JP2001043395A - ボリュームレンダリング装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マルチパスボリュームレンダリング（multi-
pass volume rendering）を実現できるボリュームレン
ダリング装置および方法を提供する。 【解決手段】 マルチステージパイプラインは、サンプ
ルとして、ボリュームメモリに格納されるボリュームデ
ータセットをレンダリングする。このパイプラインは、
ボリュームメモリからのサンプルを読み出す第一のステ
ージを含む。第二のステージは読み出されたサンプルを
レンダリングし、第三のステージは処理されたサンプル
をボリュームメモリに書き込む。この、第一、第二、お
よび第三のステージは、マルチパスボリュームレンダリ
ングを実現するために、第一のレンダリング受け渡し時
には第一のレンダリングパラメータを使い、第二のレン
ダリング受け渡し時には第二のレンダリングパラメータ
を使う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、概してボリュー
ムレンダリング装置および方法に関し、より詳細には、
ボリュームデータセットが複数回処理されるハードウェ
アパイプラインに関する。

【０００２】

【従来の技術】ボリュームレンダリング概論 ボリュームレンダリングは、三次元データの視覚化が必
要なコンピュータグラフィックスの用途で使われること
が多い。ボリュームデータは、物理的または医療用のオ
ブジェクトや、大気的、地球物理学的、またはその他の
自然科学的モデルのスキャンデータであってもよく、そ
の場合、データの視覚化によって、データで表現する根
底となる現実世界の構造を理解しやすくすることができ
る。

【０００３】ボリュームレンダリングでは、物理的なオ
ブジェクトおよびモデルの外部サーフェス形状と同様、
内部構造を視覚化する。ボクセルは、通常ボリュームレ
ンダリングで使用する基本的なデータ項目である。ボク
セルは、オブジェクトまたはモデルの特定の三次元の部
分を表現するデータ項目である。各ボクセルの座標
（ｘ、ｙ、ｚ）は、表現されたオブジェクトまたはモデ
ル内の位置にボクセルをマッピングする。

【０００４】ボクセルは、オブジェクトまたはモデルの
ある特定の輝度（intensity）値を表現する。所定の従
来技術によるボリュームでは、輝度値は、密度、組織
（tissue）の種類、弾性、または速度などの多くの異な
るパラメータの特定の一つにすることができる。レンダ
リング時に、ボクセル値は、閲覧のために二次元イメー
ジ面に投影可能な、輝度値に応じた色および不透明度
（ＲＧＢ）値に変換される。

【０００５】レンダリング時に頻繁に使われる技術の一
つとして光線投射（ray-casting）がある。架空の光線
のセットをボクセルのアレイを通して投射する。光線
は、ビューアの視点やイメージ面から発している。ボク
セル値は光線に沿ってポイントに再サンプリングされ、
様々な技術がピクセル値にサンプルされた値を変換する
ことが公知である。あるいは、ボクセル値はＲＧＢボク
セルに直接変換されてから、光線に沿って再サンプリン
グされピクセル値に蓄積される。どちらの場合でも、ボ
リュームデータの処理は後方から前方へ、または前方か
ら後方へと進めることが可能である。

【０００６】レンダリングパイプライン ボリュームレンダリングはソフトウェアまたはハードウ
ェアによって実施することができる。ハードウェアの一
実施では、ハードウェアはマルチステージパイプライン
（multi-stage pipeline）として構成される。１９９８
年１１月１２日にKapplerらによって出願された米国特
許出願第０９／１９０，６４３号“FastStorage and Re
trieval of Intermediate Values in a Real-Time Volu
me Rendering System”を参照されたい。

【０００７】図１は、ボクセル値をボクセルメモリ１０
１に格納するパイプライン１００を示す。このボクセル
値は、まず、スライスとしてパイプラインのボクセルバ
ッファ１１０に読み込まれる。勾配のｚ成分が、様々な
スライスのボクセルの間の中央差分（central differen
ce）を取ってステージ１１５で推定される。なお、この
明細書において、ステージ（stage）とは、装置または
部と読み取っても良い。

【０００８】次に、ボクセル値とｚ勾配は共に、光線に
沿ってサンプルポイントでのこれらの値を計算する補間
ステージ１２０に受け渡される。そして、勾配のｘ成分
およびｙ成分が、ステージ１３０の補間されたサンプル
値から計算される。これらは、サンプル値および補間さ
れたｚ勾配と共に、分類ステージ１４０に、次に陰影生
成ステージ１４５に受け渡されて、照明されたサンプル
を表すＲＧＢ値を生じさせるよう照明プロセスが適用さ
れる。最後に、ピクセルメモリ１０９に格納されるベー
ス面のピクセル値を生成するために合成ステージ１５０
で光線に沿って照明されたサンプルの合成が行われる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術において、パイプライン構造は、シングルパス（si
ngle pass）でしかボクセルをレンダリングできないと
いう問題がある。マルチレンダリングパス（multiple r
endering pass）でボクセルを処理することが望まし
い。

