CN1164904A - 实时立体显象设备与方法 - Google Patents

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Abstract

以高度并行及流水作业方式实时处理三维象素及实时立体显象对象与场景，包括一个三维斜移存储器(22)、二维斜移缓冲器(24)、数据点的3-D插值与遮蔽、以及信号合成。实现射线投射、高功能立体描绘技术。从观察位置将视线投射到一个立方帧缓冲器(40)中，并且访问平行于该立方帧缓冲器(40)的面的三维象素束。在沿各视线均匀间隔的样本点上，用周围三维象素的值三线性地插入各样本点。使用一个梯度及插入样本值来应用一个局部遮蔽模型(30)及分配样本不透明度。最后，将沿射线的射线样本合成为象素值并将其提供给一个显示装置(44)以生成一个图象。

Description

实时立体显象设备与方法
发明的背景
本发明涉及三维(3-D)图形学与立体成象，更具体地涉及高清晰度立体图象的实时平行与透视投影的装置与方法。
图象描绘是将复杂信息转换成能改善人类理解同时保持信息的完整性与精确性的格式的过程。由涉及三维现象的信息所组成的立体数据是一种能从改良的图象描绘技术中得益的复杂信息。分析立体数据来确定从一个给定的视点要显示立体的哪些部分的过程通常称作立体显象。传统立体显象方法以顺序方式扫描数据点进行操作以便提供对象的精确表示。需要实时塑造对象及利用计算机图象系统来这样做的优点是显而易见的。
立体显象的专用计算机体系结构与方法是已知的。参见图1，已知有一种立体显象系统1。该立体显象系统1包括：一个立体帧缓冲器2，它带有斜移存储器组织，该存储器组织能在任何正交方向上进行三维象素束的无冲突访问；一个二维(2～D)斜移缓冲器4；一个射线投影树6；以及，两个传送器8、10。传送器通常称作桶形移位器。第一传送器8连在立方帧缓冲器与二维斜移缓冲器之间，而第二传送器10则连在二维斜移缓冲器与射线投影树之间。这种立体显象系统能在0(n2logn)时间内提供平行投影，其中n为立方帧缓冲器的一条轴的测度。
立方帧缓冲器2与2-D斜移缓冲器的操作与相互关系示出在图2中。传统的立体显象系统1通过将发源在投影平面(未示出)上的一个象素上的视线沿选择的观察方向投射过立方帧缓冲器2而进行操作。视线访问存储在立方帧缓冲器中的多个三维象素14(限定了一个投影射线平面(PRP)16)。限定PRP的三维象素同时被正交束18检索并提供给传送器8。
传送器8提供限定PRP的正交束的三维象素的2-D剪切。这一2-D剪切的作用是使各离散观察视线的所有三维象素沿平行于2-D斜交缓冲器的2-D轴的方向与所提供的斜交视线相对准。一旦这些视线在2-D斜移缓冲器中对准，便能由射线投影树6检索与处理这些斜交视线了。
在射线投影树6接收这些斜交视线之前，将所访问到的斜交视线提供给传送器10。为了使射线投影树6的输入模块的物理顺序次序与各视线的三维象素的顺序次序相匹配，传送器10执行去斜移操作。具体地说，将各视线移位使得各投影射线的第一个三维象素出现在射线投影树的相应的第一输入位置上。然后，射线投影树并行处理各射线的三维象素以便生成一个与该投影射线相关联的象素值。
上面公开的立体显象系统具有实质性缺点和缺陷。首先，系统的操作速度受到可提供0(n2logn)时间的任意平行与正交投影的系统体系结构的限制。第二，射线投影树要求沿特定的朝向将各投影射线提供给它。这在二维斜移缓冲器与射线投影树之间需要有一个传送器，这便增加了系统需要的总体硬件及立体显象所需的时间。第三，传统的系统通过利用最近的不透明离散三维象素只对沿该离散投影射线的点提供离散投影射线的表面近似值而不是沿连续投影射线的实际值。这就会提供对象的某些不精确表示。第四，传送器不能快速地按透视投影(数据的散开与收拢)及实时显象四维(4-D)数据所要求的方式移位数据。
因此，本发明的一个目的是提供比现有立体显象系统操作更快的方法与设备。
本发明的又一个目的是提供比现有立体显象系统更高效的方法与设备。
本发明的再一个目的是提供比现有立体显象系统有更高清晰度并能更精确地表示对象的方法与设备。
本发明的另一目的是提供能够容易支持透视投影及实时显象四维(4-D)数据的方法与设备。
本发明的还另一目的是提供每一投影只须一次从立方帧缓冲器中存取三维象素数据的方法与设备。
本发明的又另一目的是提供克服已知立体显象系统的固有缺点的方法与设备。
作为本公开的结果，将使技术人员知道其它与进一步的目的，并且旨在包含作为所公开的发明的结果而实现的所有这些目的。
发明概要
按照本发明的一种形式，一种用于从一个要求的观察方向(由多条视线所限定)生成一个对象的三维(3-D)立体投影图象的装置，包括至少一个插值机构，它用于以片段的方式(即平行于立方帧缓冲器的任何轴的三维象素数据片段)接收多个三维象素数据信号。插值机构或其它任何适当的机构(即主计算机)沿多条视线的每一条视线生成多个样本点并利用上述三维象素数据信号片段提供多个与这些多个样本点相对应的插入样本点信号。
上述设备还包括连在插值机构上的多个合成单元。多个合成单元中的每个单元均接收来自插值机构的插入样本点信号并将与一条特定的视线相关的插入样本点信号组合起来以便提供多条视线中每一条视线的象素值信号。
所述设备还可包括一个连在插值机构上的3-D存储器，它用于向前述设备提供三维象素数据信号。3-D存储器最好包括一个斜移存储器组织，它允许同时检索多个表示一条三维象素束的三维象素信号(即平行于3-D存储器装置的一条主轴的三维象素射线)。
按照本发明的一种形式，插值机构为三线性插值装置，其中，插值机构所接收的多个三维象素数据信号包含至少四条三维象素束。插值机构利用来自上述至少四条三维象素束中各条象素束中的至少两个三维象素来为各视线样本点生成一个插入样本点值信号。
按照本发明的另一形式，插值机构为双线性插值装置，其中，插值机构所接收的多个三维象素数据信号包含至少两条三维象素束。插值机构利用来自上述至少两条三维象素中各条象素束中的至少两个三维象素来为各视线样本点生成一个插入样本点值信号。
为了实现透视观察及按照本发明的另一形式，插值机构为一线性或高阶插值装置，其中，该插值机构所接收的多个三维象素数据信号包含至少两条三维象素束。线性或高阶插值装置利用来自上述至少两条三维象素束中各条象素束中的多个三维象素来为各视线样本点生成一个插入样本点值信号。
按照本发明的另一形式，所说的多个合成单元包括从前到后合成机构、从后到前合成机构、第一不透明体投影机构、最后不透明体投影机构、最大值投影机构、加权和投影机构、最后到第一断层投影机构以及第一到最后断层投影机构中的至少一种机构，以便为多条视线中各条视线生成象素值信号。
按照本发明的另一形式，所说的设备还可包含一个为多个插入样本点信号中各个信号生成一梯度矢量信号的遮蔽机构。该遮蔽机构可提供梯度矢量信号，它代表着在相应的样本点上的表面倾斜度。通常，遮蔽机构在各插入样本点上将多个插入样本点组合起来。这些插入样本点最好分别是该样本点的前、后、上、下与左、右的点。将差分信号组合起来以便表示出第一样本点上的表面倾斜度。
在本发明的另一实施例中，用于从所要求的观察方向上生成一个对象的三维(3-D)立体投影图象的方法包括选择观察参数以便以特定方式访问存储在立体存储器中的三维象素。包含在观察参数中的有观察方向、屏幕平面位置、要对图象进行投影的朝向以及所要执行的三维象素合成的类型。观察方向限定了多个离散射线平面(投影射线平面(PRP)或三维象素平面)，它们是由多个三维象素构成的。
