JP2004529437A - オブジェクトオーダーボリュームレンダリングのオクルージョンカリング - Google Patents

Abstract

コンピュータ化されたシステムおよび方法が三次元イメージを効率的に表現するオクルージョンカリングを提供する。このシステムおよび方法は、ボクセルデータセットにおけるオクルーダのセットを、データセットの各ボクセルに関連付けられた透明度値を用いて計算する。次に、オクルーダシールドはデータセットに適用されて、最終イメージに寄与しないボクセルデータの領域を識別する。最終的に、ボクセルデータセットは、最終イメージに寄与しない領域を除外して表現され得る。
【選択図】図３

Description

【技術分野】
【０００１】
（分野）
本発明は、概して、コンピュータボリュームレンダリングに関し、より具体的には、ボリュームレンダリングのオクルージョンカリングに関する。
【０００２】
（関連ファイル）
本出願は、米国特許仮出願第６０／２９３，２７５号（２００１年５月２３日）の利益を主張し、この出願は、参考のため、本明細書中に援用される。
【０００３】
（著作権告示／許可）
本特許明細書の開示の部分は、著作権によって保護される材料を含む。著作権所持者は、特許明細書または特許の開示が、米国特許商標庁特許ファイルまたは記録に記載されるように、何人かにより複製されることに異議はないが、そうでない場合、すべての著作権が保護される。以下の告示
Ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ（ｃ）２００１，２００２ Ｖｉｔａｌ Ｉｍａｇｅｓ，Ｉｎｃ．Ａｌｌ Ｒｉｇｈｔｓ Ｒｅｓｅｒｖｅｄ
は、以下の開示およびその図面に記載されるソフトウェアおよびデータについて当てはまる。
【背景技術】
【０００４】
（背景）
最近のコンピュータの処理能力が益々高速になるため、ユーザは、ユーザがリアルワールドデータのイメージを検査および解析する際に支援するコンピュータに目を向けた。例えば、医学界において、以前はライトスクリーンにレントゲン写真を吊るして検査していた放射線専門医および他の専門医は、現在、コンピュータを用いて超音波、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、磁気共鳴（ＴＲ）、超音波検査法、陽電子射出断層撮影法（ＰＥＴ）、単光子放射型コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣ）、磁場源映像法、および他の画像化技術を用いる。医療用画像化技術が進化すると、無数の他の画像化技術が生まれることは間違いない。
【０００５】
先に確認された画像化方法の各々がボリュームイメージを生成するが、その各々は、画像を生成するために異なった技術に依存する。従って、ＣＴは、最高数百枚の患者のピクチャが電子的に格納されるように、患者の周囲を高速で回転するｘ線源を必要とする。逆に、例えば、ＭＲは、高周波が発せられ、人体の水分中の水素原子を移動させてエネルギーを放出させることを必要とし、これは、その後、検出されて画像に変換される。これらの技術の各々は、患者の体を貫通してデータを取得し、かつ、人体は３次元であるので、このデータは３次元画像またはボリュームを表す。特に、ＣＴおよびＭＲの両方は、人体の３次元「スライス」を提供し、これは、後からコンピュータを用いて再度組み立てられ得る。
【０００６】
医療用画像等の、コンピュータグラフィック画像は、通常、表面レンダリングおよび他の幾何形状ベースの技術等の技術を用いることによってモデル化されてきた。このような技術の欠陥が公知であるため、リアルワールドデータに基づいて画像をレンダリングするよりも正確な方法として、ボリュームレンダリング技術が開発された。ボリュームレンダリングは、３次元のオブジェクトが基本ボリュメトリックのビルディングブロックからなることを想定することによって、概念上直観的なレンダリングのアプローチを採用する。
【０００７】
これらのボリュメトリックビルディングブロックは、一般的に、ボクセルと呼ばれる。対照的に、周知のピクセルは、画素（すなわち、デジタル画像の極小の２次元サンプルが２つの座標によって規定されたピクチャの平面において特定の位置を有する）であるが、ボクセルは、３次元グリッド内に存在するサンプルであり、座標ｘ、ｙおよびｚに位置付けられる。ボクセルは、「ボクセル値」を有し、この値は、リアルワールド科学または医療用機器から取得される。ボクセル値は、当業者に周知のハンスフィールドユニット等の複数の異なったユニットのいずれかで測定され得る。
【０００８】
さらに、所与のボクセル値に関して、その不透明度を示す透明度値、および、その色を示す明度もまた割り当てられ得る（例えば、このようなマッピングを含む特定のテーブリング）。このような透明度値および明度は属性値と考えられ得、これらは、画像を構成するボクセルデータのセットの種々の属性（透明度、色等）を制御する。
【０００９】
ボリュームレンダリングを用いて、任意の３次元ボリュームが、単に、３次元サンプルのセットまたはボクセルに分割され得る。従って、当該のオブジェクトを含むボリュームは、小さい立方体に分割され、この立方体の各々は、いくつかのもとのオブジェクトを含む。この連続ボリューム表現は、立方体に含まれるオブジェクトの特定の質を特徴付けるボクセル値を各立方体に割り当てることによって別個のエレメントに変換可能である。
【００１０】
従って、オブジェクトは、点サンプルのセットによってまとめられ、従って、各ボクセルが、データセット内のデジタル化された単一の点と関連付けられる。幾何形状ベースの表面レンダリングの場合のマッピング境界と比較して、ボリュームレンダリングを用いるボリュームの再構築は、はるかに少ない労力しか要求せず、かつより直観的であり、概念的に明瞭である。もとのオブジェクトは、積み重ねることによって再構築されるので、ボクセルがもとのボリュームを正確に表す。
【００１１】
