JP2000149054A

JP2000149054A - ボリュ―ムデ―タ集合の処理方法及びボリュ―ムレンダリングプロセッサ

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Publication number: JP2000149054A
Application number: JP11322647A
Authority: JP
Inventors: Christopher Jon Kappler; クリストファー・ジョン・カプラー; Randy B Osborne; ランディー・ビー・オズボーン; Hanspeter Pfister; ハンスピーター・フィスター; James Knittel; ジェームズ・ニッテル; Hugh C Lauer; ヒュー・シー・ラウアー; Steve Burgess; スティーブ・バージェス
Original assignee: Mitsubishi Electric Information Technology Corp; Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: Mitsubishi Electric Information Technology Corp; Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Priority date: 1998-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2000-05-30
Also published as: EP1001369A2

Abstract

(57)【要約】【課題】リアルタイムの性能レベルを保持しながらコ
スト効果のあるボリュームデータ集合の処理方法及びボ
リュームレンダリングプロセッサを得る。【解決手段】各セクション内に、ボリュームエレメン
トすなわち“ボクセル”からなるグループを読込み、並
行処理を行う。ボクセルからなるビーム２３２中の各グ
ループ２３４を読込み、一次元のセクション境界に達す
るまで処理を行う。ボクセルのスライス２３０中の各ビ
ーム２３２を読込み、二次元のセクション境界に達する
まで処理を行う。ボクセルの各スライス２３０を読込
み、三次元のボリュームデータ集合の境界に達するまで
処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコンピュータ・グラ
フィックの分野、特にボリューム・グラフィックの分野
におけるボリュームデータ集合の処理方法及びボリュー
ムレンダリングプロセッサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ボリューム・グラフィックとはコンピュ
ータ・グラフィックの下位分野の１つで、三次元または
それ以上の次元でサンプリングされたデータとして表現
される物体や現象の視覚化を対象とするものである。こ
れらのサンプルはボリュームエレメントあるいは“ボク
セル”と呼ばれ、これらのサンプルの中には、研究対象
である物体や現象の物理的特徴を表すデジタル情報が含
まれる。例えば、特定の物体やシステムを表すボクセル
値は、その物体やシステムの内部および近傍の隅々にわ
たる空間にある別個の点の密度、素材の種別、温度、速
度、あるいは、いくつかの他の特性を表すことができ
る。

【０００３】ボリュームレンダリングは、ボリュームデ
ータの射影に関係するボリューム・グラフィックの一部
で、このボリュームデータは、二次元画像として使用さ
れ、印刷、コンピュータ端末装置上での表示およびその
他の形状の視覚化が行われる。特定のボクセルデータ値
に対して色および透明度を割当てることによって、物体
やシステムの外部と内部の様々なビューを表示すること
ができる。例えば、外科手術の準備のために靱帯、腱お
よび人間の膝の骨を検査する必要がある外科医は、膝の
断層写真のスキャンを利用して、血液、皮膚および筋肉
に対応するボクセルデータ値によってこれらの部分を完
全に透けて見えるようにすることができる。この結果生
じる画像によって、手術が行われる前に、目に見えない
靱帯、腱、骨などの状態が明らかになる。それによっ
て、好適に手術計画を立て、短時間で手術を行い、外科
の診察を少なくし、回復を早めることが可能になる。別
の例では、ジェット・エンジンのタービンの羽や溶接継
手の断層スキャンを利用する整備工は、堅い金属を表す
ボクセルデータ値によって固体を透明に見えるように
し、一方、空気を表すボクセルデータ値によって空気を
不透明に見えるようにすることができる。これによっ
て、ボリュームレンダリングを利用しない場合には人間
の目から隠されている金属内部の傷を見ることが可能に
なる。

【０００４】リアルタイム・ボリュームレンダリングと
は、高速に連続する(通常毎秒30フレームもしくはそれ
以上の速さ)一続きの画像としてボリュームデータの射
影と表示とを行うものである。このレンダリングによっ
て、関心のある物体、現象あるいはシステムの動画を表
すことが可能となる。また、人間のオペレータが対話処
理によって射影パラメータを制御し、画像処理を行って
視覚的フィードバックをユーザーに即座に提供すること
も可能となる。1000万または1億のボクセル値を１つの
画像に射影するには莫大な量の計算力を必要とする。こ
れをリアルタイムに行うことは実質的にさらに多くの計
算力が要求される。

【０００５】ボリュームレンダリングについての追加的
一般的背景については、Barthold Lichtenbelt、Randy
Crane、Shaz Naqvi共著「ボリュームレンダリング入
門」(1998年発行、Prentice Hall PTR社、Upper Saddle
River、ニュージャージー州)の中に紹介されている。
ボリュームレンダリングアーキテクチャについての更な
る背景は、グラフィック・ハードウェアについての第10
回ユーログラフィックワークショップ(1995年8月28、29
日オランダのMaastrichtで開催)において、H. Pfiste
r、A. KaufmanおよびT. Weaselsが提出した、論文「リ
アルタイム・ボリュームレンダリングのためのスケーラ
ブルアーキテクチャへ向けて」の中に見いだされる。こ
の論文は、“キューブ４”として現在知られているアー
キテクチャを解説するものであり、この“キューブ４”
は本発明の先駆をなすものである。キューブ４について
は、“リアルタイム・ボリュームレンダリングのための
アーキテクチャ”という名称の博士論文にも記載されて
いる。この論文は、Hanspeter Pfisterが、Stony Brook
のニューヨーク州立大学コンピュータ・サイエンス学科
へ1996年12月に提出したものである。また、米国特許#
5,594,842、“リアルタイム・ボリューム視覚化のため
の装置および方法”にもキューブ４が記載されている。

【０００６】並行処理技術を使って、キューブ４と他の
アーキテクチャによってリアルタイム・ボリュームレン
ダリングが達成される。複数の処理エレメントが開発さ
れ、ボリュームデータ集合（または、ボリュームデータ
セット）の異なる部分に対して同時にボリュームレンダ
リング・オペレーションが行われ、ボリュームを与える
ために必要な時間全体が、処理エレメント数にほぼ比例
して少なくなるようにする。複数の処理エレメントを必
要とすることに加えて、ボリュームデータの並行処理に
は、処理エレメントと、ボリュームデータを記憶するメ
モリとの間に高速インターフェースが必要となる。この
インターフェースは、ボクセルをメモリから検索し、リ
アルタイム・レンダリングの達成を可能にするために、
十分に高速なデータ転送速度で処理エレメントへボクセ
ルを供給できるようにするためのものである。

【０００７】キューブ４によって行われるようなボリュ
ームレンダリングは“レイ・キャスティング”として知
られる技術の一例である。多数の光線が並列にボリュ
ームの中を通り、一度に１スライスずつボリュームデー
タを評価することによって処理される。この場合、“ス
ライス”とは、ボリュームデータ集合の面に平行なボク
セルからなる平面の集合である。ソフトウェアと対照的
に、特殊な電子工学ハードウェアを用いてこの高速スラ
イス処理技術を利用し、コストをあまりかけず毎秒２フ
レームから毎秒30フレームへフレーム処理速度を増大す
ることができる。

【０００８】キューブ４システムの本質は、物体を表す
三次元のサンプリングされたデータを“スキューイング
(skewing)”と呼ばれる方法によってメモリモジュール
にわたって配分し、それによって各次元の隣接するボク
セルを隣接するメモリモジュールの中に記憶するように
することにある。各メモリモジュールはそれ自身の処理
用パイプラインと関連づけられている。さらに、ボクセ
ルはメモリモジュールの中で組織化されて、総計P個の
パイプラインとP個のメモリモジュールがある場合、コ
ンピュータメモリシステムの単一サイクル内で、ビュー
イング方向とは独立に、P個の隣接するボクセルを同時
に、並行してフェッチすることができるようになる。こ
れによって、メモリからボクセルをフェッチする総時間
が係数Pだけ低減される。例えば、データセットが256³
個のボクセルを持ち、Pが４という値を持っている場
合、１つの画像を送るためにデータをフェッチするに
は、256³/4すなわちほぼ400万のメモリサイクルしか必
要としなくなる。

【０００９】キューブ４システムの付加的特徴は、この
目的のための特殊関数を備えた、ボリュームレンダリン
グに必要な計算処理がパイプライン中に組織化されてい
ることである。各々のパイプラインは、各サイクルで新
しいボクセルの処理を開始することができる。したがっ
て、第一サイクルで、パイプラインはその関連するメモ
リモジュールから１つのボクセルをフェッチし、第一ス
テップの処理を実行する。次いで、第二サイクルで、パ
イプラインはこの第一のボクセルの処理の第二ステップ
を実行し、一方で、同時に、第二ボクセルをフェッチ
し、このボクセル処理の第一ステップを実行する。同様
に、第三サイクルで、パイプラインは第一ボクセルの第
三の処理ステップ、第二ボクセルの第二処理ステップお
よび、第三ボクセルの第一処理ステップを実行する。こ
のようにして、各メモリモジュールからフェッチされた
ボクセルは、すべてのボクセルが完全に処理されるま
で、ロック・ステップ方式で次々にその対応するパイプ
ラインの中を進行する。このように、１ボクセル当たり
10から100のコンピュータ命令を必要とする代わりに、
すべてのサイクルで新しいボクセルを処理することがで
きる。

【００１０】キューブ４システムの更なる特徴は、各パ
イプラインがその最も近接している近傍とのみ通信を行
うことである。そのような通信機能は、例えば、勾配や
法線ベクトルを推定する目的で１つのパイプラインから
次のパイプラインへボクセル値を伝送するために必要で
あり、照明効果と陰影効果とを計算することができるよ
うになる。また、この通信機能を利用して、光線が通過
する領域の近傍のボクセルの視覚的特徴を蓄積しながら
光線がボリュームの中を通過するとき、その光の値が通
信される。最も近接した近傍との通信というこのアプロ
ーチによって、キューブ４にその主要な利点の１つ、す
なわち“スケーラブル（scalable）”であるという利点
が与えられる。すなわち、より多量の三次元のサンプリ
ングされたデータを適合させるために及び／又はこのデ
ータをより高速に処理するために、より多くのメモリモ
ジュールとパイプラインを付け加えることが必要とな
る。この拡張によって共通バスや他のシステムリソース
が過負荷となることはない。

【００１１】キューブ４システムでは、ボリュームレン
ダリングは以下のように進行する。データは、立方体ま
たは他の矩形のデータ構造として組織化される。まず、
ビューイング方向に対してほとんど垂直な、この立方体
または固体の面を考え、最上段コーナーのP個のボクセ
ルの部分列がP個のメモリモジュールから同時に、１回
のメモリサイクルでフェッチされ、第一段階のP個の処
理用パイプラインの中へ挿入される。第二サイクルで、
これらのボクセルは第二段階のボクセルのパイプライン
へ移される。同時に、次のP個のボクセルが同じ列から
フェッチされ、第一段階のこのP個のボクセルのパイプ
ラインの中へ挿入される。その後に続く各々のサイクル
で、またP個のボクセルが最上段の列からフェッチさ
れ、それぞれのパイプライン中へ挿入される。その一方
で、以前にフェッチされたボクセルはそれぞれのパイプ
ラインの後の段階へ移される。これがボクセルの全列が
処理されてしまうまで続く。キューブ４システムの用語
法では、ボクセル列は“ビーム”と呼ばれ、１つのビー
ム内のP個のボクセルのグループは“部分ビーム”と呼
ばれる。

【００１２】１つの列のボクセルのグループが処理され
た後、次の列のボクセルが処理され、ボリュームデータ
集合の面のすべての列がフェッチされて、その処理用パ
イプライン中へ挿入されるまで同じ様にボクセルは次々
と処理される。この面は“スライス”と呼ばれる。それ
から、キューブ４システムは再度最上段コーナーへ移る
が、今度はその面のすぐ後ろにある、第二“スライス”
から最上段列のP個のボクセルのフェッチを開始する。
このようにして、キューブ４システムは、データセット
の第二スライスの中を一度に一列、そして各列内で一度
にP個のボクセルづつ進行する。第二スライスが完了し
た後、キューブ４システムは、同様の方法で第三のスラ
イス、次いで次に続くスライスへと進み、すべてのスラ
イスが処理されてしまうまでそれが繰り返される。この
アプローチの目的は、ボリュームデータ集合全体が処理
されてしまい、１つの画像が形成されてしまうまで、ボ
クセルの全てを、一度にP個のボクセルずつ整然とした
手順でフェッチし処理することである。