本发明的方法还包括访问多个离散三维象素束，其中，各离散三维象素束最好基本上平行于立方存储器的一条主轴。然后生成多条视线，每条视线均用于前述显示屏的一个象素。此后，为多条视线中的每一条视线访问第一样本点，并利用与至少两条离散三维象素束相关的信号为各第一样本点确定一个插入三维象素信号，而所说的至少两条离散三维象素束则靠近相应的第一样本点。
所述方法还包括访问用于多条视线中的每一条视线的第二样本点，并利用与靠近该第二样本点的至少两条离散三维象素束相关的信号，为各第二样本点提供一个插入样本点值信号。此后，将用于多条视线中的每条视线的第一与第二插入样本点信号组合起来，并生成随后的插入样本点信号并将这些信号与第一与第二插入样本点信号组合起来以生成一个象素值信号。
然后，按照选择的观察参数变换前述象素值信号以生成经过变换的象素信号。经过变换的象素信号对应于3-D立体投影图象的一个象素并定义了包含彩色、半透明度与轮廓在内的象素特征。此后，用显示装置的相应象素来显示与各连续射线相关的经过变换的象素信号。
本发明的设备与方法在性能、简单性、图象质量、及硬件实现的可扩展性与方便方面超过现有的基于3-D三维象素的图形学方法与体系结构，从而能提供从任何任意方向观察的实时高清晰度平行与透视立体。
从下面结合附图加以阅读的示例性实施例的详细描述中可以看出用于实时立体显象的设备与方法的较佳形式以及本发明的其它实施例、目的、特征与优点。
对附图的简要说明
图1为传统立体显象系统的框图；
图2为展示传统立体显象系统的立方帧缓冲器、视线、正交束、投影射线平面与二维斜移缓冲器的相互关系的图；
图3为按照本发明构成的用于提供来自预定观察方向上的对象的3-D立体投影的设备的功能框图；
图4为将一个立方帧缓冲器与一个二维缓冲器连接起来的互连机构的功能框图；
图5A为本发明的10邻域梯度估算法图；
图5B为本发明的26邻域梯度估算法图；
图5C为本发明的12邻域梯度估算法图；
图5D为本发明的8邻域梯度估算法图；
图6为按本发明构成的投影机构的功能框图；
图7A为本发明所用的第一插值法图；
图7B为本发明所用的第二插值法图；
图8A为平行投影的插值法图；
图8B为透视投影的插值法图；
图8C为平行投影的插值法图；
图8D为透视投影的插值法图；
图9为本发明的改进后的插值法图；
图10为用在本发明的插值法中的最大位移估值图；
图11为展示取决于不同视域的立方帧缓冲器的抽样率的图；
图12为按照本发明构成的用于提供来自预定观察方向上的对象的3-D立体投影的设备的另一种形式的功能框图；
图13为展示作为立体帧缓冲器的一部分的三维象素束及三维象素数据片段的功能图；
图14为本发明的方法的功能图。
图15为展示用于相邻的三维象素束及投影射线平面的三维象素数据的斜移方案的功能图。
图16为本发明的用于提供一对象的3-D立体投影的设备的功能框图。
对最佳实施例的详细说明
本发明的方法与设备能够处理数据并支持基于高清晰度三维象素的数据集合的实时显象。本方法与设备设计成用作基于三维象素的系统，这种系统如本申请的发明人Arie Kaufman的已被授权的专利和未决申请所述，所说的专利和未决申请包括：1991年8月6日作为美国专利5,038,302号授权的“在基于三维象素的系统内将连续三维几何表示转换成基于离散三维象素表示的方法”，1991年10月22日作为美国专利4,987,554号而授权的“在基于三维象素的系统内将多面体对象的连续三维几何表示转换成该对象的基于离散的三维象素的表示的方法”；1991年1月15日作为美国专利4,985,856号而授权的“存储、访问与处理基于三维象素的数据的方法与设备”；由于在1993年3月15日作为’593申请的继续申请的美国序列号08/031,599提交而放弃的1989年5月4日提交的序列号为07/347,593的“在基于三维象素的系统内将二次对象的连续三维几何表示转换成基于离散的三维象素的表示的方法”；1992年3月31日作为美国专利5,101,475号而授权的“生成基于三维象素数据的任意投影的方法与设备”；1993年7月26日提交的作为美国序列号08/097,637的“从任意观察方向的实时立体描绘的方法与设备”；以及1992年3月20日提交的作为美国序列号07/855,223的“用离散表示来生成实际图象的方法与设备”，本文引用了这些参考文件的全部公开内容。
参见图3，本发明的设备20最好包括6个基本组件。这些组件包括：一立方帧缓冲器22，它具有多个能在其中存储三维象素的存储器单元；三个二维(2-D)缓冲器24以及将上述立方帧缓冲器连接于各2-D缓冲器的一个互连机构26。所述立方帧缓冲器为一个组织成n个存储器模块(或存储器片)的三维(3-D)存储器，其中，如在上述参考文件中所描述的那样，每个存储器模块均具有n2个存储器单元，立方帧缓冲器还包含一个独立的双访问与寻址单元(未示出在图中)。如在上述参考文件中所描述的那样，3-D斜移存储器组织能无冲突地访问任何束(即平行于该立方帧缓冲器的主轴的射线)。所述设备还包括一个插值机构28、遮蔽机构30及投影机构32。
立方帧缓冲器22的寻址单元将三维象素映射到立方帧缓冲器的特定存储器单元中以便提供三维象素束的无冲突访问。具体地说，将具有空间坐标(x，y，z)的一个三维象素按下式映射到第K个存储器模块上：
k＝(x+y+z)mod n    0≤k，x，y，z≤n-1
由于是这样访问三维象素束的：使得两个坐标永远是常数，第三坐标保证只有来自一条相应的束的一个三维象素会位于存储器模块的任何一个中。
本发明的各2-D缓冲器24均为具有2n2-n个存储器单元的2-D三维象素存储装置。立方帧缓冲器22由互连机构26连接在2-D缓冲器24上。此后称作“快速总线”的互连机构为支持数据(三维象素束)从立方帧缓冲器到2-D缓冲器的高带宽传送的互连网。快速总线控制三维象素束，包含斜移、去斜移、散开及收拢三维象素束，以便支持平行与透视投影。在一个最佳实施例中，快速总线采用了带有相关的控制单元的多路复用器与收发器以及一条多信道总线来达到实时立体显象所要求的数据传送速度。
立体显象设备中所用的三维象素可由数据采集装置23(诸如扫描器或机器可读信息(M.R.I.)装置)或其它本技术中已知的机构提供。
参见图4，其中示出了用于具有n＝512的立方帧缓冲器22及具有32条总线信道的快速总线的快速总线配置的最佳形式。如图中所示，将立方帧缓冲器的512个存储器模块分成32个各有16个存储器模块的组。结果，存储器模块0-15在快速总线的信道0上传送三维象素信息，存储器模块16-31在快速总线的通道1上传送三维象素信息，以此类推，从而存储器模块496-511在快速总线的通道31上传送三维象素信息。
如上所述，快速总线包含多个多路复用器25，因此将来自立方帧缓冲器22的存储器模块(0-511)的三维象素数据时分多路复用到上述存储器模块组的指定的16位快速总线通道上。表1示出了在快速总线上时分多路复用的存储器模块数据。信号多路复用是通过利用带有与各存储器模块相关的收发器27的时钟输入达到的。
                                  表1
通道 00      01   时间片…                        14             15
  0001...3031  000015...480496  001017...481497     ……...……   014030...494510   015031...495511
如图4中所示，将2-D缓冲器分成32组，其中，各组包含16个存储器模块．对于2-D缓冲器的各存储器模块组来说，将来自快速总线的32条通道的三维象素数据提供给16个存储器模块组的相应的存储器模块。
