DE3831428A1

DE3831428A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen einer tiefenkarte

Info

Publication number: DE3831428A1
Application number: DE3831428A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Sato
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-09-18
Filing date: 1988-09-15
Publication date: 1989-03-30
Also published as: US4947347A; JPS6476374A; DE3831428C2; JPH0528873B2

Description

Die Erfindung betrifft eine pseudo-dreidimensionale Anzeige (Pseude-3D-Anzeige), d. h. eine perspektivische Anzeige eines dreidimensionalen Objekts. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Tiefenkarte eines dreidimensionalen Objekts. Eine solche Tiefenkarte wird bei der Aufbereitung einer perspektivischen Bildanzeige benutzt. Die Tiefenkarte wird aus 3D- Bilddaten erzeugt, die ein dreidimensionales Objekt definieren, und bei denen es sich um eine Sammlung von Volumenelementen (sogenannten "Voxels"), also um Elemente mit 3D- Struktur, handelt.

Es gibt bereits Verfahren zum Aufbereiten eines Pseudo-3D- Bildes oder eines perspektivischen Bildes aus Bilddaten mit 3D-Struktur, die ähnlich einer Reihe benachbarter CT-Bilder aus einer Anzahl von Volumenelementen (Voxels) bestehen, die ein dreidimensionales Objekt (3D-Objekt) repräsentieren. Bei diesen Verfahren wird das perspektivische Bild z. B. für Analysezwecke und zur Unterscheidung der Bilddaten im Rahmen medizinischer Diagnoseverfahren eingesetzt.

Das perspektivische Bild wird folgendermaßen erzeugt:

Zunächst wird für jedes Bildelement einer Blickebene, die entsprechend der gewünschten Blickrichtung ein zweidimensionales (2D) Blickfeld bildet, d. h. eine Projektionsebene bildet, der Abstand von der Projektionsebene zur Oberfläche eines Objekts aus den Bilddaten der 3D-Struktur, dargestellt durch Voxels, ermittelt, und dann wird eine Tiefenkarte hergestellt, welche die Verteilung der Abstände zu der Objektoberfläche in der gewünschten Blickrichtung angibt. Dann wird ein vorbestimmter Gradationsprozeß durchgeführt, um jedem Bildelement der Tiefenkarte eine Gradation ähnlich einem Dichtewert zuzuordnen, um so das perspektivische Bild zu erhalten.

Damit eine Bedienungsperson selektiv die Blickrichtungen der perspektivischen Anzeige durch geeignete Befehle ändern kann, wird der oben beschriebene Vorgang bei der Erstellung der Tiefenkarte in einem herkömmlichen System bei jeder Änderung der Blickrichtung wiederholt durchgeführt.

Die Erzeugung einer Tiefenkarte mit Hilfe eines für allgemeine Zwecke verwendbaren Rechners (general-purpose computer) nimmt üblicherweise beträchtliche Zeit in Anspruch, beispielsweise mehrere zehn Minuten, da notwendigerweise unterschieden werden muß, ob in Blickrichtung für jedes Bildelement eines zweidimensionalen Bildfeldes über der Gesamtheit der Voxels ein Objekt bzw. ein Objektteil vorhanden ist oder nicht. Um diese Verarbeitungszeit herabzusetzen, werden in üblichen Systemen speziell für diese Zwecke ausgelegte Prozessoren (special-purpose processor) eingesetzt, die speziell für diesen Typ von Datenverarbeitung ausgelegt sind.

Doch auch mit Hilfe solcher Spezial-Purpose-Prozessoren werden mehrere Sekunden für die Datenverarbeitung benötigt, also zu viel Zeit für eine wirkliche Echtzeitverarbeitung.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Erstellen einer Tiefenkarte bei beträchtlich heraufgesetzter Arbeitsgeschwindigkeit.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Diagramme zum Veranschaulichen des grundlegenden Prinzips einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 ein Blickdiagramm einer Einrichtung zum Erzeugen einer Tiefenkarte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung entsprechend dem in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Prinzip.

Fig. 1 und 2 veranschaulichen das der Erfindung zugrundeliegende Arbeitsprinzip.

Fig. 1 zeigt ein Objekt 13, eine dreidimensionale oder 3D- Zone 11, die das Objekt einschließt und bei der es sich z. B. um einen Kubus handelt, und eine Projektionsebene 12 für eine gewünschte Blickrichtung. Der Kubus 11 besitzt sechs Flächen C 1 bis C 6, wie aus Fig. 2 hervorgeht.