【００１３】キューブ４システムの処理段階によって、
レイ・キャスティング法に必要なすべての計算が実行さ
れる。この計算の中には、二次元ビュー面上に最終的画
像を作成するための、サンプル補間、勾配あるいは法線
ベクトルの推定、色と透明度あるいは不透明度の割当て
および照明効果と陰影効果の計算が含まれる。

【００１４】キューブ４システムは、半導体技術の中で
実現できるように設計されている。しかし、２つの限定
要因、すなわち、メモリモジュールからのボクセル値の
アクセスレートと、各処理用パイプラインで必要な内部
記憶容量という要因のために、キューブ４システムは、
パソコンすなわちデスクトップサイズのコンピュータに
必要な小型でかつ低価格であるという特徴を達成するこ
とが阻まれている。メモリアクセスレートに関して言え
ば、キューブ４中のメモリモジュールにわたってボクセ
ルデータをスキューイングする方法は、ランダム・アク
セスに等しいボクセルメモリにアクセスするパターンに
通じるものである。したがって、リアルタイム・ボリュ
ームレンダリングのパフォーマンスを達成するために
は、キューブ４を実際に実装するとき、ボクセルメモリ
として、非常に高価なスタティックランダム・アクセス
メモリ(SRAM)モジュールか、非常に多数の独立したダイ
ナミックランダム・アクセスメモリ(DRAM)モジュールの
いずれかを備えて、適切なアクセスレートを設けるよう
にしなければならない。内部記憶容量に関しては、キュ
ーブ４のアルゴリズムでは、各処理用パイプラインは処
理中パイプライン自身の中に中間結果を記憶することが
要求され、その記憶容量は与えられるボリュームデータ
集合の面の面積に比例する。256³のデータセットに対す
るこの記憶容量は非常に大きくなり、単一チップ処理用
パイプラインのサイズは極度に大きくなるため、パーソ
ナルコンピュータシステムではとうてい実行不可能であ
ることが判る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】パソコン及びデスクト
ップ型コンピュータでリアルタイム・ボリュームレンダ
リングを実用化するために、“EMキューブ(EM Cube)”
と呼ばれるキューブ４システムの改良システムでは、ア
ーキテクチャの変更を含む方法が採用され、メモリモジ
ュール用として、大容量、低価格のダイナミックランダ
ム・アクセスメモリ(DRAM)装置の使用が可能となってい
る。EMキューブシステムは、“リアルタイムPCベースボ
リュームレンダリングシステム”という名称の米国特許
出願No.08/905,238(1997年8月1日出願)に記載されてい
る。また、“低価格リアルタイム・ボリュームレンダリ
ングのためのEMキューブ：低価格リアルタイム・ボリュ
ームレンダリングのためのアーキテクチャ”という名称
のR. Osborne、H. Pfister他による論文にも記載されて
いる。この論文は、1997年8月3〜4日、カリフォルニア
州ロサンゼルスで行われた、グラフィック・ハードウェ
アに関する1997年度SIGグラフ/ユーログラフィック・ワ
ークショップの会報の中で発表されたものである。

【００１６】EMキューブシステムでは、“バーストモー
ド”アクセスを支援するDRAMチップを使用して、低価格
とボクセルメモリへの高速アクセスレートの双方が達成
される。バーストモードを展開するために、EMキューブ
には、アーキテクチャ上の改造が組み入れられている。
この改造はキューブ４システムからの新機軸である。
“ブロッキング”と呼ばれる第一の改造で、ボクセルデ
ータは組織化されて複数のブロックになり、１つのブロ
ック内のすべてのボクセルが、単一メモリモジュールの
内部にアドレスされた連続メモリに記憶されるようにな
る。各々の処理用パイプラインは、一度に１つのボクセ
ルではなくむしろバーストで隣接ボクセルからなるブロ
ック全体をフェッチする。このようにして、単一処理用
パイプラインは、毎秒１億2500万個またはそれ以上のボ
クセルデータ転送レートでメモリにアクセスすることが
できる。このようにして、４つの処理用パイプラインと
４つのDRAMモジュールが毎秒30フレームで256³個のデー
タセットを送ることが可能となる。

【００１７】EMキューブでは、各ブロックは、これと関
連する処理用パイプラインの内部でそっくりそのまま処
理される。EMキューブでは、インター・チップ通信方式
が用いられ、各パイプラインは、必要なときに隣接する
パイプラインへ中間値を通信することができる。例え
ば、EMキューブの１つのパイプラインが、ブロックの右
側、底部または後部の面のいずれかに出会うとき、それ
ぞれの面のもう一方の側に配置された次のブロックを処
理する役割を持つパイプラインへ部分的集中光線と他の
中間値を伝送する必要がある。これらの中間値を伝送す
るにはかなりのインター・チップ通信帯域幅が要求され
る。

【００１８】キューブ４と同様、EMキューブアーキテク
チャはスケーラブルになるように設計されているので、
同じ基本的構築ブロックを使用して著しく異なるコスト
と性能特性を持つシステムを構築することができる。特
に、上述のブロック処理法とEMキューブのインター・チ
ップ通信構造は、異なる数のチップと処理用パイプライ
ンを用いるシステムを設けることができるように設計さ
れている。このように、ブロック志向型処理と高帯域幅
のインター・チップ通信は、リアルタイムの性能とスケ
ーラビリティというEMキューブの目標を達成するのに役
立つものである。しかし、これらの特徴は、随伴するコ
スト、特に各処理用パイプラインの内部にブロック記憶
バッファ用の領域を設けるコスト、並びに、インター・
チップ通信を行うために必要とされるチップ入出力用ピ
ンと回路基板用領域のコストを伴うことは理解できるで
あろう。

【００１９】キューブ４アーキテクチャに対する第二の
改造において、EMキューブでは、レンダリングに必要な
オン・チップバッファ記憶の量を低減するための“セク
ショニング”と呼ばれる方法も用いられている。この方
法で、ボリュームデータ集合はセクションに細分化さ
れ、一度に１セクションずつレンダーされる。部分的集
中光線と他の中間値はセクションの境界にわたってオフ
・チップメモリに記憶される。各セクションはレンダリ
ングパイプラインに対して狭い領域をもつ１つの面を示
すので、必要な内部記憶容量は少なくなる。この方法の
効果は、半導体を実装するために受け入れることができ
るレベルまで処理用パイプライン中の中間記憶の量を低
減することである。

【００２０】EMキューブにおけるセクションは、基本ブ
ロック志向型処理方式の拡張であり、ブロック処理アー
キテクチャが必要とする中間値の通信に必要な同じ回路
構成のいくつかによってサポートされている。しかし、
EMキューブにおけるセクショニングの結果、オフ・チッ
プメモリモジュールに対して非常にバースティ（burst
y）な要求が課され、部分的に蓄積された光線と他の中
間値が記憶されることになる。すなわち、セクション境
界近傍のボクセルが処理されるとき、中間データが非常
に高速のデータ転送レートで読み書きされ、その一方
で、時として、オフ・チップメモリから中間データが読
み出されなかったり、オフ・チップメモリへ書き出され
なかったりすることがある。EMキューブでは、これらの
オフ・チップメモリモジュールに記憶される中間データ
の量を最少化して、セクション境界の近傍で処理を行う
とき、オフ・チップメモリからのあるいはオフ・チップ
メモリへのピークデータ転送レートを最少化することが
賢明である。このようにEMキューブでは、オフ・チップ
メモリモジュールに記憶され、オフ・チップメモリモジ
ュールから検索されるよりはむしろ、処理用パイプライ
ンの内部で必要な中間値の多くが再生成される。境界近
傍の各セクションでその直前のセクションについて処理
が行われている間、その直前のセクションから得られる
ボクセルは、再度読み込まれ、部分的に処理され、処理
用パイプラインで中間値が再度確立される。これらの中
間値は新しいセクションでの計算に必要な値である。

【００２１】EMキューブシステムによって従来のキュー
ブ４システムより大きなコスト効果が達成される一方、
さらにコストを引き下げてボリュームレンダリングの一
層広範囲の利益を可能にすることは望ましいことであろ
うが、実現が難しいという問題点があった。さらに、リ
アルタイムの性能レベルを保持しながらそのようなコス
ト削減を達成することはさらに難しいという問題点があ
った。

【００２２】この発明は、かかる問題点を解決するため
になされたものであり、単一チップの実行に適したボク
セル処理方法を用いて、コスト効果をさらに図ることが
でき、かつ、高性能で、高速処理が可能なボリュームデ
ータ集合の処理方法及びそれを用いたボリュームレンダ
リングプロセッサを得ることを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明は、三次元物体
を表す複数のボクセルを有する三次元ボリュームデータ
集合の処理方法であって、ボリュームデータ集合が各次
元で限定され、セクション境界によって画定される複数
のセクションに分割され、各セクションについて、第一
のビームにおけるボクセルからなる各グループについ
て、ボクセルからなる少なくとも１つのグループを含
み、ビームのボクセルからなる各グループをメモリから
読込み、複数の処理エレメントのそれぞれのエレメント
の内部で各グループのボクセルを処理して、一次元のセ
クション境界に達するまで、部分的に合成された光線デ
ータ値を処理エレメントの出力時に生成する第一のステ
ップと、ボクセルからなる少なくとも２つのビームを含
む第一のスライスの内部のボクセルからなる各後続ビー
ムについて、二次元のセクション境界に達するまで、第
一のステップを繰り返す第二のステップと、セクション
のボクセルからなる各後続スライスについて、三次元の
ボリュームデータ集合境界に達するまで、第一のステッ
プおよび第二のステップを繰り返す第三のステップと、
を有するボリュームデータ集合の処理方法である。

【００２４】また、各セクションについて、一次元にお
いて到達したセクション境界が、セクションとセクショ
ンに隣接するセクションとの間の境界であるとともに、
二次元において到達したセクション境界が、二次元にお
けるボリュームデータ集合境界である。

【００２５】また、各セクションについて、一次元にお
いて到達したセクション境界が一次元におけるボリュー
ムデータ集合境界であるとともに、二次元で到達したセ
クション境界が、二次元におけるセクションとそのセク
ションに隣接するセクションとの間の境界である。

【００２６】また、ボリュームデータ集合の第一のセク
ションの処理中に、第二のセクションの処理中に使用す
るための中間値を生成し、第一のセクションの処理中に
中間値をメモリの中へ記憶するステップと、第二のセク
ションの処理中にメモリから中間値を検索し、検索され
た中間値を処理するステップとを、さらに備えている。

【００２７】また、各グループ内のボクセルが共直線性
を有する。

【００２８】また、各グループ内のボクセルが一次元に
おいて共直線性を有する。

【００２９】また、ボリュームデータ集合が矩形の座標
系で組織化される。

【００３０】また、ボリュームデータ集合が矩形の座標
系で組織化され、セクションが矩形の平行六面体であ
る。

【００３１】また、すべてのセクションについての処理
の完了時に合成された光線データ値が完全に合成された
光線データ値となり、複数のピクセルからなる二次元画
像を表示するステップをさらに有し、各ピクセルにおけ
る値が完全に合成された光線データ値の中の対応する異
なる１つのデータ値から計算される。

【００３２】また、ボクセルの処理が、三次元ボリュー
ムデータ集合を再サンプリングして、三次元またはそれ
以上の次元のサンプリングされたデータ配列の中へデー
タセットを入れるステップを有する。