多路复用器25与收发器27的操作受通常称之为总线通道图的查找表的控制。总线通道图是根据选定的观察参数(即观察方向等)事先计算出来的。选定的观察参数的变化要求重新计算上述查找表。然而，查找表的有限大小允许在不影响系统提供实时立体显象及处理的情况下进行重新计算。
参见图3，本发明的设备20最好还包括一个连接在2-D缓冲器24上的插值机构28。在本发明的一个最佳实施例中，该插值装置为一个三线性(TRILIN)插值机构，它可接收关于最好从选定的观察位置通过立方帧缓冲器24投射的连续视线的信息。沿各视线的平均分隔的位置上指示出样本点。为了确定样本点的插入三维象素值，插值机构利用对应于接近各视线样本点的象素点的三维象素数据进行三线性插值。这些插入的三雏象素值用来提供更精确的立体显象图象。
本发明的设备还可包含一个连接在插值机构22上的遮蔽机构30。另外，也可将遮蔽机构直接连到各2-D缓冲器24上。在本发明的一个最佳实施例中，遮蔽机构接收来自插值机构的视线与样本点信息。此后，遮蔽机构接收靠近各视线样本点的三维象素数据值。更具体地说，遮蔽机构接收紧靠左、右、上、下的离散三维象素射线以及接近当前样本点的视线样本点的值。根据所提供的三维象素信息，通过取接近各样本点的所有三维象素值之差来确定各样本点的梯度矢量，以指示对象的特征中的变化的方向与数量。
图5A与5B示出两种不同的梯度估算方案。最简单的方法(未示出)为6邻域梯度。这一方法利用沿连续射线的相邻样本值之差，即X方向上的P(n，m+1)-P(n，m-1)及Y方向上的P(n+1，m+1)-P(n-1，m-1)。虽然左、右、上、下射线样本在同一平面内且互相垂直，但射线的Y方向上的样本则不然。更重要的是，当观察方向的变化导致从m到n的主轴的变化时，就用P(n+1，m)-P(n-1，m)的值来计算X方向上的梯度。这会导致可观的运动混淆。
在本发明的一种最佳形式中，如图5A中所示，混淆问题是通过执行一次附加的线性插值来防止的。这一附加步骤包括在与当前样本点正交的(黑色样本)位置上重新对邻域射线抽样。这一方法通常称作10邻域梯度估算，并且它解决在对象转动中切换主轴的问题。
参见图5B，说明26邻域梯度的应用。不是从四条相邻的射线中取得样本值，而是从8条相邻的射线中取得26个插入样本，并且，通过取相邻的平面内部与它们之间的差的加权和(即在确定梯度时将最大的权赋予最接近样本点的三维象素)来估算梯度。这一方法能产生较好的总体图象质量，但主轴的切换仍然是明显的，尽管这种切换小于用6邻域梯度方法。
在图5C与5D中所示的本发明的另一种形式中，通过执行一次附加的线性插值来防止混淆问题。这一附加步骤包括在与基平面正交的(白色样本)位置上重新对邻域射线抽样。根据这些新位置的位置，或者必须执行双线性插值或者必须执行线性插值。这些方法通常分别称作12邻域与8邻域梯度估算。这些方法中的每一种方法都能解决在对象转动中切换主轴的问题并提供垂直于数据集合的主轴的梯度矢量。
在透视投影情况中，用相距一个单元的n条射线均匀地对各投影射线平面(PRP)的前面抽样。随着射线向立方帧缓冲器、立体的背面扩散，射线之间的距离会增加，从而利用如前面说明的平均值。
遮蔽机构最好还包含一光矢量查找表。通过知道梯度值及光矢量查找表的值，便能用多种多样的遮蔽法(诸如用本技术中所知的集成Phong遮光器)生成各样本点的亮度。为了显示样本点上的半透明度，利用表示为用样本密度加以索引的查找表的转移函数生成不透明度值。
参见图3并且如前所述，本发明最好还包括一个投影机构(RPC)32。该投影机构接收来自插值机构28的插入三维象素值(它对应于视线样本点)、以各种方法之一将这些插入三维象素值组合起来、并为各视线生成一个象素值。这一象素值对应于正在相应的象素位置上表示的对象或空间的彩色、不透明度与结构。投影机构最好能用从后到前合成、从前到后合成、第一不透明体投影、加权和投影、最后到第一断层投影或第一到最后断层投影(它提供具有特定厚度的对象或区域的剖面的立体显象)之一来将插入三维象素值组合起来。
在本发明的最佳实施例中，投影机构为一射线投影圆锥(RPC)，它采用上述各种投影方案每一时钟周期均生成一个象素值信号。如图6中所示，射线投影机构包含多个输入端口34，它们用于接收多条连续视线中各条视线的多个插入样本信号。连在多个输入端口34的各个端口上的是多个三维象素组合级36。每个三维象素组合级均包括多个三维象素组合单元(VCU)38。如图6中所示，每一个后面的三维象素组合级均包括比前一个三维象素组合级少的VCU。各VCU最好连在三个输入端口34上。然而，在上述最佳实施例中，RPC设计成只选择二个插入样本信号，这两个信号来自三个输入端口或前面的VCU中的两个端口或两个VCU。具体地说，根据所选择的观察方案，各VCU将左与中或右与中的连接选作输入以便接收输入信号。
如图6中所示，RPC为带有n个树叶的折叠(环形)交叉链接二叉树，它能动态地映射到一棵树上，该树的最左侧树叶在RPC的任意端节点上。这就允许处理三维象素视线，从而，能将射线的第一个三维象素提供给RPC的任何输入端口。这又允许将圆锥硬接线到包含三维象素的2-D缓冲器的输出端上。这一结构消除了对用于2-D缓冲器数据的去斜移的一组n个n对1开关单元或桶形移位器的需求，它们在先有技术射线投影机构中是需要的。在本发明的一个最佳实施例中，圆锥的叶中包含TRILIN与遮蔽机构。
最佳的是，RPC将一组沿所述视线的几个插入样本信号接收为输入并为对应于相关视线的象素生成一个象素值信号。如图6中所示，该圆锥为n-1个初级计算节点VCU的分层流水线。在任何给定的时间帧上，圆锥正在以流水作业方式同时处理log n条视线，从而每一时钟周期均为显示器的一个象素生成一个对应的新象素值信号。
可将各三维象素的不透明度与每一三维象素一起预先存储，或者通过在圆锥的叶上的遮蔽机构内部的查找表或转移函数来提供所说的不透明度。在一个最佳实施例中，VCD通过执行下述运算之一生成一个输出信号：
第一不透明体：如果(αL不透明)则V′＝VL
              否则             V′＝VR
最大值：如果(CL＜CR)则V′＝VR
        否则          V′＝VL
加权和：C′＝CL+WKCR
其中，W为加权因子，K为圆锥级(即三维象素组合级的数目)。WK是预先计算的并预先加载进VCU中。应指出，加权和对于深度插入、明视场及X射线射影是有用的。合成是由下式确定的：
C′＝CL+(1-αL)CR
α′＝αL+(1-αL)αR
其中，第一级CVU计算CI＝CIαI，假定这些值为灰度级。这实际上是并行地实现从前到后(或从后到前)合成。将象素值传输到诸如通用主计算机或象素处理器42，在其中执行诸如后遮蔽、溅散与2-D变换或弯曲等后处理。
参见图3，本发明的设备还可包括连接在投影机构上的帧缓冲器40、象素处理器42及显示装置44。最好将投影机构32所生成的象素值信号提供给存储各象素值信号的帧缓冲器40、提供给象素处理器42以进行2-D变换、滤波或弯曲，此后提供给显示装置44以进行视觉显示。如本技术中所知的那样，象素处理器42变换象素值信号使之能正确地显示在显示装置上。
参见图7-11说明确定插入样本值信号的插值机构28与方法。本发明的插值机构28通过8个周围三维象素并按下式进行插入而在非三维象素的位置上生成一个三维象素值信号：
          Pabc＝P000(1-a)(1-b)(1-c)+P100a(1-b)(1-c)+
                P010(1-a)b(1-c)+P001(1-a)(1-b)c+
                P101a(1-b)+P011(1-a)bc+
                P110ab(1-c)+P111abc.
