JP2001014484A - ３次元可視化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボリュームビジュアリゼーションにおける３
次元可視化において、ボリュームデータを任意の面で切
断した断面表示及びその断面位置表示を行う。 【解決手段】 ボリュームデータを任意に設定される仮
想的な視線に沿って合成するに際し、予め計算された切
断面の座標から切断面に相当するボクセル値を所定値に
置換し、それ以外の場合にゼロ値に置換することで、対
象物の断面を表示する。また、順次入力される各ボクセ
ルの値を変換手段で所定の変換特性に従ったボクセルの
値及び不透明度に変換するとともに、そのボクセルが前
記断面計算手段で計算された切断面に相当する場合にそ
のボクセル値及び不透明度を別の所定の値に置換し、こ
の変換手段から順次出力されるボクセル値及び不透明度
に基づいて所定の合成計算を行うことで、対象物の表面
表示などの３次元表示画面中に断面位置画像を入れ込み
合成した形式で断面位置を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元空間で定義
されたボリュームデータをディスプレイ上に可視化する
ための、ボリュームレンダリング及びワープ処理などの
画像処理操作を行う３次元可視化装置に関し、特に任意
平面における断面表示、及び断面位置表示を可能にした
３次元可視化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＧ（コンピュータグラフィックス）に
よるレンダリング手法の１つにレイキャスティング法と
呼ばれる技術がある。この技術では、まず、ボリューム
メモリのメモリ空間上に定義された仮想３次元空間にボ
クセルにより構成された対象物体が配置される。各ボク
セルには、対象物体の内部情報が複数のボクセル値とし
て与えられる。

【０００３】そして、ボリュームメモリの内容を可視化
するために、ボリュームメモリの中を可視化する視線方
向にレンダリングし、その結果をベースプレーンと呼ぶ
ボリュームメモリの側面または底面に配置されたベース
プレーンメモリに一時的に蓄える。次に、ベースプレー
ンメモリの内容を視線に対し垂直な投影面であるイメー
ジプレーンに投影し、この投影されたデータに基づいて
図形が表示される。

【０００４】かかるレイキャスティング法によれば、対
象物の様々な内部情報を目的に応じて自由に可視化する
ことが出来る為、生体を始めとする３次元物体の新たな
可視化技術（ボリュームビジュアリゼーション）として
近年注目され、医療分野の超音波診断装置や、気象レー
ダ、地中レーダなどレーダ装置、さらにソナー、魚群探
知器などの超音波応用装置分野への適用が考えられてい
る。

【０００５】ボリュームデータの可視化方法には、表面
表示、最大・最小表示、累積表示等様々なものが有る
が、その内の１つの表示方法として断面表示がある。断
面表示は、３次元ボリュームデータを任意の平面で切断
したとき、その切断面のデータを取り出して表示する方
法である。また、断面表示を行う場合に、その表示され
ている断面がその３次元ボリュームデータのどの位置を
切断しているのかが表示断面だけでは判断することが困
難であり、その断面位置を表示対象全体との関係が分か
るように合わせて表示すれば、利用性が向上すると考え
られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この断面表示を行なう
場合には、その表示形態の特異性からレンダリング方法
とか、ベースプレーンからイメージプレーンに対する投
影手法などが、表面表示、累積表示等の表示方法の場合
とは相違することから、適切な表示手段を採用する必要
がある。また断面位置表示を行うためには、通常行われ
ている表面表示等の３次元可視化手段とともに断面表示
を組み合わせなければならない。

【０００７】そこで、本発明は、ボリュームビジュアリ
ゼーションにおける３次元可視化において、ボリューム
データを任意の面で切断した断面表示及びその断面位置
表示を可能にする３次元可視化装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の３次元可視化
装置は、３次元空間上の数値データで定義される複数の
ボクセルから構成されたボリュームデータを蓄積したボ
リュームメモリと、指定された任意の平面で前記ボリュ
ームメモリのボリュームデータを切断し、この切断面の
座標を計算し記憶する断面計算手段と、前記ボリューム
データから順次入力される各ボクセルの値を、そのボク
セルが前記断面計算手段で計算された切断面に相当する
場合に所定値に置換し、それ以外の場合にゼロ値に置換
する変換手段と、この変換手段から順次出力されるボク
セル値に基づいて所定の合成計算を行う合成手段と、前
記合成手段の計算結果を蓄積する最大３面のベースプレ
ーンメモリと、前記ベースプレーンメモリに蓄積された
ボリュームデータの計算結果を前記仮想的な視線に対応
したイメージプレーンに合わせて幾何変換する幾何変換
手段と、前記幾何変換手段により幾何変換されたデータ
を記憶するイメージプレーンメモリと、を備え、任意に
設定される仮想的な視線と前記指定された任意の平面と
の関係で定められる前記ボリュームデータの主軸方向に
沿って、前記ボクセル値の所定の合成計算を行い、対象
物の断面表示を行うことを特徴とする。

【０００９】請求項２の３次元可視化装置は、３次元空
間上の数値データで定義される複数のボクセルから構成
されたボリュームデータを蓄積したボリュームメモリ
と、指定された任意の平面で前記ボリュームメモリのボ
リュームデータを切断し、この切断面の座標を計算し記
憶する断面計算手段と、前記ボリュームデータから順次
入力される各ボクセルの値を所定の変換特性に従ったボ
クセルの値及び不透明度に変換するとともに、そのボク
セルが前記断面計算手段で計算された切断面に相当する
場合にそのボクセル値及び不透明度を別の所定の値に置
換する変換手段と、この変換手段から順次出力されるボ
クセル値及び不透明度に基づいて所定の合成計算を行う
合成手段と、前記合成手段の計算結果を蓄積する最大３
面のベースプレーンメモリと、前記ベースプレーンメモ
リに蓄積されたボリュームデータの計算結果を前記仮想
的な視線に対応したイメージプレーンに合わせて幾何変
換する幾何変換手段と、前記幾何変換手段により幾何変
換されたデータを記憶するイメージプレーンメモリと、
を備え、前記ボリュームメモリのボリュームデータに対
して任意に設定される仮想的な視線に沿ってボクセル値
の合成を行って、対象物の表面表示を行いつつ前記切断
面を所定の透明度で表示させて、断面位置表示を行うこ
とを特徴とする。