【００１０】この発明は上述した点に鑑みてなされたも
ので、マルチパスボリュームレンダリング（multi-pass
volume rendering）を実現できるボリュームレンダリ
ング装置および方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係るボリュー
ムレンダリング装置は、サンプルとしてボリュームメモ
リ内に格納されたボリュームデータセットをレンダリン
グするためのボリュームレンダリング装置であって、前
記ボリュームメモリから前記サンプルを読み込む第一の
装置と、前記読み込んだサンプルを処理する第二の装置
と、前記ボリュームメモリに前記処理されたサンプルを
書き込む第三の装置とを含み、マルチパスボリュームレ
ンダリングを可能にするために、前記第一の装置と前記
第二の装置と前記第三の装置は、第一の受け渡し時に第
一のパラメータを使うと共に、第二の受け渡し時に第二
のパラメータを使うものである。

【００１２】また、前記第一、第二、および第三の装置
は、一つの半導体デバイスに含まれるものである。

【００１３】また、前記サンプルは、前記第一の受け渡
し時にはボクセルである。

【００１４】また、最後の受け渡し時に合成装置によっ
て生成されるピクセルを格納するピクセルメモリを更に
含むものである。

【００１５】また、前記サンプルは、前記第一の受け渡
し時には第一の解像度で補間されると共に、前記第二の
受け渡し時には第二の解像度で補間されるものである。

【００１６】また、前記第一の受け渡し時には第一の光
源を使用すると共に、前記第二の受け渡し時には第二の
光源を使用して、サンプルに陰影をつける照明装置をさ
らに含むものである。

【００１７】また、前記処理されたサンプルは、書き込
み時にボリュームメモリに格納されるサンプルと結合さ
れるものである。

【００１８】また、前記サンプルの第一の勾配は、前記
第一の受け渡し時に決定され、前記サンプルの第二の勾
配は、前記第二の受け渡し時に決定されるものである。

【００１９】また、前記サンプルは、前記第一の受け渡
し時に、色および不透明度の重みづけされたサンプルと
して分類され、前記第二の受け渡し時に、色および不透
明度の重み付けされた前記サンプルに照明が当てられる
ものである。

【００２０】また、この発明に係るボリュームレンダリ
ング方法は、サンプルとしてボリュームメモリに格納さ
れるボリュームデータセットをレンダリングするボリュ
ームレンダリング方法であって、前記ボリュームメモリ
から前記メモリを読み出すステップと、前記読み出した
サンプルを処理するステップと、マルチパスボリューム
レンダリングを実現するために、前記ボクセルメモリへ
前記処理されたサンプルを書き込むステップとを含み、
前記第一の受け渡し時には第一のパラメータを、前記第
二の受け渡し時には第二のパラメータを、読み出し、処
理、書き込むものである。

【００２１】また、前記サンプルは、前記第一の受け渡
し時にはボクセルである。

【００２２】また、最後の受け渡し時にピクセルメモリ
において合成装置によって生成されるピクセルを格納す
るステップをさらに含むものである。

【００２３】また、前記サンプルは、前記第一の受け渡
し時には第一の解像度で補間されると共に、前記第二の
受け渡し時には第二の解像度で補間されるものである。

【００２４】また、前記第一の受け渡し時には第一の光
源を使用すると共に、前記第二の受け渡し時には第二の
光源を使用して、サンプルに陰影をつけるステップをさ
らに含むものである。

【００２５】さらに、前記処理されたサンプルは、書き
込み時に前記ボリュームメモリに格納される前記サンプ
ルと結合されるものである。

【００２６】

【発明の実施の形態】図２は、この発明による構成可能
なレンダリングパイプライン２００の最上段のブロック
図を示す。パイプライン２００は、ボクセルメモリ２０
１から入力としてサンプルまたはボクセルをとり、ピク
セルメモリ２０９に出力としてピクセルを格納する。ボ
クセルまたはサンプルは、このときボリュームスライス
としてボクセルバッファ２１０ａに読み込まれる。勾配
はステージ２２０においてｘｙｚ成分が推定される。こ
のとき、従来技術とは異なり、全ての勾配の成分が、補
間されたサンプルにおいてではなく、ボクセルまたはサ
ンプル値において推定される。

【００２７】ボクセル２２１は、ステージ２３０におい
て分類される。ボクセルおよび勾配の補間は、ステージ
２４０において行われる。勾配の推定および補間は、線
形の操作であるため、置き換えることができる。この発
明の利点として、この応用では、ボクセルおよび勾配を
様々なステージによって処理する順序を決めることがで
きる。二つの異なる処理順序がある理由は、以下の通り
である。

【００２８】通常、小さな空間領域上の積分（integra
l）を表す物理的な計測を行うことで、スキャナはサン
プルされたデータを獲得する。隣接するボクセルは、重
複する領域の積分を表現することが多い。こうした場
合、まずはボクセルを補間してからその結果を分類する
とより精度が高い。特に、境界におけるボクセル、たと
えば二つの異なる組織は、各組織の物理的特徴の平均を
表現する傾向がある。補間の際、実行されることは、平
均の点を移動することだけである。これを有用にするた
めには、分類関数（classification function）は、二
つの組織の種類に割り当てられる色および不透明度の間
の連続した変移を表現する必要がある。