一个相应的样本点在立方帧缓冲器内相对于最接近原点的角三维象素的相对3-D坐标为(a，b，c)。与立方帧缓冲器的角三维象素相关的数据值为Pijk，其中i，j，k＝0或1，而与样本点相关的插入数据值为Pabc。不同的优化旨在减少这一方法的计算复杂性，但取出各样本点的8个邻接三维象素的任何存储器访问均会使之成为立体描绘中最耗时间的操作。
通过变换存储在立方帧缓冲器中的PRP的离散射线从而使它们对准，并将它们存储在上述两个2-D缓冲器中，能够极大地减少数据存取时间。不是取出各重新抽样位置的三维象素的8个邻域而是从缓冲器中取出四条离散射线，即：从当前射线的上、下投影射线平面(PRP)中各取两条射线。这些投影射线平面是从2-D缓冲器中提供的。在插值法的并行实现中，邻接射线位于邻接插值模块中，从而只需要邻居之间的一个三维象素单元的一次本地移位操作。
图7A与7B中示出一种插值法。参见图7A，利用邻近的离散射线50(白)与52(黑)的样本之间双线性插值插入连续射线48上的样本点46。可利用来自离散射线50、52的四个三维象素正确地插入连续射线48的第一样本点，因为，四个三维象素构成一个矩形(即射线并不向左或右进一离散步)。
一旦如在沿连续射线48的第二与第四样本的情况那样所述离散射线向左或右步进，四个邻接的三维象素便会构成一个平行四边形，从而，直接的双线性插值不能提供精确的三维象素样本值。因此，需要带灰色阴影的正方形三维象素54、56以产生更精确的结果。然而，这些三维象素却位于离开连续射线48两个单位的离散射线上。
参见图7B，其中对透视投影示出了不利用最佳三维象素点来提供插入样本信号的问题。由于对透视观察来说离散射线是扩散的，所以，正确的相邻三维象素并不存储在2-D缓冲器中。例如，只有离散射线62的两个三维象素58、60对连续射线66的第三样本点64的正确插值起作用。在3-D情况中，对于透视投影来说，在样本点64的紧接邻域中可丢失多达6个三维象素。
解决方案是将所述方法分成四次线性及一次双线性插值从而执行剪切三线性插值。不是象前述方法中所做的那样相对于最接近原点的角三维象素指定样本位置，而是沿连续射线的各3-D坐标中包含有用于沿可能的剪切三维象素邻域中的各轴的线性插值的相对加权值。可预先计算这些加权值并将其存储在模板中。
参见图8A-8D，它们示出了用于平行投影(图8A与图8C)及透视投影(8B与8D)的3-D中插值所需要的步骤。首先，利用存储在2-D缓冲器中的四条相邻离散射线的8个三维象素在主轴方向上(Z轴为连续射线的主行进方向)执行四次线性插值。如图8A与8B中所示，这8个三维象素是用于平行投影的斜平行六面体的或用于透视投影的截头四棱锥体的8个顶点。四个三维象素各位于相距一个单位的两个分离的平面上，它们按着穿过主轴方向的射线遇到的先后次序，通常称作前或后平面。因此，只需对应于前平面与射线样本点之间的距离存储一个加权因子。得出的四个插入值构成一个矩形并能将其双线性地插入以产生最终的插入抽样值。这一双线性插值分成角值之间的两次线性插值及边值之间的最终线性插值。图8C与8D中，这称作X方向上的两次插值，其后是在Y方向上的一次插值。
对应于连续射线的样本点最好位于四条周围离散射线上的三维象素所限定的多面体的内部。在构成离散射线时，所有连续射线都始于基平面的整数位置(即它们与立体数据集的第一片段的三维象素重合)。如图9中所示，在射线投射中采用这些射线能有效地将三线性插值降级成双线性插值，因为沿射线的所有样本点都落在平行六面体或截头四棱锥体的前平面上。
参见图9(无位移图)，利用基平面上的X与Y整数位置允许在射线穿过的主方向上相对基平面的位移作为自由度，并使剪切三线性插值能够进行。然而，如图9(越出范围位移图)中所示，对于主方向上相对较大的位移来说，沿射线的某些样本可能会落在离散射线所限定的边界框外面。
参见图10，将一个连续观察矢量分解成X轴上的dx分量(3-D中dx与dy)与主轴(Y轴)方向上的一个单位矢量。通过沿主轴方向步进，为了得到新的样本位置，可将观察矢量加在当前样本位置上。
假定在当前样本位置上加上dx会导致离散射线在X方向上的步进。只有在当前样本位置相对于左下角三维象素就正的dx而言具有大于1-dx(或者就负的dx而言小于1+dx)的相对X位移时才出现这一步进。换言之，当前样本位置处于如图10所示的具有dx乘1的边的矩形内部。然而，只有这一矩形的阴影区中包含着由角三维象素限定的平行六面体内的样本位置。取主轴上的最小边作为最坏情况，这意味着对于正的dx来说，范围内的样本具有不大于1-dx的最大相对y位移(对于负的dx来说不小于1+dx)。
由于步进是靠主轴方向上的单位矢量执行的，所以，沿连续射线的所有相对位移均取决于第一射线样本相对基平面的位移。以上结论很容易推广到3-D上，使主轴方向上的最大的允许位移成为：
      min(1-dx，1-dy)，    dx，dy≥0
      min(1+dx，1-dy)，    dx＜0，dy≥0
      min(1-dx，1+dy)，    dx≥0，dy＜0
      min(1+dx，1+dy)，    dx，dy＜0，
其中，dx与dy分别为观察矢量在x与y方向上的分量。注意，对于45°视角来说，dx与dy为1，从而产生位移0以及图9中所示的双线性插值。
在本发明的上述最佳实施例中，用样本之间的均匀距离将一条单一的射线从图象平面的原点发射到基平面上，并在射线穿过基平面之后沿第一样本的主方向选择位移。必要时，重复地减小所述位移直到满足以上条件为止。这就会导致沿行进的主方向有依赖于观察的位移及对数据集的不定的重新抽样。根据观察方向的重新抽样点的变化是交互式显象的一个优点，因为，这能揭示更多的内部数据结构。
各离散射线包含n个三维象素，它们与观察方向无关。由于与主轴的最大视角差不大于45度，所以，立体抽样率是由通过立方体的对角线所限定的并且是正交观察的
Figure A9519597200271
倍。已经发现，对于射线合成来说，由于合成算子的平均性质这不是一种重要考虑。
更严重的问题是样本邻域的变化范围。对于平行投影，包围样本点的8个三维象素或者构成一个边长为一的立方体或者构成图8A中所示的一个斜平行六面体。但是，对于透视投影来说，周围的三维象素可构成图8B中的带有平行的前与后平面的截头四棱锥体。由于射线向数据集后方的扩散，这一截头锥体覆盖的列会增加，从而降低了三线性插值的精度。然而，业已发现，对于2563的数据集，相邻的离散射线之间的距离在立体结束处永远不会超过两个三维象素，同时仍能获得高度的透视性。再者，在典型的数据集中，立体背面的样本由于沿射线的合成而对最终象素彩色影响很小。
透视投影中的投影中心(C)与视域(FOV)也影响抽样率。离散线算法在每一基平面象素上正好投射一条射线，或者每一条扫描线最多2n条射线。参见图11，在FOV延伸跨越数据集的情况下，就能保证比正常图象次序射线投射有更好的抽样，后者会投射出n条扫描FOV的射线并发出不命中数据集的无用射线。然而，对于小的FOV来说，离散线步进会在基平面的活跃区中产生抽样不足。图11的第三示例示出两个基平面图象对最终视图象起作用的情况。对单一透视图象来说，这是在生成三个基平面的投影时的最坏情况。
从以上描述中显而易见，由于包含在本发明中的插值与遮蔽，本发明的设备与方法提供了对正在显示的对象或景象的更精确的表示。此外，由于本发明并不需要先有技术装置中使用的传送器或类似装置，所以，本发明的设备比先有技术系统能更高效与更快地进行操作，因为，数据处理是以高度并行方式“飞速”执行的。具体地说，与在0(n2logn)时间内完成操作的先有技术系统相比，本设备与方法可在0(n2)时间内完成操作。此外，由于互连机构既能执行平行投影的去斜移又能执行透视投影的收拢(即一种数据压缩方式)，所以，本发明能够支持透视投影及四维(4-D)数据的实时显象。
参见图12，其中示出本发明的另一实施例70。本发明的另一实施例的设备最好包括一个立方帧缓冲器(CFB)22，它具有多个如上面描述的能在其中存储三维象素数据的存储器单元。本发明的上述另一形式的立方帧缓冲器可包含一个能够进行无冲突访问任何三维象素束72(即平行于立体帧缓冲器的主轴的射线)的3-D斜移存储器组织，如图13中所示。上述设备还包含一个第一二维缓冲器73、一个插值机构(TRILIN)28、两个二维缓冲器24、遮蔽机构30及合成机构74。连在合成机构的输出端上的是用于生成三维(3-D)立体投影图象的一个象素处理器42、帧缓冲器40及显示装置44。必要时，象素处理器42与帧缓冲器40的相对位置可以互换。
在本发明的另一形式中，所说的方法包括为显示装置44的多个象素中每一个象素均生成一条视线。在各视线穿过CFB时，视线可改变其X、Y与Z坐标中任何一个。上述多条视线限定了通过立方帧缓冲器的观察方向。上述方法还包括生成沿各视线的等间隔样本点。为了将一个值信号分配给视线上的各样本点，利用分配给CFB内的三维象素的值来进行插值处理。具体地说，从立方帧缓冲器中检索出三维象素束。一条三维象素束是平行于立方帧缓冲器的主轴(X，Y或Z)的三维象素的任何离散的行、列或轴。在本发明的一个实施例中，接连地检索出包含n束三维象素的两个n×1三维象素数据信号片段76(如图13中所示)并将其提供给插值机构28。这些三维象素数据信号片段可以基本上平行于3-D存储器的主轴(即平行于基平面的法线)或基本上垂直于3-D存储器的主轴(即平行于基平面)。虽然将两个完整的n×1三维象素数据片段提供给插值机构并将它们用于多条视线中的各条视线，如上所述，但为了简化起见，将限于一组视线进行说明。