【００１０】請求項３の３次元可視化装置は、３次元空
間上の数値データで定義される複数のボクセルから構成
されたボリュームデータを蓄積したボリュームメモリ
と、指定された任意の平面で前記ボリュームメモリのボ
リュームデータを切断し、この切断面の座標を計算し記
憶する断面計算手段と、前記ボリュームデータから順次
入力される各ボクセルの値を、断面表示では、そのボク
セルが前記断面計算手段で計算された切断面に相当する
場合に所定値に置換し、それ以外の場合にゼロ値に置換
するとともに、断面位置表示では、所定の変換特性に従
ったボクセルの値及び不透明度に変換し、そのボクセル
が前記断面計算手段で計算された切断面に相当する場合
にそのボクセル値及び不透明度を別の所定の値に置換す
る変換手段と、この変換手段から順次出力されるボクセ
ル値及び不透明度に基づいて所定の合成計算を行う合成
手段と、前記合成手段のそれぞれの計算結果を蓄積する
最大３面のベースプレーンメモリと、前記ベースプレー
ンメモリに蓄積されたボリュームデータの計算結果を前
記仮想的な視線に対応したイメージプレーンに合わせて
幾何変換する幾何変換手段と、前記幾何変換手段により
幾何変換されたデータを記憶するイメージプレーンメモ
リと、を備え、前記ボリュームメモリのボリュームデー
タに対して任意に設定される仮想的な視線と前記指定さ
れた任意の平面との関係で定められる前記ボリュームデ
ータの主軸方向に沿って、前記ボクセル値の所定の合成
計算を行い、対象物の断面表示を行うとともに、前記ボ
リュームメモリのボリュームデータに対して任意に設定
される仮想的な視線に沿ってボクセル値の合成を行っ
て、対象物の表面表示を行いつつ前記切断面すなわち断
面位置画像を所定の透明度で表示させて、断面位置表示
を行うことを特徴とする。

【００１１】本発明の構成によれば、任意に設定される
仮想的な視線と前記指定された任意の平面との関係で定
められる前記ボリュームデータの主軸方向に沿ってボク
セル値を合成するに際し、当該ボクセル値を予め計算さ
れた切断面の座標から切断面に相当する場合に所定値に
置換し、それ以外の場合にゼロ値に置換することで、対
象物の断面を表示することができる。

【００１２】また、ボリュームデータを任意に設定され
る仮想的な視線に沿って合成するに際し、順次入力され
る各ボクセルの値を変換手段で所定の変換特性に従った
ボクセルの値及び不透明度に変換するとともに、そのボ
クセルが前記断面計算手段で計算された切断面に相当す
る場合にそのボクセル値及び不透明度を別の所定の値に
置換し、この変換手段から順次出力されるボクセル値及
び不透明度に基づいて所定の合成計算を行うことで、対
象物の表面表示などの３次元表示画面中に断面位置画像
を入れ込み合成した形式で断面位置を表示することがで
きる。

【００１３】また、以上のように３次元可視化装置を用
いて断面表示と断面位置表示とを同時に行うことができ
る。これにより、断面表示を行なう場合に、その断面が
対象物のどの位置を切断しているかの断面位置画像を対
象物の外観図とともに断面位置表示として表示するた
め、利用性が一段と向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図を参照して説明する。

【００１５】図１は、本発明に係る３次元可視化装置の
概略構成を示すシステム構成図である。

【００１６】本実施例の３次元可視化装置１０は、３次
元空間上のモデルを表すボリュームデータを蓄積するボ
リュームメモリ１２と、メモリ制御部１４と、傾斜計算
部２０と、断面計算部２２と、輝度計算部２４と、合成
計算部２６と、処理途中の合成計算結果を蓄積する合成
結果蓄積メモリ２８と、合成結果がベースプレーンに至
った場合の合成結果を記憶するベースプレーンメモリ３
０と、このベースプレーンメモリ３０に記憶されたデー
タをイメージプレーン上の座標に変換する幾何変換部３
２と、画像表示用メモリ３４とから構成されている。

【００１７】ここで、３次元空間上のモデルを表すボリ
ュームデータの一例は、医療分野において使用される超
音波診断装置による計測データであり、超音波を生体に
当てて反射波データから生体内組織の情報を得て３次元
で蓄積し、画像表示して生体内組織の状況を様々な角度
から観察するために使用される。したがってこの例にお
けるボリュームデータは、例えば生体内組織の密度であ
り、１個のボクセルは例えば８ビットの数値データとし
て表されるものである。

【００１８】さて、ボリュ−ムメモリ１２に記憶される
ボリュームデータＶＭは、３次元立方格子の各格子上に
配置されるボクセルの集合体であり、図２に示されるよ
うに本実施例において、例えば１辺が２５６の立方体で
構成され、投影面であるイメージプレーンＩＰからの視
線レイＣに沿ったボクセルの累積が、ベースプレーンＢ
Ｐ１（ｘ＝２５５面）、ベースプレーンＢＰ２（ｙ＝２
５５面）、ベースプレーンＢＰ３（ｚ＝２５５面）に与
えられる。したがって、これらベースプレーンＢＰ１〜
ＢＰ３はそれぞれ２５６平方の大きさとなる。

