DE102008004145B3

DE102008004145B3 - Verfahren und Vorrichtung zur farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten mit dunklem Hintergrund

Info

Publication number: DE102008004145B3
Application number: DE102008004145A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Röttger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-01-14
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: US20090179896A1; US8217959B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur farbigen Visualisierung von 3-D-Bilddaten eines Objekts mit einer Rendering-Technik, insbesondere von Bilddaten der tomographischen Bildgebung. Bei dem Verfahren werden Bildpunkte des Objekts unter Anwendung einer Transferfunktion, über die den 3-D-Bilddaten Farbwerte zugeordnet werden, aus den 3-D-Bilddaten berechnet und als Bild mit hellem Hintergrund bereitgestellt. Zur Visualisierung vor dunklem Hintergrund wird das Bild mit hellem Hintergrund invertiert und den 3-D-Bilddaten des Objekts zugeordnete Farbwerte gemäß einer vorgegebenen Regel geändert, durch die die Farbgebung des durch die Invertierung erhaltenen Bildes mit dunklem Hintergrund zumindest annähernd der Farbgebung angeglichen wird, die das nicht invertierte Bild mit den ursprünglichen Farbwerten aufweisen würde. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lässt sich eine gerenderte Darstellung des Objekts vor dunklem Hintergrund mit höherem Kontrasteindruck erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten eines Objekts mit einer Rendering-Technik, insbesondere von Bilddaten der tomographischen Bildgebung, bei denen Bildpunkte des Objekts unter Anwendung einer Transferfunktion, über die den 3D-Bilddaten Farbwerte zugeordnet werden, aus den 3D-Bilddaten berechnet und mit dunklem Hintergrund an einer Anzeigefläche dargestellt werden.
Es handelt sich hierbei um eine Technik der Volumenvisualisierung, bei der Volumendaten, wie sie bspw. durch Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) erhalten werden, an einer Anzeigefläche darstellbar sind. Bekannte Beispiele derartiger Visualisierungstechniken sind unter den Begriffen Volumen-Rendering (VRT: Volume Rendering Technique) oder Gradientenmagnituden-Rendering bekannt. Den 3D-Bilddaten, die als eine Matrix von Skalarwerten vorliegen, müssen bei diesen Rendering-Techniken optische Eigenschaften zugeordnet werden. Dies erfolgt durch geeignete Wahl einer Transferfunktion, die die optische Absorption und Emission in dem darzustellenden Volumen berücksichtigt. Durch diese Transferfunktion kann auch festgelegt werden, welche Teile des darzustellenden Volumens im Bild opak, semitransparent oder transparent dargestellt werden. Weiterhin werden den einzelnen Volumenelementen (Voxel) über diese Transferfunktion bei einer farbigen Darstellung bestimmte Farben zugeordnet. Dies erfolgt in der Regel bei einer Darstellung im RGB-Farbraum durch die bekannten Wertetripel (R, B, G).
Bei der Berechnung der darzustellenden Bildpunkte aus den 3D-Bilddaten kann der sog. Ray-Casting-Algorithmus genutzt werden, bei dem jeder Bildpunkt des Bildes durch Integration oder Summation entlang eines Sehstrahls vom Auge des Betrach ters durch das von den 3D-Bilddaten umfasste Volumen berechnet wird. In der Summe bzw. dem Integral steckt dabei die entsprechende Transferfunktion, so dass damit die Transparenzen und Farben der einzelnen Voxel entlang des Sehstrahls aufaddiert werden.
Die gerenderte Darstellung der 3D-Bilddaten erfolgt dabei häufig in einem Bild mit hellem Bildhintergrund. Von zahlreichen Anwendern wird jedoch ein dunkler Bildhintergrund bevorzugt, insbesondere wenn die Bildbetrachtung in einem dunklen Raum erfolgen soll. Zu diesem Zweck lässt sich bei einigen Anwendungen die Hintergrundbeleuchtung des Bildes abschalten, so dass die gerenderten 3D-Bilddaten des Objektes nun vor schwarzem Bildhintergrund erscheinen. Dies hat jedoch bei vielen Bildern, vor allem im Bereich der medizinischen Bildgebung, einen schlechten Kontrast zur Folge.
