-
Technischer
Hintergrund der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
das Abbilden dreidimensionaler Voxeldaten. Insbesondere betrifft
die Erfindung die Abbildung von dreidimensionalen Voxeldaten in
bezug auf einen gewünschten Sichtpunkt
und eine Sicht- bzw. Blickrichtung.
-
Das Abbilden von dreidimensionalen
Objekten wird häufig
als Volumendarstellung bezeichnet. Die Volumendarstellung findet
in vielen Gebieten Anwendungen. Ein solches Gebiet ist die Darstellung von
medizinischen Daten, die beispielsweise von dem Scannen bzw. Abtasten
des menschlichen oder tierischen Körpers herrühren unter Verwendung von Computertomographen
und anderen Röntgenstrahlabtastern,
kernmagnetischen Resonanzabtastern und Ultraschallabtastern, um
nur wenige Beispiele zu nennen.
-
Die dreidimensionalen Voxeldaten,
die durch moderne Abtastgeräte
erzeugt werden, können
sehr detailliert sein und sehr kompliziert sein, um sie zu interpretieren.
Es ist wünschenswert,
einem Arzt, damit er in der Lage ist, solche Abtastdaten effektiv
zu verwenden, Tools bzw. Werkzeuge bereitzustellen, die ohne weiteres
in Echtzeit manipuliert werden können.
Ein Arzt kann es wünschen,
die Daten von unterschiedlichen Richtungen und von unterschiedlichen
Positionen in bezug auf das abgetastete Objekt darzustellen, um
in der Lage zu sein, das abgetastete Objekt zu analysieren und beispielsweise
Abnormalitäten
zu erfassen. Der Arzt kann es wünschen,
die Drehung des abgetasteten Objektes oder die Navigation durch
das abgetastete Objekt zu simulieren, wodurch Bilder in Echtzeit
erzeugt werden, wenn die Translationen und Drehungen bewirkt werden.
Um relativ glatte Bewegungseffekte zur Verfügung zu stellen und um einfach
effektive Antwortzeiten bereitzustellen, ist die schnelle Echtzeitdarstellung
wünschenswert.
Ebenso ist es wünschenswert,
solch eine schnelle Echtzeitdarstellung auf konventionellen Computerworkstations,
beispielsweise auf einem Personal Computer, zu ermöglichen.
-
Viele Techniken sind für die Darstellung
dreidimensionaler Voxeldaten bekannt.
-
Eine solche Technik setzt einen Dreh-Verzerr-Algorithmus
ein [1].
-
Eine andere solcher Techniken setzt
einen Scher-Verzerr-Algorithmus bzw. Scher-Warp-Algorithmus ein und ist als Scher-Warp-Faktorisierung
bekannt [2]. Bei diesem Ansatz wird eine Sichttransformationsmatrix
in eine 3D-Scherung faktorisiert, die parallel zu Scheiben bzw.
Schnitten eines Referenzvolumens sind, und eine 2D-Verzerrung, um
eine Projektion des gescherten Volu mens zu erzeugen. Obgleich die
Scher-Verzerr-Faktorisierung eine relativ effiziente dreidimensionale
Darstellung bereitstellt, wenn das Objekt von bestimmten Richtungen betrachtet
wird, wird die Verarbeitung von anderen Blick- bzw. Sichtrichtungen
signifikant langsamer.
-
Dementsprechend ist es ein Ziel der
vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Darstellung von dreidimensionalen
Objekten bereitzustellen, die eine Darstellung zur Verfügung stellt,
die im allgemeinen schneller und weniger richtungsabhängig ist
als die konventionelle Scher-Warp-Verarbeitung, und vorzugsweise
die Echtzeitdarstellung auf konventioneller Personal Computer Hardware
erlaubt.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Bestimmte und bevorzugte Aspekte
der Erfindung werden in den begleitenden unabhängigen und abhängigen Ansprüchen ausgeführt. Kombinationen
von Merkmalen von den abhängigen
Ansprüchen
können
mit Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
kombiniert werden, wie es geeignet ist und nicht lediglich wie explizit
in den Ansprüchen
ausgeführt
ist.
-
Ein Aspekt der Erfindung stellt ein
computer-implementiertes Verfahren zur Verfügung zum Erzeugen eines zweidimensionalen
Bildes aus einem Volumendatensatz, der ein Volumenobjekt von einem auswählbaren
Blickpunkt repräsentiert.
Das Verfahren beinhaltet das zur Verfügung stellen eines Volumenobjektdatensatzes
in einem Speicher. Der Volumenobjektdatensatz weist Voxelwerte (Volumenpixelwerte)
auf, die sortiert sind nach Voxeln entlang einer Reihe, die sich
in einer ersten Richtung erstreckt, nach Reihen über eine Ebene, die sich in
der ersten Richtung und einer zweiten Richtung erstreckt, und nach
Ebenen durch ein Objektvolumen, das sich in der ersten und der zweiten
Richtung und einer dritten Richtung erstreckt. In Antwort auf die
Definition eines Blickvektors, der einer Blickrichtung in bezug
auf einen Blickpunkt definiert, werden Scher- und Verzerrungsabbildungen
bestimmt und es wird eine, die erste, die zweite oder die dritte
Richtung als diejenige bestimmt, die dem Sicht- bzw. Blickvektor
am nächsten
ist (d. h. mit dem Blickvektor den kleinsten Winkel einschließt). Pixel
eines zweidimensionalen gescherten Bildes, wobei das gescherte Bild
eine Mehrzahl von Pixelzeilen hat, werden dann von den Voxelwerten
des Volumenobjektdatensatzes abgeleitet, der von der Scherabbildung
identifiziert wird. Die Scherabbildung bildet Voxelreihen in der
ersten Richtung auf Pixelzeilen des gescherten Bildes ab. Ein Ausgangsbild
kann dann abgeleitet werden durch Abbilden von Pixeln des gescherten
Bildes entsprechend der Verzerrungsabbildung.
-
Auf diese Art und Weise ist, wenn
der Blickvektor der ersten Richtung am nächsten ist, der sequentielle
Speicherzugriff immer noch möglich.
Dies stellt einen Unterschied zu konventionellen Scher-Verzerrverfahren
dar, wo es unmöglich
ist, einen sequentiellen Speicherzugriff in allen Blickvektororientierungen
zur Verfügung
zu stellen.
-
Genauer gesagt können durch Ausrichten der Voxelreihen
von der ersten Richtung mit den Zeilen des gescherten Bildes zusammenhängende Voxelblöcke aus
dem Speicher in einer Art und Weise abgefragt werden, die konsistent
mit der Speicherung dieser Voxel in dem Speicher ist. Eine Verarbeitung
hauptsächlich
in Übereinstimmung
mit der Organisation der Voxeldaten statt in der Ordnung, in der die
Pixel eines Bildes angezeigt werden, läuft der Intuition zuwider,
führt jedoch
zu einer effizienteren Verarbeitung, da ein besserer Gebrauch von
den Speicherabfrageprozessen, die typischerweise in Computersystemen
verwendet werden, gemacht werden kann. Wo ein Speicherzugriff durchgeführt wird,
ist es jetzt üblich,
einen Block oder einen Ablauf von zusammenhängenden Speicherorten abzufragen.
Dies liegt teilweise an der Konstruktion der Speicherchips, teilweise
an der Verwendung der Cachespeicher und teilweise an der Optimierung
der Busverwendung. Durch das Ordnen bzw. Sortieren der Verarbeitung
abhängig
von der Ordnung des Speicherns der Voxel ist es wahrscheinlicher,
daß sukzessive
Voxelwerte, die benötigt
werden, um eine Zeile des gescherten Bildes aufzusummieren, in einem Block
von abgefragten Daten verfügbar
sind.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bildet die Scherabbildung ungeachtet dessen, welche
Richtung dem Sicht- bzw. Blickvektor am nächsten ist, die Voxelzeilen
in der ersten Richtung auf Pixelzeilen des gescherten Bildes ab,
wodurch die oben erwähnten
Vorteile für
jede Richtung des Blickvektors in bezug auf das darzustellende Objekt zutreffen.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der
Volumendatensatz im Hauptspeicher gehalten und Blöcke von
aneinander grenzenden geordneten Voxelwerten, die verarbeitet werden,
werden zeitweilig von dem Hauptspeicher zu dem Cachespeicher übertragen.
Die Erzeugung der Pixel des zweidimensionalen gescherten Bildes
wird vorzugsweise Zeile pro Zeile des gescherten Bildes durchgeführt. Ein Cachespeicher
könnte
derart betreibbar sein, daß er alle
Daten hält,
die für
die Verarbeitung zumindest einer Abtastzeile des zweidimensionalen
gescherten Bildes im Speicher erforderlich sind. Ein Pufferspeicher
für das
gescherte Bild wird für
die Summation einer Zeile an einem Zeitpunkt des gescherten Bildes bereitgestellt.
In einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Pufferspeicher für das gescherte Bild für eine Zeile
von Pixeldaten ein first level Cachespeicher eines Mikroprozessors.
Somit könnte
in einer Ausführungsform
der Erfindung ein second level Cachespeicher alle Reihen von Voxeldaten
halten für die
Erzeugung einer Zeile des gescherten Bildes und ein first level
Cachespeicher könnte
alle Pixel der Pixelzeile des gescherten Bildes halten. Auf diese
Art und Weise ist eine besonders effiziente Verarbeitung durch die
effektive Verwendung von Speicherresourcen möglich.
-
Das Ableiten einer Pixelzeile des
gescherten Bildes beinhaltet das Identifizieren von einer oder mehreren
Voxelreihen in der ersten Richtung, die auf die Pixelzeile des gescherten
Bildes abgebildet werden, und das Sammeln von Beiträgen von
Voxeln von der einen oder der mehreren Reihen von Voxeln, um entsprechende
Pixelwerte der Pixelzeile des gescherten Bildes abzuleiten. In einer
bevorzugten Ausführungsform
wird ein Eintrag durchgeführt über die
Beziehung zwischen aufeinander folgenden Reihen von Voxeln, die
zu einer Pixelzeile beitragen. Die selben Beziehungen zwischen Reihen
können
für jeden
Pixel des gescherten Bildes angewendet werden. Daher kann ein Eintrag
(beispielsweise in der Form einer Tabelle) verwendet werden, um
die Voxel zu identifizieren, die zu irgend einem Pixel des gescherten
Bildes beitragen.
-
Die Akkumulation bzw. Summierung
der Beiträge
für ein
Pixel des gescherten Bildes wird beendet, wenn ein Wert, der eine
vorbestimmten Intensität oder
Opazität
darstellt, erreicht wird. Dieser Ansatz ist ein wenig wie die „frühe Strahlenbeendigung", um die unnötige Verarbeitung
von Voxeln zu vermeiden, die nicht zu einem Pixel des gescherten
Bildes beitragen, beispielsweise, da das Pixel bereits seine Maximalintensität erreicht
hat.
-
Um ebenso die Verarbeitungseffizienz
zu verbessern, kann die Vorverarbeitung des Volumendatensatzes eingesetzt
werden, um Voxel zu identifizieren, die Werte haben, die einen vorbestimmten Grad
der Opazität überschreiten.
Diese Vorverarbeitung kann das Erzeugen eines Volumendatensatzes, der
als Abfolge von Werten mit Opazitäten größer als die vorbestimmte Opazität, die durch
Auslaß-
bzw. Sprunglängen
getrennt sind, beinhalten. Alternativ kann die Vorverarbeitung das
Erzeugen eines Eintrages involvieren, der die Zuweisung der Voxel
mit Opazitätswerten
größer als
die vorbestimmte Opazität
anzeigt. Während
der Erzeugung des gescherten Bildes können Voxel mit Voxelwerten
geringer als oder gleich dem vorbestimmten Wert während der Akkumulation
von Pixelwerten ignoriert werden, um das Erzeugen unnötiger Berechnungen
und Speicherzugriffe zu vermeiden.
-
Die Erfindung findet insbesondere
Anwendung auf die Darstellung von abgetasteten bzw. gescannten Daten,
beispielsweise medizinischen Abtastdaten, seismischen Daten, nicht
destruktive Testdaten usw. Solche Daten können durch eine oder mehrere
der folgenden Abtasttechniken erzeugt werden, die lediglich beispielhaft
angegeben werden: Teilchen- und/oder elektromagnetische Energieabtastung,
Schall- oder Ultraschallabtastung.
-
Ein anderer Aspekt der Erfindung
stellt ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung, das einen Computercode
aufweist, der, wenn er in dem Speicher eines Computers abgelegt
ist, betreibbar ist, um den Prozessor des Computers zu steuern,
um ein Verfahren, wie es oben ausgeführt ist, zu implementieren.
Der Computerprogrammcode kann auf einem Trägermedium bereitgestellt werden.
Das Trägermedium
kann beispielsweise ein Speichermedium sein. Alternativ dazu kann
es ein Übertragungsmedium
sein.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung
stellt ein System zur Verfügung
für das
Erzeugen eines zweidimensionalen Bildes eines Volumendatensatzes, der
ein Objektvolumen von einem auswählbaren Sichtpunkt
darstellt. Das System beinhaltet einen Speicher für einen
Objektvolumendatensatz. Der Volumendatensatz weist Werte auf, die
geordnet sind nach Voxeln entlang einer Reihe, die sich in einer ersten
Richtung erstreckt, nach Reihen über
eine Ebene, die sich in der ersten Richtung und einer zweiten Richtung
erstreckt, und nach Ebenen durch ein Objektvolumen, das sich in
der ersten und zweiten Richtung und einer dritten Richtung erstreckt.
Ein Sicht- bzw. Ansichtsprozessor ist derart betreibbar, daß er in
Antwort auf die Definition eines Blickvektors, der einer Blickrichtung
in bezug auf einen Blickpunkt bestimmt, Scher- und Verzerrungsabbildungen bestimmt
und eine Richtung, die erste, die zweite oder die dritte Richtung
als die dem Sichtvektor am nächsten
kommende Richtung bestimmt. Ein Scherprozessor ist derart betreibbar,
daß er
Pixel eines zweidimensionalen gescherten Bildes mit einer Mehrzahl
von Pixelzeilen von Voxelwerten des Volumenobjektdatensatzes ableitet,
die von der Scherabbildung identifiziert werden. Die Scherabbildung
bildet Reihen von Voxeln in der ersten Richtung auf Pixelzeilen
des gescherten Bildes ab. Ein Warp- bzw. Verzerrprozessor ist derart
betreibbar, daß er
ein Ausgangsbit ableitet durch Abbilden von Pixeln des gescherten
Bildes gemäß der Verzerrabbildung.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung wird ein Computer-implementiertes Verfahren bereitgestellt
zum Erzeugen eines zweidimensionalen Ausgangsbildes aus einem Volumenobjektdatensatz, wobei
das Verfahren aufweist:
- (a) zur Verfügung stellen
eines Objektvolumendatensatzes, der Voxelwerte aufweist, die nach
Voxeln entlang einer Zeile, die sich in einer ersten Richtung erstrecken,
nach Zeilen entlang einer Ebene, die sich in der ersten Richtung
und einer zweiten Richtung erstreckt, und nach Ebenen durch ein
Objektvolumen, das sich in der ersten und der zweiten Richtung und
einer dritten Richtung erstreckt, geordnet bzw. sortiert sind,
- (b) zur Verfügung
stellen eines Sichtvektors und eines Sichtpunktes, die Definieren
einer Sichtrichtung gemäß dem Sichtvektor
und dem Sichtpunkt und Bestimmen von einer, der ersten, der zweiten oder
der dritten Richtung als die dem Sichtvektor am nächsten kommende
Richtung,
- (c) Bestimmen einer Scherabbildung von dem Objektvolumendatensatz
auf ein zweidimensionales geschertes Bild,
- (d) Bestimmen einer Verzerrungsabbildung von dem zweidimensional
gescherten Bild zu einem zweidimensionalen Ausgangsbild,
- (e) Ableiten von Pixeln eines zweidimensional gescherten Bildes
mit einer Mehrzahl von Zeilen von Pixeln von Voxelwerten des Objektvolumendatensatzes,
der durch die Scherabbildung identifiziert wird, wobei die Scherabbildung
Zeilen von Voxeln in der ersten Richtung auf Zeilen von Pixeln des gescherten
Bildes abbildet, und
- (f) Ableiten des zweidimensionalen Ausgangsbildes durch Abbilden
von Pixeln des gescherten Bildes gemäß der Verzerrungsabbildung.
-
Ein oder mehrere von dem Sichtprozessor, dem
Scherprozessor und dem Verzerrprozessor können teilweise oder vollständig durch
Software implementiert werden, die den Betrieb der Allzweckhardware
steuert. Ein oder mehrere von dem Sichtprozessor, dem Scherprozessor
und dem Verzerrprozessor können
jedoch gleichwertig teilweise oder vollständig durch Spezialhardware
implementiert werden, beispielsweise durch einen applikationsspezifischen
integrierten Schaltkreis (ASIC) oder irgend eine geeignete Technologie.