【００１９】まず、表面表示等の通常のボリュームレン
ダリングを行なう場合の各機能の役割について、図１の
３次元可視化装置の概略構成を参照して説明する。ボリ
ュームメモリ１２には、観測しようとする対象、例えば
超音波診断装置で測定された人体内部等のボリュームデ
ータＶＭが収納されており、それらのデータは３次元空
間上のボクセルで構成されている。メモリ制御部１４
は、ボリュームメモリ１２に読み出しアドレスを出力す
る。読み出しは、図３に示されるように視線レイＣに沿
って視点に近い方の面のデータから順に、主軸に沿って
面単位で行われる。視点が変化すると、それに伴ってボ
リュームメモリ１２の読み出し方向と順序が変更され
る。メモリ制御部１４は、ボリュームメモリ１２から読
み出されてきたデータを傾斜計算部２０が中心ボクセル
の前後・左右・上下の必要なデータとともに、傾斜計算
部２０に渡す。

【００２０】傾斜計算部２０は、中心ボクセルの輝度値
とこの前後・左右・上下のボクセルの輝度値とから、現
在の計算対象である中心ボクセルにおける輝度の傾斜の
方向及びその傾斜の程度、すなわち傾斜ベクトルを計算
する。この傾斜ベクトルは、視点や光源の配置の関係か
ら、そのボクセルの見え方を決定するものであり、この
傾斜ベクトルと中心ボクセルの強度値とが、次段の輝度
計算部２４に出力される。

【００２１】輝度計算部２４は、傾斜計算部２０，断面
計算部２２からの計算結果を受け、別途設定される光源
などの情報により、輝度計算を行うものである。断面計
算部２２については、別途説明することとし、ここでは
輝度計算部２４及びそのための制御部２５の構成を図４
を用いて説明する。

【００２２】図４において、まず制御部２５で、変換関
数発生部２５ａは入力されるボクセル値に対する変換関
数を各色信号Ｒ，Ｇ，Ｂ、及び不透明度α毎に発生さ
せ、輝度計算部２４のデータ変換部２４ｂに与える。こ
の変換関数Ｒ、Ｇ、Ｂ、αはそれぞれ任意に設定でき変
更できるものであり、図示のような特性に限るものでは
ない。例えば、不透明度αについてみると、ある所定の
レベルを定めて、そのレベル以上では１、そのレベル未
満では０とする、ような設定を行う。

【００２３】また、Ｐｈｏｎｇパラメータ設定手段２５
ｂは、設定された視点・光源位置・主軸方向に従って反
射マップ作成手段２５ｃで反射マップを作成し、この反
射マップ信号と環境光係数Ｋａを発生させ、輝度計算部
２４のシェーディング部２４ａに与える。

【００２４】また、断面不透明度設定手段２５ｄは、表
示される断面部分の不透明度を設定し、断面計算部２２
から与えられる断面フラグＦとともに、輝度計算部２４
の輝度・不透明度変換部２４ｃに与えられる。

【００２５】輝度計算部２４ではまず、傾斜計算部２０
から強度値と傾斜ベクトルをシェーディング部２４ａに
入力し、Ｐｈｏｎｇパラメータ設定手段２５ｂで設定さ
れた視点・光源位置・主軸方向にしたがって作成された
反射マップ信号と環境光係数Ｋａにより、シェーディン
グ補正を掛ける。これは、そのボクセルの見え方が、環
境光（Ｋａ）、視点・光源・傾斜ベクトル、強度などに
応じて定まることから、そのように補正するものであ
る。

【００２６】また、ボリュームメモリ１２から読み出さ
れたボクセル値をデータ変換部２４ｂに入力し、変換関
数発生部２５ａで各色信号Ｒ，Ｇ，Ｂ、及び不透明度α
毎に発生された変換係数により、データ変換する。すな
わち、ボクセル値に対応して、赤色信号Ｒ，緑色信号
Ｇ、青色信号Ｇ及び不透明度信号αにそれぞれ変換し、
輝度・不透明度変換部２４ｃに出力する。

【００２７】そして、シェーディング部２４ａからのシ
ェーディング補正された信号とデータ変換部２４ｂから
の変換された信号ＲＧＢαが輝度・不透明度変換部２４
ｃに与えられて、この両入力信号の演算、例えば乗算し
た結果ｒｇｂαが合成計算部２６へ供給される。なお、
輝度・不透明度変換部２４ｃでは、断面不透明度設定手
段２５ｄからの断面部分の不透明度および断面計算部２
２からの断面フラグが入力され、これらも併せて演算さ
れるが、この点については断面表示及び断面位置表示の
ところで改めて詳しく説明する。

【００２８】合成計算部２６は、輝度計算部２４より与
えられた輝度計算の終わったデータを受け、処理途中の
合成計算結果を蓄積する合成結果蓄積メモリ２８ととも
に、図５に示すように視線レイＣに沿って、蓄積計算す
る。

【００２９】ここで、輝度計算部２４、合成計算部２６
等により行われる蓄積計算に用いるボリュームレンダリ
ング計算式の例を説明する。

【００３０】まず、ボリュームレンダリングにおけるカ
ラーＣi+1及び透明度Ｔi+1の計算式は、次のように表さ
れる。 Ｃi+1＝Ｃi＋Ｃs・Ａs・Ｔi ・・・式（１） 但しＣ0は０ Ｔi+1＝Ｔi・（１−Ａs） ・・・・式（２） 但しＴ0は１ Ｃ：カラー（Ｒ，Ｇ，Ｂ）（０〜１） Ａs：不透明度
（０．０〜１．０） Ｔ：透明度（０．０〜１．０） ｉ：レイ上の一つ前までのボクセル合成値 s：カレ
ントのボクセル合成値 i+1：合成処理結果

【００３１】このボリュームレンダリングの考え方は、
視点と光源が同じ方向にあり、光は各ボクセルを通過し
て行く度に減衰していく。その減衰度を透明度Ｔで表
す。各ボクセルは減衰して届いた光源の強度に応じてボ
クセル値を反射し、視点に届く。

【００３２】一つのボクセルの値はＣs・Ａsである。こ
の値がその前にあるボクセルを通過して、目に届くとき
の値は、ボクセルの値とその前にあるボクセル列の透明
度の積Ｃs・Ａs・Ｔiである。