ボリュームレンダリングは、概念レベルではより単純であり、かつデータの画像を提供する際により正確であるが、依然として非常に複雑である。イメージオーダリングまたはレイキャスティングと呼ばれるボクセルレンダリングの１つの方法において、ボリュームは、ピクチャ平面の後ろに位置付けられ、光線は、ピクチャ平面における各ピクセルからピクセルの後ろのボリュームを通って垂直に投影される。各光線がボリュームを貫通すると、これはボクセルのプロパティを蓄積し、かつ、これらを対応するピクセルに追加する。プロパティは、ボクセルの透明度に依存して、より高速またはより低速で蓄積する。
【００１２】
オブジェクトオーダーボリュームレンダリング（ｏｂｊｅｃｔ−ｏｒｄｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）と呼ばれる別の方法において、ボクセル値は、さらに、コンピュータ画面上に表示する画像ピクセルを生成するために組み合わされる。これに対して、イメージオーダーアルゴリズム（ｉｍａｇｅ−ｏｒｄｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）は、画像ピクセルから開始し、ボリュームに光線を放射し、オブジェクトオーダーアルゴリズム（ｏｂｊｅｃｔ−ｏｒｄｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）は、通常、ボリュームデータから開始し、そのデータを画像平面上に投影する。
【００１３】
広く用いられるオブジェクトオーダーアルゴリズムは、ボクセルの投影を並行して行う専用グラフィックハードウェアに依存する。１つの方法において、ボリュームデータは、３Ｄテクスチュアイメージにコピーされる。その後、ビュアーに対して垂直のスライスが描画され、各スライス上で、ボリュメトリックデータが再度組み立てられる。後面から前へスライスを描画し、かつ、合成（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｎｇ）と呼ばれる周知の技術を用いて結果を組み合せることによって、最終イメージが生成される。この方法でレンダリングされたイメージもまたボクセルの透明度に依存する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、ボリュームレンダリングは、著しい視覚化の利点を提供するが、種々の問題が残る。現在のＣＰＵおよびグラフィックハードウェアの速度は着々と増しているが、医療データのサイズも急速に大きくなっている。現在のマルチスライスコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）スキャナは、１０００個以上のスライスを含むデータセットを生成し得、これらの大型のデータセットの対話型操作および３Ｄ視覚化を容易にすることは、依然として途方もない挑戦である。さらに、比較的大きいデータセットを有する、テクスチュアマッピングを採用するこれらのシステムにおいて、データのスワップインおよびスワップアウトと関連したオーバーヘッド、および限定されたサイズのテクスチュアメモリは、性能を著しく低下させる。その結果、当該技術において本発明が必要になる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（要旨）
上述の欠点、不利な点および問題は、本発明によって対処され、これは、以下の明細書を読むこと、かつ検討することによって理解される。
【００１６】
本発明の実施形態の１局面は、３次元画像をレンダリングする方法である。この方法は、ボクセルデータセットにおけるオクルーダシールドのセットをデータセットの各ボクセルと関連した透明度値を用いて計算する。次に、最終イメージをもたらさないボクセルデータの領域を識別するために、オクルーダシールドがデータセットに適用される。最後に、最終イメージをもたらさない領域を除いて、ボクセルデータセットがレンダリングされ得る。
【００１７】
本発明は、種々の範囲のシステム、クライアント、サーバ、方法、およびコンピュータによって読み出し可能な媒体を記載する。本要旨において記載された本発明の局面および利点に加えて、図面を参照し、かつ以下の詳細な説明を読むことによって、本発明のさらなる局面および利点が明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（詳細な説明）
本発明の例示的実施形態の以下における詳細な説明において、その一部分をなす添付の図面が参照される。この図面において、本発明が実施され得る特定の例示的実施形態が図により示される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするために十分に詳細に説明され、他の実施形態が用いられ得ること、および、本発明の範囲から逸脱することなく、論理的、機械的、電気的、および他の変更がなされ得ることが理解されるべきである。
【００１９】
以下における詳細な説明のいくつかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットのアルゴリズムおよび記号表現に関して提示される。これらのアルゴリムの説明および表現は、他の当業者に仕事の内容を最も効果的に伝達するために、データ分野の当業者によって用いられる方法である。アルゴリズムは、ここで、および通常、所望の結果をもたらす、首尾一貫した工程のシーケンスであると考えられる。これらの工程は、物理量の物理的操作を必要とするものである。通常、これらの量は、必ずしも必要ではないが、格納、転送、組み合わせ、比較、および、それ以外ならば、操作されることが可能な電気または磁気信号の形態をとる。これらの信号をビット、値、エレメント、シンボル、文字、項、数等と呼ぶことは、主に、共通使用の理由で、時に好都合であることが証明された。しかしながら、これらのすべての、および類似の用語が、適切な物理量と関連付けられるべきであり、かつ、これらの量に付与される便宜的なラベルに過ぎないことに留意されたい。特に明記なき場合、以下の議論から明らかであるように、「処理する」または「コンピューティング」または「計算する」または「決定する」または「表示する」等といった用語は、コンピュータシステム、または類似のコンピューティングデバイスの動作に関する。このデバイスは、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理（例えば、電子）量として表されるデータを操作し、かつ、コンピュータシステムメモリまたはレジスタ、あるいは、他のこのような情報ストレージ、伝送またはディスプレイデバイス内の物理量として同様に表される他のデータに変換する。