【００３３】また、複数の処理エレメントが並行処理を
行うエレメントである。

【００３４】また、ボリュームデータ集合を記憶するメ
モリを備えて使用されるボリュームレンダリングプロセ
ッサで、ボリュームデータ集合が三次元物体を表す複数
のボクセルを含み、ボリュームデータ集合が各次元で限
定され、セクション境界によって画定される複数のセク
ションに分割され、ボリュームレンダリングプロセッサ
が、各セクションに対して働くように共同して作動する
複数の並行処理エレメントと、ビーム中のボクセルから
なる各グループについて、ボクセルからなる少なくとも
１つのグループを含み、ビームのボクセルからなる各グ
ループをメモリから読込み、それぞれの並行処理エレメ
ントの内部で各グループの上記ボクセルを処理して、一
次元のセクション境界に達するまで、部分的に合成され
た光線データ値を処理エレメントの出力時に生成する第
一の処理を行う第一の処理手段と、ボクセルからなる少
なくとも２つのビームを含むスライスの内部のボクセル
からなる各後続ビームについて、二次元のセクション境
界に達するまで第一の処理を繰り返す、第二の処理を行
う第二の処理手段と、セクションのボクセルからなる各
後続スライスについて、三次元のボリュームデータ集合
境界に達するまで、第一の処理および第二の処理を繰り
返す第三の処理手段と、を有する。

【００３５】また、処理エレメントが、各グループ内の
ボクセルの中の異なるボクセルとそれぞれ関連し、ボク
セルに対応するボリュームデータ集合内の位置における
中間値を各処理エレメントが作動して計算し、（ｉ）処
理エレメントと関連するボクセルについての後続する計
算に使用するために必要な中間値を保持することによっ
て、（ｉｉ）第一の隣接する処理エレメントへ、処理エ
レメントによって計算した中間値であって、第一の隣接
する処理エレメントと関連するボクセルについての後続
する計算のために必要な中間値を転送することによっ
て、（ｉｉｉ）第二の隣接する処理エレメントから、第
二の隣接する処理エレメントによって以前に計算した中
間値であって、処理エレメントと関連するボクセルにつ
いての計算に必要な中間値を受け取ることによって、処
理エレメントがボクセルと関連するようになっている。

【００３６】また、セクション境界の近傍において、
（ｉ）後続するセクションの処理中の計算に使用するた
めに、１つまたはそれ以上の処理エレメントによって生
成される中間値をメモリ中へ記憶するために、及び、
（ｉｉ）先行するセクションの処理中にメモリに記憶し
た中間値を検索し、１つまたはそれ以上の処理エレメン
トの中へ検索された中間値をエレメントの内部で計算す
るために供給するために、処理を行うときに作動するメ
モリインターフェース論理手段をさらに備えている。

【００３７】また、メモリインターフェース論理手段
が、各セクションの内部部分の処理中に作動して、１つ
またはそれ以上の処理エレメントによって生成される中
間値を、メモリをバイパスする１つまたはそれ以上の処
理エレメントへ転送する。

【００３８】また、（ｉ）メモリインターフェース論理
手段から１つまたはそれ以上の処理エレメントの中へ、
以前に保管した後続する中間値を受け取ってカレントセ
クションの処理を完了するために、（ｉｉ）メモリイン
ターフェース論理手段から同じ１つまたはそれ以上の処
理エレメントの中へ、以前に保管した先行する中間値を
受け取って、次のセクションの処理を開始するために、
（ｉｉｉ）カレントセクションのための１つまたはそれ
以上の処理エレメントの中から、次のセクションの処理
中処理エレメントが後続して使用するための新しい後続
する中間値を生成するために、（ｉＶ）次の次のセクシ
ョンの処理中処理エレメントが後続して使用するための
新しい先行する中間値を、次のセクションのための同じ
１つまたはそれ以上の処理エレメントの中から生成する
ために、セクションの間で遷移が生じるときに処理エレ
メントが作動するとともに、メモリインターフェース論
理手段が、１セットの先入れ先出し(FIFO)バッファを有
し、FIFOバッファが、１つまたはそれ以上の処理エレメ
ントの中から生成された中間値を記憶するセクション
と、FIFOバッファに記憶された中間値を先行するセクシ
ョン遷移中処理エレメントへ出力するためのセクション
との間で、遷移中に作動する。

【００３９】メモリが２つの独立したバンク中に設けら
れ、１セクションずつ中間値を記憶するためのバンクの
一方と、１セクションずつ中間値を検索するためのバン
クの他方との間で交互に機能するようにメモリインター
フェース論理手段が作動し、メモリの一方のバンクから
の、所定のセクションの中間値の検索が、メモリの他方
のバンクへつながる次のセクションのための中間値の記
憶と適時オーバーラップするようになっている。

【００４０】

【発明の実施の形態】具体的な実施の形態について説明
する前に、簡単に本発明の概要について説明する。本発
明に拠れば、ボリュームレンダリングプロセッサによっ
て、単一チップの実行に適したボクセル処理方法を用い
て、コスト効果のあるセクションボリューム・レンダリ
ングシステムの実行が可能となる。並行処理エレメント
は小さなグループ内で個々のボクセルを処理する働きを
持ち、グループは連続した順序で走査される。したがっ
て、この方法によって、従来技術のブロック志向型処理
と関連する通信コストが回避される。小さなグループで
個々のボクセルを処理する方法に適合したセクショニン
グ技術が利用される。このセクショニング技術は、オン
・チップバッファ記憶の必要要件を少なくし、その一方
で、オフ・チップメモリがバファ記憶を要求するとき従
来技術より実質的に少ないバースト性を示し、ボリュー
ムレンダリングシステムのコスト効果がさらに拡張され
る。

【００４１】この方法に従って、３次元物体を表すボク
セルの３次元ボリュームデータ集合は、分割され、セク
ション境界によって画定されるセクションに変えられ
る。このボリュームデータ集合は１セクション毎に処理
される。各セクションでの処理は以下のように進行す
る。ボクセルからなる１つ以上のグループを有する“ビ
ーム”中のボクセルの各グループに対して、ボクセルか
らなるグループがメモリから読み込まれ、それぞれの並
行処理エレメントの中でそのグループ内のボクセルが処
理されて、部分的に合成された(composited)光線データ
値が作成される。“合成(compositing)”という用語
は、与えられた画像中に最終ピクセル値を形成するため
に、ある光線に伴う照明、色および不透明度を示す値を
組み合わせる処理を指す。読込みおよびビームグループ
の処理は、第一の大きさのボリュームデータ集合でセク
ションの境界に到達するまで進行する。ボクセルからな
る少なくとも１つのビームを有する“スライス”中の、
ボクセルからなる各後続ビームに対して、第二の大きさ
のボリュームデータ集合でセクションの境界に到達する
まで、そのグループに対する読込みおよび処理がそれぞ
れのビームの内部で繰り返される。ボクセルの各後続ス
ライスに対する読込みおよび処理は、第三の大きさのボ
リュームデータ集合の境界に達するまでそのセクション
でさらに繰り返される。すべてのセクションがこのよう
にして処理された後、光線のデータ値が完全に合成さ
れ、これらの合成された値を用いて最終的に与えられる
画像を生成することができる。

【００４２】１つの実施の形態では、二次元のセクショ
ン境界は二次元のボリュームデータ集合自身の境界と一
致し、一方、一次元のセクション境界は別のセクション
との境界である。

【００４３】ボクセル処理方法の低い通信と記憶要件に
起因して、この方法を用いるボリュームレンダリングプ
ロセッサを単一集積回路上に設け、高性能でコスト効果
のあるボリュームレンダリングシステムを実現すること
ができるようになる。

【００４４】本発明の他の局面は高性能性にも寄与して
いる。この開示されたセクショニング技術の１つの局面
に従って、セクションの処理中セクション境界に出会う
とき、別の処理エレメントによって使用されるパイプラ
イン化された処理エレメントの内部で生成される中間値
のすべてはメモリ中へ記憶される。中間値が検索され、
後続セクションの処理中適時ターゲットの処理エレメン
トへ供給される。その結果、新しいセクションの処理が
始まるとき、パイプラインの内部で中間値を再確立する
ために、メモリからボクセルを再度読み込む必要はなく
なる。そのため、メモリに対する過度の要求によって処
理が逆の影響を受けることはない。

【００４５】１つの実施の形態では、中間値を記憶する
ために使用されるメモリは２つの独立したバンクまたは
モジュールを有するセクションメモリである。セクショ
ン境界に出会うと、１つのバンクが新しい中間値で書込
まれ、この中間値は後続セクションの処理中に使用され
る。そしてカレントセクションの完全な処理を行うため
に前に記憶された中間値が他のバンクから読み込まれ
る。各セクションの完了時にバンクへのアクセスは切り
替えられ、次のセクションの処理中前に記憶された中間
値が１つのバンクから読み込まれる。そして新しいセク
ションのための新しい中間値はもう一方のバンクへ書込
まれる。この技術によって、十分に高速のデータ転送レ
ートで中間値を転送することが可能になるため、処理性
能がセクションデータの転送によって逆の影響を受ける
ことはない。

【００４６】本発明の他の局面、特徴および利点は以下
の詳細な説明において開示される。

【００４７】実施の形態１．図１を参照しながら、さら
なる背景を得るために、３次元ボリュームデータ集合１
０について示す。図１は、平行六面体の形に設けられた
ボクセル位置１２の配列を示す図である。特に、ボクセ
ル位置１２は三次元で配列され、規則正しいパターンで
間隔を置いて配置されている。各ボクセルの位置は、
X、Y、Zとラベルされた３つの軸１１によって画定され
る座標系で表現することができる。１つまたはそれ以上
のデータ値が各ボクセル位置１２と関連付けられ、各々
のデータ値は、物体、システムまたは現象の特徴、例え
ば、空間中の個別の点におけるその物体またはシステム
の内部と近傍における密度、素材の種別、温度、速度、
不透明度または他の特性を表す。コンピュータにおいて
はボリュームデータ集合を３次元配列の値として表すの
が好都合である。配列インデックス位置(X,Y,Z)におけ
るこの値は３次元空間における座標(X,Y,Z)におけるボ
リュームデータ値に対応する。

【００４８】X、Y、Z軸は以下のように選択される。ま
ず、原点は、レンダーされたボリュームを表示する画像
平面(図２に説明)に最も近いボリュームデータ集合１０
の頂点である。次いで、物体を見る方向(“ビュー方
向”として知られる)にほぼ平行な軸がZ軸として選択さ
れる。X軸およびY軸は残りの２つの軸の中から任意に選
択される。この選択方法の結果、ボリュームデータ集合
１０の中を通って画像平面から離れるビュー方向に延び
る線のZ座標は常に増加している。そしてX軸およびY軸
は増加しているか、または、一定であり決して減少する
ことはない。

【００４９】図２は、ボリュームデータ集合１０の一例
を示すものであり、このデータセットは人間の頭部のト
モグラフィックスキャンから得たスライスの配列を備え
ている。二次元画像平面１６は、人間の頭部のボリュー
ムレンダーされた射影が表示される面を表す。レイ・キ
ャスティングとして知られる技術では、ピクセル位置22
から画像平面１６上に、ボリュームデータ集合１０の中
を通って架空の光線１８が投射される。各光線１８は、
このボリュームの中を通過するとき、ボクセル位置にお
けるデータから色および不透明度を蓄積する。このよう
にして、１つのピクセルの色、透明度および輝度、並び
に、その他のパラメータが、光線に沿ったサンプルポイ
ント２０におけるデータの累積値としてボリュームデー
タ集合から抽出される。この例では、骨の組織と関連す
るボクセル値は不透明色に割当てられ、頭部の他のすべ
ての組織と関連するボクセル値は透明な色に割当てられ
る。したがって、ある光線に沿ったデータの累積の結果
と、対応するピクセルをこのデータに帰属させることに
よって、結果的に画像平面１６の画像１９が生み出され
ることになる。この画像１９は、実際の頭蓋骨が頭部の
皮膚と他の組織によって視界から隠されていても、観察
者の眼には３次元の頭蓋骨の画像のように見える。