In den dargestellten 3D-Koordinaten (x, y, z) ist Ld eine Normale, gezogen von einem Punkt Ps (x, y, z) auf der Projektionsebene 12 in Richtung auf den Kubus 11, und c (x, y, z) ist der Kreuzungspunkt zwischen Ld und einer Seite C 1 des Kubus 11. Zd soll der Abstand zwischen dem Punkt PS (x, y, z) und dem Punkt C (x, y, z) sein. Qs (x, y, z) sei der Kreuzungspunkt zwischen dem Objekt 13 und einer Linie Ld 1, bei der es sich um eine Verlängerungslinie von C (x, y, z) aus handelt. Zc sei der Abstand zwischen C (x, y, z) und diesem Punkt Qs (x, y, z). In diesem Fall liegt das Objekt 13 auf der Linie Ld 1, jedoch nicht auf Ld. Beim Erzeugen einer Tiefenkarte in 2D-Koordinaten (x′, y′) auf der Projektionsebene 12 wird also, wenn erst einmal die Blickrichtung ϕ, R) festgelegt ist, der Abstand Z (x′, y′) zwischen Ps (x′, y′) auf der Projektionsebene 12 oder Ps (x, y, z) und Qs (x, y, z) folgendermaßen ausgedruckt:

Z (x′, y′) = (Länge von Ld) + (Länge von Ld 1) = Zd + Zc . . . (1)

Das Obige gilt auch für den Fall, daß der Kreuzungspunkt zwischen der Normalen Ld von Ps (x, y, z) und dem Kubus 11 auf einer anderen Seite als C 1 liegt (d. h. auf irgendeiner der Seiten C 2 bis C 6). Abhängig von der Blickrichtung (ϕ, R) existieren gleichzeitig mehr als ein Kreuzungspunkt C (x, y, z) auf der Projektionsebene 12 in bezug auf drei oder weniger Seiten C 1 bis C 6. Es gibt acht Typen von Kreuzungspunkten, die drei Seiten betreffen:

C 1 (x, y, z), C 5 (x, y, z), C 6 (x, y, z)
C 1 (x, y, z), C 2 (x, y, z), C 3 (x, y, z),
C 2 (x, y, z), C 3 (x, y, z), C 4 (x, y, z),
C 4 (x, y, z), C 5 (x, y, z), C 6 (x, y, z),
C 1 (x, y, z), C 2 (x, y, z), C 5 (x, y, z),
C 1 (x, y, z), C 3 (x, y, z), C 6 (x, y, z),
C 3 (x, y, z), C 4 (x, y, z), C 6 (x, y, z), und
C 2 (x, y, z), C 4 (x, y, z), C 5 (x, y, z).

Bei zwei Seiten gibt es zwölf Typen von Kreuzungspunkten:

C 1 (x, y, z), C 2 (x, y, z),
C 1 (x, y, z), C 3 (x, y, z),
C 1 (x, y, z), C 5 (x, y, z),
C 1 (x, y, z), C 6 (x, y, z),
C 2 (x, y, z), C 3 (x, y, z),
C 2 (x, y, z), C 4 (x, y, z),
C 2 (x, y, z), C 5 (x, y, z),
C 3 (x, y, z), C 4 (x, y, z),
C 3 (x, y, z), C 6 (x, y, z),
C 4 (x, y, z), C 5 (x, y, z),
C 4 (x, y, z), C 6 (x, y, z), und
C 5 (x, y, z), C 6 (x, y, z).

Bei einer Seite gibt es sechs Typen von Kreuzungspunkten:

C 1 (x, y, z),
C 2 (x, y, z),
C 3 (x, y, z),
C 4 (x, y, z),
C 5 (x, y, z), und
C 6 (x, y, z),.

Ist erst einmal die Blickrichtung (ϕ, R) bestimmt, so wird der Abstand Zd genau bestimmt, und außerdem wird der Kreuzungspunkt C (x, y, z) zwischen Zd und dem Kubus 11 bestimmt. In jedem der obigen Fälle braucht der Strahlverfolgungsprozeß nur für den Abstand Zc ausgeführt zu werden, und wenn der Wert Zc erhalten ist, erhält man den Abstand Z (x′, y′) aus der Gleichung (1).