【００２０】
図において、複数の図に表れる同一のコンポーネントに対して一貫して同じ参照符号が用いられる。信号および接続は、同じ参照符号またはラベルによって関連付けられ得、実際の意味は、説明の文脈での使用から明らかである。
【００２１】
従って、以下の詳細な説明は、限定的な意味でとらえられるべきでなく、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ定義される。
【００２２】
後述される本発明のいくつかの実施形態は、有効透明度と呼ばれる概念を用い、これは後述する。上述のように、ボリュームレンダリングを用いて、各ボクセルには、色および不透明度（透明度の逆）が割り当てられ、ボリュメトリック合成（ブレンディング）を実行することによって作成される。これは、後面から前へまたは前面から後へ行われ得、レイキャスティング、前面から後へのレイキャスティングが最も一般的である。なぜなら、これは、適応（または早期）視線終端と呼ばれるスピードアップ技術を考慮に入れるからである。一旦光線が不透明オブジェクトに当たるか、または半透明オブジェクトを通って十分な距離を進むと、不透明度は、光線の色が安定するレベルにまで蓄積する。
【００２３】
例示的に、ボリュームの位置Ｐ_{ｘ，ｙ，ｚ}におけるボクセルの不透明度β_Ｐを考慮されたい。その透明度は、α_Ｐ＝１−β_Ｐによって定義される。α_Ｐがゼロの場合、ボクセルは完全に不透明である。
【００２４】
ここで、点Ｐ、およびその点と接続される近傍の６つの点を通る３軸補正（ｔｈｒｅｅ ａｘｉｓ−ａｌｉｇｎｅｄ）軌道によって生じた透明度全体を考慮されたい。
【００２５】
α_Ｐ，ｘ１＝α_{ｘ−１，ｙ，ｚ}α_{ｘ，ｙ，ｚ}α_{ｘ＋１，ｙ，ｚ}
α_Ｐ，ｙ１＝α_{ｘ，ｙ−１，ｚ}α_{ｘ，ｙ，ｚ}α_{ｘ，ｙ＋１，ｚ}
α_Ｐ，ｚ１＝α_{ｘ，ｙ，ｚ−１}α_{ｘ，ｙ，ｚ}α_{ｘ，ｙ，ｚ＋１}
ボクセルＰを通り、軸補正された任意の軌道に沿って生じた最大透明度は、
α_{Ｐ，ｍａｘ１}＝ｍａｘ（α_Ｐ，ｘ１，α_Ｐ，ｙ１，α_Ｐ，ｚ１）
＝α（ｘ，ｙ，ｚ）ｍａｘ（α_{ｘ−１，ｙ，ｚ}α_{ｘ＋１，ｙ，ｚ}，α_{ｘ，ｙ−１，ｚ}α_{ｘ，ｙ＋１，ｚ}，α_{ｘ，ｙ，ｚ−１}α_{ｘ＋１，ｙ，ｚ＋１}）
３軸補正軌道の各々に沿う透明度を計算する代わりに、本発明のいくつかの実施形態は、可能な限り高い透明度の推定を計算する。以下の等式
【００２６】
【数１】

が示すように、これは、６つの接続された近傍の点の最も高い透明度を用いることによって可能である。
【００２７】
このアプローチは、Ｐの近傍の任意の点に対して一般化され得る。Ｐの近傍の一次の点としてＷ^１ _Ｐを定義されたい。ここで、Ｗ^１ _Ｐは、Ｐの前後の３×３×３領域である。Ｗ^１ _Ｐが考慮に入れられた場合、ＰおよびＷ^１ _Ｐを通る任意の経路に沿う可能な限り高い透明度は、
α_{Ｐ，ｅｆｆ} ^１＝α_Ｐ（ｍａｘ α_Ｗｎ）^２ （１）
である。α_{Ｐ，ｅｆｆ} ^１は、一次有効透明度（ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）であり、β_{Ｐ，ｅｆｆ}１＝１−α_{Ｐ，ｅｆｆ}１は、Ｐと関連付けられた一次有効不透明度（ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｏｐａｃｉｔｙ）である。
【００２８】
このアプローチは、当然、近傍の任意のサイズの点に適用され得る。ボクセルの周囲の近傍の点の厚さをｎとして示し、ｎ次有効不透明度は、
β_{Ｐ，ｅｆｆ} ^ｎ＝１−α_Ｐ（ｍａｘ α_Ｗｎ）^２ｎ
によって計算され得る。
【００２９】
テーブル１は、次数ｎの例示的近傍の点における最小の不透明度、および対応する有効不透明度のいくつかの例示的値に関する。例えば、３次の近傍における０．３の最小不透明度の場合、対応する有効不透明度は０．９１７であり、これは、高速の不透明度の蓄積が比較的小さい最小不透明度で達成され得ることを明確に示す。
【００３０】
【表１】

有効不透明度の概念は、最小不透明度を高速で推定するための手段を提供する。データセットにおけるボクセル位置の実際の不透明度を決定するために広範囲にわたる計算を実行する代わりに、推定される有効不透明度を決定するために、ボクセルの近傍の点における最小不透明度の比較的簡単な決定が用いられ得る。ボクセルの有効不透明度がユーザ定義の閾値を超過した場合、オクルーディングボクセルが考えられ得、多数の隣接し合うオクルーディングボクセルが、オクルーダ「シールド」として機能する。オクルーディングシールドを抽出した後のボクセルデータセットのレンダリングが、さらに詳細に後述される。
【００３１】
（動作環境）
図１は、動作環境のブロック図であり、この動作環境に関連して本発明の実施形態は、実施され得る。図１の説明は、適切なコンピュータハードウェアおよび適切な演算環境の簡単で一般的な説明を提供することが意図され、この適切な演算環境に関連して本発明はインプリメントされる。要求されるわけでないが、本発明は、パーソナルコンピュータまたはサーバコンピュータ等のコンピュータによって実行されるプログラムモジュール等のコンピュータ実行可能なインストラクションの一般的な絡みで記載される。概して、プログラムモジュールは、特定のタスクを行うかまたは特定の抽出データタイプをインプリメントする、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。