【００５０】図３は、この光線投射方法についての十分
な理解を得るために、図２の三次元ボリュームデータ集
合１０の二次元断面図を示した図である。一次元および
二次元はこのページの平面に例示されている次元に対応
する。ボリュームデータ集合１０の三次元はこの印刷ペ
ージに対して垂直になっている。そのためデータセット
２０の横断面だけしか図では見ることができない。ボク
セル位置はドット１２によって図に例示されている。各
位置と関連するボクセルはデータ値であり、これらのデ
ータ値によって、三次元空間における矩形格子の固定点
における三次元物体１４の何らかの単複の特徴が表され
る。また、図３には、二次元画像平面１６の一次元ビュ
ーが例示されている。ピクセル２２に適切な特徴を与え
るという観点からこの画像平面上へ物体１４の画像が射
影される。この例図では、画像平面１６の二次元も印刷
ページに対して垂直である。

【００５１】レイ・キャスティング技術では、光線１８
は画像平面１６のピクセル２２から延びてボリュームデ
ータ集合１０の中を通過していく。光線１８は画像平面
１６に対して垂直に投射される。各光線１８は、光線１
８に沿ったサンプルポイント２０における色、明るさお
よび透明度や不透明度をその光線に沿って蓄積する。光
によるこの累積によって対応するピクセル２２の明るさ
と色が決定される。このように、光線はボリュームの中
を通ってピクセルから外へ向かって進んでいるように描
かれているものの、累積データは、色、輝度および不透
明度あるいは透明度などのパラメータをそのピクセルに
与えるために対応するピクセルに対してデータを提供す
る元の場所へ光線に沿って伝送されていると考えること
ができる。

【００５２】ボリュームデータ集合１０の三次元と画像
平面１６の二次元とは両方とも印刷ページに対して垂直
であり、したがって相互に平行であることが図3で示唆
されてはいるが、一般的にこれは事実ではない。光線１
８が３つのすべての次元で任意の角度でボリュームデー
タ集合１０の中を通過できるように、画像平面はボリュ
ームデータ集合に関して任意の方角を有していてもよ
い。

【００５３】サンプルポイント２０が必ずしもボクセル
１２座標を正確に交差する必要がないことも理解されよ
う。したがって、各サンプルポイントの値は近くのボク
セル値から合成されなければならない。すなわち、各サ
ンプルポイント２０における光の輝度、色および透明度
あるいは不透明度を、近くのボクセル１２の値の関数と
して計算したり、補間したりしなければならない。ボク
セルデータ値からサンプルポイントの値への再サンプリ
ングは標本論に従って行われる。各光線１８のサンプル
ポイント２０は次いで別の数学的関数によって蓄積さ
れ、その光線に対応するピクセル２２の明るさと色とが
作成される。この結果生じるピクセル２２のセットによ
って、画像平面１６に物体１４の視覚的画像が形成され
る。

【００５４】図４は個々の光線１８の処理を示す図であ
る。光線１８はある角度で三次元ボリュームデータ集合
１０の中を通過し、ボクセル位置１２の近傍あるいはお
そらくそのボクセル位置の中を通り、各光線に沿ってサ
ンプルポイント２０でデータが蓄積される。各サンプル
ポイント２０の値は、補間２１で例示されているように
補間装置１０４(図５参照)によって合成され、勾配推定
２３に例示されているように各サンプルポイント２０に
おける勾配が勾配推定装置１１２(図５参照)によって計
算される。次いで、サンプルポイント２０から得たサン
プルポイント値と、各サンプルポイントの勾配２５が処
理され、各サンプルについて、色、明るさ、あるいは、
輝度、および、透明度あるいは不透明度が割当てられ
る。２７で例示されているように、この処理は、輝度お
よび不透明度あるいは透明度のみならず赤、緑および青
の色相を計算するパイプライン処理を介して行われる。
最終的に、すべての光線に沿ってサンプルのすべてに対
して割当てられる色、明るさのレベルおよび透明度は、
合成２９に例示されているように合成装置１２４に印加
される。合成装置１２４は、サンプル値を数学的に組み
合わせてピクセルに変え、このピクセルによって表示用
画像平面１６に画像３２が結果として描かれる。

【００５５】サンプルポイント２０の色、明るさあるい
は輝度並びに透明度の計算は２つの部分で行われる。１
つの部分では、トリリネア補間のような関数を利用し
て、サンプルポイント２０のすぐ近くを取り巻いている
立体配置の８つのボクセル値の加重平均をとる。次いで
この結果生じる平均値を利用して、色および不透明度あ
るいは透明度をある伝達関数によってサンプルポイント
に割当てる。計算のもう一方の部分では、各サンプルポ
イント２０におけるサンプル値の勾配が、近くのサンプ
ルポイント間の差をとるような方法によって推定され
る。これらの２つの計算はいずれかの順序で、あるいは
同等の結果を生じるように互いに並行して実行すること
ができることは理解されよう。この勾配値を照明計算で
利用してサンプルポイントの明るさが決定される。照明
計算はコンピュータ・グラフィック・アートにおいて公
知であり、例えば、J. Foley、A. van Dam、S. Feine
r、J. Hughes著の教科書「コンピュータ・グラフィッ
ク：原理と実践」(第2版、マサチューセッツ州のAddiso
n-Wesley of reading社、1990年刊）に記載されてい
る。

【００５６】図５は、図４に例示されている計算を実行
するのに適切なパイプライン化プロセッサのブロック図
を示したものである。パイプライン化プロセッサは複数
のパイプライン段階を有し、複数のデータエレメントを
一時に処理するために、これらのパイプライン段階の各
々の段階には１つのデータエレメントが保持されてい
る。各データエレメントはその処理における様々な進行
段階にあり、すべてのデータエレメントはロック・ステ
ップでパイプラインの一段階ずつ進む。パイプラインの
第一段階では、一続きのボクセルデータ値が、１サイク
ルにつき１ボクセルの速度でボクセルメモリ１００から
パイプラインの中へ流れ込む。パイプラインはアドレス
・ジェネレータ１０２に制御されて動作する。補間装置
１０４は、三次元空間の座標X、Y、Zに配置されたボク
セル値を受け取る。但し、X、Y、Zは各々整数である。
補間装置１０４はパイプライン化された段階のセットで
あり、このセットによって、ボリュームの中を投射され
る光線に沿った位置に対応するボクセル間のサンプルポ
イントでデータ値が合成される。各サイクル中、１つの
ボクセルが補間装置に入り、１つの補間されたサンプル
値が現れる。ボクセル値がパイプラインに入った時刻
と、補間されたサンプル値が現れる時刻との間の待ち時
間は、パイプライン段階の数並びに各段階における内部
遅延に依存する。

【００５７】パイプラインの補間段階は、１セットの補
間回路段階１０４と、段階を通じてデータを再循環する
ための３つの先入れ先出し（以下、FIFO）エレメント１
０６、１０８、１１０を有する。本実施の形態では、以
上はすべて線型補間であるが３次関数やラグランジュ補
間のような他の補間関数を用いてもよい。この例示の実
施の形態では、補間は別々の段階として各次元で行わ
れ、それぞれのFIFOエレメントを含めてデータが再循環
されるが、その目的はボクセル間で補間を行うためであ
る。これらのボクセルは空間的に隣接しているが、パイ
プラインの中へ入る時に幅広く切り離される。各FIFOの
遅延は、その特定の次元で、１つのボクセルの読込み
と、隣接する１つのボクセルの読込みとの間で、正確に
経過した時間量となるように選択される。これは、補間
関数の中でこれら２つの読込み値を組み合わせることが
できるようにするためである。その次元と関連してFIFO
の中を通って前に再循環が行われた最も近い隣接値と各
ボクセルが組み合わされた状態で、ボクセルは１サイク
ルにつき１ボクセルの速度で補間段階の中を流れること
ができることは理解できよう。

【００５８】補間段階１０４の中で、３つの連続する補
間段階(各次元について１つの補間段階)がカスケードさ
れている。ボクセルは、入力と出力の双方において、１
サイクルにつき１ボクセルの速度で３つの段階の中を通
過する。補間段階の処理能力は１サイクルにつき１ボク
セルである。この処理能力は、補間装置内の段階の数に
依存せず、補間装置内のデータの待ち時間に依存せず、
またその装置内の再循環段階にも依存しない。このよう
に、補間装置は、XYZ空間の整数位置に配置されたボク
セル値を１サイクルにつき１ボクセルの速度で変換し
て、非整数位置に配置されたサンプル値に変える。特
に、補間装置は、ボクセル位置の値を変換して、光線に
沿って配置されるサンプル位置の値に変える。

【００５９】勾配推定装置１１２が補間装置１０４の後
に続き、この勾配推定装置１１２もやはり複数のパイプ
ライン化された段階と再循環FIFOとを有している。勾配
推定装置１１２の機能は、３つの次元の各々におけるサ
ンプル値の変化率を導き出すことである。この勾配推定
装置１１２は補間装置１０４と同じ様に機能して３つの
次元の各々におけるサンプル値の変化率を計算する。こ
の勾配を用いて照明用の法線ベクトルが決定される。勾
配の大きさを用いて面の存在が決定される。通常、勾配
の大きさが大きいとき面の存在が示される。本実施の形
態では、勾配計算は中心差分を用いて行われるが、公知
の他の関数を用いてもよい。勾配推定装置１１２はパイ
プライン化されているので、該装置は１サイクルにつき
１つの補間されたサンプルを受け取り、１サイクルにつ
き１つの勾配値が出力される。補間装置１０４の場合と
同じく、各勾配値は、それぞれの再循環FIFOエレメント
１１４、１１６、１１８を含めて、勾配推定装置１１２
における待ち時間の量に等しいサイクル数だけその対応
するサンプルから遅延する。再循環FIFOエレメントの各
々の遅延は、近傍の補間された複数のサンプルと１つの
補間されたサンプルとの読込みの間で必要とされる時間
の長さによって決定される。この近傍の補間された複数
のサンプルはその次元における勾配値を導き出すために
必要なサンプルである。

【００６０】補間されたサンプルとそれに対応する勾配
値は、１サイクルにつき１つの補間されたサンプルと１
つの勾配値という速度で分類装置１２０と照明装置１２
２に対してそれぞれ同時に適用される。分類装置１２０
は、補間されたサンプル値をグラフィックシステムが用
いる色(すなわち、RGBA値としても知られる赤、緑、青
およびアルファ値)に変換する機能を果たす。これらの
赤、緑および青値は、通常ゼロから１を含む範囲の値
で、それぞれの補間されたサンプル値に対して割当てら
れるカラー成分の輝度を表す。アルファ値も通常ゼロか
ら１を含む範囲にあり、それぞれの補間されたサンプル
値に割当てられる不透明度を表す。

【００６１】この勾配値は照明装置１２２に対して適用
され、高輝度と陰影とを付加することによって、新しく
割当てられたRGBA値の修正や変調が行われてより現実的
な画像が与えられる。照明を行う方法と機能については
公知である。照明装置１２２および分類装置１２０は、
１サイクルにつき１つの補間されたサンプル値と１つの
勾配値を受け入れ、１サイクルにつき１つの照明色と不
透明度を示す値を出力する。

【００６２】本実施の形態では、補間装置１０４が、勾
配推定装置１１２より前に実行され、次いで勾配推定装
置１１２は、分類装置１２０より前に実行される。他の
実施の形態ではこれら３つの装置を異なる順序で配設し
てもよい。特に、ボリュームレンダリングのいくつかの
アプリケーションについては、分類装置１２０が補間装
置１０４より前に実行されることが望ましい。この場
合、ボクセル位置におけるデータ値は、ボクセルと同じ
位置でRGBA値へ変換され、次いでこれらのRGBA値は補間
されて、光線に沿ったサンプルポイントにおけるRGBA値
が得られる。

【００６３】変調装置１２６は、照明されたRGBA値を照
明装置１２２から受け取り照明されたRGBA値の修正が可
能となる。それによって、最終的に視覚化される画像を
修正することができる。そのような１つの変調装置１２
６を利用して、データの限定された部分集合のビューイ
ングを可能にするサンプル値が切り取られる。別の変調
装置１２６は、任意の角度と厚さでボリュームデータの
スライスを示す機能を提供する。第三の変調装置１２６
によって三次元カーソルが提供され、ユーザーやオペレ
ータがデータの範囲のXYZ空間で位置を特定することが
可能になる。上記特定された機能の各々は、１サイクル
当りの入力として１つのRGBA値を受け取り、出力として
１サイクルにつき１つの変調されたRGBA値を送出する複
数のパイプライン化された段階として実行される。本明
細書において説明したパイプライン化されたアーキテク
チャの内部に同様に設けることもできる他の変調機能を
設けてもよい。パイプライン化された変調装置１２６の
追加によって、処理用パイプラインの処理能力(速度)は
些かも減少せず、むしろパイプラインの中を通過するデ
ータの待ち時間が影響を受ける。