-
Kurze Beschreibung
der Figuren
-
Eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im folgenden nur beispielhaft beschrieben
und in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen gleiche
Bezugszeichen gleiche Elemente betreffen und in denen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Computerworkstation für eine Ausführungsform
der Erfindung ist,
-
2 ein
schematisches Blockdiagramm ist, das ein Beispiel einer Hardwarekonfiguration
einer Workstation ist, wie sie in 1 dargestellt
ist,
-
3 eine
Darstellung eines Beispiels eines Bildes ist, das von einem Beispiel
der Erfindung ausgegeben werden kann,
-
4 eine
schematische Darstellung von verschiedenen Stufen eines Abbildungsprozesses von
dreidimensionalen Voxeldaten in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist,
-
5 eine
schematische Darstellung einer dreidimensionalen Anordnung von abzubildenden Voxeln
ist,
-
6 eine
run-skip- bzw. Ablauf-Sprung-Speichermethode für Voxeldaten darstellt, 7 eine alternative Speichermethode
für Voxeldaten
darstellt,
-
8 eine
Scherverarbeitungsstufe des Prozesses von 4 mehr im Detail zeigt, 9 Stufen in der Darstellung von dreidimensionalen
Voxeldaten darstellt,
-
10 Schritte
bei der Bestimmung von Sichtparametern des Prozesses von 4 darstellt, 11A-11D verwendet werden,
um detaillierter den Unterschied zwischen dem Stand der Technik
und einer Ausführungsform
der Erfindung zu erläutern,
-
12 eine
Schenrerarbeitungsstufe des Prozesses von 4 darstellt.
-
13 und 14 stellen eine Voxelinterpolation
für die
Voxel-zu-Pixel-Abbildung dar,
-
15 stellt
eine Verzerrverarbeitungsstufe des Prozesses von 4 dar und
-
16 zeigt
eine Hardwareimplementierung, die die Erfindung verkörpert.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird im folgenden und im Kontext eines Computerimplementierten
Systems, eines Verfahrens und eines Computerprogrammproduktes für das Abbilden von
dreidimensionalen Voxeldaten beschrieben.
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer Computerworkstation, die verwendet
wird, um eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Obgleich die vorliegende
Ausführungs form
in Begriffen eines Computerprogrammproduktes beschrieben wird, das
einen Computer, beispielsweise einen Personal Computer oder irgend eine
andere Form einer Workstation, veranlaßt, eine Funktionalität bereitzustellen,
die von einer Ausführungsform
der Erfindung erfordert wird, versteht es sich aus der folgenden
Beschreibung, daß dies
nur ein Beispiel nur einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft. In einer Ausführungsform
der Erfindung kann beispielsweise ein Netzwerk aus Computern statt
eines separaten Computers eine Ausführungsform der Erfindung implementieren.
Alternativ dazu oder zusätzlich
hierzu kann zumindest ein Teil der Funktionalität der Erfindung mittels Spezialhardware,
beispielsweise in Form eines speziell integrierten Schaltkreises
(z. B. applikationsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs))
implementiert werden.
-
Wie in 1 gezeigt
ist, beinhaltet die Computerworkstation 10 eine Systemeinheit 12,
eine Anzeige 14 (als ein zweidimensionales Bild anzeigend gezeigt,
das von dreidimensionalen Voxeldaten in Übereinstimmung mit einem Beispiel
der Erfindung abgeleitet wurde), eine Tastatur 18 und eine
Maus 20.
-
2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration
einer Computerworkstation 10 zeigt, wie sie in 1 gezeigt ist.
-
Wie in 2 gezeigt
ist, beinhaltet die Computerworkstation 10 einen Bus 30,
mit dem eine Anzahl von Einheiten verbunden sind. Ein Mikroprozessor
(CPU) 32 ist mit dem Bus 30 verbunden. Nur-Lese-Speicher 34 und
Speicher 36 mit wahlfreiem Zugriff sind ebenso mit dem
Bus 30 verbunden. Ein Anzeigeadapter 38 verbindet
die Anzeige 14 mit dem Bus 30. Ein Kommunikationsinterface 40,
beispielsweise eine Netzwerkschnittstelle und/oder eine Telefonschnittstelle,
wie z. B. ein Modem, eine ISDN- oder optische Schnittstelle, ermöglicht es,
daß die Computerworkstation 10 mit
anderen Computern über
beispielsweise ein Intranet oder das Internet verbunden wird. Ein
Eingabeeinrichtungsinterface 42 verbindet ein oder mehrere
Eingabeeinrichtungen, beispielsweise die Tastatur 18 und
die Maus 20, mit dem Bus 30. Eine Speicherschnittstelle 43 ermöglicht den
Zugriff auf eine Festplatte 44. Eine optische Laufwerkschnittstelle 45 stellt
einen Zugriff auf ein CD ROM 46 oder dergleichen zur Verfügung, und
ein Diskettenlaufwerkinterface 47 stellt einen Zugriff
auf ein Diskettenlaufwerk 48 zur Verfügung. Eine Druckerschnittstelle 49 verbindet
ebenso einen Drucker 50. Es versteht sich, daß ein oder
mehrere der in 4 dargestellten
Komponenten ausgelassen werden können
und/oder zusätzliche
Komponenten bereitgestellt werden können, wie es für eine bestimmte Implementierung
erforderlich ist.
-
3 ist
eine schematische Darstellung eines typischen Bildes, das mit einer
Ausführungsform der
Erfindung erzeugt werden kann.
-
4 ist
ein Überblick über die
Verarbeitungsstufen 80 bei dem Betrieb einer Ausführungsform
der Erfindung.
-
In den Vorverarbeitungsoperationen
werden die ursprünglichen
Objektvolumendaten in Schritt 82 durch geeignete Voxeldatenaufnahmevorrichtungen aufgenommen.
Dies könnte
beispielsweise durch einen Computertomographiescanner, einen Kernresonanzscanner,
einen Ultraschallscanner usw. durchgeführt werden. Die aufgenommenen
Bilddaten werden vorverarbeitet, um Volumendaten in der Form einer
dreidimensionalen Anordnung von Voxeldaten zu erzeugen. Diese Daten
können
direkt gespeichert werden, um die 3D-Objektvoxeldaten zu erzeugen, wie
in Schritt 86 in 4 identifiziert
ist. Alternativ dazu kann eine weitere Vorverarbeitung dieser Bilddaten
in Schritt 84 durchgeführt
werden, wie später detaillierter
beschrieben wird.
-
Die Daten werden in Schritt 86 im
Volumendatenspeicher als ein Volumendatensatz gespeichert, der die
Voxelwerte darstellt. Die Voxelwerte werden sortiert bzw. geordnet
durch Voxel entlang einer Reihe, die sich in einer ersten Richtung
erstreckt, durch Reihen entlang einer Ebene, die sich in der ersten
Richtung und in einer zweiten Richtung erstreckt, und durch Ebenen
durch ein Volumen, das sich in der ersten und der zweiten Richtung
und einer dritten Richtung erstreckt. Somit sind die Voxeldaten geordnet
durch Voxel innerhalb einer Reihe, durch Reihen innerhalb einer
Ebene (oder Schnitte bzw. Scheiben) und durch Ebenen innerhalb eines
Volumens. Die Voxeldaten werden im Speicher im wesentlichen in dieser
Ordnung gespeichert und obgleich, wie später erläutert wird, verschiedene Erweiterungen
der Speichermethode eingesetzt werden können, um die Effizienz zu steigern.
-
Sobald die grundlegenden Objektvoxeldaten gespeichert
werden, kann die Verarbeitung dieser Daten in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der Erfindung durchgeführt
werden.
-
In Schritt 88 wird ein Sichtvektor
(Sichtpunkt und -richtung) bestimmt. Dies könnte durch einen automatisierten
Prozeß durchgeführt werden,
beispielsweise durch ein Programm, das betreibbar ist, um ein Video
zu erzeugen, das eine Serie von Ansichten aufweist, oder alternativ
dazu durch einen Benutzer, der konventionelle Eingabeeinrichtungen
verwendet, wie z. B. die Tastatur 18 und die Maus 20,
die in 1 gezeigt sind.
-
Sobald der Sichtvektor bestimmt wurde,
wird eine Berechnung in Schritt 90 durchgeführt betreffend
die Beziehung zwischen dem Sichtvektor und den Koordinatenachsen
des Koordinatensystems, in dem das Objekt definiert wird. Um dies
zu erreichen, wird der Sichtvektor als Sichtmatrix in einer konventionellen
Weise ausgedrückt.
Geeignete Scher- und Verzerrparameter werden dann, wie später beschrieben
wird, für
die Verarbeitung der Voxeldaten bestimmt, um ein zweidimensionales
Bild des Objektes, wie es entlang des Sichtvektors gesehen wird,
abzuleiten.
-
In Schritt 92 werden sukzessive
Zeilen der zweidimensionalen gescherten Bilddarstellung des Objektes,
das von den Voxeldaten dargestellt wird, berechnet, und die Ergebnisse
werden in Schritt 94 Zeile per Zeile im zweidimensionalen
gescherten Bildspeicher 94 abgelegt.
-
In Schritt 96 werden dann
die Zeilen der gescherten Bilddarstellung von dem gescherten Bildspeicher
verzerrt, um das gewünschte
zweidimensionale Bild des Objektes, das von den Voxeldaten dargestellt
wird, zu erzeugen, wie es entlang des Sichtvektors gesehen wird.