【００３２】
図１は、ボリュームデータをレンダリングするためのシステム１００を示す。いくつかの実施形態では、システム１００は、入力３Ｄデータ１０４を受け取り、ボクセル（ｖｏｅｌ）データ１０８を生成することが可能なレンダリングモジュール１０６を含むコンピュータシステム１０２を含む。レンダリングモジュール１０６は、モニタ１１０上に画像を表示するためにボクセルデータ１０８を処理する。本発明の一実施形態では、レンダリングモジュールは、Ｖｉｔａｌ Ｉｍａｇｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＶｉｔｒｅａ^ＴＭ２のソフトウェアで提供される。
【００３３】
コンピュータシステム１０２は、任意の一般的なパーソナルコンピューティングハードウェアおよびソフトウェアであり得る。本発明の一実施形態では、コンピュータシステム１０２は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ（Ｒ） ＸＰ（Ｒ）オペレーティングシステムを実行するＣＰＵに基づくＩｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ（Ｒ）を有するパーソナルコンピュータである。本発明の代替の実施形態では、コンピュータシステム１０２は、ＩＲＩＸ（Ｒ）オペレーティングシステムを実行するＳｉｌｉｃｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓワークステーションである。本発明は、任意の特定のコンピュータハードウェアまたはオペレーティングシステムに制限されない。
【００３４】
３Ｄデータ１０４は、任意のタイプの３Ｄデータであり得る。本発明のいくつかの実施形態では、３Ｄデータ１０４は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、超音波検査、ポジトロン放出断層撮影（ＰＥＴ）、単一光子放射型コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）、磁気ソースイメージング（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｏｕｒｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）および他の画像化技術によって生成される画像等の医療画像データを含む。代替の実施形態では、３Ｄデータ１０４は、３Ｄゲーミングシステムのために生成されるデータであり得る。本発明は、任意の特定タイプの３Ｄデータに制限されない。
【００３５】
ボクセルデータ１０８は、データ１０４のボクセル表示である。いくつかの実施形態では、レンダリングモジュール１０６は、モニタ１１０上に表示される場合に可視でないボクセルデータ内の領域を決定する際に用いられるボクセルデータ１０８から閉塞物を抽出するために以下に記載される方法を用いる。
【００３６】
当業者は、本発明は、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのまたはプログラム可能な消費者エレクトロニクス、ネットワークＰＣ、マイクロコンピュータ、メインフレームコンピュータその他を含む他のコンピュータシステム構成を用いて実施し得ることを理解する。本発明はまた、タスクが通信ネットワークを介して連結されるリモート処理デバイスによって行われる分散型コンピューティング環境において実施され得る。分散型コンピューティング環境では、プログラムモジュールは、ローカルおよびリモートメモリ格納デバイスの両方に配置され得る。
【００３７】
図２〜３は、本発明の実施形態によりボクセルデータ上で閉塞抜粋を行う方法を示すフローチャートである。動作環境によって行われる本方法は、コンピュータ実行可能なインストラクションを作成するコンピュータプログラムを構成する。フローチャートを参照して方法を記載すれは、当業者は、適切なコンピュータ（コンピュータ読み出し可能な媒体からのインストラクションを実行するコンピュータのプロセッサ）上で、本方法を実行するためのこのようなインストラクションを含むこのようなプログラムを展開することが可能である。図２〜３に示される本方法は、本発明の例示の実施形態を実行する動作環境によって利用されるために要求される動作の包括である。
【００３８】
図２は、ボクセルデータセットをレンダリングするための方法を示す。コンピュータシステム１００等の本方法を実行するシステムは、データセットの各ボクセルに関連付けられる透明性の値を用いてボクセルデータセットにおける閉塞シールドのセットを計算する（ブロック２０２）。一般に、透明性の値が所定の閾値を超える場合、ボクセルは、不透明であり、閉塞を考慮し得る。閉塞シールドを計算することに関するさらなる詳細は、以下に図３を参照して提示される。
【００３９】
次いで、システムは、最終画像に寄与しないボクセルデータの領域を識別するために閉塞シールドを適用することを進める（ブロック２０４）。概して、閉塞シールドの背後にあるボクセルデータは、最終画像に寄与しない。
【００４０】
最後に、本方法を実行するシステムは、ブロック２０４において識別される、最終画像に寄与しない領域を除外して、ボクセルデータセットをレンダリングする（ブロック２０６）。
【００４１】
図３は、ボクセルデータセットにおける閉塞シールドを計算するためのいくつかの実施形態に用いられる方法に関するさらなる詳細を提供する。本方法は、ボクセルデータセットを前後関係（コンテキスチャル）（ｃｏｎｔｅｘｔｕａｌ）上の領域に分割することよって始まる（ブロック３０２）。本発明のいくつかの実施形態では、コンテキスチャル領域は、各主用軸に沿って１５ボクセルの寸法を有する。しかしながら、本発明は、コンテキスチャル領域に対して任意の特定サイズに制限されない。ボクセルデータセットをコンテキスチャル領域に分割することが望ましいのは、（予備方向およびサイズを有する）データセットにおける全ての可能な閉塞シールドに関する徹底的な検索が一般にコンピュータを利用してあまりに高価であるからである。