【００２９】時によっては、サンプリングされたデータ
は、たとえば骨、筋肉、軟骨などの別々の物質に（手動
または自動的に）あらかじめ細分化することができる。
こうしたデータが与えられると、実際には存在しない第
三の組織を得るために二つの別々に識別される組織間を
補間することは不適切であろう。こうした場合、まずボ
クセルを分類してからそれにより生じた色を補間する方
がよい。これは、隣接する組織の種類の物性の平均とい
うよりも、その境界における色の混合といえる。

【００３０】したがって、パイプライン２００はステー
ジ２４０からステージ２３０の入力へ出力を接続するマ
ルチプレクサ２５１を含む。同様に、マルチプレクサ２
５２は、ステージ２４０の出力にステージ２３０の出力
を接続する。マルチプレクサ２５３はステージ２３０ま
たはステージ２４０のいずれかから出力を選択する。

【００３１】ステージ接続の順序は、三つのマルチプレ
クサ２５１ないし２５３への選択信号（ＧＣＩ／ＧＩ
Ｃ）２０２によって変わる。どの場合においても、補間
された勾配および補間されたサンプルは照明ステージ２
６０に受け渡される。照明されたＲＧＢ値はステージ２
７０で合成され、出力ピクセル２７１はピクセルメモリ
２０９に格納される。

【００３２】パイプライン２００において、勾配推定ス
テージ２２０の出力は三つの勾配の成分である。これら
は、マルチプレクサのセットを通して分類ステージと補
間ステージとの両方に受け渡される。こうしたステージ
のそれぞれの出力はその他のステージの入力にそれぞれ
受け渡され、かつ別のマルチプレクサを通じて照明ステ
ージ２６０にも受け渡される。

【００３３】三つのマルチプレクサ２５１ないし２５３
を適切に選択することによって、補間の前に分類を行う
か、または分類の前に補間を行うか、または、補間のみ
を行うか分類のみを行うかにすることができる。次に、
こうした異なる操作モードについて、より詳細に説明す
る。

【００３４】ＧＩＣ−勾配、補間、分類 図３は、ＧＩＣモードのレンダリングプロセスを示す。
このモードは信号２０２によって選択することができ
る。ＧＩＣモードでは、勾配をまず推定し、次に勾配お
よびボクセルを平行して補間してから、ボクセルの分類
を行う。

【００３５】レンダリングは、一度に１つのセクショ
ン、つまり３２×３２の光線をまとめて行う。光線のセ
クションの処理を行うため、ボクセルのスライスは、一
度に２スライス、ボクセルバッファ２１０に読み込まれ
る。各スライスはそのセクションに必要なボクセルのみ
を有する。スライスごとのボクセル数は視点方向および
再サンプリング頻度によって変わる。必要なボクセルの
最大数は３７×３７ボクセルである。

【００３６】ボクセルをボクセルバッファ２１０に読み
込むことで、読み込み先のスライスの最大帯域幅を消費
しうる。したがって、いずれの時点においても、スライ
スの一組は新しいボクセルの受け取り専用になってお
り、一方ではまた別のスライスの二組はパイプラインの
次のステージの供給専用になっている。これはすなわ
ち、勾配推定２２０とボクセル補間ステージ２４０であ
る。

【００３７】図３では、ｓ＋１およびｓ＋２とラベル付
けされたスライスは新しいボクセルを受け取っている
が、スライスｓ、ｓ−１、およびｓ−２は次のステージ
にボクセルを提供している。前のスライス時にはスライ
スｓ−３が使われたが、現在では空となっている。スラ
イスｓ−２の処理が完了すると、スライスｓ−２も空と
してマークされる。次に、スライスｓ−２およびｓ−３
はボクセル読み込みのための新しい読み込み先となる一
方で、モジュールの処理がスタートし、スライスｓ＋
１、ｓ、およびｓ−１から入力を受け取りはじめる。

【００３８】勾配推定ステージ２２０は、スライスｓお
よびｓ−２でボクセル値からスライスｓ−１のボクセル
点における勾配を推定する。こうした勾配は、次に、ユ
ニット２２８で補間を行うために二つのスライスの勾配
バッファ２２５に格納される。スライスｓ−２のボクセ
ル点の勾配は、前のスライスイタレーションの際に勾配
バッファに格納されている。

【００３９】次に、ボクセル補間２４０および勾配補間
２２８は同時に進行する。つまり、サンプルのスライス
は、ボクセルスライスｓ−１およびｓ−２からボクセル
値を補間することで得られる。サンプルの現在のスライ
スにおけるサンプルポイントの勾配は、勾配バッファの
勾配スライスｓ−１および勾配スライスｓ−２の勾配を
補間することで得られる。サンプルおよび補間された勾
配の２つ以上のスライスは、ボクセルおよび勾配のスラ
イスの同じ一組から得ることができる。

【００４０】補間されたボクセル値は、次に分類ステー
ジ２３０に送られて、この値を補間されたＲＧＢαの色
値に変換する。ＲＧＢα値および勾配は、次に照明ステ
ージ２６０に送られて、最後に合成ステージ２７０に送
られる。