Das Endbild wird in Schritt 98 in dem Endbildspeicher gesammelt,
der im Hauptspeicher abgelegt werden kann.
-
Für
den Fachmann versteht es sich, daß die gesamte Verarbeitungsstrategie ähnlich zu
derjenigen ist, die bei der konventionellen Scher-Verzerrverarbeitung
verwendet wird. Es gibt jedoch signifikante Unterschiede zwischen
der konventionellen Scher-Verzerrverarbeitung und der Verarbeitung
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung. Diese Unterschiede stellen signifikante technische
Vorteile zur Verfügung,
wie sich aus dem folgenden leicht ergibt. Insbesondere in einer
Ausführungsform
der Erfindung wird die Verarbeitung der Voxeldaten, um die gescherte
Bilddarstellung zu erzeugen, ausgewählt, um den Zugriff auf die
Voxeldaten von dem Speicher zu optimieren, was signifikant die Verarbeitungseffizienz
und die Verwendung der verfügbaren
Systemresourcen verbessert.
-
5 ist
eine schematische Darstellung der Voxeldaten, die einen Volumendatensatz 100 eines abzubildenden
Objektes zusammensetzen. 5 versucht,
eine dreidimensionale Anordnung von Voxeln 104 in bezug
auf i-, j- und k-Achsen darzustellen mit dem Ursprung an der oberen
linken vorderen Ecke 102. Jedes Voxel 105 ist
mit ein oder mehreren Werten verknüpft, die das Volumen im Raum
darstellen. Der Wert oder die Werte können die Intensität des Voxels
betreffen, beispielsweise betreffend die Dichte des Volumens im
Raum. Der Wert oder die Werte könnten
jedoch beispielsweise Werte betreffen, die von einem Scan des Objektes
im Raum abgeleitet werden als eine Funktion der abgetasteten Werte.
Beispielsweise könnten
sie die Opakheit (Opazität)
oder die Transparenz, die Farbe usw. des Volumens im Raum darstellen.
Aus Gründen
der Einfachheit wird im folgenden auf einen Opazitätswert bezug
genommen, obgleich es verstanden sein sollte, daß dies alternativ dazu ein
Transparenzwert oder beispielsweise ein Dichtewert, wie es geeignet
ist, sein könnte.
Ebenso werden aus Gründen
der Bequemlichkeit der Erklärung
nur die Begriffe Voxel, Reihen, Ebenen (oder Schnitte bzw. Scheiben)
und Objektvolumen in bezug auf die Anordnung des Objektraumes definiert,
wie er in 5 gezeigt
ist, obgleich es erkannt werden sollte, daß andere Definitionen gegeben
werden könnten.
-
Eine Zeile aus Voxeln (sagen wir 104(0,0,0), 104(1,0,0), 104(2,0,0) ..., 104(1,0,0)),
die sich horizontal erstreckt, wie in 5 gezeigt
ist, bildet eine Reihe (sagen wir 106(1,0)). Eine Serie
von Reihen (sagen wir 106(0,0), 106(1,0), 106(2,0),..., 106(J,0)), die
sich senkrecht zu den Reihen in vertikaler Richtung erstreckt, wie
in 5 gezeigt ist, bildet
eine Ebene (oder Scheibe) (sagen wir 108(0)).
-
Eine Reihe von Ebenen (sagen wir 108(0), 108(1), 108(2),
..., 108(K)), die sich senkrecht zu den Reihen und Ebenen
senkrecht zu der Ebene der Seiten erstreckt, wie in 5 gezeigt ist, bilden ein Objektvolumen 100.
-
6 zeigt
eine Speichermethode für
die Voxeldaten in dem Volumendatenspeicher 86. In dieser
einfachen Speichermethode werden aufeinander folgende Werte für jedes
der Voxel (104(0,0,0)– 104(1,0,0))
von links nach rechts, wie in den 5 und 6 dargestellt ist, entlang
der horizontalen Reihe 106(0,0) der Ober- und Vorderseite
des Volumens in sequentiellen Adressen in dem Speicher gespeichert.
Danach werden sukzessive Voxelwerte von links nach rechts für die Reihe 106(1,0) unter
der ersten Reihe in dem nächsten
Satz von Adressen im Speicher gespeichert. Dies wird dann nach unten entlang
der vorderen Ebene 108(0) des Objektvolumens 100 fortgesetzt.
An der unteren rechten Seite der vorderen Ebene 108(0) der
Voxeldaten wird der selbe Ansatz zu dem Voxeldatenspeicher für die Ebene 108(1) hinter
der Frontebene angewendet. usw. für das gesamte Objektvolumen.
-
Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß konventionelle
Computertechnologie, insbesondere mit der Verwendung von Cachespeichereinrichtungen,
die signifikant an Verarbeitungseffizienz gewinnt, hergestellt werden
kann, wo Daten, die für
die Verarbeitung erforderlich sind, in aneinandergrenzenden Speicherorten
im Speicher gefunden werden. Wo ein Speicherzugriff durchgeführt wird,
ist es üblich,
einen Block oder eine Abfolge von aneinandergrenzenden Speicherorten
abzufragen. Dies liegt teilweise an der Konstruktion des Speicherchips,
teilweise an der Verwendung von Cachespeichern und teilweise an
der Optimierung der Busverwendung.
-
Die konventionelle Scher-Verzerrverarbeitung
basiert auf der Erzeugung der Pixelwerte eines gescherten Bildes
in einer Anzahl von Durchläufen. Wo
die Sichtrichtung am nächsten
zu entweder der zweiten Q) oder der dritten (k) Achse ist, könnte dann der
Algorithmus einen relativ effizienten Zugriff auf die Voxeldaten
einsetzen. Wo jedoch der Sichtvektor in seiner Orientierung nahe
der ersten (i) Achse ist, wird ein ineffizienter Zugriff auf die
Voxeldaten notwendig, was zu einer signifikant langsameren Bilderzeugung
führt.
Eine Ausführungsform
der Erfindung verhindert solch eine langsame Achse durch Einsetzen
eines anderen und effizienteren Ansatzes an die gescherte Bilddatenerzeugung
in zumindest der Achse, wo der Sichtvektor am nächsten der ersten (i) Achse
ist.
-
Die Methodik, die von der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird, wird unten detaillierter beschrieben.
Bevor jedoch mit einer vollständigeren Beschreibung
fortgesetzt wird, wird auf 7 bezug genommen,
die einen run-skip-Ansatz bzw. Lauf-Sprungansatz für das Speichern
einer Arbeitsuntergruppe der Voxeldaten des Volumendatensatzes darstellt.
In dem anfänglichen,
optionalen Vorverarbeitungsschritt 84, der in 4 gezeigt ist, können die
Voxeldaten, die in bezug auf die 5 und 6 gezeigt sind, verarbeitet
werden, um Pixel zu entfernen mit einem Opazitätswert unterhalb einer gegebenen Grenze.
Eine revidierte Darstellung des Objektes kann als Startpunkt in Schritt 86 gespeichert
werden für
die Verarbeitung. von Voxeln, die weniger opak als die Schwelle
sind, die entfernt und ersetzt wurden durch einen Zähler der
entfernten Voxel. Im Ergebnis wird die revidierte Objektvolumendarstellung 110 beinhalten
eine Abfolge von Voxeln 112, gefolgt von einem Sprungwert 114,
der eine Voxelzahl zu der nächsten
Abfolge von Voxeln 116 gibt, gefolgt von einem Sprungwert 118,
gegeben als eine Zahl von Voxeln, usw. Die selbe grundlegende Ordnung
von Voxeln, wie unter bezug auf 6 beschrieben
wurde, wird eingesetzt mit einer Voxelordnung nach Voxeln innerhalb
einer Zeile, Zeilen innerhalb einer Ebene und Ebenen innerhalb des
Objektvolumens, um das komplette Objektvolumen 110 zu bilden.
Die Reduktion der Daten, auf die für die Verarbeitung zugegriffen
wird, führt
zu einer Reduktion der benötigten
Busbandbreite und dementsprechend zu einer Reduktion der Verarbeitungszeit.
Typischerweise wird der Schwellwert, der für den Opazitätswert verwendet wird,
bei oder unterhalb des niedrigsten Niveaus der Opazität von möglichem
Interesse gewählt,
damit die Arbeitsuntergruppe von 7 effektiv
komplett ist, zumindest soweit irgend eine erwartete Verarbeitung betroffen
wird.
-
8 stellt
eine Alternative zu der Darstellung in 7 dar. In diesem Fall werden die vollständigen Objektdaten 110 beibehalten.