在本发明的另一实施例中，接连地检索出包含n束三维象素的一个n×1三维象素数据信号片段76(如图13中所示)并将其提供给插值机构28。这些三维象素数据信号片可以基本上平行于3-D存储器的主轴(即平行于基平面的法线)或基本上垂直于3-D存储器的主轴(即平行于基平面)。对于平行观察来说，插值机构为一个双线性或高阶装置。另一方面，对于透视观察来说，插值机构为一个线性或高阶装置，它利用了n×1片段内的较大的三维象素邻域。预见到不仅可利用三维象素数据的一个片段，而且可访问多片段以便生成插入样本点信号。
参见图14，其中示出了本发明的一个实施例。穿过立方帧缓冲器22的多条视线78中的每一条视线(及其上面的对应样本点)均由CFB内的两个投影射线平面(PRP)所限定。这两个PRP通常称作顶PRP80及底PRP82。本发明的方法包括访问来自顶PRP80的第一三维象素信号束81及来自底PRP82的第一三维象素信号束83。将各三维象素束81、83提供给插值机构的“背面”输入端，如图14中所示。
参见图15，它显示出从立方帧缓冲器(CFB)存储器上移开了顶与底PRP80、82。根据前述斜移方案，具有3-D坐标X，Y与Z的三维象素数据在物理上存储于存储器模块号
K＝(X+Y+Z)mod n (0≤k，x，y，z≤n-1)之中，其中，n为立方存储器的大小。平面中的数字表示给定一定的Y与Z坐标时将从模块K中读取的一个三维象素的X坐标。从图中显而易见，来自同一PRP中的相邻束的三维象素与来自不同PRP的相邻束的三维象素具有不同的X坐标次序(即斜移差1)。本发明中，对相邻三维象素束之间的这一斜移差进行补偿，以便在访问三维象素数据信号时通过提供移位来对准各三维象素束的适当三维象素值(即具有相同X坐标值的三维象素)。
如图14中所示，最好通过在不使三维象素数据信号移位的情况下将底PRP82提供给插值机构28的背面、并在负K方向上移位一个单位的情况下将顶PRP80提供给插值机构的背面，从而来实现三维象素数据信号的对准。
本发明的方法还包括在下一时钟周期中将第一与第二三维象素平面的第一三维象素束从插值机构的“背面”移动到“正面”。此外，将来自顶PRP80的第二三维象素束及来自底PRP82的第二三维象素束提供给插值机构28的“背面”输入端。由于如图15中所示的各PRP的第一三维象素束与第二三维象素束之间的数据斜移，在将它们从插值机构的“背面”提供给“正面”时，会使顶与底PRP80、82两者的第一三维象素束在正K方向上都移位一个位置。因此，当四个相对的三维象素束出现在插值机构中时，各三维象素束的三维象素会是对准的，从而，会有正确的8个三维象素邻域来为各视线的一个样本点执行三线性插值。结果，四个三维象素束同时位于插值机构中。
上述三维象素从立方帧缓冲器22到插值机构28的“背面”输入端及从插值机构的“背面”输入端到“正面”的移位发生在各时钟周期中。然而，如果存储在立方帧缓冲器中的三维象素数据是未斜移的，则不需要三维象素束、插入样本点信号或遮蔽样本点信号的移位。
一旦移位了顶与底PRP80、82的第一与第二三维象素束并将它们正确地定向，插值机构28便为各视线的第一样本点生成一个插入样本点信号。
在本发明的一个最佳实施例中，插值机构28为一个三线性插值机构(TRILIN)。为了执行三线性插值，必须利用构成视线样本点周围的一个小室的8个邻接三维象素。另外，可以利用使用了8个三维象素邻域内部或外部的三维象素的双线性插值或高阶插值机构(即少于或多于8个三维象素值)。
当观察方向(即视线)在Y方向上具有正或负分量时，便采用简单的步进方案来正确地对准相邻三维象素平面中的三维象素束。从立方帧缓冲器到插值机构的“背面”输入端及从插值机构的“背面”输入端到“正面”的步进方案如下：
        三维象素在K方向上的移位Y步长          从CFB到背                                    从背面到正
           面的移位                                     面的移位
-1 底平面→无移位顶平面→-1移位 底平面→无移位顶平面→无移位
0 底平面→无移位顶平面→-1移位 底平面→+1移位顶平面→+1移位
+1 底平面→无移位顶平面→-1移位 底平面→+2移位顶平面→+2移位
一旦确定了插入样本点，所说的方法还包括通过将插入样本点信号提供给缓冲器84以便临时存储在其中而为各插入样本点信号生成一个梯度估算信号。缓冲器最好包含一个上面缓冲器86、当前缓冲器88及下面缓冲器90。然而，所述方法也能用这三个缓冲器中的任何两个来加以实现。梯度估算信号提供特定插入样本点上表面倾斜度的指示。在本发明的一种最佳形式中，需要关于一个特定插入样本点的三对插入样本点信号来生成一个梯度估算信号。鉴于需要三对三维象素，所以能通过确定选定的插入样本点之间的中心差来计算所有方向(上与下、前与后、右到左)上的实际差。
为了确定主方向(即沿Z观察方向)上的梯度差，遮蔽机构有必要访问当前缓冲器内相隔两个时钟周期的两个插入样本点束(即预定样本的前一个束与后一个束)。
图14示出了上面、当前与下面缓冲器86、88、90中各缓冲器同时将一组插入样本点输出到遮蔽机构30。然而，由于三维象素数据在CFB内的斜移，这些插入样本点信号并不象要求的那样在上面、当前与下面缓冲器中对准。为了正确地对准上面与当前缓冲器内的插入样本点信号，最好在遮蔽机构30内将当前缓冲器的插入样本点信号在正的K方向上移位一个位置。为了正确地对准上面与下面缓冲器中的插入样本点信号，最好在遮蔽机构内将下面缓冲器样本点信号在正的K方向上移位两个位置。此外，最好将来自上面与下面缓冲器的插入样本点信号延迟一个时钟周期以便与当前缓冲器中的插入样本点信号对准。移位与延迟的组合补偿了上面、下面与当前缓冲器所提供的插入样本点信号之间的斜移差。
利用遮蔽机构30中得到的正确地对准了的插入样本点信号，便可以利用上述遮蔽机构与梯度估算法在每一时钟周期上为各插入样本点信号精确地计算梯度差。最好在紧靠左与右、上与下以及沿视线(即当前样本点的前与后)的插入样本点信号之间取中心差。遮蔽机构最好还包括一个光矢量查找表。通过通知梯度值及光矢量查找表的值，便可用多种遮蔽法(诸如用本技术中已知的集成Phong遮光器)生成各样本点的亮度。如本技术中已知的那样，为了显示一个样本点上的不透明度，可利用按样本密度与/或梯度值访问的最好表示为2-D或3-D查找表的转移函数或其它索引方法来生成不透明度值。
当观察方向(即视线)在Y方向上具有单一的正或负分量时，便采用简单的步进或移位方式以便在遮蔽单元中将插入样本值信号与相邻的插入样本值信号组正确地对准。具体地说，从上、下与当前缓冲器到遮蔽机构30有下述插入样本值信号的移位：
                 K方向上的插入样本移位
  Y步         从ABC缓冲器到                            遮蔽机构内
  长           遮蔽机构的移位                           的移位
-1 上平面→无移位当前平面→无移位下平面→+2移位 上平面→-1移位当前平面→无移位下平面→-1移位
0 上平面→无移位当前平面→+无移位下平面→+2移位 上平面→无移位当前平面→+1移位下平面→无移位
+1 上平面→无移位当前平面→无移位下平面→+2移位 上平面→+1移位当前平面→+2移位下平面→+1移位
一旦为当前缓冲器的各插入样本点计算出了梯度估算值，便将包括有遮蔽分量的各插入样本点信号提供给沿相应视线对样本点进行合成操作的合成机构74。由于遮蔽机构所输出的遮蔽样本值信号束仍然是斜移的，所以，不能用单一的合成单元来完成单一的正交射线合成，具体地说，在本发明的一个最佳实施例中，视线的各插入样本点是在一个不同的合成机构中合成的。由于两个相邻的三维象素束之间存在斜移差，所以，就图14所示的各个相邻的合成步骤而言，必须向各相邻的合成射线的合成结果提供正K方向上的一个单位步长。对于具有X与/或Y上的步长(正，负或无)的任何视线来说，从遮蔽机构到合成机构的遮蔽样本值信号的移位如下：
        K方向上的梯度样本值移位
Y     X     负     无     正
   负     -1     0     1
   无     0     1     2
   正     1     2     3
合成机构内执行的插入样本点合成基本上按上面说明的同一方法进行。具体地说，合成机构能用从后到前合成法、从前到后合成法、第一不透明体投影法、加权和投影法、最后到第一断层投影法或第一到最后断层投影法中的一种或其它任何已知的合成技术来组合插入三维象素值。