【００３３】ボクセル列の透明度は、あるボクセルの透
明度と、その前までのボクセル列の透明度の積、Ｔi・
（１−Ａs）で求められる。透明度が０（不透明度が
１）になると、それより後のボクセルは合成値に関与し
ない。

【００３４】この視線レイＣに沿う蓄積計算は、通常の
表面表示などの場合のボリュームレンダリングと同様で
あり、そして、視線レイＣに沿った蓄積計算の合成結果
がボリュームデータＶＭのベースプレーンＢＰ１〜ＢＰ
３に至った場合の合成結果を対応するベースプレーンメ
モリ３０に記憶する。なお、このようにボリュームメモ
リＶＭと視線レイとの角度にもよるが、基本的にはベー
スプレーンは３面となる。

【００３５】幾何変換部３２は、ベースプレーンメモリ
３０に記憶されたデータをイメージプレーンＩＰ上の座
標に幾何変換し、イメージプレーンメモリである画面表
示用メモリ３４に記憶させる。

【００３６】具体的には、図６を参照して、ボリューム
メモリ１２のボリュームデータＶＭの各ボクセルが視線
レイＣの方向に最も沿うように蓄積計算され、その結果
がベースプレーンＢＰに対応するベースプレーンメモリ
３０に記憶される。そして、投影面であるイメージプレ
ーンＩＰ上の１点１点のピクセルｐのアドレスから、視
線レイＣとベースプレーンＢＰとの交点ａ、すなわちベ
ースプレーンＢＰ上の対応するアドレスを求める（ステ
ップ１）。つぎに、その対応するアドレスａの周辺のデ
ータを読み出しベースプレーンＢＰ上でバイリニア補間
計算を行ない、その計算結果をベースプレーンＢＰとイ
メージプレーンＩＰとの配置関係に従い幾何変換し、画
面表示用メモリ３４に書き込む（ステップ２）。通常の
ボリュームレンダリング時の幾何変換は以上のように行
われる。

【００３７】次に、断面表示を行う場合の動作につい
て、説明する。

【００３８】まず、断面表示を行う場合には、レンダリ
ングは、視線レイＣに沿ってではなく、特定のベースプ
レーンに向かって主軸方向に沿って行われる。これを図
７を参照すると、ボリュームデータＶＭ中の可視化対象
を含むように任意の平面（この平面は、ＸＹＺ座標系で
ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０で定義される。）で切断され
るとすると、この切断面Ｓを特定の１つのベースプレー
ンＢＰ（この場合は底面）に向かう主軸方向に蓄積計算
が行われ、このベースプレーンＢＰに対応するベースプ
レーンメモリにその蓄積計算結果が記憶されることにな
る。なお、切断面Ｓの角度によっては、主軸方向が変わ
り、図７で側面とされているベースプレーンなどの他の
ベースプレーンに向かって蓄積計算が行われることにな
る。

【００３９】そして、その蓄積計算が行われた１つのベ
ースプレーンＢＰからイメージプレーンＩＰへの投影
は、図８のように行われる。図８で、ボリュームメモリ
１２のボリュームデータＶＭの各ボクセルが、視線レイ
Ｃの方向とは関係なく、切断面Ｓによって定まる主軸方
向に沿って蓄積計算され、その結果が１つのベースプレ
ーンＢＰに対応するベースプレーンメモリ３０に記憶さ
れる。

【００４０】そして、投影面であるイメージプレーンＩ
Ｐ上の１点１点のピクセルｐのアドレスから、視線レイ
Ｃと切断面Ｓとの交点ａを求める（ステップ１）。次
に、視線レイＣと切断面Ｓとの交点ａを主軸方向に沿っ
てベースプレーンＢＰに投影し、交点ａに対応するベー
スプレーンＢＰ上の交点ａ′を求める（ステップ２）。
次に、その交点ａ′に対応するアドレスの周辺のボクセ
ルのデータを読み出しベースプレーンＢＰ上でバイリニ
ア補間計算を行なうとともに、その各交点ａ′をイメー
ジプレーンＩＰの各交点ａに対応する各ピクセルｐの位
置に幾何変換し、各交点ａ′のデータをイメージプレー
ンＩＰの各ピクセルｐのデータとして書き込む（ステッ
プ３）。断面表示時のボリュームレンダリング、幾何変
換は以上のように行われる。

【００４１】このようにレンダリング及び幾何変換され
る、断面表示時の３次元可視化装置の動作は、次のよう
に行われる。メモリ制御部１４の動作は、通常の表面表
示などのボリュームレンダリングと同じである。断面表
示時には、図９に示されるように、断面計算部２２に対
し中心ボクセルとそのすぐ後ろのボクセルの値、及びそ
の読み出しアドレスが与えられる。また、断面計算部２
２には、予め三元１次方程式ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０
で定義される切断面Ｓが与えられている。そして、断面
計算部２２は、その中心ボクセルが切断面Ｓに最も近い
と判断すると、中心ボクセルの読み出しアドレスと、こ
の切断面Ｓの方程式から、そのボクセル値とすぐ後ろの
ボクセル値間で切断面Ｓの値から線形補間計算を行な
う。

【００４２】この断面計算部２２での線形補間計算は、
切断面Ｓ（ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０）の主軸がＺ軸で
ある場合には、（ａ／ｃ）Ｘ＋（ｂ／ｃ）Ｙ＋ｄ／ｃ＝
−Ｚ、となるようなＺの値を求めるように乗算回路、加
算回路、判定回路などからなる演算装置をハードウエア
で構成し、行うことができる。

【００４３】そして、断面計算部２２は、線形補間計算
終了後、切断面Ｓに最も近いボクセルに断面フラグＦを
付け、線形計算結果と共に輝度計算部２４に送り出す。
輝度計算部２４では断面フラグＦの付いたボクセルのみ
不透明度を１として出力する。断面フラグの付いていな
い場合は不透明度は０である。