【００４１】オプションモードにおいて、勾配は、あら
ゆるボクセルフィールドからの勾配を推定するための勾
配推定ステージ２２０を使う代わりに、たとえば三つの
ボクセルフィールドから直接抽出される。

【００４２】ＧＣＩ−勾配、分類、補間 図４は、信号２０２で選択されたＧＣＩモードのレンダ
リングアルゴリズムを示す。ボクセルバッファ２１０は
上述されているように埋められ、勾配推定プロセスも同
じである。違うのは、ボクセルの分類と補間の側であ
る。特に、未処理のボクセルはボクセルスライスバッフ
ァ、すなわちスライスｓ−１から取られ、すぐに、分類
ステージ２３０によってＲＧＢα値に変換される。これ
らは次に二スライスのＲＧＢバッファ２３５に格納され
る。なお、ＲＧＢバッファ２３５は二スライスの勾配バ
ッファ２２５と平行関係にある。

【００４３】次に、二つのスライスがＲＧＢ補間ステー
ジ２４０に入力され、勾配の補間と平行して、ＲＧＢ値
が補間される。次に、これらは、補間された勾配ととも
に、ベース面イメージのピクセル出力２７１を生じさせ
るために照明および合成ステージへと送られる。これら
の最後の二つのモジュールは、図２および図３のものと
同一である。

【００４４】さらなる１つのオプションモードも可能で
ある。オプションモードでは、複数、たとえば４つのボ
クセルフィールドを未処理のＲＧＢ値として解釈する。
この場合、勾配はα（．）フィールドから推定すること
ができる。

【００４５】なお、ボリュームデータセットおよびレン
ダリングモードのなかには、パイプラインのより後のス
テージ、たとえば分類後などで勾配を推定することが最
適である場合がある。

【００４６】マルチプレクサ２５１ないし２５３は、そ
の他のステージで繰り返されることが可能であることは
明白である。ステージは、再構成可能なレンダリングパ
イプラインを提供するために、多くの異なる順番におい
て選択および接続を行うことができる。いくつかのステ
ージは、ボリュームデータの処理を全く行わないように
するため、たとえばいくつかのレンダリングにおいて勾
配推定および照明を省略するなどのために、選択を解除
することができる。

【００４７】フレキシブルなボクセルフォーマット 図５で示すとおり、構成可能なレンダリングパイプライ
ン２００で使用されるボクセル５００は、複数のフィー
ルド（Ｖ₁，・・・，Ｖ_n）５０１ないし５０９を含む。
フィールド５０１ないし５０９はそれぞれ、ボクセル５
００のオフセットおよび幅として指定することができ
る。フィールドはいずれも、フィールドＶ ₁およびＶ₂で
示されるように重複可能である。フィールドはいずれの
順番でも列挙することができる。

【００４８】フィールドは、表現された三次元オブジェ
クトまたはモデルの様々な属性を表す。たとえば、オブ
ジェクトが人の頭である場合、フィールド５０１ないし
５０９はそれぞれ、ＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ
および超音波スキャンから得られた輝度値を格納するこ
とが可能であるが、これはつまり、各ボクセルは一つの
ボリューム表現において５つの異なるスキャン輝度値を
格納可能であるということである。あるいは、スキャン
は、各ボクセルが一つのフィールドにあたる複数の別々
のボリュームとして格納可能である。

【００４９】いくつかのフィールドは、ボリュームの分
割方法（例：手動、半自動、または自動の分割化）に関
連するカテゴリフィールドにすることが可能である。医
療の用途において、分割化により、骨、組織などに分類
することができる。物理的な用途においては、分割化に
より、特定の方法でレンダリングするためにサブアセン
ブリまたはその他のパーツを識別することができる。物
理的なモデルでは、フィールドは科学的に視覚化するの
に使われる状態変数、たとえば圧力、速度、角運動量、
弾性、密度、温度、および粘性などを格納することがで
きる。いずれのボリュームデータセットでも、フィール
ドは、ＲＧＢ値、深度、三次元ステンシル、陰影、霧、
ボクセル化および埋め込み化形状ボリューム、または勾
配などの格納も行うことができる。

【００５０】この発明によるマルチフィールドボクセル
５００では、ユーザは、勾配計算のために使われるフィ
ールドを指定することができる。勾配の各成分につい
て、その成分に使用するためのボクセルフィールドを指
定することができる。

【００５１】マルチフィールド視覚化のために、通常、
ボクセル内でそれぞれフィールドを補間することが望ま
しい。さらに、ボクセル内の各フィールドは様々な補間
関数を適用することができる。これはたとえば、輝度フ
ィールドの３次線（tri-linear）やカテゴリフィールド
の最近傍補間などである。本明細書中に述べられている
フレキシブルなボクセルは、通常のフレームワークで、
ボクセルフォーマットの特殊な場合全てを同じように取
り扱うことを可能にする。