Der Grund dafür, daß die Erzeugung einer Tiefenkarte in herkömmlichen Anlagen beträchtliche Zeit in Anspruch nimmt, besteht darin, daß sämtliche Abstände von der Projektionsebene 12 zu dem Objekt 13 ausschließlich auf der Grundlage eines Strahlverfolgungsalgorithmus erhalten werden, ohne daß unterschieden wird zwischen einem Bereich, in welchem das Objekt 13 vorhanden ist, und einem Bereich, wo das Objekt nicht vorhanden ist. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß der Strahlverfolgungsalgorithmus oder Strahlverlaufsalgorithmus nur bezüglich des Abstands Zc von einer Seite des Kubus 11 bis auf die Oberfläche des Objekts 13 durchgeführt, während der Abstand Zd zwischen der Projektionsebene 12 und dem Kubus 11 durch eine einfache Koordinatenberechnung ermittelt werden kann. Deshalb läßt sich eine Tiefenkarte mit hoher Geschwindigkeit erstellen.

Im folgenden soll eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Tiefenkarte gemäß der Erfindung beschrieben werden.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, enthält die Vorrichtung zum Erzeugen einer Tiefenkarte gemäß der Erfindung einen 3D- Adreßgenerator 1, einen Bilddatenspeicher 2, einen Detektor 3, einen Zähler 4, einen Tiefenkarten-Speicher 5, einen 2D- Adreßgenerator 6, einen Addierer 7, einen Zd-Speicher 8 und eine Arithmetisch-Logische-Einheit (ALU) 9. Der Adreßgenerator 1, der Detektor 3 und der Zähler 4 bilden einen Strahlverfolgungsprozessor 10.

Der Bilddatenspeicher 2 speichert 3D-Bilddaten, die aus einer Anzahl benachbarter Schichtbilder oder Voxels eines Zielkörpers bestehen und die von einem bildgebenden Gerät bereitgestellt werden, z. B. von einem Röntgenstrahl-CT- Gerät oder einem Kernspinresonanz-Gerät, wobei die Daten in Form binärer Daten "0" oder "1" vorliegen, abhängig davon, ob ein Objekt vorhanden ist oder nicht. Die 3D-Bilddaten, die normalerweise aus Gradationsdaten für jedes Voxel bestehen, werden mit einem gegebenen Gradationswert als Schwellenwert in Binärdaten umgesetzt. Der 3D-Adreßgenerator 1 erzeugt eine 3D-Adresse zum Auslesen der Inhalte des Bilddatenspeichers 2. Der Zähler 4 zählt ein Taktimpulssignal CPO, und der Detektor 3 gibt ein Signal zum Anhalten des Zählvorgangs des Zählers 4 aus, wenn die aus dem Bilddatenspeicher 2 ausgelesenen Daten den Wert "1" annehmen. Der aus dem Adreßgenerator 1, dem Detektor 3 und dem Zähler 4 bestehende Strahlverfolgungsprozessor ermittelt den Abstand Zc zwischen einer Seite der 3D-Zone (z. B. des Kubus) 11, welche zum Einschließen des Objekts 13 eingestellt wurde, und der Oberfläche des Objekts 13 (siehe Fig. 1).

Die ALU 9 führt eine Koordinatenberechnung durch, um den Abstand Zd zwischen der Oberfläche des Kubus 11 und der Projektionsebene 12 zu berechnen, die durch die Blickrichtung (ϕ, R) vorgegeben ist. Der berechnete Abstand Zd wird dann in den Zd-Speicher 8 eingeschrieben. Der Zd-Wert im Speicher 8 kann mit Hilfe des Adreßdatenwerts D (x′, Y′) entsprechend den 2D-Koordinaten (x′, y′) auf der Projektionsebene 12 ausgelesen werden.

Der Addierer 7 addiert das Zähler-Ausgangssignal Zc des Zählers 4 und das Ausgangssignal Zd des Zd-Speichers 8. D. h.: Der Addierer 7 führt die Berechnung gemäß Gleichung (1) durch. Der Ausgangswert Z (x′, y′) des Addierers 7 wird dann in den Tiefenkarten-Speicher 5 eingeschrieben; eine Schreibadresse für diesen Speicher 5 wird von dem 2D-Adreßgenerator 6 in Form von 2D-Koordinaten (x′, y′) erzeugt. Der Zähler 4, der mit einem Maximumwert voreingestellt ist, der genügend größer ist als Z (x′, y′) für das Objekt 13, beendet den Zählvorgang, wenn der Detektor 3 auch dann keine "1" feststellt, wenn der Zählerstand den Maximalwert erreicht hat, und dann wird der Maximalwert direkt (ohne über den Addierer 7 zu laufen) in den Tiefenkarten-Speicher 5 eingeschrieben.