Die US 2007/0236496 A1 beschreibt ein Verfahren zur künstlerischen Darstellung von CT-Bildern, bei denen Techniken wie Duplizierung, Symmetrieinversion, Kontrastinversion, Überlagerung mehrerer Bilder oder Verformung des Bildinhalts, ggf. in Verbindung mit einer Farbgebung, angewendet werden, um ein künstlerisches Ergebnis der Bilddarstellung zu erhalten. Die Druckschrift offenbart jedoch keine Vorgehensweise, mit der eine verbesserte Bilddarstellung vor dunklem Bildhintergrund erhalten wird.
Die US 2006/0007244 A1 befasst sich mit Bildverarbeitung, wobei auch eine Volume-Rendering-Technik sowie die Zuordnung von Farben zu einzelnen Bildpunkten mittels einer Farbtabelle eingesetzt werden. Auch in dieser Druckschrift findet sich jedoch kein Hinweis auf eine Verbesserung der Bilddarstellung vor dunklem Bildhintergrund. Das Gleiche gilt für die Veröffentlichung von E. K. Fishman et al.: "Volume Rendering versus Maximum Intensity Projection in CT Angiography: What Works Best, When und Why", Radio Graphics, May-June 2006, Vol. 26, No. 3, Seiten 905–923. In dieser Veröffentlichung werden unterschiedliche Rendering-Techniken miteinander verglichen, ohne jedoch auf die Problematik der Bilddarstellung vor dunklem Bildhintergrund einzugehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten eines Objekts mit einer Rendering-Technik anzugeben, mit der sich eine verbesserte Bilddarstellung vor dunklem Bildhintergrund erreichen lässt.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten eines Objekts mit einer Rendering-Technik werden Bildpunkte des Objekts in bekannter Weise unter Anwendung einer Transferfunktion, über die den 3D-Bilddaten Farbwerte zugeordnet werden, aus den 3D-Bilddaten berechnet und als 2D-Bild mit hellem Hintergrund bereitgestellt. Die Berechnung der Bildpunkte aus den 3D-Bilddaten kann dabei über bekannte Algorithmen, insbesondere über den bekannten Ray-Casting-Algorithmus, erfolgen. Das Bild steht dann als zweidimensionale Matrix von Bildpunkten zur Verfügung. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Visualisierung vor dunklem Hintergrund das Bild mit hellem Hintergrund invertiert und die den 3D-Bilddaten des Objekts zugeordneten Farbwerte gemäß einer weiter unten angegebenen Regel geändert werden. Die Änderung der Farben erfolgt bereits bei der Berechnung der Bildpunkte des Objekts aus den 3D-Bilddaten, indem die einzelnen RGB-Farbwerte (R, G, B) der Transferfunktion gemäß der angegebenen Regel geändert werden. Die Berechnung der Bildpunkte aus den 3D-Bilddaten muss bei der erstmaligen Darstellung und jeder interaktiven Drehung der Bildansicht sowieso erfolgen, so dass durch das vorgeschlagene Verfahren keine zusätzliche Neuberechnung erforderlich ist. Diese Regel ist derart gewählt, dass die Farbgebung des durch die Invertierung erhaltenen Bildes mit dunklem Hintergrund zumindest subjektiv annähernd der Farbgebung entspricht, die das nicht invertierte Bild mit den ursprünglichen Farbwerten aufweisen würde. Das mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugte Bild mit dunklem Hintergrund wird dann an einer Anzeigefläche dargestellt. Durch die vorgeschlagene Invertierung des hintergrundbeleuchteten Positivbildes (Bild mit hellem Bildhintergrund) bei gleichzeitiger Änderung der Farbwerte in der angegebenen Weise, im Folgenden auch als Pseudoinvertierung der Farben bezeichnet, wird ein visuell höherwertiges Bild mit dunklem Bildhintergrund erzeugt, das einen besseren Kontrast als bei reiner Abschaltung der Hintergrundbeleuchtung aufweist.