Eine weitere Anordnung 119 in Form einer Bitabbildung,
die ein Bit für
jedes Voxel aufweist, wird im Speicher definiert. Jedes Bit ist
entweder auf einen Wert (sagen wir 1) eingestellt, wo das entsprechende
Voxel oberhalb der Opazitätsgrenze
ist, oder auf einen anderen Wert (sagen wir 0) eingestellt, wo das
entsprechende Voxel unterhalb der Opazitätsgrenze liegt. Durch nur Zugreifen
auf Voxel mit signifikanten Daten kann dieser Ansatz zu einer Reduktion
in der benötigten
Busbandbreite und zu einer Reduktion in der Verarbeitungszeit führen.
-
Als weitere Alternative könnte der
3D-Volumendatensatz 110 und/oder die Bitabbildung 119 unter
Verwendung eines Lauf-Sprung-Ansatzes gespeichert werden. Wo ein
Lauf-Sprung-Ansatz für
den 3D-Volumendatensatz 110 angepaßt wird, identifiziert die
Bitabbildung die Abfolge von Bits, die zurückgehalten werden, unter Verwendung
von einem Bitwert und identifiziert die ausgelassenen Werte unter
Verwendung eines anderen Bitwertes. Wo ein Abfolge-Sprung-Ansatz
für die
Bitabbildung 119 angepaßt wird, kann der Speicher,
der für
die Bitabbildung erforderlich ist, ebenso in einer Weise ähnlich der
unter bezug auf die in 7 beschriebenen,
reduziert werden. In einem weiteren Beispiel eines Abfolge-Sprung-Ansatzes
wird eine Matrix aus Start- und Endzeigern zu dem Beginn und dem
Ende, von Abfolge-Sprung-Datensätzen
auf einer i-, j-Koordinatenbasis angeordnet.
-
Es folgt nun eine Beschreibung der
Arbeitsweise einer Ausführungsform
der Erfindung für
das Erzeugen eines zweidimensionalen Bildes eines dreidimensionalen
Objektes.
-
9A stellt
ein Objekt 120 in einer Region 100 im i-, j-, k-Objektraum
122 dar. Die Region 100 entspricht dem Objektvolumendatensatz 100,
der in Schritt 86 in 4 gespeichert
wird. Ein willkürlicher Sichtvektor
W ist ebenso gezeigt. Dies könnte
die vollständige
Voxeldatendarstellung, wie sie unter bezug auf 6 beschrieben wurde, aufweisen oder könnte eine
der alternativen Darstel lungen, die in Bezug auf die 7 oder 8 beschrieben wurden, oder irgend eine
andere alternative Darstellung des Objektvolumendatensatzes 100 von 5 aufweisen. Die tatsächlichen
gespeicherten Daten werden typischerweise als irgend eine Funktion
der Daten abgeleitet, die aus dem Scan bzw. der Abtastung eines Objektes
herrühren.
Die Daten können
Opazitätswerte,
Farbwerte usw., anstelle von reinen Abtastintensitätswerten
sein.
-
9B stellt
eine Darstellung eines vollständig
gescherten zweidimensionalen Bildes 1030 im gescherten Bild(l, m,
n)-Raum dar entsprechend dem gescherten Bildspeicher in Schritt 94 in 4. Die Dimension n ist orthogonal
zu 1 und m, d. h. n ist rechtwinklig zu der Ebene, die durch 1 und
m definiert wird und ist parallel zu dem Sichtvektor W. Das Ziel
bzw. der Zweck der Scheroperation in einer Ausführungsform der Erfindung ist
es, ein geschertes Bild zur Verfügung
zu stellen, so daß die
Reihen von Voxeln in der i-Richtung immer auf Pixellinien des gescherten Bildes
in der I-Richtung abgebildet werden, um eine effiziente Verarbeitung
bereitzustellen.
-
9C stellt
das zweidimensionale Endbild 130 im Endbild(x, y, z)-Raum dar entsprechend Schritt 98 in 4. Es sei erwähnt, daß n = z
und daß es
eine affine Transformation von 1 und m zu x und y gibt. Die Verzerr-
bzw. Warpverarbeitung von Schritt 96 von 4 setzt Verzerrparameter ein, die in Schritt 90 von 4 bestimmt wurden, um die
gescherte Objektdarstellung in die Endbilddarstellung umzuwandeln.
-
10 ist
ein Flußdiagramm
für das
detailliertere Beschreiben von Schritt 90 von 4.
-
In Schritt 140 wird eine
Bestimmung durchgeführt,
welche in der i-, j- oder k-Achse des Objektkoordinatenraums eine
Orientierung hat, die der Orientierung des Sichtvektors am nächsten kommt.
Dies kann unter Verwendung von konventioneller Matrizenberechnung
durchgeführt
werden durch Auffinden des Skalarprodukts des Sichtvektors mit den
entsprechenden i-, j- und k-Achsen und Bestimmen der Achsen mit
einer Orientierung, die dem Sichtvektor am nächsten kommt, die das größte Skalarprodukt mit
dem Sichtvektor liefert. Die geeignete Schermatrix kann dann bestimmt
werden.
-
In Schritt 142 wird eine
Schermatrix bestimmt, so daß die
i-Achse von 9A auf die
I-Achse von 9B abgebildet
ist, d. h. derart, daß eine Reihe
von Voxeln in der i-Richtung auf Linien von Pixeln in dem gescherten
Bild abgebildet wird. In diesem Beispiel werden die Voxelreihen
in der i-Richtung
auf horizontale Pixelreihen in der Abtastrichtung 1 des
gescherten Bildes abgebildet. Die m- und n-Achse werden als orthogonal zueinander
und zu der I-Achse eingestellt.
-
In Schritt 144 wird eine
Verzerrmatrix erzeugt für
das Bewirken einer 2D-Verzerrtransformation von dem gescherten Bild
zu dem Endbild. Hier ist die Verzerrmatrix das Produkt der invertierten
Schermatrix und der Sichtmatrix.
-
Obgleich die vorliegende Erfindung
Scher- und Verzerrstufen einsetzt, beinhaltet eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung signifikante Verbesserungen in bezug
auf die traditionellen Scher-Verzerr-Techniken.
Durch das zur Verfügung stellen
einer Scherung, die Voxelreihen auf Pixelpositionsreihen in dem
gescherten Bild abbildet, ist eine effizientere Verarbeitung möglich, insbesondere
wo der Sichtvektor der i-Richtung am nächsten ist. Dies liegt daran,
daß die
für die
aneinander grenzenden Pixel auf einer Linie des gescherten Bildes
benötigten
Voxel wahrscheinlicher in aneinandergrenzenden Speicherplätzen im
Voxelspeicher zu finden sind.
-
Der Unterschied zwischen der Abbildung,
die in Übereinstimmung
mit der Erfindung durchgeführt wird
und der Abbildung, die durch einen traditionellen Scher-Verzerr-Prozeß eingesetzt
wird, sollte aus der folgenden Beschreibung von 11 deutlicher werden. In jeder der 11A-11D erstreckt sich der Sichtvektor
W rechtwinklig zu der Zeichenebene und in die Zeichnung.
-
11A stellt
die Erzeugung eines gescherten Bildes dar, wie es in einem konventionellen Scher-Verzerr-Prozeß eingesetzt
wird, wo der Sichtvektor der i-Achse des Objektraumes am nächsten ist.
Es wird angenommen, daß der
Sichtvektor nahe, jedoch nicht parallel zu der i-Achse im Objektraum ist.
Wie in 11A gezeigt ist,
wird die k-Achse ausgerichtet, damit sie mit der I-Achse des gescherten Bildes übereinstimmt.
Die Verarbeitung der Pixel des gescherten Bildes wird in der Ordnung
durchgeführt, die
durch den Pfeil S dargestellt wird, beginnend beispielsweise mit
den Voxeln A. Da die Voxel in der Ordnung (i, j, k) gespeichert
sind, bedeutet dies, daß jeder
aufeinanderfolgende Voxel, der für
die Berechnung der Reihen von Pixeln des gescherten Bildes erforderlich
ist, in einer anderen Ebene von Voxeln zu finden ist (d. h. mit
signifikanten Abständen
im Speicher). Bei der Erzeugung der Pixel des gescherten Bildes
wird (werden) der Beitrag (die Beiträge) von den Voxeln durch das
Objekt gesammelt, wobei aufeinanderfolgende Schichten von Voxeln
von vorne nach hinten verarbeitet werden, wie durch den Pfeil T dargestellt
wird. Obgleich die Verarbeitung als von vorne nach hinten erfolgend
gezeigt ist, könnte
sie alternativ auch von hinten nach vorne bewirkt werden.