【００４４】なお、断面フラグＦの付いたボクセルの不
透明度を１としているが、この値を１より小さい他の値
とすることもでき、この場合には、表示される断面の輝
度値が不透明度に応じて小さくなる。

【００４５】合成計算部２６では通常のボリュームレン
ダリング同様、蓄積計算が行なわれるが、断面フラグＦ
のついたボクセルのみ不透明度が１になっているので、
このデータが最終蓄積結果として得られ、切断面Ｓで線
形補間計算された値がベースプレーンＢＰに残ることに
なる。また、前述のように断面表示の場合は、レンダリ
ングは主軸方向に行われるので、断面表示のベースプレ
ーンは図７のように底面のみになる。

【００４６】この断面表示における輝度計算部２４，合
成計算部２６等によるボリュームレンダリングを前述の
式（１）［Ｃi+1＝Ｃi＋Ｃs・Ａs・Ｔi］、式（２）
［Ｔi+1＝Ｔi・（１−Ａs）］についてみると、断面フ
ラグＦの付いたボクセルのみ不透明度を１、断面フラグ
の付いていない他のボクセルの不透明度は０であるか
ら、レンダリングが切断面Ｓに到達するまでＣi+1はゼ
ロ、Ｔi+1は１であり、切断面Ｓに至ってＡｓが１とさ
れることから、Ｃi+1＝Ｃs、Ｔi+1＝１となる。

【００４７】そして、不透明度が１になるので、それよ
り後のボクセルは合成値に関与しないため、切断面Ｓの
カラー値Ｃｓが出力され、断面が表示される。

【００４８】断面表示の幾何変換は、前述の通りで、通
常のボリュームレンダリングのものとは異なっており、
投影面であるイメージプレーンＩＰの各ピクセルｐに対
応する切断面Ｓのアドレスａを求め、このアドレスａを
ベースプレーンＢＰに投影して、ベースプレーン上のア
ドレスａ′を求め、その対応するベースブレーン上の近
接４点の線形補間を行なっている。そして、各交点ａ′
をイメージプレーンＩＰの各交点ａに対応する各ピクセ
ルｐの位置に幾何変換し、各交点ａ′のデータをイメー
ジプレーンＩＰの各ピクセルｐのデータとして書き込
む。

【００４９】このようにして、切断面Ｓの断面映像が、
画像表示用メモリ３４に記憶され、例えば図１０に示さ
れるように表示される。この図１０の断面映像は、表示
のイメージを得やすくするために対象物を図のようにＢ
１とＢ２としており、切断面Ｓでの対象物Ｂ１，Ｂ２の
断面映像が明確に表示される。なお、周囲の枠Ｗはボリ
ュームメモリの外形を表示したもので、表示させるかど
うかか任意である。

【００５０】次に、断面位置表示を行う場合の動作につ
いて、説明する。

【００５１】断面位置表示では、表面表示と同時に実行
され、表面表示された対象物と、その切断面Ｓの断面位
置画像が表示される。断面位置表示の動作を、図１のシ
ステム構成図、図４の輝度計算部の構成図を参照して説
明する。

【００５２】メモリ制御部１４の動作は、表面表示など
の通常のボリュームレンダリングや断面表示を行う場合
と同じである。断面位置表示においては、傾斜計算と断
面計算が同時に行なわれるので、傾斜計算部２０に対し
ては中心ボクセルとその前後・左右・上下のデータが与
えられ、断面計算部２２には、読み出しアドレスが与え
られる。

【００５３】断面計算部２２には、予め三元一次方程式
（ａＸ＋ｂＹ＋ｃＺ＋ｄ＝０）の切断面Ｓ（断面位置）
が与えられている。そして、断面計算部２２は、中心ボ
クセルの読み出しアドレスと、この切断面Ｓの方程式か
ら、切断面Ｓに最も近い手前側のボクセルに断面フラグ
Ｆを付けて、輝度計算部２４に送り出す。この時、断面
表示の場合と異なり、前後のボクセル間で線形補間計算
は行なわれない。

【００５４】輝度計算部２４では、前述したように、ボ
リュームメモリ１２から読み出されたボクセル値をデー
タ変換部２４ｂに入力し、変換関数発生部２５ａで各色
信号Ｒ，Ｇ，Ｂ、及び不透明度α毎に発生された変換係
数により、ボクセル値に対応して、赤色信号Ｒ，緑色信
号Ｇ、青色信号Ｇ及び不透明度信号αにそれぞれ変換
し、輝度・不透明度変換部２４ｃに出力する。

【００５５】そして、シェーディング部２４ａからのシ
ェーディング補正された信号とデータ変換部２４ｂから
の変換された信号ＲＧＢαが輝度・不透明度変換部２４
ｃに与えられて、この両入力信号の演算、例えば乗算が
行われる。

【００５６】この輝度・不透明度変換部２４ｃには、断
面不透明度設定手段２５ｄからの断面部分の不透明度を
設定する信号（不透明度設定値は０〜１）および断面計
算部２２からの断面フラグＦが入力され、演算結果ｒｇ
ｂαが合成計算部２６へ供給される。

【００５７】合成計算部２６では、輝度計算部２４から
の演算結果ｒｇｂαに基づいて視線に沿った蓄積計算を
行ない、底面と側面のベースプレーンにデータを蓄え
る。

【００５８】そして、幾何変換部３２により、断面表示
の場合とは異なり、通常のボリュームレンダリングの場
合と同様の幾何変換を行なうことにより、ベースブレー
ンＢＰ上のデータが投影面ＩＰ上に変換され、表面表示
と断面位置を含んだ断面位置表示の絵が投影面上に描画
される。

【００５９】このようにして、３次元ボリュームデータ
が切断面Ｓで切断されたときの、対象物Ｂ１，Ｂ２の表
面表示、切断位置画像からなる断面位置表示画像が、画
像表示用メモリ３４に記憶され、断面位置表示が例えば
図１１に示されるように行われる。