【００６４】合成装置１２４は光線１８に沿ったすべて
のサンプルポイントの照明された色と不透明度値を組み
合わせて、コンピュータ端末装置すなわち二次元画像面
１６上に表示するためのその光線に対応する最終的ピク
セル値を形成する。RGBA値は、１サイクルにつき１つの
RGBA値の速度で合成装置１２４に入力され、同じ光線に
沿った前回のサンプルポイントにおけるRGBA値によって
蓄積される。蓄積が完了すると、最終的に蓄積された値
は表示画面へピクセル２２として出力されるかあるいは
画像データとして記憶される。合成装置１２４は、１サ
イクルにつき１つのRGBAサンプルを受け取り、合成関数
に従って光線の終端に達するまでこれらのRGBAサンプル
を各光線毎に蓄積する。光線の終端に達した時点で１光
線につき１つのピクセルが出力され最終的画像が形成さ
れる。アプリケーションによって、当業で公知のいくつ
かの異なる関数を合成装置１２４で用いることができ
る。

【００６５】例えば、256×256×256ボクセルを持つ１
つのボリュームデータ集合に対して毎秒３０フレームの
リアルタイム・ボリュームレンダリング・レートを達成
するためには、毎秒256³×30フレームすなわち毎秒ほぼ
５億個のボクセルのレートでボクセルデータがパイプラ
インに入力されなければならない。特定のボクセルと関
連する計算には多くの段階が必然的に伴い、したがって
複数の異なるボクセルと関連する指定された待ち時間が
あるにもかかわらず、計算は即座に進められる。このと
き各ボクセルは１つのパイプラインの中で異なる段階の
様々な程度の進行状況および占有状況を示している。こ
れによって、計算の複雑さにもかかわらず高速の処理速
度をサポートすることが可能となる。

【００６６】複数の並列パイプラインとして上記記載の
パイプライン化プロセッサを複製し、隣接するボクセル
を並行して処理することによってより高速の処理能力レ
ートを達成することができる。各パイプラインにおいて
リアルタイム・ボリュームレンダリングを達成するため
に必要なサイクル・タイムは、通常のボリュームデータ
集合中のボクセル数に所望のフレームレートを掛け、そ
れをパイプラインの数で割った数として求められる。25
6³からなるボリュームデータ集合を毎秒３０フレームで
レンダーする例示の実施の形態では、7.5ナノ秒のサイ
クル・タイムを各々備えた４つのパイプラインが用いら
れている。

【００６７】図６は、ボリューム・グラフィック印刷回
路基板の論理レイアウトを図示するものである。この回
路基板によって、図４に描かれているようなボリューム
レンダリング処理が図５に示すようなパイプラインを用
いて実行される。基板上の主要構成要素は、ボリューム
データ集合１０のボクセル１２が記憶されているボクセ
ルメモリ１００と、ボリュームレンダリング処理によっ
て生成される画像のピクセルを記憶するピクセルメモリ
２００と、ボリューム・グラフィック基板のプロセッサ
である“EMC”２０２とラベルされた集積回路および以
下に説明する方法でEMC２０２によって使用されるセク
ションメモリ２０４である。メモリ２０、２０２および
２０４には同期式ダイナミックランダム・アクセスメモ
リ(SDRAM)２０６のアレイが含まれる。図示のように、E
MC２０２は、インターフェースバス(V-バス、P-バスお
よびS-バス)を備え、それぞれのメモリ２００、２０２
および２０４と通信するようになっている。また、EMC
２０２は、工業規格PCIバス２０８用のインターフェー
スを備えており、様々な通常のコンピュータシステムで
ボリューム・グラフィック基板を使用できるようになっ
ている。

【００６８】図７はEMC２０２の構成を示した概略ブロ
ック図である。図７に示すように、図５に図示のものと
同様のパイプライン化された処理エレメント２１０がEM
C２０２に含まれている。この処理エレメント２１０は
４つの並列レンダリングパイプライン２１２とレンダー
制御装置２１４を有している。処理エレメント２１０
は、ボクセルメモリインターフェース論理回路２１６を
介してボクセルメモリ１００からボクセルデータを取得
し、ピクセルメモリインターフェース論理回路２１８を
介してピクセルデータをピクセルメモリ２００に提供す
る。セクションメモリ・インターフェース論理回路２２
０を利用して、図６のレンダリングエンジン２１０とセ
クションメモリ２０４との間で読み書きデータが転送さ
れる。PCIインターフェース２２２とPCIインターフェー
ス制御装置２２４は、EMC２０２とPCIバス２０８との間
にインターフェースを提供する。コマンド・シーケンス
２２６は、処理エレメント２１０とボクセルメモリイン
ターフェース論理回路２１６の動作と同期して、PCIバ
スから受け取ったコマンドによって指定された動作を実
行する。

【００６９】４つのパイプライン２１２はX方向に並行
して働く。つまり、４つのボクセルV _x,y,z,
V_(x-1),y,z, V_(x-2),y,z, V_(x-3),y,zは、４つのパイプ
ライン２１２中の任意の所定の段階で同時に動かされ
る。ボクセルは、以下に説明する方法でスキャンされた
順序で４つのボクセルグループ中のパイプライン２１２
に出力される。４を法とする所定のX係数を持つデータ
位置の計算のすべては、同じレンダリングパイプライン
２１２によって処理される。YおよびZ方向の計算のため
にパイプライン２１２の内での処理段階の間で中間値が
渡される程度まで、これらの中間値はレンダリングパイ
プラインの内部に保持され、そこで適時生成され利用さ
れることはご理解できよう。X方向の計算に必要な中間
値は、適時各パイプライン２１２から隣接するパイプラ
イン２１２へ送られる。図６のセクションメモリ・イン
ターフェース２２０とセクションメモリ２０４は、ボリ
ュームデータ集合１０のセクションを処理するとき中間
データの結果を一時的に記憶するために使用され、ま
た、別のセクションの処理が要求されたとき、パイプラ
イン２１２へ保存された結果を出力するために使用され
る。セクショニングに関連する動作について以下にさら
に詳細に説明する。

【００７０】図８は、ボクセル１２の組織と走査を例示
する図である。この組織と走査は例示の実施の形態では
ボリュームデータ集合１０のレンダリング中に用いられ
る。データセット１０は、Z軸(この軸は上述したように
ビュー方向にほぼ平行な軸である)方向に平行な“スラ
イス”２３０に分割される。各スライス２３０は、Y方
向に“ビーム”２３２に分割され、各ビーム２３２はX
方向のボクセル１２の列からなる。ビーム２３２内部の
ボクセル１２は、上述したように、４つのレンダリング
パイプライン２１２によって並行処理されるボクセル１
２からなるグループ２３４に分割される。

【００７１】例示の実施の形態では、グループ２３４
は、X次元の一本のラインに沿った４つのボクセルから
なる。グループ２３４は、ビーム２３２の内部で左から
右の順序で処理される。ビーム２３２は、スライス２３
０の内部で上から下の順序で処理される。また、スライ
ス２３０は前から後ろの順序で処理される。この処理順
序は、X、Y、Z方向のデータセット１０の三次元スキャ
ンに対応するものである。原点の位置と、X、Y、Z方向
は、異なるビュー方向に対して異なるものとすることが
できることは理解されるであろう。

【００７２】図８でグループ２３４は、X軸に平行な直
線配列として例示されているが、他の実施例では、グル
ープ２３４は別の軸に平行な直線配列であってもよい
し、あるいは、任意の２つの軸と一列をなす矩形の配列
もしくは矩形の平行六面体であってもよい。このような
他の実施の形態におけるビーム２３２とスライス２３０
はそれに対応する様々な厚さを有する。例えば、各グル
ープ２３４が2×2×2からなる矩形の配列である実施の
形態では、ビーム２３２は、Y次元とZ次元の両次元に２
つのボクセルの厚さを持ち、スライス２３０はZ次元に
２つのボクセルの厚さを持つ。そのような代替実施例で
は図７の種々のエレメントはそれに対応して異なる動作
をすることになる。しかし、本明細書において説明した
ボリュームデータ集合の処理方法はそれでも適用するこ
とができる。

【００７３】図９は、ボリュームデータ集合１０をX方
向に“セクション”２４０に分割する方法を例示するも
のである。各セクション２４０は境界によって画定さ
れ、この境界には、例示の実施の形態ではX、Y、Z次元
のそれぞれの対からなる境界が含まれる。例示されてい
るX次元セクショニングの場合、各セクション２４０の
最上部、底部、前部および後部の境界はボリュームデー
タ集合１０自身の対応する境界と一致する。同様に、８
つに分割されたセクションのうち、最左セクション２４
０−１の左の境界と、最右セクション２４０−８の右の
境界とはボリュームデータ集合１０の左右の境界とそれ
ぞれ一致する。残りの全てのセクション境界は互いから
セクション２４０を分離する境界である。

【００７４】例示の実施の形態では、データセット１０
はX方向に２５６ボクセルの幅を持っている。これらの
２５６ボクセルは８つのセクション２４０に分割され、
このセクションの各々は３２のボクセル幅を持ってい
る。処理エレメント２１０の内部で要求されるFIFO記憶
の量を減らすために、各セクション２４０は個々にレン
ダーされる。上述したボクセル処理の順序は所定のセク
ション２４０の内部で使用される。すなわち、最左セク
ション２４０−１の内部では、３２のボクセル(４つの
ボクセルからなる８グループ)が最上ビーム２３２の内
部で順番に処理される。次いでビーム２３２はスライス
２３０の内部で上から下へ処理され、最終的にこのスラ
イスはセクション２４０−１の内部で前部から後部へ処
理される。第一セクション２４０−１が処理された後、
第二セクション２４０−２が同じ方法で処理される。こ
の処理が第８のセクション２４０−８が処理されてしま
うまで繰り返される。セクション２４０間の境界近傍で
の処理は各セクション２４０の内部での処理とは異な
る。セクション境界近傍での処理を行う方法を以下に説
明する。

【００７５】例示の実施の形態では、固定幅からなるセ
クションにボリュームデータ集合１０を分割する場合に
は、ボリュームデータ集合１０はX方向に任意の幅にし
てもよい。Y方向のボリュームデータ集合１０のサイズ
は、図５のバッファ１０６と１１４のようなFIFOバッフ
ァのサイズによって限定される。また、Z方向のボリュ
ームデータ集合１０のサイズは、以下に説明するセクシ
ョンメモリのサイズによって限定される。

【００７６】図１０は、図７の処理エレメント２１０を
さらに詳細に図示したものである。並列パイプライン２
１２はボクセルメモリ１００からボクセルを受け取り、
蓄積された光線をピクセルメモリ２００へ出力する。図
を簡略化するために、図１０においては、３つのパイプ
ライン２１２−０、２１２−１、２１２−３しか示して
いない。先に図５に示したように、関連するFIFOバッフ
ァとシフトレジスタに加えて、各パイプライン２１２に
は、補間装置１０４、勾配推定装置１１２、分類装置１
２０、照明装置１２２、変調装置１２６および合成装置
１２４が含まれる。各パイプライン２１２によってすべ
てのボクセル１２が処理される。４を法とするボクセル
１２のX軸の値は０と３との間の所定の値である。した
がって、例えば、パイプライン２１２−０は、０と２５
５との間のすべてのYとZについて、位置(O,Y,Z)、(4,Y,
Z)、...、(252,Y,Z)のボクセルを処理する。同様に、パ
イプライン２１２−１は、すべてのYとZについて位置
(1,Y,Z)、(5,Y,Z)、...、(253,Y,Z)のボクセルを処理す
る、というように他のパイプラインも同様に処理を行
う。