【００４２】
次に、方法を実行するシステムは、コンテキスチャル領域における閉塞シールドを決定するために各コンテキスチャル領域を解析する。本発明のいくつかの実施形態では、コンテキスチャル領域の主要軸と合うシールドのみが考慮され、結果として、コンテキスチャル領域あたり最大のｘ＋ｙ＋ｚ閉塞を生じる。これは、除外抽出の速度を増加させるので望ましい。本発明のさらなる実施形態では、コンテキスチャル領域全体にまたがるシールドのみが閉塞シールドとして考慮される。例えば、全ｙ×ｘボクセルが閉塞している場合、ｘ軸に沿うシールドのみが考慮される。これらの実施形態では、コンテキスチャル領域が、透明領域内に全体的に落ちるシールドを見出す可能性を増加させるために比較的小さいことが望ましい。一実施形態では、サイズが１６^３のコンテキスチャル領域が用いられる（１５ボクセル＋１つの共有された境界ボクセル）。
【００４３】
閉塞シールドの計算は、有意な量のデータへのアクセスを必要とし得る。例えば、１６^３サイズのコンテキスチャル領域に対して、４次閉塞を見出すことは、２４^３のサブボリュームの解析を必要とし、元のコンテキスチャル領域のサイズに比較して３倍を超えて増加する。いくつかの実施形態では、システムは、ある高次の閉塞の計算を省く。コンテキスチャル領域の有意な数が完全に内側に落ちるか（全てのボクセルがｘ＋ｙ＋ｘの０次閉塞を不透明にする）、または興味のあるオブジェクトの完全に外側（全ボクセルが透明であり、閉塞がない）にあるので、処理の大部分は、興味のあるオブジェクトと部分的に交差する領域内でなされる。
【００４４】
このため、各コンテキスチャル領域に対して、システムは、最初に、コンテキスチャル領域に対する不透明マップを生成する（ステップ３０４）。このステップは、ｘ×ｙ×ｚコンテキスチャル領域に対応するボクセルデータをそれらの透明性の値の上にマッピングする。いくつかの実施形態では、これは、ルックアップテーブルを用いてなされる。いくつかの実施形態では、サイズｘ×ｙ×ｚの３次元アレイは、ボクセル透明性を保持する。いくつかの実施形態では、不透明性マップは、ボクセルあたり１バイトを含み、透明性範囲は、０（完全に不透明）〜２５５（完全に透明）である。
【００４５】
次いで、本方法を実行するシステムは、コンテキスチャル領域に０次閉塞が存在するか決定することを進める（ブロック３０６）。閉塞シールドを迅速に決定することを容易にするために、本発明のいくつかの実施形態は、各ｘ、ｙ、およびｚ位置において不透明ボクセルの数を含むサイズｘ、ｙ、およびｚの３つのベクトルを用いる。これらのベクトルは、０で開始される。次いで、システムは、コンテキスチャル領域の全ての透明性の値を通り抜け、ユーザ固有の閾値に対する簡単な比較を用いて、各ボクセルがおおよそで閉塞かどうかを決定する。一実施形態では、５１／２５５（０．２）の透明性の閾値が、０次閉塞に対して用いられ、これは、０．８の不透明閾値に対応する。各閉塞ボクセルに対して、ボクセル座標のにそれぞれ対応する３つのベクトルの全体がインクリメントされる。いくつかの実施形態では、通り抜けの間、全体が透明でない任意のボクセルとでくわすかを決定するために簡単なテストが行われる。
【００４６】
コンテキスチャル領域の通り抜けを完了した後、３つのアレイは、各ｘ、ｙ、およびｚ平面において閉塞ボクセルの全体数を含む。これらの数を各平面内のボクセルの数と比較することは、各平面内の全ボクセルが閉塞しているかどうか決定する。このようになっている場合、対応するシールドが０次閉塞である。代替の実施形態では、平面内のボクセルの閾値数がシールドが閉塞であるかを決定するために用いられ得る。本発明の一実施形態は、４つの整数値としてコンテクスチャル領域の閉塞を格納する。一つは、閉塞の次数（これは、ステージ中は０である）を示し、３つの整数値は、各平面の閉塞（各閉塞は、セットビットよって表わされる）を表わすビットマスクを規定する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、コンテキスチャル領域内の全ボクセルが閉塞している場合、ｘ＋ｙ＋ｚ０次閉塞シールドが取得され、さらなる処理が要求されない。さらに、いくつかの実施形態では、コンテキスチャル領域上の処理は、全ボクセルが完全に透明である場合に中止される。この場合、コンテキスチャル領域全体は、不可視としてマークされ得、その内容は、レンダリングステップの間決して処理される必要がない。
【００４８】
いくつかの実施形態では、システムは、０次閉塞が見出されたかを見るためにチェックする（ステップ３０８）。そうであれば、システムは、ブロック３１２に進み、そうでなければ、コンテキスチャル領域は、非透明ボクセルを含み、完全には不透明ではない。
【００４９】
非０次閉塞がコンテキスチャル領域において見出された場合、システムは、より高次の閉塞を決定することを進める（ブロック３１０）。いくつかの実施形態では、システムは、コンテキスチャル領域の境界において不透明マッピングを行う。上記に記載されたように、より高次の閉塞の評価は、各ボクセル周り近隣において最高の透明性値の計算を必要とする。いくつかの実施形態では、局所最大計算を決定するために、サイズ（ｘ＋２Ｎ）×（ｙ＋２Ｎ）×（ｚ＋２Ｎ）の３Ｄアレイ上で続いて計算が行われる。ここで、Ｎは、最大閉塞次数である。本発明のいくつかの実施形態では、Ｎは３である。
【００５０】
ボクセルデータ読み出しの量および境界ピクセルのハンドリングを除き、境界のこの不透明マッピングは、上記０次閉塞に関連する記載されたステップと実質的に同一である。体積の端部でのコンテキスチャル領域とともに、境界値は、体積端部での透明性で初期設定される。これが完了した場合、（ｘ＋２Ｎ）×（ｙ＋２Ｎ）×（ｚ＋２Ｎ）アレイは、コンテクスチャル領域および厚さＮの周囲の境界からの全ボクセルの透明性を含む。
【００５１】