【００６０】この図１１の断面位置表示では、図１０と
対応して、対象物を図のようにＢ１とＢ２としている。
図１１に示されるように、切断面Ｓの手前側では対象物
Ｂ１，Ｂ２の表面が表示される。切断面Ｓでは所定の濃
度で切断面自身が表示される。そして、切断面Ｓの向こ
う側では対象物Ｂ１，Ｂ２の表面が見える位置にあると
きには切断面Ｓの透明度に応じて減衰された濃度で対象
物Ｂ１，Ｂ２の表面が表示される。したがって、対象物
Ｂ１，Ｂ２と切断面Ｓとの位置関係が、明確に把握でき
る。なお、周囲の枠Ｗはボリュームメモリの外形を表示
したもので、表示させるかどうかは任意である。

【００６１】ここで、ボリュームレンダリングの考え方
及び断面位置表示における具体的な合成計算処理につい
て、例を挙げて説明する。

【００６２】合成計算の例１として、表１を想定する。
この表１は、簡単のためにボリュームサイズが８×８×
８の場合を考え、一般的な表面表示の最終的に見える画
面上の一点を決定するための合成計算過程を示すための
ものである。

【００６３】

【表１】

【００６４】表１のカラー値Ｃsは、輝度・不透明度変
換部２４によって出力された値で、８ビット整数で表
す。ここでは、疑似的にボリュームサイズを小さくして
いるため、最終的に見える部分のカラー値は、Ｃ8を求
めることによって得られる。

【００６５】カラー値Ｃsと合成後のカラー値Ｃi+1は、
本来ＲＧＢそれぞれの値があるが、ここの説明ではＲの
カラー値のみをＣsとして扱うこととする。また、不透
明度Ａsは、同じく輝度・不透明度変換によって得られ
たアルファー（α）値を指し、このα値は０．０以上
１．０以下の実数で表される。

【００６６】まず、式１によりＣ1から順に計算してい
く。合成計算で最初に求められるＣ1は、Ｃ1＝Ｃ0＋Ｃs
・Ａs・Ａ0。ここで、Ｃの初期値はＣ0＝０、Ａの初期
値はＡ0＝１であるから、これを上記に代入すると、Ｃ1
＝Ｃs・Ａs＝５４×０．０＝０．０ ・・・式（３）と
なって、最初の合成計算は、カレントのカラー値とカレ
ントの不透明度の積となる。

【００６７】また、このときの透明度Ｔ1は、 Ｔ1＝Ｔ0・（１−Ａs）＝１・（１−０．０）＝１．０・・・式（４） となる。

【００６８】続いて、Ｃ2，Ｃ3と順に求める。式（１）
より、 Ｃ2＝Ｃ1＋Ｃs・Ａs・Ｔ1＝０．０＋７０×０．０×１．０＝０．０ Ｔ2＝Ｔ1・（１−Ａs）＝１．０×（１−０．０）＝１．０ ここで、Ｃ1，Ｔ1は式（３），（４）の結果を用いる。 Ｃ3＝Ｃ2＋Ｃs・Ａs・Ｔ2＝０．０＋１２４×１．０×１．０＝１２４．０ Ｔ3＝Ｔ2・（１−Ａs）＝１．０×（１−１．０）＝０．０

【００６９】以下、Ｃ4，Ｃ5，・・・，Ｃ8（最終値）
を求めていくが、上記のＴ3＝０．０であることから、
Ｃ4以降はＣi+1＝Ｃiとなって、Ｃ3の値が事実上、最終
的に見える部分のカラー値Ｃ8となる。よって、上記の
計算例でも分かる通り、最終的に見える部分のカラー値
は、視線レイ上をレンダリングし、合成時の不透明度Ａ
sが最初に１．０となる（透明度Ｔが最初に０．０とな
る）点の合成カラー値と言うことができる。

【００７０】この場合、Ｃ4以降に切断面Ｓに相当する
ボクセルがあったとしても同様にこのボクセルは表示さ
れることはなく、切断面Ｓの前に対象物の表面が見える
場合にはその部分では切断面Ｓは隠されることになる。

【００７１】次に、合成計算の例２として、表２を想定
する。この表２は、同様にボリュームサイズが８×８×
８の場合を考え、断面位置表示における、断面位置画像
と表面画像との合成値として最終的に画面上に見える場
合の合成計算過程を示すためのものである。

【００７２】

【表２】

【００７３】断面位置表示において、切断面Ｓのデータ
は、断面フラグＦが立っているボクセルのカラー値Ｃｓ
を２５５、不透明度Ａｓを断面不透明度設定値（SliceO
pacity）に置き換えることによって実現される。

【００７４】置き換えられるカラー値Ｃｓは任意の数値
でよいが、ここでは２５５で固定とする。また断面不透
明度設定値は、ホストから与えられる時には８ビット整
数で与えられるが、合成計算部２６に渡す場合には、輝
度・不透明度変換部２４によって、０．０〜１．０の実
数値に正規化される。

【００７５】表２に示すように、断面位置表示における
切断面の位置に相当する部分、つまり断面フラグが立っ
ているボクセルはｉ＝２のところを想定している。

【００７６】まず、式１によりＣ1から順に計算してい
く。合成計算で最初に求められるＣ1、Ｔ1は、式
（１）、式（２）より、 Ｃ1＝０×０．０＝０．０ Ｔ1＝１×（１−０．０）＝１．０ となる。

【００７７】同様の計算を繰り返して、Ｃ2＝０．０，
Ｔ2＝１．０を得る。

【００７８】次に、ｉ＝２の処理で、元のボクセルに対
するカラー値Ｃsと不透明度Ａsは、それぞれＣs＝０，
Ａs＝０．０であるが、カラー値は、断面フラグＦが立
っていることから、予め輝度・不透明度変換部２４でＣ
s＝２５５に置換される（表中の矢印参照）。

【００７９】また、断面不透明度設定値としてホストか
ら６０が与えられたとして、６０を正規化して０．２３
が不透明度Ａsとして置き換えられて合成計算部２６に
渡される。