一旦合成了插入样本点，便例如将它们提供给通用主计算机或象素处理器42，在其中执行诸如后遮蔽、溅散与2-D变换或弯曲等后处理。用于在显示装置44上显示的象素处理最好象前面说明的那样进行。
在本发明的另一形式中，从3-D存储器中访问三维象素数据信号的一个片段。三维象素数据信号的各个片段基本上平行于3-D存储器的基平面。上述三维象素数据片段包含提供给插值机构的多个三维象素数据束。在本实施例中，插值机构只有一面(背面或正面之一)。对于平行观察来说，插值机构为双线性或高阶装置，其中的插值利用了来自一个片段的三维象素。对于透视观察来说，插值机构为利用来自一个片段的三维象素的较大邻域的线性或高阶装置。此后，将插入三维象素值信号提供给前述上、下与当前缓冲器86、88、90。
上述方法能够支持存储在3-D存储器中的对象的平行与透视观察。对于透视观察来说，由于视线基本上是扩散的(即不平行的)，所以，不能利用为任何一条视线访问的三维象素数据信号片段来为任何其它视线确定插入样本值信号。因此，各视线均要求访问单独的三维象素平面。遮蔽机构与合成机构也是这样要求的。
参见图16，其中示出了所述设备的实施例的更详细的互连图。图16中示出包含一个先进先出缓冲器(FIFO缓冲器)84的CFB22的五个存储器单元75的实例。这五个存储器单元75均不能同时输出两个束，但通过包含FIFO缓冲器，为PRP之一提供一片存储器。上述设备还包含根据上述立方帧缓冲器与插值机构之间的移位要求而连在FIFO缓冲器与存储器单元上的五个插值机构(TRILIN)28。这五个插值机构28利用用于上、下与当前平面之一的直接连接以及用于其余两个上、下与当前平面的FIFO缓冲器连在五个遮蔽机构30上。遮蔽机构30根据上述TRILIN与遮蔽机构之间的移位要求在相邻的遮蔽机构之间互连。所述设备还包括五个合成单元74，它们最好直接连在相应的遮蔽机构上以接收来自各遮蔽机构的输出信号。各合成单元均执行上述投影方法。根据所述设备的各部件的以及它们之间的上述数据移位要求，各部件的互连是显而易见的。合成机构所提供的输出信号输出到将合成机构输出信号传给象素处理器42、帧缓冲器40与显示装置44以生成立体图象的象素总线88。
本发明的上述另一实施例是有优点的，因为，它是这样的新颖射线投射方法与设备，这种方法与设备将沿视线的样本点均匀地映射到三维象素上，从而避免了插值机构与遮蔽机构多次访问三维象素数据。本发明的方法与设备每一次投影均只访问立方帧缓冲器(CFB)中的各三维象素一次。这便允许有正常的存储器访问模式，这些模式会导致高效率并实现对动态变化的3D数据集进行显象所需的实时性能速率。
虽然这里参照附图描述了本发明的示例性实施例，但应认识到，本发明并不限于这些精确的实施例，并且，熟悉本技术的人员能在不脱离本发明的范围与精神的情况下进行各种其它的改变与修正。

Claims (61)

1.一种用于生成具有多个象素的三维(3-D)立体投影图象的方法，该方法利用存储在立方存储器中的离散三维象素，各三维象素至少具有至少一个与之相关联的三维象素信号，上述方法包括：
a)选择观察参数来访问存储在立方存储器中的三维象素；
b)根据上述观察参数在立方存储器内生成多条离散射线，多条离散射线中的各条射线均由存储在前述立方存储器中的多个三维象素组成，所述多条离散射线限定了多个离散射线平面，这些离散射线平面中的各个平面均由多个三维象素组成；
c)生成第一连续射线并沿该第一连续射线限定多个第一连续射线样本点；
d)利用与接近上述第一连续射线的至少两个离散射线平面的三维象素相关联的信号为前述多个第一连续射线样本点的各个样本点确定一个插入三维象素信号；
e)将用于前述多个第一连续射线样本点的各个样本点的插入三维象素信号组合起来以生成与3-D立体投影图象的相应象素相关联的象素信号，该象素信号限定了相应象素的特征；以及
f)显示与上述多条连续射线的各条射线相关的象素。
2.权利要求1所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
为上述多个第一连续射线样本点的各个样本点确定一个梯度矢量信号，该梯度矢量可指示表面倾斜度。
3.权利要求2所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
规范化上述多个第一连续射线样本点的各个样本点的梯度矢量信号以提供多个规范化的梯度矢量信号。
4.权利要求3所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
将上述多个规范化梯度矢量信号中的各个信号与一个遮蔽模型信号组合起来以提供用于前述多个第一连续射线样本点中的各个样本点的遮蔽信号，该遮蔽信号可提供对象在对应位置上的3-D真实感。
5.权利要求3所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
将上述多个规范化梯度矢量信号中的各个信号与一个不透明度函数信号组合起来以提供用于前述多个第一连续射线样本点中的各个样本点的不透明度信号，该不透明度信号可表示对象在对应位置上的半透明真实感。
6.权利要求2所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
a)确定接近第一连续射线的第一样本点的至少四条连续射线；
b)确定接近第一样本点的第一连续射线的至少第二与第三样本点；
c)确定沿上述至少四条连续射线的各条射线的一个样本点，各样本点均接近第一连续射线的第一样本点；以及
d)将与第一连续射线的至少第二与第三样本点相关的插入三维象素信号和与至少四条连续射线的样本点相关的三维象素信号组合起来。
7.权利要求6所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，所述至少四条连续射线的各样本点限定第一样本点上垂直于第一连续射线的平面与前述至少四条相邻的连续射线的相应射线之间的一个交点。
8.权利要求2所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
从与至少一个第二样本点相关的三维象素信号中减去与至少一个第一样本点相关的三维象素信号。
9.权利要求8所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
a)将与所述至少第一样本点相关的三维象素信号乘以一个第一加权因子；以及
b)将与所述至少第二样本点相关的三维象素信号乘以一个第二加权因子。
10.权利要求1所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
重新定向上述多条离散射线中的各条射线的多个三维象素以提供多条对准的离散射线，这些对准的离散射线可提供多个对准的离散射线平面。
11.权利要求10所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
在平行于上述对准的离散射线平面的一条轴的方向上对准所述多条对准的离散射线的各条射线的三维象素。
12.权利要求10所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
存储前述斜移朝向上的多条对准的离散射线的各条射线的三维象素。
13.权利要求1所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
a)确定接近第一连续射线的至少第一、第二、第三与第四离散射线；
b)确定第一连续射线的一个第一样本点；
c)确定沿接近第一连续射线的第一样本点的至少第一、第二、第三与第四离散射线的各条射线的至少一个三维象素；以及
d)利用沿至少第一、第二、第三与第四离散射线的各条射线的至少一个三维象素来插入与第一样本点相关的一个第一样本点信号。
14.权利要求13所限定的用于从预定观察方向生成一个对象的三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
a)确定沿至少第一、第二、第三与第四离散射线的各条射线的至少第一与第二个三维象素，该至少第一与第二个三维象素接近第一连续射线的第一样本点；以及
b)在上述至少第一与第二个三维象素之间插入第一样本点的三维象素信号。
15.权利要求14所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，步骤(b)还包括：
a)在第一、第二、第三与第四离散射线的各个射线的第一与第二个三维象素信号之间进行线性插值以提供第一、第二、第三与第四线性插入样本信号；
b)在第一与第二线性插入样本之间进行线性插值以提供第一双线性插入样本信号；
c)在第三与第四线性插入样本之间进行线性插值以提供第二双线性插入样本信号；
d)在第一双线性插入样本信号与第二双线性插入样本信号之间进行线性插值以提供第一样本点的三维象素信号。
16.权利要求1所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，步骤(e)还包括：