前後関係領域の境界の不透明度マッピングの後、システムは、前後関係領域にわたって複数回のパスを、オーダー１から開始して、最大オーダーＮに達するまで各パスのオーダーを１ずつ増大して行う。有効透明度計算を用いる本発明の実施形態において、式（１）の評価は、３^３近傍の最大透明度計算を必要とする。この工程は、当該技術において３Ｄグレーレベル拡張（ｄｉｌａｔｉｏｎ）として公知である単純な形態学的演算を表す。３^３カーネルは、典型的には、分離でき、３つの続いて適用されるサイズ３の１Ｄカーネルに依存する、計算上非常に効率的なインプリメンテーションを許容する。１Ｄ拡張は各ボクセルにつき２回の比較を必要とするので、３Ｄ拡張は、ボクセルあたり６回の比較で達成され得る。前後関係領域の３Ｄ拡張は、（ｘ＋２（Ｎ−１））×（ｙ＋２（Ｎ−１））×（ｚ＋２（Ｎ−１））ボクセルを処理する。従って、例えば、Ｎ＝３および前後関係領域が１６^３の場合の最大のオクルーダオーダーについて、３Ｄ拡張は、反復ごとに４８Ｋの比較を必要とし、これは、前後関係領域におけるボクセルあたりの１２回の比較にほぼ相当する。
【００５２】
いくつかの実施形態において、分離できるフィルタは、ソースおよび宛先について、異なる３Ｄアレイを用いる。各パスの後、ソースおよび宛先アレイは、切り換えられる。一時的な３Ｄアレイは、典型的には、それぞれ、約１０キロバイトであり、概して、ＣＰＵのキャッシュにとってローカルなデータ処理を全て保存するために十分なほど小さい。
【００５３】
より高いオーダーのオクルーダのさらなる計算は、ブロック３０６について上で概説されたものと類似する。しかし、いくつかの実施形態は、完全に透明な領域の検出を必要とせず、さらに、用いられる透明度閾値は異なり得る。例えば、ある実施形態においては、約０．６１の不透明度閾値に相当する、１００／２５５（≒０．３９）の透明度の閾値が、より高いオーダーのオクルーダについて用いられる。
【００５４】
オクルーダ計算から得られるビットマスクは、以前のパスの間に見つけられたものと比較される。２つの場合が特に対象となる。
【００５５】
１．さらなるオクルーダが見つけられる場合
新たなオクルーダがパスの間に見つけられる場合、前後関係領域のオクルージョンのオーダーが調節され、新たなオクルーダを表すビットが設定される。
【００５６】
さらなるオクルーダが見つけられる場合、他の反復がさらに他のオクルーダを生み出すことがあり得ないとはいえない。従って、さらなる解析が所望される。より大きな近傍からのローカル最小値が上で概説したグレーレベル拡張を再度適用することによって計算され得るので、最大オクルージョンオーダーにまだ達していない場合には、前後関係領域を通じる他のパスが行われる。
【００５７】
２．さらなるオクルーダが見つけられない場合
典型的には、新たなオクルーダが見つける可能性は、反復のたびに低減する。従って、本発明のいくつかの実施形態において、より高いオーダーでのさらなる反復は、新たなオクルーダが見つけられない限り行われない。
【００５８】
いくつかの実施形態において、前後関係領域の処理は、オクルードシールドの最大数が見つけられるか、反復の最大数（すなわち、最も高いオーダー）に達するか、または新たな反復の間に新たなオクルードシールドが見つけられないときに終了される。
【００５９】
その後、システムは、処理されるべき前後関係領域が残っているか否かを知るためにチェックする（ブロック３１２）。残っている場合、方法は、ブロック３０４に戻り、次の領域を処理する。ブロック３０４〜３１２において規定される工程は、ボリュームの前後関係領域のそれぞれに適用される。いくつかの実施形態において、各領域について、これにより、最も高いオクルーダのオーダーを表す４つの整数、およびシンプルビットマスクとして表されるオクルーダの位置が得られる。
【００６０】
全ての前後関係領域が処理された後、いくつかの実施形態において、オクルードシールドの融合のため、ビットマスクおよび最大のオクルーダのオーダーが用いられる（ブロック３１４）。オクルーダの融合は、少なくとも２つの理由から所望される。第１に、融合によって、可能な限り大きいオクルーダが得られる。見ることができない（従って、処理される必要がない）ボリュームデータの量はオクルーダ面積とともに増大するので、大きいオクルーダを判定することが所望される。
【００６１】
第２に、融合によって、より少ない数のオクルーダが得られる。（ボリュームのいずれの部分がシールドによってオクルードされるかを決定する）実際のオクルージョンカリング工程は、計算的に高価になる傾向がある。従って、計算に関わるオクルーダの数を限定することが所望される。
【００６２】
各前後関係領域のオクルーダがビットマスクによって特定される実施形態において、隣接する領域のビットマスクの単純な論理ＡＮＤを行うことによって、オクルーダが複数の領域にわたるか否かが判定され得る。ＡＮＤ演算の後に設定される任意のビットは、融合されたオクルーダを表す。
【００６３】
この工程において、方法は、ボリュームの全ての前後関係領域にわたって、（ｘ−ｙ−ｚ様態で）ループする。いくつかの実施形態において、以下の工程は、各前後関係領域および軸について行われる。
【００６４】
１．隣接領域からのビットマスクを用いることによって、オクルーダは、矩形のオクルーダがあり得る最大の数の前後関係領域にわたるまで、伸長される。これは、２つの段階で行われる。第１に、オクルーダは、現在の一次軸によって形成される平面上で「左右」に沿って伸長され、あり得る全ての候補が一時リストに格納される。第２に、候補のオクルーダロウが、平面上で「上下」方向に沿って伸長する。システムは、遭遇した最大面積のオクルーダの記録をとる。いくつかの実施形態において、全ての候補が評価された後、あり得る最大のオクルーダが得られる。サーチアルゴリズムは、概して、徹底的であるが、適度に速い。しかし、本発明は、徹底的なサーチに限定されない。
【００６５】
２．最大のオクルーダについてのサーチの間、遭遇した最大オクルーダオーダーを判定する。この値は、融合されたオクルーダのオーダーを表す。
【００６６】