【００８０】この置換された値Ｃs＝２５５、Ａs＝０．
２３を利用して、合成過程のＣ3、Ｔ3は、 Ｃ3＝０．０＋２５５×０．２３×１．０＝５８．６５ Ｔ3＝１．０×（１−０．２３）＝０．７７ となる。

【００８１】Ｃ3＝５８．６５が断面位置画像のデータ
である。もし、これ以降のＣsとＡsが０と０．０が続い
ている場合には、Ｃi+1＝Ｃiとなり、最終的な合成値
は、Ｃ8＝５８．６５となる。これが最終的に見えるこ
とになる切断面のカラー値ということになる。

【００８２】この表２の例では、切断面Ｓの後ろにさら
に対象物の表面が存在する場合を示している。このよう
に、切断面Ｓの向こう側に対象物が見える場合には、切
断面が設定されたボクセルの後ろ側に、更に不透明度が
１．０となるボクセルが存在することになる。

【００８３】さて、ｉ＝２までは上記のように合成計算
される。続いて、ｉ＝３となる点では、カレントのカラ
ー値Ｃｓと不透明度Ａｓはともにゼロであるから、合成
後のＣ４、Ｔ４は以前の値を引き継ぐことになる。

【００８４】次に、ｉ＝４となる点では、切断面Ｓが無
かった場合、本来表面として表示される、つまり最終的
に見える部分となる点であるが、以前の合成処理途中の
結果Ｃ3の値も合成されるため、 Ｃ5＝Ｃ4＋Ｃs・Ａs・Ｔ4＝５８．６５＋１２５×１．０×０．７７ ＝１５４．９０ Ｔ5＝Ｔ4・（１−Ａs）＝０．７７×（１−１．０）＝０．０ となる。

【００８５】以下、透明度Ｔが一度０．０になった事に
より、合成値はその時の合成結果を保持することにな
り、Ｃi+1＝Ｃi となって、最終的な合成値、つまり最
終的に見える部分のカラー値は、Ｃ8＝Ｃ5＝１５４．９
０となる。

【００８６】また、この例において、仮に断面不透明度
設定値（SliceOpacity）としてその最大値２５５を与え
られていたとすると、輝度・不透明度変換部２４で、正
規化された不透明度Ａsの値は１．０となる。

【００８７】このとき、合成後のカラー値は、Ｃ3＝２
５５，透明度は、Ｔ3＝０．０、となり、透明度が０．
０となることから、これより奥の対象物は見えなくな
る。

【００８８】つまり、合成途中の透明度Ｔがゼロとなる
と、それより奥は最終的に見えなくなり、逆に透明度Ｔ
がゼロとならなければ、その途中点のカラー値は透過さ
れ、与えられた不透明度の割合で、最終合成値（カラー
値）に加算していくことになる。

【００８９】以上のように、断面フラグＦの付いたボク
セルは、輝度・不透明度変換部２４ｃによる不透明度の
変換により所定の不透明度のデータに変換されているこ
と、合成計算部２６でのカラー値Ｃ、透明度Ｔの蓄積計
算により、切断面における断面表示が行われ、また、表
面表示を行いつつ断面位置画像を表示し併せて切断面よ
り奥の表面表示を透明度に従って表示する断面位置表示
が行われる。

【００９０】今までの説明では、断面表示と断面位置表
示とを、個別に説明した。勿論これらの断面表示と断面
位置表示は、それぞれ個別に表示させることができる
が、本発明の３次元可視化装置においては、例えば時分
割処理などの手法で動作させることで、断面表示機能と
断面位置表示機能と同時並行的に得ることができるた
め、断面表示とともに断面位置表示を行わせることがで
きる。

【００９１】このように断面表示を行なった場合に、併
せて、その断面が３次元ボリュームすなわち対象物のど
の位置を切断しているかを示す断面位置表示すること
で、さらに使い勝手が良くなる。

【００９２】例えば、ボリュームビジュアリゼーション
の医療応用において、超音波診断装置等により、内臓の
測定を行ない、そのデータをボリュームデータとして登
録し、その任意断面を観測する場合、断面の表示と合わ
せて、内臓の外観と共にその切断している断面の位置を
表示してやれば、診断がやりやすくなると考えられる。

【００９３】

【発明の効果】本発明の構成によれば、任意に設定され
る仮想的な視線と前記指定された任意の平面との関係で
定められる前記ボリュームデータの主軸方向に沿ってボ
クセル値を合成するに際し、予め計算された切断面の座
標から切断面に相当する場所の当該ボクセル値は所定値
に置換し、それ以外の場所のボクセル値はゼロ値に置換
することで、対象物の断面を表示することができる。

【００９４】また、ボリュームデータを任意に設定され
る仮想的な視線に沿って合成するに際し、順次入力され
る各ボクセルの値を変換手段で所定の変換特性に従った
ボクセルの値及び不透明度に変換するとともに、そのボ
クセルが前記断面計算手段で計算された切断面に相当す
る場合にそのボクセル値及び不透明度を別の所定の値に
置換し、この変換手段から順次出力されるボクセル値及
び不透明度に基づいて所定の合成計算を行うことで、対
象物の表面表示などの３次元表示画面中に断面位置画像
を入れ込み合成した形式で断面位置を表示することがで
きる。

【００９５】また、以上のように次元可視化装置を用い
て断面表示と断面位置表示とを同時に行うことができ
る。これにより、断面表示を行なう場合に、その断面が
対象物のどの位置を切断しているかの断面位置画像を対
象物の外観図とともに断面位置表示として表示するた
め、利用性が一段と向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３次元可視化装置の概略構成図。