Für die Pseudo-Invertierung auf Basis des Farbeintrags in der Transferfunktion wird die folgende Regel zur Veränderung der Farbwerte angewandt. Sei (R, G, B) der Farbeintrag in der Transferfunktion, dann ist die pseudo-invertierte Farbe (R', G', B') wie folgt definiert:
R' = max(max(G – R, B – R), 0)
G' = max(max(R – G, B – G), 0)
B' = max(max(R – B, G – B), 0).
Diese Vorschrift wird auf alle Einträge der Transferfunktion angewandt und bewirkt die Farbkorrektur des invertierten Bildes, so dass das erzeugte doppelt invertierte Bild (Invertierung + Pseudoinvertierung) wieder annähernd die subjektiv selbe Farbgebung aufweist, wie das nicht invertierte Bild.
Die für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung weist zumindest einen Speicher für die 3D-Bilddaten und eine Recheneinheit auf, die entsprechend zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Das Verfahren lässt sich mit unterschiedlichen Rendering-Techniken einsetzen, die eine Bildberechnung auf Basis einer Transferfunktion verwenden, bspw. Techniken mit einem Strahlintegral wie die Volumen-Rendering Technik oder die Gradientenmagnituden-Rendering Technik. Be sonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren bei der tomographischen Bildgebung in der Medizintechnik einsetzen, insbesondere für die Visualisierung von 3D-Bilddaten der Computertomographie oder der Magnetresonanztomographie. Ein weiteres Anwendungsgebiet betrifft die Durchleuchtung von Gepäck, bspw. auf Flughäfen.
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 schematisch ein Beispiel für den Verfahrensablauf gemäß dem Stand der Technik;
2 schematisch ein Beispiel für den Verfahrensablauf beim vorgeschlagenen Verfahren; und
3 verschiedene Visualisierungen zur Veranschaulichung des vorgeschlagenen Verfahrens.
1 zeigt schematisch den bekannten Verfahrensablauf zur gerenderten Darstellung der 3D-Bilddaten eines Objekts vor dunklem Hintergrund. Zunächst werden hierbei 3D-Bilddaten des darzustellenden Objektes sowie eine Transferfunktion bereitgestellt, mit der die 3D-Bilddaten in eine gewünschte farbige Visualisierung umgesetzt werden können. Die Bildpunkte des Objekts werden hierbei ohne Hintergrundbeleuchtung in bekannter Weise mit einer VRT-Technik aus der Transferfunktion berechnet. Das auf diese Weise erhaltene 2D-Bild mit dunklem Hintergrund wird am Monitor dargestellt, weist jedoch in vielen Fällen einen nur geringen Kontrast auf.
In 2 ist ein Beispiel für den Verfahrensablauf des vorgeschlagenen Verfahrens schematisch dargestellt. Zunächst werden hierbei in gleicher Weise 3D-Bilddaten des darzustellenden Objektes sowie eine Transferfunktion bereitgestellt, mit der die 3D-Bilddaten mit einer Rendering-Technik in eine gewünschte farbige Visualisierung umgesetzt werden können. Bei den 3D-Bilddaten kann es sich bspw. um CT-Aufnahmen eines Körperbereichs einer Person handeln. Zur Visualisierung der gerenderten Bilddaten vor einem dunklen Hintergrund an einem Monitor werden zunächst die den einzelnen 3D-Bilddaten in der Transferfunktion zugeordneten Farbwerte (R, G, B) in neue Farbwerte (R', G', B') nach folgender Regel geändert:
R' = max(max(G – R, B – R), 0)
G' = max(max(R – G, B – G), 0)
B' = max(max(R – B, G – B), 0).
Nach dieser Pseudo-Invertierung der Transferfunktion werden mit einer VRT-Technik die Bildpunkte des Objekts in bekannter Weise aus der Pseudo-invertierten Transferfunktion berechnet. Aus diesen Bildpunkten des Objekts wird ein 2D-Bild mit hellem Hintergrund erzeugt.
Im nächsten Schritt werden die Bilddaten dieses Bildes mit hellem Hintergrund invertiert, aus dem Positivbild wird somit ein Negativbild erzeugt. Dieses invertierte Bild wird dann am Monitor dargestellt.