进行插入三维象素信号的从后到前合成、从前到后合成、第一不透明体投影、最后不透明体投影、最大值投影、加权和投影、第一到最后断层投影及最后到第一断层投影中至少一种。
17.权利要求1所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，步骤(e)还包括：
a)对于包含一个第一插入三维象素信号、一个最后插入三维象素信号及它们之间的相对插入三维象素信号在内的多个插入三维象素信号，识别出插入三维象素信号次序；以及
b)将上述第一插入三维象素信号提供给投影机构的任意输入端口；
c)以卷绕方式将上述多个插入三维象素信号提供给投影机构的串行端口。
18.权利要求1所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
按照所选定的观察参数变换象素信号以提供经过变换的象素信号。
19.权利要求1所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
扫描一个对象或区域之一并对其作出响应生成三维象素，将所述三维象素提供给存储器装置以将其存储在该存储器装置中。
20.一种用于生成三维(3-D)立体投影图象的设备，该设备包括：
a)至少两个二维(2-D)存储器，每个存储器均能够存储提供给它的三维象素；
b)连接在上述至少两个2-D存储器上的一个插值机构，该插值机构可接收来自上述至少两个2-D存储器的三维象素并为多个连续射线样本点提供多个插入样本信号；以及
c)连接在上述插值机构上的一个投影机构，该投影机构可接收用于上述多条连续射线中的各条射线的多个插入样本信号，上述投影机构为上述多条连续射线的各条射线生成一个象素值信号，该象素值信号对应于3-D立体投影图象的一个象素。
21.权利要求20所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
一个三维(3-D)存储器，它具有能够在其中存储三维象素的多个存储器模块，上述3-D存储器连在所述至少两个2-D存储器上并向它们提供三维象素。
22.权利要求21所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述3-D存储器具有用于存储三维象素的斜移组织，该斜移组织允许基本上同时检索平行于前述3-D存储器的一条轴的多个第一三维象素，这些多个第一三维象素表示一个三维象素束。
23.权利要求21所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
连在前述3-D存储器与至少两个2-D存储器之间的一个互连机构，该互连机构可接收来自3-D存储器的多个三维象素，该互连机构可重新定向前述多个三维象素以提供一条对准的离散射线，将该对准的离散射线提供给该至少两个2-D存储器之一以将其存储在该2-D存储器中。
24.权利要求20所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述插值机构包括：
一个三线性插值装置(TRILIN)，该TRILIN可生成多个连续射线样本点，该TRILIN可接收来自上述至少两个2-D存储器的多个三维象素，这些三维象素限定了至少四条离散射线，所述TRILIN利用来自前述至少四条离散射线的各条射线的至少两个三维象素来为所述多个连续射线样本点的各样本点确定一个插入样本值信号。
25.权利要求20所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述投影机构还包括：
用于接收前述多个插入样本信号的多个输入端口，所说的多个插入样本信号中包含限定样本信号次序的一个第一样本信号、一个最后样本信号及它们之间的对应样本信号，将所述第一样本信号提供给投影机构的多个输入端口中任意一个输入端口，以卷绕方式将多个插入样本信号提供给前述多个输入端口。
26.权利要求25所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述投影机构还包括：
一个三维象素组合单元(VCU)，它具有一个输入端口及一个输出端口，所述VCU的输入端口连在投影机构的至少三个输入端口上，上述VCU可接收至少两个插入样本信号及对其作出响应提供一个VCU输出信号。
27.权利要求28所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述投影机构还包括：
至少第一、第二及第三三维象素组合单元(VCU)，上述至少第一、第二及第三VCU中的每一个均具有一个输入端口及一个输出端口，各个VCU的输入端口连在投影机构的至少三个输入端口上，上述至少第一、第二及第三多个VCU中的各VCU均可接收至少两个插入样本信号，所述至少第一、第二及第三VCU在相应的输出端口上提供各自的第一、第二及第三中间值信号；以及
具有一个输入端口及一个输出端口的至少一个第四VCU，该至少第四VCU的输入端口连接在第一、第二及第三VCU的至少三个输出端口上，该第四VCU可接收第一、第二及第三中间值信号中的至少两个并对其作出响应，在相应的输出端口上提供一个象素值信号。
28.权利要求25所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述投影机构还包括：
至少第一、第二及第三三维象素组合级的一个级联结构，该第一、第二及第三三维象素组合级中的每个组合级均包含一个三维象素组合单元(VCU)，第三三维象素组合级包含比第二三维象素组合级少的VCU，而第二三维象素组合级则包含比第一三维象素组合级少的VCU。
29.权利要求20所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述投影机构还包括：
用于为前述多条连续射线的每条射线均生成象素值信号的从前到后合成机构、第一不透明体投影机构、最后不透明体投影机构、最大值投影机构、加权和投影机构、最后到第一断层投影机构及第一到最后断层投影机构中至少一个。
30.权利要求20所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
一个遮蔽机构，该遮蔽机构利用沿多条连续射线的多个样本点，该遮蔽机构为上述多个连续射线样本点中的各样本点均确定一个梯度矢量信号，上述遮蔽机构访问接近上述多个连续射线样本点中各样本点的三维象素并将它们组合起来，上述梯度矢量信号表示接近所述多个连续射线样本点中各样本点的表面倾斜度。
31.权利要求20所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
连接在所述投影机构上的一个帧缓冲器，该帧缓冲器可接收来自投影机构的多个象素值信号并将这些象素值信号存储在其中。
32.权利要求31所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
一个象素处理机构，该象素处理机构连接在帧缓冲器上并接收多个象素值信号，该象素处理机构可修改上述多个象素信号中的每个信号并生成多个象素显示信号。
33.权利要求32所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
连接在该象素处理机构上的一个显示机构，该显示机构具有多个象素，该显示机构可接收来自象素处理机构的多个象素显示信号，这些象素显示信号中的每个信号对应于显示机构的多个象素之一，上述显示机构可提供一个3-D立体投影图象。
34.权利要求20所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
一个数据采集机构，该数据采集机构扫描一个对象或区域之一并对其作出响应生成三维象素。
35.一种用于生成具有多个象素的三维(3-D)立体投影图象的方法，该方法利用存储在一个3-D存储器中的离散三维象素，各三维象素具有与之相关的至少一个三维象素信号，上述方法包括：
a)选择观察参数以访问存储在3-D存储器中的三维象素，这些观察参数限定了一个观察方向，该观察方向限定了所述3-D存储器的一个基平面及多条视线；
b)访问多个离散三维象素束，每个离散三维象素束均基本上平行于前述3-D存储器的基平面；
c)为上述多条视线中各条视线生成一个第一样本点；
d)利用与接近一个相应第一样本点的至少一个离散三维象素束的三维象素相关的信号，为上述多条视线的各个第一样本点确定一个插入三维象素信号；
e)为上述多条视线的各条视线均生成一个第二样本点；
f)利用与接近一个相应第二样本点的至少一个离散三维象素束的三维象素相关的信号为上述多条视线的各第二样本点确定一个插入三维象素信号；
g)将用于上述多条视线中每条视线的第一与第二样本点插入三维象素信号组合起来以生成与该3-D立体投影图象的一个对应象素相关的一个象素信号，该象素信号限定了一个对应象素的特征；以及
h)根据上述象素信号显示与所述多条视线中各条视线相关的象素。
36.权利要求35所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