Mit der oben beschriebenen Ausgestaltung der Vorrichtung wird, wenn einmal die Blickrichtung (ϕ, R) bestimmt ist, der von der ALU 9 erhaltene Abstand Zd in den Zd-Speicher 8 entsprechend 2D-Koordinaten (x′, y′) eingeschrieben, um so eine Zd-Tabelle im Speicher 8 zu erstellen. Da in dem Raum zwischen der Oberfläche des Kubus 11 und der Projektionsebene 12 kein Teil des Objekts vorhanden ist, läßt sich die Zd-Tabelle mit hoher Geschwindigkeit und durch einfache Koordinatenberechnung erstellen, ohne daß dazu ein Strahlverfolgungsalgorithmus notwendig wäre.

Der 3D-Adreßgenerator 1 arbeitet synchron mit dem Taktimpulssignal CPO. Mit Cs (x, y, z) als Startadresse des Anfangswertes und v (Δ x, Δ y, Δ z) als 3D-Vektorkomponente (Einheitsvektor) in Blickrichtung läßt sich der Ausgangswert (x, y, z) des 3D-Adreßgenerators 1 wie folgt ausdrücken:

R (x, y, z) = Cs (x, y, z) + n, v (Δ x, Δ y, Δ z) . . . (2)

wobei Cs (x, y, z), v (Δ x, Δ y, Δ z) und R (x, y, z) Binärdaten und n eine natürliche Zahl entsprechend der wiederholten Anzahl von Taktimpulsen CPO ist.

Die Koordinaten (X, Y, Z) des Bilddatenspeichers 2 entsprechend R (x, y, z) lassen sich wie folgt ausdrücken:
X = Cs (x) + nΔ x,
Y = Cs (y) + nΔ y, und
Z = Cs (z) + nΔ z
wobei Cs (x), Cs (y) und Cs (z) die x-, y- und z-Koordinaten der Startadresse sind.

Daten werden aus dem Bilddatenspeicher 2 durch den 3D- Adreßgenerator 1 ausgelesen. Wenn der ausgelesene Datenwert "1" ist (was bedeutet, daß das Objekt erreicht ist), gibt der Detektor 3 ein Zähl-Sperrsignal aus, das den Zähler 4 veranlaßt, mit dem Zählen des Taktimpulssignals CPO aufzuhören. Der Abstand zwischen C (x, y, z) und Qs (x, y, z) wird folgendermaßen ausgedrückt:

Zc = √ = n √

Auf der Grundlage der 2D-Adresse D (x′, y′) entsprechend den 2D-Koordinaten (x′, y′) der Projektionsebene 12 wird der zugehörige Wert Zd aus dem Zd-Speicher 8 ausgelesen und im Addierer 7 auf das Ausgangssignal Zc des Zählers 4 addiert, und das Ergebnis wird in den Tiefenkarten-Speicher 5 eingeschrieben. Wird von dem Detektor 3 keine "1" festgestellt, so wird, wie oben erwähnt wurde, der vorgegebene Maximalwert in den Tiefenkarten-Speicher eingeschrieben. Der oben beschriebene Vorgang wird für jeden Punkt Ps (x′, y′) = Ps (x, y, z) auf der Projektionsebene 12 durchgeführt, um so eine Tiefenkarte auf der Projektionsebene 12 in dem Tiefenkarten-Speicher 5 zu erstellen.

Überflüssig zu sagen, daß die Erfindung in keiner Weise auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern zahlreiche Modifikationen möglich sind.