【図２】ボリュームデータ及びベースプレーンの構造
図。

【図３】ボリュームメモリからボリュームデータの読み
出し方法の説明図。

【図４】輝度計算部の説明図。

【図５】通常のボリュームレンダリングの説明図。

【図６】通常のボリュームレンダリングに伴う幾何変換
部の動作説明図。

【図７】断面表示時のボリュームレンダリングの説明
図。

【図８】断面表示時のボリュームレンダリングに伴う幾
何変換部の動作説明図。

【図９】断面表示時のボクセル値の補間計算を説明する
図。

【図１０】本発明に係る断面表示の表示例図。

【図１１】本発明に係る断面位置表示の表示例図。

【符号の説明】

１２ ボリュームメモリ １４ メモリ制御部 ２０ 傾斜計算部 ２２ 断面計算部 ２４ 輝度計算部 ２６ 合成計算部 ２８ 合成結果蓄積メモリ ３０ ベースプレーンメモリ ３２ 幾何変換部 ３４ 画面表示用メモリ ３４ 座標変換部 ＢＰ１〜ＢＰ３ ベースプレーン ＩＰ イメージプレーン ＶＭ ボリュームデータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 正司 東京都三鷹市下連雀５丁目１番１号 日本 無線株式会社内 (72)発明者 須藤 雄基 東京都三鷹市下連雀５丁目１番１号 日本 無線株式会社内 (72)発明者 長谷川 晃 東京都三鷹市下連雀５丁目１番１号 日本 無線株式会社内 Ｆターム(参考） 5B080 AA17 AA20 FA17 GA15

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元空間上の数値データで定義される
   複数のボクセルから構成されたボリュームデータを蓄積
   したボリュームメモリと、 指定された任意の平面で前記ボリュームメモリのボリュ
   ームデータを切断し、この切断面の座標を計算し記憶す
   る断面計算手段と、 前記ボリュームデータから順次入力される各ボクセルの
   値を、そのボクセルが前記断面計算手段で計算された切
   断面に相当する場合に所定値に置換し、それ以外の場合
   にゼロ値に置換する変換手段と、 この変換手段から順次出力されるボクセル値に基づいて
   所定の合成計算を行う合成手段と、 前記合成手段の計算結果を蓄積する最大３面のベースプ
   レーンメモリと、 前記ベースプレーンメモリに蓄積されたボリュームデー
   タの計算結果を前記仮想的な視線に対応したイメージプ
   レーンに合わせて幾何変換する幾何変換手段と、 前記幾何変換手段により幾何変換されたデータを記憶す
   るイメージプレーンメモリと、を備え、 任意に設定される仮想的な視線と前記指定された任意の
   平面との関係で定められる前記ボリュームデータの主軸
   方向に沿って、前記ボクセル値の所定の合成計算を行
   い、対象物の断面表示を行うことを特徴とする３次元可
   視化装置。
2. 【請求項２】 ３次元空間上の数値データで定義される
   複数のボクセルから構成されたボリュームデータを蓄積
   したボリュームメモリと、 指定された任意の平面で前記ボリュームメモリのボリュ
   ームデータを切断し、この切断面の座標を計算し記憶す
   る断面計算手段と、 前記ボリュームデータから順次入力される各ボクセルの
   値を所定の変換特性に従ったボクセルの値及び不透明度
   に変換するとともに、そのボクセルが前記断面計算手段
   で計算された切断面に相当する場合にそのボクセル値及
   び不透明度を別の所定の値に置換する変換手段と、 この変換手段から順次出力されるボクセル値及び不透明
   度に基づいて所定の合成計算を行う合成手段と、 前記合成手段の計算結果を蓄積する最大３面のベースプ
   レーンメモリと、 前記ベースプレーンメモリに蓄積されたボリュームデー
   タの計算結果を前記仮想的な視線に対応したイメージプ
   レーンに合わせて幾何変換する幾何変換手段と、 前記幾何変換手段により幾何変換されたデータを記憶す
   るイメージプレーンメモリと、を備え、 前記ボリュームメモリのボリュームデータに対して任意
   に設定される仮想的な視線に沿ってボクセル値の合成を
   行って、対象物の表面表示を行いつつ前記切断面を所定
   の透明度で表示させて、断面位置表示を行うことを特徴
   とする３次元可視化装置。
3. 【請求項３】 ３次元空間上の数値データで定義される
   複数のボクセルから構成されたボリュームデータを蓄積
   したボリュームメモリと、 指定された任意の平面で前記ボリュームメモリのボリュ
   ームデータを切断し、この切断面の座標を計算し記憶す
   る断面計算手段と、 前記ボリュームデータから順次入力される各ボクセルの
   値を、断面表示では、そのボクセルが前記断面計算手段
   で計算された切断面に相当する場合に所定値に置換し、
   それ以外の場合にゼロ値に置換するとともに、断面位置
   表示では、所定の変換特性に従ったボクセルの値及び不
   透明度に変換し、そのボクセルが前記断面計算手段で計
   算された切断面に相当する場合にそのボクセル値及び不
   透明度を別の所定の値に置換する変換手段と、 この変換手段から順次出力されるボクセル値及び不透明
   度に基づいて所定の合成計算を行う合成手段と、 前記合成手段のそれぞれの計算結果を蓄積する最大３面
   のベースプレーンメモリと、 前記ベースプレーンメモリに蓄積されたボリュームデー
   タの計算結果を前記仮想的な視線に対応したイメージプ
   レーンに合わせて幾何変換する幾何変換手段と、 前記幾何変換手段により幾何変換されたデータを記憶す
   るイメージプレーンメモリと、を備え、 前記ボリュームメモリのボリュームデータに対して任意
   に設定される仮想的な視線と前記指定された任意の平面
   との関係で定められる前記ボリュームデータの主軸方向
   に沿って、前記ボクセル値の所定の合成計算を行い、対
   象物の断面表示を行うとともに、前記ボリュームメモリ
   のボリュームデータに対して任意に設定される仮想的な
   視線に沿ってボクセル値の合成を行って、対象物の表面
   表示を行いつつ前記切断面を所定の透明度で表示させ
   て、断面位置表示を行うことを特徴とする３次元可視化
   装置。