为上述多个第一与第二样本点中每个样本点均确定一个梯度矢量信号，该梯度矢量可表示表面倾斜度。
37.权利要求36所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
规范化上述多个第一与第二样本点的各样本点的梯度矢量信号以提供多个第一与第二规范化梯度矢量信号。
38.权利要求37所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
将上述多个第一与第二规范化梯度矢量信号的每个信号与一个遮蔽模型信号组合起来，以提供用于上述多个第一与第二样本点的各样本点的一个遮蔽信号，该遮蔽信号可表示对象在对应位置上的3-D真实感。
39.权利要求37所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
将上述多个第一与第二规范化梯度矢量信号的每个信号与一个不透明度函数信号组合起来以提供用于上述多个第一与第二样本点的各样本点的一个不透明度信号，该不透明度信号可表示对象在对应位置上的半透明度真实感。
40.权利要求36所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
a)确定接近第一连续射线的第一梯度样本点的至少四个插入样本点信号；
b)确定接近第一梯度样本点的至少第五与第六插入样本点信号；以及
c)将上述至少四个插入样本点信号与该至少第五与第六插入样本点信号组合起来。
41.权利要求40所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，所说的至少四个插入样本点限定了一个平面，并且，所说的至少第五与第六插入样本点信号限定了一条垂直于由前述至少四个插入样本点所限定的平面的线段。
42.权利要求42所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，所说的至少第五与第六插入样本点信号是利用线性插值、线性插值与高阶插值中至少一种生成的。
43.权利要求36所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
从与至少第二梯度样本点相关的三维象素信号中减去与至少第一梯度样本点相关的三维象素信号。
44.权利要求43所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
a)将与上述至少第一梯度样本点相关的三维象素信号乘以一个第一加权因子；以及
b)将与上述至少第二梯度样本点相关的三维象素信号乘以一个第二加权因子。
45.权利要求35所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，步骤(d)与(f)中的至少一个步骤还包括：
a)在各第一、第二、第三与第四离散三维象素束的至少与第二三维象素信号之间进行线性插值，以提供第一、第二、第三与第四线性插入样本信号；
b)在第一与第二线性插入样本信号之间进行线性插值以提供一个第一双线性插入样本信号；
c)在第三与第四线性插入样本信号之间进行线性插值以提供一个第二双线性插入样本信号；
d)在第一双线性插入样本信号与第二双线性插入样本信号之间进行线性插值以提供第一与第二样本点插入三维象素信号之一。
46.权利要求35所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，步骤(d)与(f)中的至少一个步骤还包括：
a)在第一与第二离散三维象素束的各象素束的至少第一与第二三维象素信号之间进行线性插值以提供第一与第二线性插入样本信号；
b)在第一与第二线性插入样本信号之间进行线性插值以提供一个双线性插入样本信号。
47.权利要求35所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，步骤(g)还包括：
进行至少一种插入三维象素信号的从后到前合成、从前到后合成、第一不透明体投影、最后不透明体投影、最大值投影、加权和投影、第一到最后断层投影与最后到第一断层投影。
48.权利要求35所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法在步骤(d)与(f)中的一个步骤之后还包括：
将上述多个第一与第二样本点的各样本点的插入三维象素信号提供给一个插入样本信号存储器装置。
49.权利要求35所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
按照所选定的观察参数变换象素信号以提供一个经过变换的象素信号。
50.权利要求35所限定的用于生成三维(3-D)立体投影图象的方法，其特征在于，该方法还包括：
对一个对象、区域及现象之一进行扫描及计算其中的一种操作并对其作出响应而生成三维象素，将这些三维象素提供给一个存储装置以将其存储在该存储装置中。
51.一种生成三维(3-D)立体投影图象的设备，该设备包括：
a)一个插值机构，该插值机构可接收对应于至少两个离散三维象素束的三维象素信号，该插值机构为多条视线的相应样本点提供一个插入三维象素信号；以及
b)合成单元，该合成单元为接收插入三维象素信号而连在插值机构上，该合成单元将来自插值机构的插入三维象素信号组合起来以便为上述多条视线中的每条视线均提供一个象素值信号。
52.权利要求51所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述插值机构包括：
线性、双线性、三线性及高阶插值装置之一(TRILIN)，该TRILIN可生成多个连续样本点，该TRILIN可接收多个离散三维象素束，该TRILIN利用来自上述多个离散三维象素束的各个象素束的一个三维象素从而为上述多个连续样本点的每个样本点确定一个插入样本值信号。
53.权利要求51所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述多个合成单元的每个单元还包括：
从前到后合成机构、从后到前合成机构、第一不透明体投影机构、最后不透明体投影机构、最大值投影机构、加权和投影机构、最后到第一断层投影机构及第一到最后断层投影机构中至少一个，以便为上述多条连续射线中的一条射线生成象素值信号。
54.权利要求51所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
一个遮蔽机构，该遮蔽机构利用多个插入样本点，该遮蔽机构为上述多个连续射线样本点的每个样本点均确定一个梯度矢量信号，该遮蔽机构可访问接近上述多个连续射线样本点的各样本点的插入样本点并将它们组合起来，上述梯度矢量信号可以表示接近上述多个连续射线样本点的各样本点的表面倾斜度。
55.权利要求51所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
连接在上述多个合成单元的各个单元上的一个互连机构，该互连机构可接收用于上述多条视线中每条视线的象素值信号，该互连机构将用于上述多条视线中每条视线的象素值信号提供给一个显示机构。
56.权利要求51所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
一个帧缓冲器，它可接收上述多个象素值信号并将这些象素值信号存储在其中。
57.权利要求56所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，设备还包括：
一个象素处理机构，该象素处理机构连在互连机构上并可接收上述多个象素值信号，该象素处理机构可修改前述多个象素信号中的每个信号并生成多个象素显示信号。
58.权利要求57所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
连在所述象素处理机构上的一个显示机构，该显示机构具有多个象素，该显示机构可接收来自象素处理机构的多个象素显示信号，这些象素显示信号中的每个信号均对应于该显示机构的多个象素之一，该显示机构可提供一个3-D立体投影图象。
59.权利要求35所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
一个数据采集机构，该数据采集机构对一个对象、区域与现象之一进行扫描及计算之一，并对此作出响应而生成三维象素。
60.权利要求35所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，该设备还包括：
一个三维(3-D)存储器，它具有能够在其中存储三维象素的多个存储器模块，该3-D存储器连在插值机构上并向其提供三维象素。
61.权利要求60所限定的生成三维(3-D)立体投影图象的设备，其特征在于，所述3-D存储器具有用于存储三维象素的一个斜移组织，该斜移组织允许基本上同时检索平行于该3-D存储器的一条轴的多个第一三维象素，这些第一三维象素表示一个离散三维象素束。
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