【００５２】フィールドフォーマットレジスタ 図６は、この発明による複数のフィールドボクセルを可
能にするフィールドフォーマットレジスタ６００を示
す。一実施の形態において、ボクセルフィールドはフィ
ールドフォーマットレジスタの記述子によって定義され
る。これは、フィールドのサイズ（４ビットニブル）６
１０と、ボクセル６２０内のフィールド位置と、ピクセ
ル（同様に４ビットニブル）と、フィールドが本来の指
定された用途以外のサイズである場合における対処（制
御６３０）とを定義する８ビット（７：０）の記述子で
ある。

【００５３】この制御ビットは、フィールドが通過する
パイプラインのデータ受け渡しにフィールドを適合させ
る方法を定義する。このフィールドは循環少数（repeat
ingfraction）を計算したり、あるいは、最上位ビット
側の端または最下位ビット側の端のいずれかからビット
を付加または除去することによって、変更することがで
きる。

【００５４】Control=０：未処理のボクセルフィールド
は、［０，・・・，１］の範囲の数を表す符号の付いて
いない循環小数として扱われる。データ経路に合わせる
よう循環小数を拡大または縮小するために、循環少数の
計算をスケールおよびラウンドに適用することにより、
正確なビットよりも少ないかまたは多いビット数を表
す。循環少数表現については、以下に詳しく述べる。

【００５５】Control=１：ボクセルフィールドは、［−
１，・・・，＋１］の範囲で符号の付いた循環少数とし
て扱われる。

【００５６】Control=２：未処理のボクセルフィールド
は、データ経路に合わせるよう最下位ビットで拡大また
は切り捨てられる。最上位ビットが保持される。

【００５７】Control=３：未処理のボクセルフィールド
は、データ経路に合わせるよう最上位ビットで拡大また
は切り捨てられる。最下位ビットが保持される。

【００５８】循環小数表示 多くのグラフィックスの用途では、色、透明度、または
ゼロから１までの範囲の値（０および１を含む）を有す
るその他のパラメータを表すために固定幅のバイナリ数
を使用する。

【００５９】Ｒをバイナリ数でのビットの数とし、Ｖを
こうしたビットに格納された符号なしのバイナリ値とす
ると、Ｆ＝Ｖ／（２^R−１）は［０，・・・，１］の範
囲の有理数である。つまり、Ｖ＝０であるときＦ＝０で
あり、Ｖ＝（２^R−１）（最大値）であるときＦ＝１で
ある。この表現は従来技術において周知である。たとえ
ば、OpenGLの仕様は、固定少数点表現の特殊な種類とし
てこれを参照する。

【００６０】通常の固定少数点表現と本明細書において
述べられている表現を明確に区別するために、「循環小
数」という用語を使用する。この用語は、固定少数点バ
イナリ分数（fixed point binary fraction）へとＦを
拡大することによって、０．VVVVVV・・・、すなわち、
Ｒビットの値Ｖをバイナリ点の右方へ無限大に循環する
バイナリ分数が生成される、という事実から派生したも
のである。

【００６１】循環小数はＲより多いビットで表現可能で
あり、符号を付けることもできる。この場合、Ｒは陰関
数のスケール因数（implicit scale factor）（２^R−
１）を定義するため、Ｒはその数の「循環精度（repeat
ing precision）」である。これによって、Ｆは［０，
・・・，１］の範囲外の値を有することができる。この
場合、バイナリ固定少数点表現は、バイナリ値を無限に
繰り返すＲビットに続く整数値となる。同精度の循環関
数は、通常の整数と同様に加算および減算することがで
きる。

【００６２】循環精度の変更を含むその他の計算式は、
結果の循環精度Ｒについて、循環小数のそれぞれについ
てＦをまず計算し、通常の演算を行ってから（２Ｒ−
１）で結果値を乗算することにより行うことができる。
循環小数での操作に対するより効率的な形態が存在す
る。たとえば、Ｒから２Ｒへと循環精度を倍にするに
は、Ｖ＋（Ｖ＜＜Ｒ）を計算するだけでよい。

【００６３】ボクセルフォーマット この発明によるパイプラインでは、ボクセルの広範な入
力フォーマットが可能である。入力ボクセルは６、１
６、３２、またはより大きいビット数にすることができ
る。フィールドは、幅を４、８、１２、または１６ビッ
トにすることができ、ボクセル内で４ビットの境界にお
いて整列する。全ボクセルフィールドはデータ受け渡し
に適合するようスケールされるが、通常は１２ビット幅
である。

【００６４】ボクセルのフォーマットはボクセルフォー
マットレジスタ７００に記述される。３２ビットボクセ
ル３００のフォーマット例を図８に示す。図７では、例
のボクセルのフォーマットレジスタ、Field0は１１：０
のビットを占め、Field１は２３：２０のビットを占
め、Field３はField０に重複して１５：８のビットを占
める。図８に示す例として、フィールドフォーマットレ
ジスタにおけるフィールドの記述は以下のとおりであ
る。 Field3：Size＝１ Position＝２, Field2：Size＝１ Position＝６, Field1：Size＝０ Position＝５,および Field0：Size＝２ Position＝０。