Durch die Invertierung des Bildes mit hellem Hintergrund wird das gewünschte Bild mit dunklem Hintergrund erzeugt. Die vorangegangene Pseudo-Invertierung der Transferfunktion sorgt dafür, dass trotz des dunklen Hintergrundes die Details des Objektes mit besserem Kontrastdargestellt werden als dies bei einfacher Abschaltung der Hintergrundbeleuchtung wie bei dem Verfahrensablauf der 1 der Fall wäre.
3 zeigt hierzu in der Abfolge von a) bis d) unterschiedliche Visualisierungen zur Veranschaulichung des vorgeschlagenen Verfahrens. In 3a sind hierbei die Bildpunkte der auf Basis der ursprünglichen Transferfunktion gerenderten 3D-Bilddaten des Objektes vor dunklem Hintergrund zu erkennen, wie sie mit dem Verfahren der 1 erhalten werden. Der Kontrast ist hierbei gerade in dunklen Bereichen des gerenderten Objekts relativ niedrig. 3b zeigt das Bild dieses mit der ursprünglichen Transferfunktion gerenderten Objekts vor hellem Hintergrund. Durch die Hintergrundbeleuchtung sind deutlich mehr Details sichtbar wie in dem Ausgangsbild der 3a.
3c zeigt schließlich das invertierte Bild mit hellem Hintergrund der 3b. Die Farbdarstellung ist hier allerdings durch die Invertierung in für den Betrachter ungewohnter Weise verändert.
Schließlich zeigt 3d das gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugte Bild, das nach Pseudo-Inversion der Transferfunktion und Invertierung des daraus erhaltenen Bildes mit hellem Hintergrund erhalten wird. Die Pseudo-Invertierung der Transferfunktion sorgt dafür, dass die Farben des Bildes wieder so aussehen wie im Ausgangsbild der 3a, jedoch bei gleichem dunklem Hintergrund deutlich mehr Details sichtbar sind.

Claims

Verfahren zur farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten eines Objekts mit einer Rendering-Technik, insbesondere von Bilddaten der tomographischen Bildgebung, bei der Bildpunkte des Objekts unter Anwendung einer Transferfunktion, über die den 3D-Bilddaten Farbwerte zugeordnet werden, aus den 3D-Bilddaten berechnet und als Bild mit hellem Hintergrund bereitgestellt werden, wobei zur Visualisierung vor dunklem Hintergrund das Bild mit hellem Hintergrund invertiert und die den 3D-Bilddaten des Objekts zugeordneten Farbwerte durch Veränderung der Farbwerte in der Transferfunktion bei der Berechnung der Bildpunkte gemäß der folgenden Regel geändert werden: R' = max(max(G – R, B – R), 0) G' = max(max(R – G, B – G), 0) B' = max(max(R – B, G – B), 0) wobei (R, G, B) den ursprünglichen Farbwerten in der Transferfunktion und (R', G', B') den veränderten Farbwerten entsprechen, und wobei das durch die Invertierung erhaltene Bild an einer Anzeigefläche dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Volume-Rendering Technik eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Gradientenmagnituden-Rendering Technik eingesetzt wird.
Vorrichtung zur farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten eines Objekts mit einer Rendering-Technik, mit einem Speicher für die 3D-Bilddaten und einer Recheneinheit, die für eine Berechnung von Bildpunkten des Objekts mittels einer Rendering-Technik unter Anwendung einer Transferfunktion, über die den 3D-Bilddaten Farbwerte zugeordnet werden, aus den 3D-Bilddaten und für die Bereitstellung der Bildpunkte als Bild mit hellem Hintergrund ausgebildet ist, wobei die Recheneinheit so eingerichtet ist, dass sie zur Visualisierung vor dunklem Hintergrund das Bild mit hellem Hintergrund invertiert und die den 3D-Bilddaten des Objekts zugeordneten Farbwerte in der Transferfunktion bei der Berechnung der Bildpunkte gemäß folgender Regel ändert: R' = max(max(G – R, B – R), 0) G' = max(max(R – G, B – G), 0) B' = max(max(R – B, G – B), 0) wobei (R, G, B) den ursprünglichen Farbwerten in der Transferfunktion und (R', G', B') den veränderten Farbwerten entsprechen.