３．融合されたオクルーダの各々について、いくつかの特性が格納され得る。これらには、オクルーダのオーダー、面積、軸、およびオクルーダにわたる２つの角の３Ｄ座標が含まれる。その後、オクルーダは、格納され、整数識別子（ＩＤ）が割り当てられ得る。
【００６７】
４．各前後関係領域は、オクルーダＩＤのリストを含み、維持し得る。これによって、任意の数のオクルーダが可能になる。融合されたオクルーダが複数の領域にわたるので、同じオクルーダＩＤが、融合されたオクルーダを含む全ての前後関係領域のオクルーダＩＤリストに加えられる。
【００６８】
５．いくつかの実施形態において、オクルーダ融合工程は、前後関係領域のオクルーダＩＤリストが、他の前後関係領域の処理の間に加えられたＩＤをすでに含む場合に、飛ばされる。これによって、オクルーダ融合の速度が上がり、各領域において格納されるオクルーダＩＤの数を低減する。
【００６９】
一次軸のそれぞれにおいてオクルーダを融合した後、システムは、発生したオクルーダを用いて、ボクセルデータのいずれの領域を見ることができず、表現する必要がないかを判定し得る。
【００７０】
図４Ａおよび４Ｂは、上記のオクルーダ選択および融合プロセスの結果のグラフィックの例を提供する。図４Ａは、胸部データセットを含む医療用イメージの典型的なボリューム表現である。図４Ｂは、上記のシステムおよび方法を用いて抽出されるオクルーダを示す。
【００７１】
上の節は、イメージデータのボリューム表現においてオクルージョンカリングを行うシステムにおける各種のソフトウェア方法を記載する。当業者であれば理解するように、ソフトウェアは、任意の数の当該技術分野において公知であるプログラミング言語を用いて書かれ得る。このプログラミング言語には、Ｃ／Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（Ｒ）、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｐａｓｃａｌ、Ａｄａおよび類似のプログラミング言語が含まれるが、これらに限定されない。本発明は、インプリメンテーションのための任意の特定のプログラミング言語に限定されない。
（まとめ）
ボリューム表現されたイメージのオクルージョンカリングを行うシステムおよび方法が開示される。記載されたシステムおよび方法は、低いオーバーヘッドとともに、向上したカリング効率を提供することによって、以前のシステムと比較して利点を提供する。この効率および低いオーバーヘッドは、専用グラフィックスワークステーションではなく、汎用パーソナルコンピュータを用いて、複雑な三次元イメージを表現することを可能にする。
【００７２】
本明細書中、特定の実施形態が例示され、記載されてきたが、当業者であれば、同じ目的を達成するように計算される任意の構成が、示された特定の実施形態の代わりになり得ることを理解する。この出願は、本発明のあらゆる適用例または変形例を対象として含むことが意図される。
【００７３】
この出願において用いられる用語は、これらの環境を全て含むことを意図される。上記の説明は、例示的なものであることが意図され、限定的なものでないことが理解される必要がある。他の多くの実施形態は、上記の記載を検討すれば、当業者にとっては明らかである。従って、本発明は添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されるように意図されることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、本発明の実施形態が実行され得る動作環境のブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、オクルージョンカリングを用いるボクセルデータセットにレンダリングを提供する方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の実施形態による、ボクセルデータセット上でオクルージョンカリングを実行する方法をさらに示すフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施形態により決定される、データベースにおけるオクルーダのレンダリングされたボクセルデータセットおよびグラフィックディスプレイを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施形態により決定される、データベースにおけるオクルーダのレンダリングされたボクセルデータセットおよびグラフィックディスプレイを示す図である。

Claims (36)

1. 三次元イメージを表現するコンピュータ化された方法であって、
   ボクセルデータセットにおけるオクルーダシールドのセットを、該データセットの各ボクセルに関連付けられた透明度値を用いて計算する工程と、
   該オクルーダシールドを適用して、最終イメージに寄与しない該ボクセルデータの領域を識別する、工程と、
   該ボクセルデータセットを表現する工程であって、該表現する工程は、該最終イメージに寄与しない領域を除外する、工程と
   を含む、方法。
2. 前記オクルーダシールドを計算する工程は、
   ボクセルデータを複数の前後関係領域に分割する工程であって、該前後関係領域のそれぞれは、複数のボクセルを含み、前記ボクセルのそれぞれは、透明度値および位置値を有する、工程と、
   各前後関係領域についてタスクを実行する工程であって、
   該前後関係領域の不透明度マッピングを行う工程と、
   ゼロオーダーオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程と、
   ゼロオーダーオクルードシールドが存在しない場合、より高いオーダーのオクルードシールドが存在するかを判定する工程とを含むタスクを実行する工程と
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ゼロオーダーオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程は、
   前記前後関係領域を囲む境界領域のグレーデータを判定する工程と、