【００６５】利点 フレキシブルなフォーマットのボクセルおよび再構成可
能なパイプラインを有することにより、多くの利点が得
られる。たとえば、ボクセルにおけるフィールドの一つ
をカテゴリビットのために使用することができる。これ
らは、ボリュームのいくつかの特定の組織、サブアセン
ブリまたはその他のパーティションとしてボクセルを識
別するボクセルにおける余剰ビットである。これらは補
間されないが、ＲＧＢ値をボクセルに割り当てるのに貢
献している。カテゴリビットを使用すると、分類は通常
補間よりも先に行われる。

【００６６】フレキシブルなボクセルフォーマットによ
って、勾配をボクセルフィールドから選択したものから
推定することができる。これらの場合では、ボクセルの
勾配のｘ、ｙ、ｚ成分を得るため、中央差分などのたた
みこみ核を、各ボクセルの選択したフィールドに適用す
る。こうした勾配は次に、サンプル点における勾配を得
るために、未処理または分類済みのボクセルと平行して
補間される。次に、これらは照明ステージ２６０へのＲ
ＧＢ値と共に適用され、最終的に合成ステージ２７０へ
と適用される。

【００６７】いくつかの用途およびボリュームでは、ボ
クセルフィールドからオンザフライで推定する代わり
に、他のいくつかの方法で推定される勾配を使ったほう
がよいものもある。フレキシブルなフォーマットのボク
セルはこのモードに適合する。特に、高精度でボクセル
を予め計算することができる。これらの予め計算された
勾配はボクセルフィールドの一つに格納することができ
る。これら予め計算された勾配は推定ステージを迂回す
ることができるが、勾配がオンザフライに推定されるの
と同様に補間されて、照明ステージ２６０に適用され
る。

【００６８】さらなる変形例では、予め計算された勾配
は勾配推定のために畳み込み核に適用される。これは、
ボリュームデータセットの二次偏微分係数を取るという
影響を有する。同じ技術によって、より高次の偏微分係
数を得ることができる。こうした微分係数は、ボリュー
ムデータセットの弱いサーフェス（weak surfaces）を
抽出するのに有効である。図９に関して後述するよう
に、これは、「マルチパス」動作において複数回パイプ
ライン（１−３）を経由させてボリュームデータセット
を受け渡すことにより行うことができる。それぞれが、
レンダリングパラメータの様々なセットとともに、ボリ
ュームデータセットの処理を受け渡す。

【００６９】フレキシブルなフォーマットのボクセルを
処理するパイプライン２００も、「ＲＧＢ」ボクセルと
して予め分類されかつ提示されるボリュームデータセッ
トを可能にする。二つの代替例が有効である。一方は、
勾配推定と分類および陰影生成とを完全に省略して、ボ
クセルを単に補間するというものである。他方の代替例
は、αの値または照明関数から勾配を推定して、ＲＧＢ
値の陰影生成をこの照明関数によって行う。なお、この
発明によるパイプライン２００は、ボクセル勾配値およ
びＲＧＢ値の両方を補間することもできる。

【００７０】マルチパスボリュームレンダリング レンダリングパイプライン２００は、ボリュームメモリ
に戻るパイプライン２００のステージのいくつか（すべ
てを通過する必要はない）を通過するボリュームデータ
セットを書き出すこともできる（図９参照）。一例で
は、構成されたパイプラインが、分類済みの（色および
不透明度、重みづけされたＲＧＢα）サンプルの１セッ
トのボクセルにレンダリングする。光線に沿って合成す
る代わりに、三次元ボリュームデータセットのＲＧＢα
例と同様、色のつけられたＲＧＢαサンプルをメモリ２
０１に再び格納する。そして、ボリュームはレンダリン
グパラメータの様々なセットによって再レンダリングさ
れる。この処理は、メモリ２０１に最後のボリュームが
存在するまで繰り返すことができる。最後の累積値は、
一番最後にレンダリングされて、ピクセルメモリ２０９
でイメージを生成する。

【００７１】この技術は、多くの機能、たとえば高速再
サンプリングや二次勾配推定などを可能にする。高速再
サンプリングでは、ホストプロセッサおよびソフトウェ
アに頼るのではなくボリュームレンダリングパイプライ
ンおよびボリュームメモリの速度およびパワーを使うこ
とで、ボリュームデータセッをさまざまな解像度に再サ
ンプリングすることができる。より高次の勾配推定は弱
いサーフェスを抽出するのに使用可能である。

【００７２】マルチパスレンダリングは、ボリュームに
複雑な陰影を付けるのに使うことができる。各光源につ
き、1度の受け渡しが必要である。各受け渡しは出力ボ
リュームデータセットに蓄積されてから、最後の受け渡
しによってその結果を補間し、ベース面へ投影される。
マルチパスレンダリングでは、現在の受け渡しから出力
されたボリュームデータセットは、メモリの既存のボリ
ュームデータセットと結合される。これには、単なる書
き込み動作よりも読み出し修正書き込み動作が必要な場
合がある。

【００７３】マルチチャネルレンダリング パイプライン２００は、マルチチャネルデータセットの
処理も行うことができる。超音波および地震の用途など
のスキャン技術は、その分類毎に一つ以上の種類のデー
タを有する。レンダリング時、こうしたデータセットは
互いに重複され、ボクセル単位で結合される。