-
11 B
stellt die Erzeugung eines gescherten Bildes für eine Ausführungsform der Erfindung dar
unter der Annahme des selben Objektes und des selben Sichtvektors,
der der i-Achse am nächsten
ist. Es wird erneut angenommen, daß der Sichtvektor nahe, jedoch
nicht parallel zu der i-Achse im Objektraum ist. Es ist klar zu
erkennen, daß sich
die Scherung, die in 11 B
in einer Ausführungsform
der Erfindung angewendet wird, von der, die in 11A in dem konventionellen Scher-Verzerr-Prozeß angewendet
wird, unterscheidet. In einer Ausführungsform der Erfindung wird
eine Scherung eingesetzt, die die i-Achse auf die I-Achse des gescherten
Bildes abbildet. Die Verarbeitung der Pixel einer Zeile des gescherten
Bildes in der Richtung T wird dann mit der Organisation der Voxel
im Speicher ausgerichtet. Wenn die Voxel in der Ordnung (i, j, k)
gespeichert werden, bedeutet dies, daß jedes sukzessive Voxel, das
für die
Berechnung der Reihe aus Pixeln des gescherten Bildes benötigt wird,
in eng benachbarten Orten im Speicher zu finden ist.
-
Der Unterschied zwischen der Scherung
von 11A und der Scherung
von 11B könnte als eine
imaginäre
zusätzliche
Scherung AS, die in 11 B
gezeigt ist, dargestellt werden. Es sollte jedoch verstanden werden,
daß eine
Ausführungsform der
Erfindung nicht notwendigerweise zwei getrennte Scheroperationen
bereitstellt, sondern daß eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung statt dessen eine einzelne Scheroperation einsetzt,
die trotzdem äquivalent
zu einer konventionellen Scherung plus der imaginären zusätzlichen
Scherung AS sein könnte.
-
11C stellt
die Erzeugung einer Pixellinie dar, die Beiträge von den unterschiedlichen
Schichten des Objektes zeigt. Es ist zu sehen, daß die Voxelreihen
durch das Objekt, die zu einer Zeile von Pixeln LP des gescherten
Bildes beitragen, von Schicht zu Schicht (Ebene zu Ebene) des Objektes
gehen.
-
Die Berechnung der Voxelreihen des
gescherten Objektes, die zu einer Pixelzeile LP des gescherten Bildes
beitragen, kann während
der Übertragung
berechnet werden. Alternativ kann sie vorberechnet und in einem
Eintrag (beispielsweise einer Schertabelle) gehalten werden, die
die relative Beziehung zwischen den Reihen in aufeinander folgenden
Ebenen zeigt, die erforderlich ist, um eine Pixelzeile zu erzeugen.
Da die selbe relative Beziehung für jede Zeile des gescherten
Bildes anzuwenden ist, kann die Vorberechnung dieser Beziehung und
die Speicherung in beispielsweise einer Schertabelle eine effektive
Technik für
das Verbessern der Verarbeitungsleistung sein. Eine Schertabelle
kann als Teil des Sichtparameterbestimmungsprozesses 90 von 9 berechnet werden.
-
11 D
stellt die Erzeugung des gescherten Bildes dar, wo die Blick- bzw.
Sichtrichtung am nächsten
der j- oder k-Achse des Objektraumes ist. In jedem Fall wird die
Scherabbildung derart gewählt, daß die i-Achse
auf der I-Achse des gescherten Bildraums abgebildet wird. Wo die
j-Achse dem Sichtvektor am nächsten
ist, wird dann die k-Achse derart angeordnet, daß sie auf die m-Achse des gescherten
Bildraums abgebildet wird. Wo die k-Achse dem Sichtvektor am nächsten ist,
wird dann die j-Achse derart angeordnet, daß sie auf die m-Achse des gescherten
Bildraumes abgebildet wird. 11 D
zeigt ebenso den Satz von Reihen von Voxeln, die auf die Pixellinie
LP abgebildet wird. Es kann daher gesehen werden, daß die Verarbeitung
der Pixel einer Zeile LP des gescherten Bildes in der Richtung T mit
der Organisation der Voxeln in Speicher ausgerichtet werden kann.
Da die Voxel in der Ordnung (i, j, k) gespeichert sind, bedeutet
dies, daß jedes
aufeinanderfolgende Voxel, das für
die Berechnung der Pixelreihe des gescherten Bildes notwendig ist,
in eng benachbarten Orten im Speicher gefunden werden.
-
Wie oben erwähnt wurde, kann das Anordnen,
daß die
Verarbeitung von Voxeln die Speicherung der Voxel im Speicher berücksichtigt,
die Verarbeitung des Bildes stark verbessern. Durch das zur Verfügung stellen
der Verarbeitung in dieser Art und Weise kann die Bilddarstellung
von vergleichbarer Geschwindigkeit sein ungeachtet dessen, welche Achse
dem Sichtvektor am nächsten
ist, was eine „langsame
Achse" verhindert.
Wenn in Matrixbegriffen betrachtet, wird die Scherung derart angeordnet, daß der Speicherzugriff
vorzugsweise entsprechend der inneren Schleife (i) durchgeführt wird,
wo die Matrixachsen ausgedrückt
werden als (i, j, k).
-
Die Erklärung der Erzeugung von Pixelwerten,
die in den 11C und 11D dargestellt werden, basiert
auf einem Punktabfrageansatz, wo der Wert von einem Voxel je Schicht
genommen wird, damit er zu dem Wert eines Pixels beiträgt. Dies
wird unter Bezug auf 12 detaillierter
beschrieben.
-
12 stellt
detaillierter ein Beispiel der Erzeugung eines gescherten Bildes
dar, das im Speicher 96 zu speichern ist. Die Erzeugung
des gescherten Bildes wird vorzugsweise Zeile für Zeile durchgeführt, wobei
eine Zeile des gescherten Bildes im Cachespeicher 150 in
einem Prozessor, vorzugsweise in einem first level-Cachespeicher
gehalten wird. 12 stellt
einen gescherten Bildzeilenpuffer 152 für das Speichern von Pixelwerten
für eine
Zeile des Cachespeichers und einen Sättigungspufferspeicher 154 dar,
der ein Bit für
jedes Pixel aufweist, um anzuzeigen, ob die Sättigung für das Pixel erreicht wurde, wie
später
beschrieben wird. Der Cachespeicher 156, der ein second
level-Prozessorcachespeicher sein kann, enthält Blöcke von wiedergewonnenen Voxeldaten.
-
Die Erzeugungslogik 158 für das gescherte Bild
reagiert auf die Scherparameter von einer Schertabelle 160 (wie
sie beispielsweise in einem Sichtparameterbestimmungsprozeß 90 von 4 berechnet wurden), um
auf aneinander grenzende Voxelspeicher zuzugreifen, der Daten für Voxel
enthält,
die für die
Berechnung der Pixel der Zeile der gescherten Bilddaten benötigt werden.
-
Die Scherverarbeitungslogik 158 ist
derart betreibbar, daß sie
Teilopazitäts-(Intensitäts)-Werte für eine Zeile
von Pixeln aus den Opazitätswerten
der entsprechenden Sätze
von Voxelwerten sammelt. Ein erster Satz von Voxelwerten (von einer
ersten Voxelreihe, wie sie unter Verwendung eines ersten Eintrages
in der Schertabelle identifiziert wird) wird in einem ersten Durchlauf
gespeichert. Dann wird ein zweiter Satz von Voxelwerten (von einer
zweiten Reihe von Voxeldaten, wie sie von einem zweiten Eintrag
in der Schertabelle identifiziert wird) mit den Opazitätswerten
für die
Pixel kombiniert, wie es geeignet ist. Dieser Prozeß wiederholt
sich für
aufeinanderfolgende Reihen, bis die Pixelwerte für die entsprechenden Pixel
gesammelt wurden. Wenn zu irgend einer Zeit während dieses Prozesses ein
Pixelwert einen gewünschten
Grad der Opazität
erreicht, dann wird ein Anzeiger an einem Ort in dem Sättigungspuffer
für den
betreffenden Pixel gesetzt, um anzuzeigen, daß für diesen Pixel keine weiteren
Berechnungen notwendig sind. Dieser Ansatz ist ein wenig wie die „frühe Strahlenbeendigung", um nicht notwendige
Verarbeitung von Voxeln zu vermeiden, die nicht zu einem Pixel des
gescherten Bildes beitragen werden, beispielsweise, da die Pixel
bereits eine maximale Opazität
erreicht haben. Somit erhöht
das Vorsehen des Sättigungspuffers
die Verarbeitungseffizienz durch Verhindern von nicht notwendigen
Datenabfragen und Berechnungsoperationen.