【００７７】計算を行うために必要な値を時間整合する
(time-align)ために、各パイプライン２１２の各作動装
置あるいは作動段階は、これと関連するFIFOバッファを
介してY次元およびZ次元で中間値を自分自身に渡す。例
えば、位置(X,Y,Z)で補間されたサンプルのY成分を計算
するために、各補間装置１０４は位置(X,Y,Z)と(X,Y+1,
Z)におけるボクセルを必要とする。このY成分の計算を
行うために、位置(X,Y+1,Z)のボクセルと時間整合する
ために、位置(X,Y,Z)のボクセルはビームFIFO１０８(図
５参照)だけ遅延される。Z成分を計算するためにZ方向
の類似の遅延を利用することもできる。また同様に勾配
推定装置１１２と合成装置１２４とによる遅延も利用さ
れる。

【００７８】X方向の計算を行うために中間値を渡すこ
とも必要である。しかし、この場合、中間値は単に遅延
されるだけでなくこれと関連するシフトレジスタを介し
て１つのパイプラインの中から隣接するパイプラインへ
転送される。これは、各パイプライン２１２が４を法と
する異なるX軸でボクセルを処理する役割を持つという
事実を反映するものである。一例として、パイプライン
２１２−０の補間装置１０４は、位置(X,Y,Z)のサンプ
ルの計算中に中間値を計算する。この中間値の中のいく
つかは位置(X+1,Y,Z)のサンプルを計算するためにも必
要であり、隣接するパイプライン２１２−１にある補間
装置１０４によってこの計算は行われる。中間値は、パ
イプライン２１２−０の補間装置１０４からパイプライ
ン２１２−１の補間装置１０４へ関連するシフトレジス
タ１１０を介して渡される。

【００７９】最右パイプライン２１２−３用のシフトレ
ジスタ１１０、１１８および２５０は１サイクルすなわ
ち１単位時間遅延させて最左パイプライン２１２−０の
入力部へ値を転送することが認められる。この構成によ
って、４つのボクセルからなるグループでボリュームデ
ータ集合１０にわたって処理エレメント２１０がステッ
プすることが可能になる。例えば、位置(3,Y,Z)につい
て計算された中間値は、最左パイプライン２１２−０へ
渡され、次のサイクルで位置(4,Y,Z)の計算を行うため
に使用される。同様に、位置(7,Y,Z)、(11,Y,Z)などに
対して計算された中間値は最左パイプライン２１２−０
へ渡され、次のそれぞれのサイクルで位置(4,Y,Z)、(1
2,Y,Z)などの計算を行うために使用される。

【００８０】図１１は、図６のセクションメモリ２０４
と、処理エレメント２１０との間のインターフェースを
示す。セクションメモリ・インターフェース論理回路
（SxIf）２２０は、図１０のセクションメモリ２０４、
最右レンダリングパイプ２１２−３および最左レンダリ
ングパイプ２１２−０間にインターフェースを提供する
ものである。図１１は、最右パイプライン２１２−３と
最左パイプライン２１２−０との間で行われる通信が実
際には図１０に図示の通信とはわずかに異なることを示
している。最右レンダリングパイプ２１２−３のシフト
レジスタ１１０、１１８および２５０から出力されたデ
ータはセクションメモリ・インターフェース２２０へ転
送される。図１０の最左レンダリングパイプ２１２−０
は、セクションメモリ・インターフェース（SxIf）２２
０の出力部２５８、２６０、２６２からデータを受け取
る。したがってX方向に、データはレンダリングパイプ
２１２の間を左から右へ流れ、レンダリングパイプ２１
２−３からセクションメモリ・インターフェース（SxI
f）２２０の中へ入り、次いで、セクションメモリイン
ターフェース（SxIf）２２０の中から出てレンダリング
パイプ２１２−０へ進む。この特殊な動作方法について
以下にさらに詳細に説明する。

【００８１】図１２は、セクションメモリインターフェ
ース（SxIf）２２０およびセクションメモリ２０４を図
示するものである。セクションメモリ２０４は２つの別
個のバンクすなわちモジュールであるセクションメモリ
０(符号２０４−０)とセクションメモリ１(符号２０４
−１)とに分割されている。各セクションメモリ２０４
−０及び２０４−１は、制御及びアドレス生成装置２７
０−０および２７０−１とを関連づけている。この制御
及びアドレス生成装置によって、バッファ２７２−０と
２７２−１のそれぞれのセットを介して、アドレスと制
御信号とが提供され、各セクションメモリ２０４−０と
２０４−１とは互いに独立に作動することができる。

【００８２】セクションメモリインターフェース（SxI
f）２２０は、最右パイプ２１２−３のシフトレジスタ
１１０、１１８および２５０からデータを受け取り、レ
ジスタ２７４と８：１セレクタ２７６からなる書込み用
バッファの中にデータを入れる。さらにレジスタ２７８
と３値状態バッファ２８０−０と２８０−１を用いてそ
れぞれセクションメモリ２０４−０と２０４−１への書
込み通路が確立される。最右パイプ２１２−３からの入
力データも、セクションメモリ読取り通路の一部を形成
するFIFOバッファ２８２と３：１セレクタ２８４へ出力
される。図示のように、FIFOバッファ２８２からの出力
も、３：１セレクタ２８４へ出力される。

【００８３】セクションメモリインターフェース（SxI
f）２２０は、最右パイプライン２１２−３から総計１
０８のビットを受け取り、一方、セクションメモリ２０
４への書込みデータ通路は１６ビット幅となる。入力デ
ータの１０８のビットは、次のように８つのグループに
分離される。すなわち、補間段階からの４８ビットは４
つのグループに分割され、勾配段階からの１２ビット
は、１つのグループを構成し、合成段階からの４８ビッ
トは３つのグループを構成する。セクションメモリイン
ターフェース（SxIf）２２０は、８回目のサイクル毎に
最右パイプライン２１２−３から新しいセットの８つの
グループを受け取る。そして後続する８−サイクルの書
込み動作中各セットはセクションメモリ２０４へ書込ま
れる。この書込み動作について以下さらに詳細に説明す
る。

【００８４】読込み通路に沿って、入力バッファ２８６
−０と２８６−１からのセクションメモリデータは対応
する１６ビットレジスタ２８８−０と２８８−１へ出力
される。レジスタ２８８の出力は２：１セレクタ２９０
へ出力され、２：１セレクタ２９０の出力は８つのセッ
トのレジスタ２９２へ出力される。セレクタ２９０の出
力は、上に説明した同じ８つのグループに多重分離さ
れ、各多重分離されたグループは適切なレジスタグルー
プ２９２の中へロードされる。３：１セレクタ２８４へ
の入力としてレジスタ２９２の出力が与えられる。セレ
クタ２８４の出力はラッチ２９４にラッチされ、ラッチ
２９４の出力は最右パイプライン２１２−０への入力と
してライン２５８、２６０、２６２に出力される。

【００８５】図１１と図１２に図示の種々の構成要素の
動作について残りの図１３〜図２２を参照して説明す
る。図１３は、２つのセクションメモリ２０４−０と２
０４−１とを交互に使用できること示す図である。セク
ションデータが最右レンダリングパイプ２１２−３か
ら、まずセクションメモリ２０４−０へ、次いでセクシ
ョンメモリ２０４−１へ書込まれ、ボリュームデータ集
合１０にわたって８つのすべてのセクションについてこ
の交互パターンが繰り返される。同じ交互の連続パター
ンでセクションメモリ２０４からレンダリングパイプ２
１２−０へセクションデータが読込まれるが、このセク
ションデータは書込みに関しては１回のセクション・タ
イム分だけシフトされる。このようにして、相互の干渉
なしに全帯域幅で書込みと読込みが進行する。

【００８６】各ビーム２３２は８サイクルで、１サイク
ルにつき１つの４ボクセルからなるグループ２３４が処
理される。これら８サイクルのうち７サイクルについて
は、セクション境界の存在を考慮せずに処理は進行す
る。これらの７サイクル中、最右パイプ２１２−３から
のデータは図１２のセレクタ２８４を介して最左パイプ
２１２−０の中へシフトされる。８回目毎のサイクルで
セクション境界に出会ったとき、最右パイプ２１２−３
からのデータが、次の隣接するセクションの処理中に引
き続き利用するためにセクションメモリ２０４の中に書
込まれる。また、８回目毎のサイクル中、前回の隣接セ
クション２４０から得たデータがセクションメモリ２０
４から読込まれ、最左パイプ２１２−０へ出力される。
この動作について以下さらに詳細に説明する。

【００８７】図１４は、セクションメモリの書込み動作
を図示するものである。図示のように、最右レンダリン
グパイプ２１２−３の各段階は８サイクル毎に出力を行
い、これらの出力はセクション２４０の内部におけるビ
ーム２３２の一部の処理を反映するものである。各段階
から得られるデータは、パイプラインの待ち時間の結
果、他の段階に関して時間でスキューされる。したがっ
て図示のように、図５の補間段階１０４によって時刻Ｔ
−８にビームn-1の出力データが生成されるが、一方、
２５サイクル後の時刻Ｔ１７まで、合成段階１２４が同
じビームに対して対応する出力データを生成することは
ない。

【００８８】補間段階１０４によって生成される“先
行”データと、合成段階１２４によって生成される“後
続”データとの間の大きなスキューのために、セクショ
ンメモリ２０４の各８つのロケーション・ブロックD0〜
D7の中に書込まれる値には２つの別個のビームに対応す
るデータが含まれる。すなわち、ロケーションD0、D1、
D5、D6、D7にはビームnのデータが含まれ、一方、ロケ
ーションD2、D3、D4にはビームn-3のデータが含まれ
る。

【００８９】図１５はセクション読込み動作を図示する
ものである。各読込みに対して、１セットの隣接するデ
ータロケーションD0〜D7がレンダリングパイプ２１２−
０へ次のようにデータを提供する。 D0、D1、D5、D6 ビーム“n”を補間段階104へ D7 ビーム“n”を勾配段階112へ D2、D3、D4 ビーム“n-3”を合成段階124へこのようにしてデータの時間的スキューイングが維持さ
れる。

【００９０】図１６は、所定のセクション２４０の書込
みと読込みとの間の遷移を図示するものである。例示の
実施の形態では、セクションメモリバンク２０４−０ま
たは２０４−１が書込み方向から読込み方向へシフトし
たとき、ほぼ９サイクルが経過しているということが認
められる。この書込みから読込みへシフトする間のギャ
ップのために、以下に説明するように、パイプライン２
１２の間でデータ・フローを保持するためのバッファリ
ングの必要が生じる。

【００９１】図１７〜図２２は、２４０−１から２４０
−８までの８つのセクションの処理を通じたセクション
メモリ２０４のタイミングを図示するものである。図１
７〜図２２で、時刻TXはすべて、それぞれのセクション
についての処理のスタートに関連する。図１８は、セク
ション２４０−１からの先行データの資格がある３つの
ビームがFIFOバッファ２８２へ書込まれ、次いで、残り
のビームがその後セクションメモリ２０４−０へ書込ま
れることを示す図である。図１９に図示のように、レン
ダリングパイプ２１２−０は、ちょうど最後のビームの
先行データがセクションメモリ２０４−０へ書込まれて
いるとき、FIFOバッファ２８２から先行データを読込み
始める。T7とT27の間の時間中、セクション２４０−２
の先行データと、セクション２４０−１の後続データと
がFIFOバッファ２８２中に書込まれる。その間、時刻T2
4は、セクションメモリ２０４−０からのセクション２
４０−１の読込みの始まりである。最終的に、時刻T31
がセクションメモリ２０４−１への書込みセクション２
４０−２の始まりとなる。

【００９２】図２０は、セクション２４０−２と２４０
−３との間の遷移を示す図であるが、先行する第二のセ
クションデータを補間段階１０４と勾配段階１１２へ出
力すると同時に、FIFOバッファ２８２が後続の第一のセ
クションデータをレンダリングパイプ２１２−０の合成
段階１２４へ出力するという点を除いて、この遷移は図
１９に図示のセクション２４０−１と２４０−２との間
の遷移と同様である。また、読込みと書込みとの間のセ
クションメモリ２０４−０と２０４−１双方の遷移も、
最初に起るセクションメモリ２０４−１の書込みから読
込みへの遷移と同様である。