【００７４】より詳細には、合成ステージ２７０は二つ
のモードのいずれかで作動可能である。第一のモードで
は、ＲＧＢα値は先に格納されたピクセル値と結合し、
第二のモードでは、ＲＧＢα値の光線が蓄積されて、そ
の結果がそれより先の受け渡しのいくつかから先に格納
されたピクセル値が結合される。

【００７５】パイプラインの一般的構造 概略的に、パイプライン２００とメモリ２０１との関係
を図９に示す。ここでは、パイプライン２００のステー
ジ（ステージ₀、ステージ₁、・・・、ステージ _n）１な
いし３は、マルチプレクサ４によって相互接続されてい
るため、特定のレンダリングに応用する場合、ステージ
は選択信号５によって順番付けされる。

【００７６】パイプライン２００への入力は通常、少な
くともマルチパスレンダリングの最初の受け渡し時に
は、ボリュームメモリ６に格納される未処理のボリュー
ムデータセットである。第１のステージで、ボクセルが
読み込まれる。読み込まれたボクセルは第二のステージ
２によって処理される。このステージには、上記で述べ
ているように、補間ステージと、勾配推定ステージと、
分類ステージと、照明ステージと、合成ステージを含め
ることができる。こうしたステージのいずれも、選択ま
たは選択解除することが可能であり、選択したステージ
での処理順を変化させることができる。パイプラインの
出力は、レンダリングパラメータによる修正されたボリ
ュームデータセットである。この出力は第三のステージ
３によって書き込むことができる。パイプラインとメモ
リとの間で受け渡されるボリュームデータセットの各デ
ータ項目は、フレキシブルなフォーマットのサンプル、
すなわちボクセル７である。ボリュームデータセットは
複数回の受け渡しによって処理することが可能であり、
受け渡しごとに、読み出し、処理、および書き込みのた
めの様々なレンダリングパラメータが使用される。

【００７７】上述したこの発明の要旨について述べると
次の通りである。この発明は、複数の処理ステージを含
むボリュームレンダリングパイプラインを提供する。こ
のステージには、勾配推定ステージと、補間ステージ
と、分類ステージと、照明ステージと、合成ステージと
を含む。こうしたステージはマルチプレクサによって相
互につながっている。

【００７８】パイプラインは、サンプルとしてボリュー
ムデータセットを格納するボリュームメモリに結合す
る。始めは、サンプルはボクセルにすることができる。
パイプラインの第一のステージはボリュームメモリから
サンプルを読み込む。第二のステージでは、サンプルを
レンダリングする。パイプラインの第三のステージで
は、ボリュームメモリへサンプルを書き込む。第一、第
二、および第三のステージでは、まず、第一のレンダリ
ング受け渡し時に第一のレンダリングパラメータを、そ
して第二のレンダリング受け渡し時に第二のレンダリン
グパラメータを使用することで、マルチパスボリューム
レンダリングを実現する。

【００７９】ボリュームレンダリングパイプラインは、
最後のレンダリング受け渡し時にパイプラインのステー
ジを合成することで生じるピクセルを格納するためのピ
クセルメモリにも結合される。

【００８０】その他の多様な適用例および修正例を、こ
の発明の精神および範囲内において行うことができるこ
とを理解すべきである。したがって、添付の特許請求の
範囲の目的は、この発明の真の精神および範囲内に相当
するものとして、全てのこうした変更例および修正例を
網羅することである。

【００８１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、マル
チパスボリュームレンダリング（multi-pass volume re
ndering）を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術によるレンダリングパイプラインの
ブロック図である。

【図２】 構成可能なレンダリングパイプラインのブロ
ック図である。

【図３】 分類前の補間によるパイプラインである。

【図４】 補間前の分類によるパイプラインである。

【図５】 フレキシブルフォーマットのボクセルのブロ
ック図である。

【図６】 フィールドフォーマットレジスタのブロック
図である。

【図７】 ボクセルフォーマットレジスタのブロック図
である。

【図８】 フォーマットされたボクセル例である。

【図９】 ボリュームメモリに接続された、構成可能な
マルチパスレンダリングパイプラインのブロック図であ
る。

【符号の説明】

２０１ メモリ、２１０ ボクセルバッファ、２２０
ｘｙｚ勾配推定、２２１ ボクセルおよび勾配、２０２
ＧＣＩ／ＧＩＣ、２５１ マルチプレクサ、２３０
分類、２０２ ＧＣＩ／ＧＩＣ、２５２ マルチプレク
サ、２４０ 補間ユニット（ボクセルおよびｘｙｚ勾
配）、２０２ ＧＣＩ／ＧＩＣ、２５３マルチプレク
サ、２６０ 照明、２７０ 合成、２７１ ピクセル出
力、２０９ピクセルメモリ、２０５ ボクセル読み出
し、２２０ 勾配推定、２２８ 勾配補間装置、２４０
ボクセル補間装置、２３０ 分類、２６０ 照明、２
７０合成、２７１ ピクセル出力、２０５ ボクセル読
み出し、２２０ 勾配推定、２２８ 勾配補間装置、２
３０ 分類、２４０ ＲＧＢα補間装置、２６０照明、
２７０ 合成、２７１ ピクセル出力、６００ フィー
ルドフォーマットレジスタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597067574 201 ＢＲＯＡＤＷＡＹ， ＣＡＭＢＲＩ ＤＧＥ， ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ 02139， Ｕ．Ｓ．Ａ. (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 ラリー・ディー・シーラー アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ボ イルストン、リンデン・ストリート 198 (72)発明者 ジェームズ・エム・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 ケニス・ダブリュ・コーラル アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ラ ンカスター、ルネンバーグ・ロード 2193 (72)発明者 シャリディモス・イー・ガスパラキス アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、サ マービル、エルム・ストリート 23、アパ ートメント 204 (72)発明者 ヴィックラム・シンハ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、レ キシントン、カタンディン・ドライブ 414 (72)発明者 ヴィシャル・シー・バティア アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ア ーリントン、サマー・ストリート 478