-
In der obigen Beschreibung wird die
Annahme gemacht, daß für jeden
Schritt durch das Objekt des Volumens nur ein Voxelwert verwendet
wird (sogenannte Punktabfrage). In eine. Ausführungsform der Erfindung ist
es jedoch ebenso möglich,
relative Beiträge
von benachbarten Voxelwerten zu faktorieren, abhängig von dem Schnittpunkt zwischen
dem Sichtvektor und den Zentren der Voxel. Als eine Illustration
unter bezug auf 13 durchläuft ein
imaginärer
Strahl 170 parallel zu dem Sichtvektor für das Erzeugen
eines Pixelwertes an einem Schnittpunkt zwischen vier Voxeln (wie
entlang des Sichtvektors blickend zu sehen ist). In solch einem
Fall könnte
ein 25%-Beitrag von dem Opazitätswert
für jedes
der vier Voxel verwendet werden, um einen zu dem Intensitätswert für das betreffende
Pixel hinzuzufügenden Wert
zu erzeugen. Der proportionale Beitrag kann entsprechend der relativen
Verschiebung des imaginären
Strahls 170 von den entsprechenden Voxelzentren eingestellt
werden. Das zur Verfügung
stellen solch einer proportionalen Verarbeitung erhöht die Verarbeitungsbelastung,
kann jedoch zu einer verbesserten Klarheit und Definition eines
Endbildes führen.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der
Beitrag von vier Voxeln durch die bilineare Verarbeitung berechnet,
wie in 14 dargestellt
ist. Mit anderen Worten wird der Wert eines imaginären Strahles 170 in 14 durch die Linearinterpolation in
der vertikalen Richtung (wie in 14 gezeigt
ist) gefolgt durch eine lineare Interpolation in der horizontalen
Richtung (wie in 14 gezeigt
ist) bestimmt, in Übereinstimmung
mit den folgenden Formeln: G = E(GF/EF) + F(EG/EF), wobei E = A(CE/AC) + C(AE/AC) und F
= (B(FD/BD) + D(BF/BD),wobei A, B, C, D, E und F Werte an den
entsprechenden in 14 gezeigten
Positionen darstellen. A, B, C und D stellen die Zentren von vier
Voxeln dar, und G ist der Punkt, an dem der Sichtvektor die Ebene, die
die vier Voxelzentren enthält,
durchquert.
-
15 stellt
den Verzerrverarbeitungsschritt von 96 von 4 detaillierter dar.
-
In Schritt 150 wird die
Verarbeitung durchgeführt,
um das gescherte Bild zu erzeugen.
-
In Schritt 180 findet die
Verzerrverarbeitung unter Verwendung von Matrizenberechnung statt,
um eine Bilddrehungs-, Skalierungs- und Scheroperation bereitzustellen.
Somit wird die Position der Pixeldaten für jedes Pixel der Reihe des
gescherten Bildes in Übereinstimmung
mit Verzerrfaktoren verändert,
um diese Pixeldaten an einer geeigneten Position in dem Endbild
zu positionieren. Mit anderen Worten müssen die Pixelwerte, die eine
horizontale Reihe in dem gescherten Bild bilden, nicht eine horizontale
Reihe in dem Endbild bilden.
-
In Schritt 182 wird der
Endbildzusammenbau durchgeführt.
Das Endbild kann beispielsweise auf der Anzeigeeinrichtung von 14
der Workstation 10 von 14 dargestellt
werden oder gedruckt werden, gespeichert werden oder zu einem anderen
Ort, einer Workstation oder dergleichen, wie es erforderlich ist, übertragen
werden.
-
Es wurde somit ein Computerprogramm
und ein Computer-implementiertes System und ein Verfahren für das Erzeugen
eines zweidimensionalen Bildes eines Volumendatensatzes, der ein
Objektvolumen von einem auswählbaren
Blickpunkt darstellt, beschrieben. Ein Objektvolumendatensatz beinhaltet Voxelwerte,
die geordnet sind nach Voxeln entlang einer Reihe, die sich in einer
ersten Richtung erstreckt, nach Reihen über einer Ebene, die sich in
der ersten Richtung und einer zweiten Richtung erstreckt, und nach
Ebenen durch ein Objektvolumen, das sich in der ersten und der zweiten
Richtung und einer dritten Richtung erstreckt. In Antwort auf die Definition
eines Blickvektors, der eine Blickrichtung in bezug auf einen Blickpunkt
definiert, werden Scher- und Verzerrabbildungen bestimmt, entsprechend welcher
Richtung, der ersten, der zweiten und der dritten Richtung, dem
Blickvektor am nächsten
ist. Pixel eines zweidimensionalen gescherten Bildes mit einer Mehrzahl
von Zeilen von Pixeln werden dann aus den Voxelwerten des Objektvolumendatensatzes,
der von der Scherabbildung identifiziert wird, bestimmt. Wo der
Blickvektor der ersten Richtung am nächsten ist, bildet die Scherabbildung
Voxelreihen in der ersten Richtung auf Pixellinien des gescherten Bildes
ab. Ein Ausgangsbild wird dann durch Abbilden der Pixel des gescherten
Bildes entsprechend der Verzerrabbildung bestimmt. Dieses Ausgangsbild kann
angezeigt werden, gedruckt werden, zu einem entfernten Ort gesendet
werden oder auf andere Art und Weise zu einem Benutzer kommuniziert
werden.
-
Obgleich die beschriebene Ausführungsform ein
Computerprogramm, das auf einem konventionellen Computer, beispielsweise
einer konventionellen Computerworkstation, arbeitet, einsetzt, könnten somit
beispielsweise in anderen Ausführungsformen eine
Spezialhardware verwendet werden. Beispielsweise könnte zumindest
ein Teil der Funktionalität
unter Verwendung von Spezialschaltkreisen, beispielsweise eines
feldprogrammierbaren Gatearrays (FPGA) oder eines anwendungsspezifischen
integrierten Schaltkreises (ASIC) bewirkt werden. Ebenso könnte die
Multithreadverarbeitung oder die parallel berechnende Hardware verwendet
werden für
zumindest einen Teil der Verarbeitung. Beispielsweise könnten unterschiedliche
Threads verwendet werden, um entsprechende alternierende Reihen
des gescherten Bildes zu erzeugen.
-
16 zeigt
eine besonders vorteilhafte Hardwareimplementierung, die die Erfindung
verkörpert,
die es möglich
macht, in Echtzeit darzustellen. Die Figur zeigt ein CT-System 300,
das einen CT-Scanner 302 und
eine Volumen-CT-Konstruktionseinheit 304 zeigt, die in
Wirkweise verbunden ist, um CT-Daten über eine Speichereinheit 400,
die einen Volumenspeicher 404 aufweist, und eine Leiteinheit 402,
die direkten Speicherzugriff (DMA) einsetzt, zu einem Computersystem 500 zu übertragen.
Die Pixelzeilen sind schematisch gezeigt, wobei die ersten vier
Zeilen mit LP1, LP2, LP3 und LP4 bezeichnet sind. Die Funktion der
Speichereinheit 400 ist es, eine effiziente Übertragung
der CT-Daten von dem CT-System 300 zu dem Computersystem 500 bereitzustellen.
Es versteht sich, daß die Übertragung
der CT-Daten in das Computersystem 500 in vielen anderen
Art und Weisen durchgeführt
werden können, einschließlich direkt
ohne ein Zwischenelement, wie die Speichereinheit 400.
-
Das Computersystem 500 weist
eine Mehrzahl von Verarbeitungselementen 504, 506 und 508 auf,
wobei drei hiervon (PE1, PE2 und
PE3) beispielhaft gezeigt sind. Jedes Verarbeitungselement
hat lokalen Speicher, wie z. B. Speicher mit wahlfreiem Zugriff
(RAM), wie z. B. statischen RAM (SRAM) oder dynamischen RAM (DRAM).
Die dargestellten Verarbeitungselemente 504, 506 und 508 haben
entsprechend lokale Speicher 524, 526 und 528 (M1,
M2 und M3).
-
Die DMA Leiteinheit 402 hat
Datenkommunikationsverbindungen zu jedem Verarbeitungselement 504, 506, 508 ....
Die DMA Leiteinheit 42 hat ebenso eine Datenkommunikationsverbindung 507 zu
einer Schnittstelle 509 des Computersystems. Die Verbindung 507 dient
dazu, Steuerdaten zu tragen, die für die Datenkommunikation von
dem Volumenspeicher 404 zu den Verarbeitungselementen 504, 506, 508 ...
relevant sind, wie weiter unten erläutert wird. Das Computersystem 500 weist
weiterhin die folgenden Komponenten auf: ein Chipset 513,
ein PCI-Bus 530, der die Verarbeitungselemente 504, 506, 508 ...
mit dem Chipset 513 verbindet, ein oder mehrere Hauptprozessoren 514 (zwei
Prozessoren P1 und P2 sind gezeigt), die mit dem Chipset 513 verbunden
sind, und etwas Speicher 515 (als DRAM gezeigt), der ebenso
mit dem Chipset 513 verbunden ist. Das Computersystem 500 weist
weiterhin eine Anzeige 516 auf, die über eine Busverbindung mit dem
Chipset 513 verbunden ist.