Beispielsweise kann es sich bei der das Objekt 13 einschließenden 3D-Zone 12 um ein Parallelepiped, eine Kombination aus mehreren benachbarten Kuben, anderen mehrflächigen Körpern oder aus einer Kugel und einem Kubus handeln. Da es effizient ist, die das Objekt 13 einschließende 3D- Zone so klein wie möglich einzustellen, ist es wünschenswert, daß die 3D-Zone das Objekt 13 umschreibt. Das Einstellen der 3D-Zone und die Berechnung seitens der ALU 9 können dadurch erleichtert werden, daß man aus 3D-Zonen unterschiedlicher und vorbestimmter Größen solche auswählt, die das Objekt 13 passend umschließen. Der im Zähler 4 für den Fall eingestellte Maximalwert, daß das Detektorsignal des Detektors 3 nicht eintrifft oder die Linie der Strahlverfolgung nicht das Objekt kreuzt, läßt sich bestimmen durch die Koordinaten der Rückseite der 3D-Zone. Wenn der Zählerstand den Maximalwert übersteigt, wird ein einem voreingestellten Hintergrund entsprechender Wert in den Tiefenkarten- Speicher 5 eingeschrieben.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen einer Tiefenkarte, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) in 3D-Koordinaten wird eine 3D-Zone gegebener Form eingestellt, welche ein Objekt in 3D-Bilddaten einschließt;
b) entsprechend einer gewünschten Blickrichtung wird eine Projektionsebene eingestellt;
c) durch Koordinatenberechnung wird ein erster Abstand in der gewünschten Blickrichtung von der Projektionsebene zu der Oberfläche der in Schritt a) eingestellten 3D- Zone für jedes Bildelement auf der Projektionsebene ermittelt;
d) durch Strahlverfolgung wird ein zweiter Abstand in der gewünschten Blickrichtung von der Oberfläche der 3D- Zone auf die Objektoberfläche für jedes Bildelement auf der Projektionsebene ermittelt; und
e) die ersten und die zweiten Abstände werden für jedes Bildelement auf der Projektionsebene addiert, um die Daten einer Tiefenkarte zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt a) ein das Objekt einschließendes Parallelpiped eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt a) ein das Objekt einschließender Kubus eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt a) eine das Objekt einschließende Kugel eingestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt a) eine das Objekt umschreibende 3D-Zone eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt d) ein gegebener Abstandswert als entsprechender Bildelementdatenwert der Tiefenkarte unter Verzicht auf Durchführung des Schritts e) angenommen wird, wenn das Objekt durch eine einen gegebenen Umfang aufweisende Spurverfolgung nicht erreicht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der gegebene Umfang der Spurverfolgung nach Maßgabe der Lage einer Rückseite der im Schritt a) eingestellten 3D-Zone bestimmt wird.

8. Vorrichtung zum Erzeugen einer Tiefenkarte, gekennzeichnet durch:

einen Tiefenkarten-Speicher (5) zum Speichern einer Tiefenkarte;
eine 3D-Zonen-Einstelleinrichtung, die in Form von 3D-Koordinaten eine 3D-Zone gegebener Gestalt einstellt, welche ein in 3D-Bilddaten definiertes Objekt einschließt;
eine erste Verarbeitungseinrichtung (8, 9), die durch Koordinatenberechnung einen ersten Abstand in einer gewünschten Blickrichtung von einer Projektionsebene, die nach Maßgabe der gewünschten Blickrichtung eingestellt wird, zu einer Oberfläche der 3D-Zone für jedes Bildelement auf der Projektionsebene ermittelt;
eine zweite Verarbeitungseinrichtung (10), die durch Spurverfolgung einen zweiten Abstand in der gewünschten Blickrichtung von der Oberfläche der 3D-Zone auf eine Oberfläche des Objekts für jedes Bildelement auf der Projektionsebene ermittelt; und
eine dritte Verarbeitungseinrichtung (7), die die ersten und die zweiten Abstände für jedes Bildelement auf der Projektionsebene addiert und die sich ergebenden Datenwerte in den Tiefenkarten-Speicher einschreibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die 3D-Zonen- Einstelleinrichtung ein das Objekt einschließendes Parallelepiped einstellt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die 3D-Zonen- Einstelleinrichtung einen das Objekt einschließenden Kubus einstellt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die 3D-Zonen- Einstelleinrichtung eine das Objekt einschließende Kugel einstellt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die 3D-Zonen- Einstelleinrichtung eine das Objekt umschreibende 3D- Zone einstellt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verarbeitungseinrichtung (10) eine Einrichtung (4) enthält, die einen gegebenen Abstandswert für ein Bildelement der Tiefenkarte unter Verzicht auf eine Verarbeitung seitens der dritten Verarbeitungseinrichtung einschreibt, wenn das Objekt in einem gegebenen Umfang der Strahlverfolgung nicht erreicht wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verarbeitungseinrichtung (10) den gegebenen Bereich der Strahlverfolgung nach Maßgabe der Lage einer Rückseite der von der 3D-Zonen-Einstelleinrichtung eingestellten 3D-Zone bestimmt.