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サンプルとしてボリュームメモリ内に格
   納されたボリュームデータセットをレンダリングするた
   めのボリュームレンダリング装置であって、 前記ボリュームメモリから前記サンプルを読み込む第一
   の装置と、 前記読み込んだサンプルを処理する第二の装置と、 前記ボリュームメモリに前記処理されたサンプルを書き
   込む第三の装置とを含み、マルチパスボリュームレンダ
   リングを可能にするために、前記第一の装置と前記第二
   の装置と前記第三の装置は、第一の受け渡し時に第一の
   パラメータを使うと共に、第二の受け渡し時に第二のパ
   ラメータを使う、ボリュームレンダリング装置。
2. 【請求項２】 前記第一、第二、および第三の装置は、
   一つの半導体デバイスに含まれる、請求項１に記載のボ
   リュームレンダリング装置。
3. 【請求項３】 前記サンプルは、前記第一の受け渡し時
   にはボクセルである、請求項１に記載のボリュームレン
   ダリング装置。
4. 【請求項４】 最後の受け渡し時に合成装置によって生
   成されるピクセルを格納するピクセルメモリを更に含
   む、請求項１に記載のボリュームレンダリング装置。
5. 【請求項５】 前記サンプルは、前記第一の受け渡し時
   には第一の解像度で補間されると共に、前記第二の受け
   渡し時には第二の解像度で補間される、請求項１に記載
   のボリュームレンダリング装置。
6. 【請求項６】 前記第一の受け渡し時には第一の光源を
   使用すると共に、前記第二の受け渡し時には第二の光源
   を使用して、サンプルに陰影をつける照明装置をさらに
   含む、請求項１に記載のボリュームレンダリング装置。
7. 【請求項７】 前記処理されたサンプルは、書き込み時
   にボリュームメモリに格納されるサンプルと結合され
   る、請求項１に記載のボリュームレンダリング装置。
8. 【請求項８】 前記サンプルの第一の勾配は、前記第一
   の受け渡し時に決定され、前記サンプルの第二の勾配
   は、前記第二の受け渡し時に決定される、請求項１に記
   載のボリュームレンダリング装置。
9. 【請求項９】 前記サンプルは、前記第一の受け渡し時
   に、色および不透明度の重みづけされたサンプルとして
   分類され、前記第二の受け渡し時に、色および不透明度
   の重み付けされた前記サンプルに照明が当てられる、請
   求項１に記載のボリュームレンダリング装置。
10. 【請求項１０】 サンプルとしてボリュームメモリに格
    納されるボリュームデータセットをレンダリングするボ
    リュームレンダリング方法であって、 前記ボリュームメモリから前記メモリを読み出すステッ
    プと、 前記読み出したサンプルを処理するステップと、 マルチパスボリュームレンダリングを実現するために、
    前記ボクセルメモリへ前記処理されたサンプルを書き込
    むステップとを含み、前記第一の受け渡し時には第一の
    パラメータを、前記第二の受け渡し時には第二のパラメ
    ータを、読み出し、処理、書き込む、ボリュームレンダ
    リング方法。
11. 【請求項１１】 前記サンプルは、前記第一の受け渡し
    時にはボクセルである、請求項１０に記載のボリューム
    レンダリング方法。
12. 【請求項１２】 最後の受け渡し時にピクセルメモリに
    おいて合成装置によって生成されるピクセルを格納する
    ステップをさらに含む、請求項１０に記載のボリューム
    レンダリング方法。
13. 【請求項１３】 前記サンプルは、前記第一の受け渡し
    時には第一の解像度で補間されると共に、前記第二の受
    け渡し時には第二の解像度で補間される、請求項１０に
    記載のボリュームレンダリング方法。
14. 【請求項１４】 前記第一の受け渡し時には第一の光源
    を使用すると共に、前記第二の受け渡し時には第二の光
    源を使用して、サンプルに陰影をつけるステップをさら
    に含む、請求項１０に記載のボリュームレンダリング方
    法。
15. 【請求項１５】 前記処理されたサンプルは、書き込み
    時に前記ボリュームメモリに格納される前記サンプルと
    結合される、請求項１０に記載のボリュームレンダリン
    グ方法。