-
Die Ausführungsform von 16 basiert auf dem Verständnis, daß durch
Verwendung des Verfahrens des Darstellens von Voxeln, das oben beschrieben
wurde, Reihen von Voxeln die eine Zeile von Pixeln in dem angezeigten
Bild bilden, unabhängig
von den anderen Voxeln verarbeitet werden. Dies erlaubt es, daß Voxel,
die mit unterschiedlichen Pixelzeilen verknüpft sind, parallel verarbeitet
werden. Die Ausführungsform
von 16 ist ein Beispiel,
wie solch eine Parallelverarbeitung der Pixelzeilendaten in der
Praxis ausgeführt
werden kann. Es versteht sich jedoch, daß das zugrundeliegende Konzept
dieser Ausführungsform
das ist, daß jeder
Voxeldatensatz, der dafür
bestimmt ist, zu einer gegebenen Pixelzeile in dem Endbild beizutragen,
unabhängig
z. B. parallel, verarbeitet werden kann. Die Anpassung der Parallelverarbeitung
kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit signifikant erhöhen und
die Echtzeitdarstellung unter Verwendung von relativ bescheidener
Hardware. Beispielsweise sollte es mit dem Beispielsystem, das in 16 gezeigt ist, möglich sein, 3D-Bilder von 512 × 512 × 24 Bit
Pixeln mit 10 Einzelbildern pro Sekunde, basierend auf der Leistung
gegenwärtiger
Personalcomputer (PC) durchzuführen.
-
Unter Rückkehr zu dem Beispiel können, wenn
n-Verarbeitungselemente verwendet werden, dann n-Zeilen von Pixeln
des dargestellten Bildes gleichzeitig mit dem Verarbeitungselement 504, 506, 508 ...,
die zugewiesen sind, um die Werte einer unterschiedlichen Zeile
von Pixeln zu verarbeiten, berechnet werden. Die Pixelwerte für jede Zeile
von Pixeln werden von den Verarbeitungselementen, wie früher beschrieben
wurde, unabhängig
berechnet. Beginnend mit der ersten Reihe aus Voxeln in der K =
0 Ebene werden die Voxelwerte von der DMA Leiteinheit 402 zu
dem ersten Verarbeitungselement 504 verschoben. Die DMA
Leiteinheit 402 verschiebt als nächstes die zweite Reihe von
Voxeldaten zu dem zweiten Verarbeitungselement 506 und
die dritte Reihe zu dem dritten Verarbeitungselement 508 usw., bis
alle Verarbeitungselemente eine Reihe von Daten empfangen haben.
Jedes Verarbeitungselement speichert die empfangene Reihe aus Voxeldaten
in ihrem lokalen Speicher 524, 526, 528...,
der als ein Pufferspeicher fungiert.
-
Jedes Verarbeitungselement berechnet
einen Beitrag zu den Pixeln zu seiner zugewiesenen Pixelzeile von
jedem Voxelelement dieser Reihe. Als nächstes geht die DMA Leiteinheit 402 auf
die nächste
hintere Ebene weiter, das ist K = 1, und beginnt erneut die Voxelwerte
der ersten Reihe in der K = 1-Ebene zu dem Verarbeitungselement
PE, und für die
n-te Reihe in dieser Ebene zu dem n-ten Verarbeitungselement, d. h. zu PE,
zu senden.
-
Wie vorher erörtert wurde, kann es notwendig
sein, um die Tatsache anzuerkennen, daß Überlapps der Voxelreihen auftreten
können,
daß der
Voxelwert, der zu einem Pixel beiträgt, aus einer linearen Interpolation
von benachbarten Voxeln, d. h. aus vier Voxeln, berechnet wird.
Jedes Verarbeitungselement erfordert ebenso die Voxelwerte von Voxeln,
die zu diesem in seiner Zeile benachbart sind. Daher sendet die
DMA Leiteinheit eine Voxelzeile zu zwei Verarbeitungselementen,
die für
benachbarte Zeilen verantwortlich sind, und beide Verarbeitungselemente
speichern die Daten. In einem bestimmten Beispiel wird jedes Verarbeitungselement
mit ausreichend lokalem Speicher ausgestattet, um bis zu vier Reihen von
Voxeldaten und eine Zeile von Pixeldaten zu speichern.
-
Sobald die Beiträge von einer Voxelreihe berechnet
wurden, werden die Voxeldaten aus dem betreffenden lokalen Speicher
verworfen, und die Daten für
die dahinter liegende Reihe in der nächsten k-Ebene werden empfangen und gespeichert.
Dies wird fortgesetzt, bis die Endpixelwerte für die Pixelzeile erreicht wurden,
d. h. bis die Beiträge
von allen Voxeln addiert wurden.
-
Sobald jede Pixelzeile berechnet
wurde, werden diese Daten zu dem Chipset 513 für die Anzeige
auf der Anzeige 516 ausgegeben. Die gespeicherten Voxeldaten
und Pixeldaten in den lokalen Speichern der Verarbeitungselemente
werden dann verworfen. Der Prozeß beginnt dann erneut für die nächste Pixelzeile.
-
Die DMA Leiteinheit 402 will
somit erst eine Zeile von Pixeln abrufen und sie, sagen wir, zu
dem Verarbeitungselement 504 senden. Die DMA Leiteinheit 402 sendet
alle Voxeldaten für
die Volumenebene, die eine Zeile von Pixeln bildet. Die DMA Leiteinheit 402 sendet
dann Voxeldaten für
die nächste
Ebene nach unten zu dem nächsten
Verarbeitungselement 506, usw.
-
Die DMA Leiteinheit 402 ist
in einem spezifischen Beispiel in der Lage, 1 k-Byte von Volumendaten
je Transaktion abzurufen. Dies entspricht einer Zeile von 512 Voxeln
entlang der i-Achse. Die DMA Leiteinheit 402 empfängt Steuerinformation
von dem Host durch die Datenverbindung 507, um zu bestimmen, welche
Zeile von Voxeln zu welchem Verarbeitungselement geht. Für dieses
kann ein Kanal mit geringer Bandbreite, wie z. B. ein SCSI-Kanal,
verwendet werden.
-
Der lokale Speicher von jedem Verarbeitungselement
ist derart betreibbar, daß er
aufnimmt: eine Zeile von Pixeln des gescherten Bildes, bis zu vier
Reihen von Voxeln, sowie ein einfaches Programm und Parameter, die
für das
Projektieren von Voxeln zu Pixeln erforderlich sind. Somit ist eine
geringe Menge von lokalem Speicher ausreichend, beispielsweise 32
KB – 272
KB. Es besteht keine Notwendigkeit für die Verarbeitungselemente,
um miteinander wechselzuwirken, da sie keine Daten austauschen müssen, um
ihre Berechnungen durchzuführen.
-
Es versteht sich, daß die Art
und Weise, in der die Verarbeitungselemente mit dem Host-Computersystem verbunden
sind, eine Vielzahl von Formen annehmen kann. In 16 wird ein System, in dem jedes Verarbeitungselement
mit einem gemeinsamen PCI-Bus verbunden ist, gezeigt, dies ist jedoch
nur ein Beispiel. Eine Alternative ist ein externes digitales Signalprozessor(DSP)-Gehäuse mit
einer einzelnen PCI-Schnittstelle zu dem Host. Eine andere Alternative
ist ein System, wo mehrere Verarbeitungselemente in einer Anordnungsklammer
bzw. einem Arrayclip kombiniert werden, wie z. B. Pixel Fusion (Marke).
Der Rest des Host-Systems ist üblicherweise
ein einfacher PC-Host, ein Einheitssystem könnte ebenso verwendet werden.
-
Das System ist in der Lage, die ausstehende Darstellungsleistung
verglichen mit bekannten Systemen bereitzustellen. Es sollte möglich sein,
Echtzeitdarstellungen von Volumen durchzuführen, die aus 512 × 512 × 256 × 16 Bit
Voxeln bestehen, die mit 10 Volumen je Sekunde ankommen. In einem
bevorzugten Beispiel erzeugt das System 3D-Bilder von 512 × 512 × 24 Bit
Pixeln mit 10 Einzelbildern je Sekunde ungeachtet des Inhaltes der
Daten und der Blickparameter.
-
In den beschriebenen Ausführungsformen kann
eine Computer-Implementierung, die ein Computerprogramm für das Speichern
auf einem Datenträger
oder in einem Speicher einsetzt, verwendet werden, um den Betrieb
des Prozessors des Computers zu steuern. Das Computerprogramm kann auf
einem geeigneten Trägermedium,
beispielsweise einem Speichermedium, wie einem Festspeicher, einer magnetischen,
einer optischen oder magnetooptischen Platte oder bandbasierten
Medien geliefert werden. Alternativ kann es auf einem Übertragungsmedium
geliefert werden, beispielsweise einem Medium mit einem Träger, wie
z. B. ein Telefon, ein Radiokanal oder optischer Kanal.
-
Es versteht sich, daß, obgleich
bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurden, viele Modifikationen/Hinzufügungen und/oder Substitutionen
innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden
können.
Folglich ist das bestimmte beschriebene Beispiel nur illustrativ
gedacht und nicht begrenzend.
-
Referenzen
-