기하 프리미티브의 특정한 x,y,z좌표 위치에 메모리에 저장된 박셀의 위치를 매핑함수로 링크시킨다. 사용된 매핑함수는 어떤 순차함수일 수 있다. 함수는 각 박셀이 기하 공간에서 최인접 정점에 매핑되는 제로 순차함수일 수 있다. 예를 들어, 만약에 체적이 차원(10×20×30)을 갖고 -1과 1사이에 위치한 정점을 갖는 정규화된 직선 입방체에 매핑된다면, 배열(1,1,1) 위치에서의 박셀은 좌표위치{0,0,0}에서의 입방체의 정점에 매핑되고 배열(10,20,30) 위치에서의 박셀은 좌표위치{1,1,1}에서 정점에 매핑된다. 체적공간내의 위치(1,1,1)와 (10,20,30) 위치에서의 박셀은 좌표위치{1,1,1}에서 정점에 매핑된다. 체적공간내의 위치(1,1,1)와 (10,20,30) 사이의 박셀은 체적공간과 기하 공간사이에 크기 비례 계산을 사용하여 게산된 값의 최인접 정점에 매핑된다. 본 예에서 u의 박셀수가 10과 같고 x의 정점수가 2(-1 내지 1)이기 때문에 u : x 비례는 10 : 2와 같다. 따라서 매핑함수는이다.Therefore, the location of the box cell stored in the memory is linked to a mapping function by a specific x, y, z coordinate position of the geometric primitive to which the volume data is mapped. The mapping function used may be any sequential function. The function may be a zero sequential function where each boxel is mapped to the nearest vertex in geometry. For example, if the volume is mapped to a normalized linear cube with dimensions (10 × 20 × 30) and a vertex located between -1 and 1, the boxels at the array (1,1,1) position are coordinates. Mapping to the vertex of the cube at position {0,0,0} and the boxel at the position of array 10,20,30 are mapped to the vertex at coordinate position {1,1,1}. Box cells at positions (1,1,1) and (10,20,30) in the volume space are mapped to vertices at coordinate positions {1,1,1}. The thin cells between positions (1,1,1) and (10,20,30) in the volume space are mapped to the nearest vertices of the calculated values using size proportional calculations between the volume space and the geometric space. In this example, the u: x proportionality is equal to 10: 2 because the number of thin cells in u is equal to 10 and the number of vertices of x is 2 (-1 to 1). So the mapping function to be.
이 함수는 역시 기하 공간에서 체적정점의 위치를 결정하도록 기하 공간에서 8개의 최인접 정점에서 가중 평균계산이 실행되는 3선의 함수로 참조되는 제1순차 함수이다. 제1순차 함수를 사용하여 유연효과를 만들고 이렇게 하여 체적 데이타가 매핑될 때 일어나는 앨리어싱의 양을 작게 한다. 제5도에 대해, 박셀(200)은 정점 a,b,c,d,e,f,g 및 h에 의해 도시된 기하 공간내의 8개의 최인접 정점을 결정함으로써 경계를 이루는 입장체에 매핑되며, 그후 박셀의 좌표 위치는 다음 방정식에 따라 결정된다.This function is also the first sequential function referred to as a 3-line function in which the weighted average calculation is performed at the eight nearest vertices in geometry to determine the position of the volume vertices in geometry. The first order function is used to create a softening effect, which reduces the amount of aliasing that occurs when volume data is mapped. With respect to FIG. 5, the
여기서 X는 체적공간내의 위치(u,v,w)에서의 박셀(200)의 기하위치이고, a, b, c, d, e, f, g 및 h는 결정될 체적좌표를 둘러싼 입방체 코너의 8개의 {x,y,z}좌표 위치이고 FRACT는 좌표의 분수분분을 결정하는 함수이다.Where X is the geometric position of the
8개의 정점으로 부터의 박셀의 거리는 상기 방정식에서 가중치, 즉 FRACT(u), 1-FRACT(u), FRACT(v), 1-FRACT(v), FRACT(w) 및 1-FRACT(w)에 의해 인수분해된다.The distance of the boxel from eight vertices is weighted in the equation, i.e. FRACT (u), 1-FRACT (u), FRACT (v), 1-FRACT (v), FRACT (w) and 1-FRACT (w) Factorized by.