【００９３】図２１は、７番目と８番目のセクション間
の遷移を示す。最終セクションであるため、８番目のセ
クション２０４−８はセクションメモリ２０４へは書込
まれない。８番目のセクション２０４−８の処理(図２
２に図示の周期の中へ続く処理)を行うために、図２１
に図示の周期中の最初の活動によって、７番目のセクシ
ョンデータがレンダリングパイプ２１２−０へ出力され
る。図２２の“フレームの終り”の表示によって、１つ
のパス全体が、ボリュームデータ集合１０の中を通過し
たこと、および、完全な１セットの処理された光線が、
カレント・レンダリングを行うためにピクセルメモリ２
００の中に存在することが示される。

【００９４】本実施の形態では、ボリュームデータ集合
は矩形の座標系で組織化されており、セクションは矩形
の平行六面体である。代替実施例では、ボリュームデー
タを異なる座標系で組織化してもよい。また、矩形ある
いは非矩形の座標系で、異なる形状のセクションを用い
ることが望ましい場合もある。

【００９５】以上のように、本実施の形態においては、
単一チップの実行に適したボクセル処理方法を用いて、
コスト効果を従来技術よりもさらに図ることができ、か
つ、高性能で、高速処理が可能なボリュームデータ集合
の処理方法及びそれを用いたボリュームレンダリングプ
ロセッサを得ることができる。

【００９６】なお、以上、本発明の実施の形態について
説明してきたが、本明細書に開示された発明の概念から
逸脱することなく、上述の方法および装置に対する部分
的修正や変更が可能であることは当業者には明らかであ
ろう。したがって、本発明は、添付の請求項の範囲と精
神によってのみ限定されるものと見なされるべきであ
る。

【００９７】

【発明の効果】この発明は、三次元物体を表す複数のボ
クセルを有する三次元ボリュームデータ集合の処理方法
であって、ボリュームデータ集合が各次元で限定され、
セクション境界によって画定される複数のセクションに
分割され、各セクションについて、第一のビームにおけ
るボクセルからなる各グループについて、ボクセルから
なる少なくとも１つのグループを含み、ビームのボクセ
ルからなる各グループをメモリから読込み、複数の処理
エレメントのそれぞれのエレメントの内部で各グループ
のボクセルを処理して、一次元のセクション境界に達す
るまで、部分的に合成された光線データ値を処理エレメ
ントの出力時に生成する第一のステップと、ボクセルか
らなる少なくとも２つのビームを含む第一のスライスの
内部のボクセルからなる各後続ビームについて、二次元
のセクション境界に達するまで、第一のステップを繰り
返す第二のステップと、セクションのボクセルからなる
各後続スライスについて、三次元のボリュームデータ集
合境界に達するまで、第一のステップおよび第二のステ
ップを繰り返す第三のステップと、を有するボリューム
データ集合の処理方法であるので、単一チップの実行も
可能で、コスト効果を図ることができ、かつ、高性能及
び高速処理を可能にすることができるという効果が得ら
れる。

【００９８】また、各セクションについて、一次元にお
いて到達したセクション境界が、セクションとそのセク
ションに隣接するセクションとの間の境界であるととも
に、二次元において到達したセクション境界が、二次元
におけるボリュームデータ集合境界であるようにしたの
で、処理が容易になるとともに、処理の高速化を図るこ
とができるという効果が得られる。

【００９９】また、各セクションについて、一次元にお
いて到達したセクション境界が一次元におけるボリュー
ムデータ集合境界であるとともに、二次元で到達したセ
クション境界が、二次元におけるセクションとそのセク
ションに隣接するセクションとの間の境界であるように
したので、処理が容易になるとともに、処理の高速化を
図れ、かつ、高性能化を図ることができるという効果が
得られる。

【０１００】また、ボリュームデータ集合の第一のセク
ションの処理中に、第二のセクションの処理中に使用す
るための中間値を生成し、第一のセクションの処理中に
中間値をメモリの中へ記憶するステップと、第二のセク
ションの処理中にメモリから中間値を検索し、検索され
た中間値を処理するステップとを、さらに備えているよ
うにしたので、新しいセクションの処理が始まるときに
メモリからボクセルを再度読み込む必要がなくなり、高
速化及び処理の削減が図れるとともに、メモリに対する
過度の要求を回避することができるという効果が得られ
る。

【０１０１】また、各グループ内のボクセルが共直線性
を有するようにしたので、処理がしやすく、演算量を減
らすことができるという効果が得られる。

【０１０２】また、各グループ内のボクセルが一次元に
おいて共直線性を有するようにしたので、処理がしやす
く、演算量を減らすことができるという効果が得られ
る。

【０１０３】また、ボリュームデータ集合が矩形の座標
系で組織化されるようにしたので、処理がしやすく、高
速化を図ることができる。

【０１０４】また、ボリュームデータ集合が矩形の座標
系で組織化され、セクションが矩形の平行六面体である
ようにしたので、処理がしやすく、高速化を図ることが
できる。

【０１０５】また、すべてのセクションについての処理
の完了時に合成された光線データ値が完全に合成された
光線データ値となり、複数のピクセルからなる二次元画
像を表示するステップをさらに有し、各ピクセルにおけ
る値が完全に合成された光線データ値の中の対応する異
なる１つのデータ値から計算されるようにしたので、高
性能化を図ることができる。

【０１０６】また、ボクセルの処理が、三次元ボリュー
ムデータ集合を再サンプリングして、三次元またはそれ
以上の次元のサンプリングされたデータ配列の中へデー
タセットを入れるステップを有するようにしたので、よ
り多くの情報量を保持することができ、高性能化を図る
ことができる。

【０１０７】また、複数の処理エレメントが並行処理を
行うエレメントであるようにしたので、処理の高速化を
図ることができる。

【０１０８】また、ボリュームデータ集合を記憶するメ
モリを備えて使用されるボリュームレンダリングプロセ
ッサで、ボリュームデータ集合が三次元物体を表す複数
のボクセルを含み、ボリュームデータ集合が各次元で限
定され、セクション境界によって画定される複数のセク
ションに分割され、ボリュームレンダリングプロセッサ
が、各セクションに対して働くように共同して作動する
複数の並行処理エレメントと、ビーム中のボクセルから
なる各グループについて、ボクセルからなる少なくとも
１つのグループを含み、ビームのボクセルからなる各グ
ループをメモリから読込み、それぞれの並行処理エレメ
ントの内部で各グループの上記ボクセルを処理して、一
次元のセクション境界に達するまで、部分的に合成され
た光線データ値を処理エレメントの出力時に生成する第
一の処理を行う第一の処理手段と、ボクセルからなる少
なくとも２つのビームを含むスライスの内部のボクセル
からなる各後続ビームについて、二次元のセクション境
界に達するまで第一の処理を繰り返す、第二の処理を行
う第二の処理手段と、セクションのボクセルからなる各
後続スライスについて、三次元のボリュームデータ集合
境界に達するまで、第一の処理および第二の処理を繰り
返す第三の処理手段と、を有するようにしたので、単一
チップの実行も可能で、コスト効果を図ることができ、
かつ、高性能及び高速処理を可能にすることができると
いう効果が得られる。

【０１０９】また、処理エレメントが、各グループ内の
ボクセルの中の異なるボクセルとそれぞれ関連し、ボク
セルに対応するボリュームデータ集合内の位置における
中間値を各処理エレメントが作動して計算し、（ｉ）処
理エレメントと関連するボクセルについての後続する計
算に使用するために必要な中間値を保持することによっ
て、（ｉｉ）第一の隣接する処理エレメントへ、処理エ
レメントによって計算した中間値であって、第一の隣接
する処理エレメントと関連するボクセルについての後続
する計算のために必要な中間値を転送することによっ
て、（ｉｉｉ）第二の隣接する処理エレメントから、第
二の隣接する処理エレメントによって以前に計算した中
間値であって、処理エレメントと関連するボクセルにつ
いての計算に必要な中間値を受け取ることによって、処
理エレメントがボクセルと関連するようにしたので、新
しいセクションの処理が始まるときにメモリからボクセ
ルを再度読み込む必要がなくなり、高速化及び処理の削
減が図れるとともに、メモリに対する過度の要求を回避
することができるという効果が得られる。

【０１１０】また、セクション境界の近傍において、
（ｉ）後続するセクションの処理中の計算に使用するた
めに、１つまたはそれ以上の処理エレメントによって生
成される中間値をメモリ中へ記憶するために、及び、
（ｉｉ）先行するセクションの処理中にメモリに記憶し
た中間値を検索し、１つまたはそれ以上の処理エレメン
トの中へ検索された中間値をエレメントの内部で計算す
るために供給するために、処理を行うときに作動するメ
モリインターフェース論理手段をさらに備えているよう
にしたので、新しいセクションの処理が始まるときにメ
モリからボクセルを再度読み込む必要がなくなり、高速
化及び処理の削減が図れるとともに、メモリに対する過
度の要求を回避することができるという効果が得られ
る。

【０１１１】また、メモリインターフェース論理手段
が、各セクションの内部部分の処理中に作動して、１つ
またはそれ以上の処理エレメントによって生成される中
間値を、メモリをバイパスする１つまたはそれ以上の処
理エレメントへ転送するようにしたので、高速化を図る
ことができる。

【０１１２】また、（ｉ）メモリインターフェース論理
手段から１つまたはそれ以上の処理エレメントの中へ、
以前に保管した後続する中間値を受け取ってカレントセ
クションの処理を完了するために、（ｉｉ）メモリイン
ターフェース論理手段から同じ１つまたはそれ以上の処
理エレメントの中へ、以前に保管した先行する中間値を
受け取って、次のセクションの処理を開始するために、
（ｉｉｉ）カレントセクションのための１つまたはそれ
以上の処理エレメントの中から、次のセクションの処理
中処理エレメントが後続して使用するための新しい後続
する中間値を生成するために、（ｉＶ）次の次のセクシ
ョンの処理中処理エレメントが後続して使用するための
新しい先行する中間値を、次のセクションのための同じ
１つまたはそれ以上の処理エレメントの中から生成する
ために、セクションの間で遷移が生じるときに処理エレ
メントが作動するとともに、メモリインターフェース論
理手段が、１セットの先入れ先出し(FIFO)バッファを有
し、FIFOバッファが、１つまたはそれ以上の処理エレメ
ントの中から生成された中間値を記憶するセクション
と、FIFOバッファに記憶された中間値を先行するセクシ
ョン遷移中処理エレメントへ出力するためのセクション
との間で、遷移中に作動するようにしたので、処理時間
の短縮を図ることができる。

【０１１３】メモリが２つの独立したバンク中に設けら
れ、１セクションずつ中間値を記憶するためのバンクの
一方と、１セクションずつ中間値を検索するためのバン
クの他方との間で交互に機能するようにメモリインター
フェース論理手段が作動し、メモリの一方のバンクから
の、所定のセクションの中間値の検索が、メモリの他方
のバンクへつながる次のセクションのための中間値の記
憶と適時オーバーラップするようになっているので、十
分に高速のデータ転送レートで中間値を転送することが
可能になるため、処理性能がセクションデータの転送に
よって劣化するのを防止することができ、高速に処理を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ボリュームデータ集合を例示する図である。

【図２】レイ・キャスティングによって画像平面上へ
射影されるボリュームデータ集合のビューを例示する図
である。

【図３】図２のボリュームデータ集合の断面図であ
る。

【図４】レイ・キャスティングによる個々の光線の処
理を例示する図である。

【図５】本発明におけるリアルタイム・ボリュームレ
ンダリングのためのパイプライン化された処理エレメン
トのブロック図である。

【図６】本発明におけるボリューム・グラフィック印
刷回路基板の論理レイアウトのブロック図である。

【図７】図５の処理エレメントを含む図６の回路基板
上のボリュームレンダリング集積回路の概略的レイアウ
トのブロック図である。

【図８】本発明におけるボリュームレンダリングのた
めの組織回路とボクセルの走査を示す概略的表現であ
る。

【図９】図５の処理エレメントによってボリュームデ
ータ集合をセクションに組織化する方法を例示する図で
ある。

【図１０】並行処理用パイプラインを示す図５の処理
エレメントのブロック図である。

【図１１】図１０の１つの一番端の処理用パイプライ
ンと図６の印刷回路基板上のセクションメモリとの間の
セクションメモリ・インターフェースを示すブロック図
である。

【図１２】図１１のセクションメモリ・インターフェ
ースのブロック図である。

【図１３】図１１のセクションメモリの２つのバンク
を使用して図９のセクションを処理する方法を例示す
る。

【図１４】図１１のセクションメモリのための書込み
動作を示すタイミング図である。

【図１５】図１１のセクションメモリのための読込み
動作を示すタイミング図である。

【図１６】図１１のセクションメモリのための書込み
と読込み動作の間の遷移を示すタイミング図である。

【図１７】図９のボリュームデータ集合全体の処理周
期にわたる図１１のセクションメモリの動作を示すタイ
ミング図である。

【図１８】図９のボリュームデータ集合全体の処理周
期にわたる図１１のセクションメモリの動作（第１のセ
クションのスタート）を示すタイミング図である。

【図１９】図９のボリュームデータ集合全体の処理周
期にわたる図１１のセクションメモリの動作（第２のセ
クションのスタート）を示すタイミング図である。

【図２０】図９のボリュームデータ集合全体の処理周
期にわたる図１１のセクションメモリの動作（第３のセ
クションのスタート）を示すタイミング図である。

【図２１】図９のボリュームデータ集合全体の処理周
期にわたる図１１のセクションメモリの動作（最後（第
８）のセクションのスタート）を示すタイミング図であ
る。

【図２２】図９のボリュームデータ集合全体の処理周
期にわたる図１１のセクションメモリの動作（最後（第
８）のセクションの終り）を示すタイミング図である。

【符号の説明】

１０ボリュームデータ集合、１２ボクセル位置、１
６二次元画像平面、１８光線、１９画像、２０
サンプルポイント、１００ボクセルメモリ、１０４
補間装置、１１２勾配推定装置、１２０分類装置、
１２２照明装置、１２４合成装置、１２６変調装
置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597067574 201 ＢＲＯＡＤＷＡＹ，ＣＡＭＢＲＩＤＧＥ，ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ 02139，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者クリストファー・ジョン・カプラーフランス国、パリ、ル・カンキャンポワ 18 (72)発明者ランディー・ビー・オズボーンアメリカ合衆国、オレゴン州、ビーバートン、エヌ・ダブリュ・ワンハンドレッドシクスティサード・コート 3542 (72)発明者ハンスピーター・フィスターアメリカ合衆国、マサチューセッツ州、サマービル、パーク・ストリート 60 (72)発明者ジェームズ・ニッテルアメリカ合衆国、マサチューセッツ州、グラトン、ヒル・ロード 241 (72)発明者ヒュー・シー・ラウアーアメリカ合衆国、マサチューセッツ州、コンコード、ボーダー・ロード 69 (72)発明者スティーブ・バージェスアメリカ合衆国、マサチューセッツ州、メッドフィールド、サウス・ストリート 210

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元物体を表す複数のボクセルを有す
る三次元ボリュームデータ集合の処理方法であって、上
記ボリュームデータ集合が各次元で限定され、セクショ
ン境界によって画定される複数のセクションに分割さ
れ、上記各セクションについて、第一のビームにおけるボクセルからなる各グループにつ
いて、ボクセルからなる少なくとも１つのグループを含
み、上記ビームのボクセルからなる上記各グループをメ
モリから読込み、複数の処理エレメントのそれぞれのエ
レメントの内部で上記各グループの上記ボクセルを処理
して、一次元のセクション境界に達するまで、部分的に
合成された光線データ値を処理エレメントの出力時に生
成する第一のステップと、ボクセルからなる少なくとも２つのビームを含む第一の
スライスの内部のボクセルからなる各後続ビームについ
て、二次元のセクション境界に達するまで、上記第一の
ステップを繰り返す第二のステップと、上記セクションのボクセルからなる各後続スライスにつ
いて、三次元のボリュームデータ集合境界に達するま
で、上記第一のステップおよび上記第二のステップを繰
り返す第三のステップと、を有することを特徴とするボリュームデータ集合の処理
方法。
【請求項２】各セクションについて、一次元において
到達した上記セクション境界が、上記セクションと上記
セクションに隣接するセクションとの間の境界であると
ともに、二次元において到達した上記セクション境界
が、二次元におけるボリュームデータ集合境界であるこ
とを特徴とする請求項１記載のボリュームデータ集合の
処理方法。
【請求項３】各セクションについて、一次元において
到達した上記セクション境界が一次元におけるボリュー
ムデータ集合境界であるとともに、二次元で到達した上
記セクション境界が、二次元における上記セクションと
上記セクションに隣接するセクションとの間の境界であ
ることを特徴とする請求項１記載のボリュームデータ集
合の処理方法。
【請求項４】上記ボリュームデータ集合の第一のセク
ションの処理中に、第二のセクションの処理中に使用す
るための中間値を生成し、上記第一のセクションの処理中に上記中間値をメモリの
中へ記憶するステップと、上記第二のセクションの処理中に上記メモリから上記中
間値を検索し、上記検索された中間値を処理するステッ
プとを、さらに備えたことを特徴とする請求項１記載のボリュー
ムデータ集合の処理方法。
【請求項５】各グループ内の上記ボクセルが共直線性
を有することを特徴とする請求項１記載のボリュームデ
ータ集合の処理方法。
【請求項６】各グループ内の上記ボクセルが一次元に
おいて共直線性を有することを特徴とする請求項５記載
のボリュームデータ集合の処理方法。
【請求項７】上記ボリュームデータ集合が矩形の座標
系で組織化されることを特徴とする請求項１記載のボリ
ュームデータ集合の処理方法。
【請求項８】上記ボリュームデータ集合が矩形の座標
系で組織化され、上記セクションが矩形の平行六面体で
あることを特徴とする請求項１記載のボリュームデータ
集合の処理方法。
【請求項９】上記すべてのセクションについての処理
の完了時に上記合成された光線データ値が完全に合成さ
れた光線データ値となり、複数のピクセルからなる二次元画像を表示するステップ
をさらに有し、上記各ピクセルにおける値が上記完全に合成された光線
データ値の中の対応する異なる１つのデータ値から計算
されることを特徴とする請求項１記載のボリュームデー
タ集合の処理方法。
【請求項１０】ボクセルの処理が、上記三次元ボリュ
ームデータ集合を再サンプリングして、三次元またはそ
れ以上の次元のサンプリングされたデータ配列の中へ上
記データセットを入れるステップを有することを特徴と
する請求項１記載のボリュームデータ集合の処理方法。
【請求項１１】上記複数の処理エレメントが並行処理
を行うエレメントであることを特徴とする請求項１記載
のボリュームデータ集合の処理方法。
【請求項１２】ボリュームデータ集合を記憶するメモ
リを備えて使用されるボリュームレンダリングプロセッ
サで、上記ボリュームデータ集合が三次元物体を表す複
数のボクセルを含み、上記ボリュームデータ集合が各次
元で限定され、セクション境界によって画定される複数
のセクションに分割され、上記ボリュームレンダリングプロセッサが、上記各セクションに対して働くように共同して作動する
複数の並行処理エレメントと、ビーム中のボクセルからなる各グループについて、ボク
セルからなる少なくとも１つのグループを含み、上記ビ
ームのボクセルからなる各グループをメモリから読込
み、それぞれの並行処理エレメントの内部で各グループ
の上記ボクセルを処理して、一次元のセクション境界に
達するまで、部分的に合成された光線データ値を処理エ
レメントの出力時に生成する第一の処理を行う第一の処
理手段と、ボクセルからなる少なくとも２つのビームを含むスライ
スの内部のボクセルからなる各後続ビームについて、二
次元のセクション境界に達するまで上記第一の処理を繰
り返す、第二の処理を行う第二の処理手段と、上記セクションのボクセルからなる各後続スライスにつ
いて、三次元のボリュームデータ集合境界に達するま
で、上記第一の処理および上記第二の処理を繰り返す第
三の処理手段と、を有することを特徴とするボリュームレンダリングプロ
セッサ。
【請求項１３】上記処理エレメントが、各グループ内
の上記ボクセルの中の異なるボクセルとそれぞれ関連
し、上記ボクセルに対応する上記ボリュームデータ集合
内の位置における中間値を上記各処理エレメントが作動
して計算し、（ｉ）上記処理エレメントと関連するボク
セルについての後続する計算に使用するために必要な上
記中間値を保持することによって、（ｉｉ）第一の隣接
する処理エレメントへ、上記処理エレメントによって計
算した上記中間値であって、上記第一の隣接する処理エ
レメントと関連するボクセルについての後続する計算の
ために必要な上記中間値を転送することによって、（ｉ
ｉｉ）第二の隣接する処理エレメントから、上記第二の
隣接する処理エレメントによって以前に計算した上記中
間値であって、上記処理エレメントと関連するボクセル
についての計算に必要な上記中間値を受け取ることによ
って、上記処理エレメントが上記ボクセルと関連するよ
うになっている、ことを特徴とする請求項１２記載のボリュームレンダリ
ングプロセッサ。
【請求項１４】セクション境界の近傍において、（ｉ）後続するセクションの処理中の計算に使用するた
めに、１つまたはそれ以上の処理エレメントによって生
成される中間値をメモリ中へ記憶するために、及び、
（ｉｉ）先行するセクションの処理中に上記メモリに記
憶した上記中間値を検索し、１つまたはそれ以上の処理
エレメントの中へ上記検索された中間値を上記エレメン
トの内部で計算するために供給するために、処理を行うときに作動するメモリインターフェース論理
手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１３記載の
ボリュームレンダリングプロセッサ。
【請求項１５】上記メモリインターフェース論理手段
が、各セクションの内部部分の処理中に作動して、上記
１つまたはそれ以上の処理エレメントによって生成され
る上記中間値を、上記メモリをバイパスする上記１つま
たはそれ以上の処理エレメントへ転送することを特徴と
する請求項１４記載のボリュームレンダリングプロセッ
サ。
【請求項１６】（ｉ）上記メモリインターフェース論
理手段から１つまたはそれ以上の処理エレメントの中
へ、以前に保管した後続する中間値を受け取ってカレン
トセクションの処理を完了するために、（ｉｉ）上記メ
モリインターフェース論理手段から同じ１つまたはそれ
以上の処理エレメントの中へ、以前に保管した先行する
中間値を受け取って、次のセクションの処理を開始する
ために、（ｉｉｉ）カレントセクションのための１つま
たはそれ以上の処理エレメントの中から、次のセクショ
ンの処理中処理エレメントが後続して使用するための新
しい後続する中間値を生成するために、（ｉＶ）次の次
のセクションの処理中処理エレメントが後続して使用す
るための新しい先行する中間値を、次のセクションのた
めの同じ１つまたはそれ以上の処理エレメントの中から
生成するために、セクションの間で遷移が生じるときに上記処理エレメン
トが作動するとともに、上記メモリインターフェース論理手段が、１セットの先
入れ先出し(FIFO)バッファを有し、上記FIFOバッファ
が、上記１つまたはそれ以上の処理エレメントの中から
生成された上記中間値を記憶するセクションと、上記FI
FOバッファに記憶された中間値を先行するセクション遷
移中処理エレメントへ出力するためのセクションとの間
で、上記遷移中に作動することを特徴とする請求項１４
記載のボリュームレンダリングプロセッサ。
【請求項１７】上記メモリが２つの独立したバンク中
に設けられ、１セクションずつ上記中間値を記憶するた
めの上記バンクの一方と、１セクションずつ上記中間値
を検索するための上記バンクの他方との間で交互に機能
するように上記メモリインターフェース論理手段が作動
し、上記メモリの一方のバンクからの、所定のセクショ
ンの上記中間値の上記検索が、上記メモリの他方のバン
クへつながる次のセクションのための中間値の記憶と適
時オーバーラップするようになっていることを特徴とす
る請求項１４記載のボリュームレンダリングプロセッ
サ。