매핑함수가 결정되면, 기하 물체에서 실행되는 임의의 기하동작의 수정이나 조작은 체적이 매핑되는 기하 프리미티브를 통해 체적물체에서 실행된다. 다른 관점의 차원, 체적 데이타의 투시도나 애스펙트비를 얻기위해, 기하 프리미티브는 기하 프리미티브에 매핑된 체적 데이타를 수정하는 변환 매트릭스가 곱해진다.Once the mapping function is determined, modifications or manipulations of any geometries performed on the geometric object are performed on the volume object via geometric primitives to which the volume is mapped. In order to obtain a perspective or aspect ratio of the dimension, volume data from another perspective, the geometric primitive is multiplied by a transformation matrix that modifies the volume data mapped to the geometric primitive.
부가하여, 체적 프리미티브가 정의된다. 체적 프리미티브는 실행된 매핑에 따라서 기하 공간내에서 대응하며 그리고 체적공간내에 정의를 갖는 점, 벡터, 다변형 혹은 광선같은 프리미티브이다. 따라서, 예를 들어 점은 {x,y,z}공간과 (u,v,w)공간에 위치를 가지며, 벡터는 벡터의 끝점을 정의하는 {x,y,z} 및 (u,v,w)공간에 두개의 점을 갖는다. 유사하게, 다변형은 다변형의 경계선을 정의하는 {x,y,z} 및 (u,v,w) 공간에서 다수의 점을 갖는다. 광선은 (u,v,w)공간내의 다수의 점에 매핑하는 {x,y,z}공간에 단 하나의 점을 갖는다. 기하 프리미티브는 체적 데이타를 더하고, 빼거나 그렇지 않으면 상호작용하는데 사용된다. 예를 들어, 프리미티브는 내부면을 노출하기 위해 체적의 일부분을 절단하는데 사용된다. 이것은 체적의 내부면을 노출하려고 체적의 일부분을 절단하기 위해 다변형이 사용되는 것을 제4a 및 4b도에 예시되어 있다. 프리미티브는 또한 결과가 디스플레이 되는 체적공간내에 체적과 상호작용하도록 기하 영상을 발생하는데 사용된다. 이것은 특히 의료 방사치료에 유용하고 여기서 의료 개업의사는 체적공간에 생성되어온 인간의 조직을 프리미티브로써 사용하여 창출된 레이저 비임이나 부분 비임의 상호작용을 예견할 수 있다. 따라서 체적의 면 추출 데이타가 아닌 원시의 체적 데이타와 기하 영상이 상호 작용하기 때문에 더욱 실질적인 영상이 제공된다.In addition, volume primitives are defined. Volume primitives are primitives, such as points, vectors, polymorphs, or rays, that correspond in geometry space and have definitions in volume space, depending on the mapping performed. Thus, for example, a point has positions in {x, y, z} space and (u, v, w) space, and a vector has {x, y, z} and (u, v, w) It has two points in space. Similarly, polymorphs have multiple points in the {x, y, z} and (u, v, w) spaces that define the boundaries of the polymorphs. The ray has only one point in the {x, y, z} space that maps to a number of points in the (u, v, w) space. Geometric primitives are used to add, subtract or otherwise interact with volumetric data. For example, primitives are used to cut a portion of a volume to expose the inner surface. This is illustrated in Figures 4a and 4b that polymorphs are used to cut a portion of the volume to expose the inner surface of the volume. Primitives are also used to generate geometric images to interact with the volume within the volume space in which the results are displayed. This is particularly useful for medical radiation therapy where medical practitioners can predict the interaction of laser beams or partial beams created using primitive human tissues created in volume space. Therefore, the more realistic images are provided because the geometric images interact with the original volume data rather than the volume extraction data of the volume.
본 발명이 바람직한 실시예와 연관하여 기술된 반면에 상기의 기술에서 통상의 기술자에게 수많은 대안, 수정, 변화와 취급이 명백할 것이다.While the invention has been described in connection with preferred embodiments, numerous alternatives, modifications, variations and handling will be apparent to those skilled in the art in the foregoing description.
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