   該前後関係領域および該境界領域の透明度値を計算する工程と、
   不透明なボクセルの数がオクルーダ閾値を越えているか否かを判定する工程と
   を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ゼロオーダーオクルードシールドは、２本の一次軸によって形成される面に並べられる、請求項３に記載の方法。
5. ボクセルは、該ボクセルの透明度値が透明度閾値を越える場合、不透明である、請求項３に記載の方法。
6. 前記より高いオーダーのオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程は、
   複数のオーダーにわたって反復する工程であって、反復のたびに、
   前記前後関係領域および前記境界領域における前記ボクセルの少なくともサブセットについて、有効透明度を計算する工程と、
   該有効透明度を用いて、オクルードシールドが該前後関係領域に存在するか否かを判定する工程とを含むタスクを実行する工程を含む、請求項３に記載の方法。
7. 前記より高いオーダーのオクルードシールドは、２本の一次軸によって形成される面に並べられる、請求項６に記載の方法。
8. ボクセルの前記有効透明度は、該ボクセルの近傍のボクセルの少なくともサブセットを用いて計算され、該サブセットのサイズは、前記オーダーによって決定される、請求項６に記載の方法。
9. ボクセルの前記有効透明度は、以下の式
   β_{Ｐ，ｅｆｆ}ｎ＝１−α_Ｐ（ｍａｘα_Ｗｎ）^２ｎ
   に従って計算される、請求項６に記載の方法。
10. 新たなオクルードシールドが見つけられないとき、反復が停止される、請求項６に記載の方法。
11. 前記オーダーが最大オーダーに達するとき、反復が停止される、請求項６に記載の方法。
12. 前記最大オーダーが３である、請求項１１に記載の方法。
13. 見つけられたオクルードシールドの数がシールド閾値を越えるとき、反復が停止される、請求項６に記載の方法。
14. 前記ボクセル透明度値の３Ｄグレーレベル拡張を行う工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
15. 前記ゼロオーダーオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程は、２本の一次軸によって形成される面にゼロオーダーオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程を含む、請求項２に記載の方法。
16. 前記より高いオーダーのオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程は、２本の一次軸によって形成される面に、より高いオーダーのオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程を含む、請求項２に記載の方法。
17. オクルードシールドが前後関係領域に存在することが、ビットマスクにビットを設定することによって示され、該ビットマスクにおける該ビットの位置は、該前後関係領域における該オクルードシールドの位置を示す、請求項２に記載の方法。
18. 前記オクルードシールドの位置は、２本の一次軸によって形成される面にある、請求項１７に記載の方法。
19. 前後関係領域におけるオクルードシールドが、隣接する前後関係領域におけるオクルードシールドと融合され得るか否かを判定する工程をさらに含む、請求項２に記載の方法。
20. 前記前後関係領域の前記ビットマスクは、前記隣接する前後関係領域の前記ビットマスクと比較される、請求項１７に記載の方法。
21. 前記隣接する前後関係領域は、２本の一次軸によって形成される面において左右に隣接する、請求項１９に記載の方法。
22. 前記隣接する前後関係領域は、２本の一次軸によって形成される面において上下に隣接する、請求項１９に記載の方法。
23. 融合されたオクルーダを形成する工程をさらに含み、該融合されたオクルーダは、複数の隣接する前後関係領域から複数の同一平面オクルードシールドを含み、該融合されたオクルーダは該複数の前後関係領域の最大数にわたる、請求項２に記載の方法。
24. 前記同一平面オクルードシールドは、２本の一次軸によって形成される面にある、請求項２３に記載の方法。
25. 前後関係領域は複数の融合されたオクルーダと関連付けられる、請求項２３に記載の方法。
26. コンピュータ化されたシステムであって、
    プロセッサと、
    メモリと、
    表現モジュールであって、該コンピュータ化されたシステムにおいて、
    ボクセルデータセットにおけるオクルーダシールドのセットを、該データセットの各ボクセルに関連付けられた透明度値を用いて計算し、
    該オクルーダシールドを適用して、最終イメージに寄与しない該ボクセルデータの領域を識別し、
    該最終イメージに寄与しない領域を除外して、該ボクセルデータセットを表現するように実行可能である表現モジュールと
    を含む、システム。
27. 前記表現モジュールは、
    前記ボクセルデータを複数の前後関係領域に分割するようにさらに実行可能であり、該前後関係領域のそれぞれは、複数のボクセルを含み、前記ボクセルのそれぞれは、透明度値および位置値を有し、
    該表現モジュールは、各前後関係領域について、
    該前後関係領域の不透明度マッピングを行うタスク、
    ゼロオーダーオクルードシールドが存在するか否かを判定するタスク、および
    ゼロオーダーオクルードシールドが存在しない場合、より高いオーダーのオクルードシールドが存在するかを判定するタスクを行うようにさらに実行可能である、請求項２６に記載のコンピュータ化されたシステム。
28. 三次元イメージを表現する方法を行うコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ読み出し可能媒体であって、該方法は、
    ボクセルデータセットにおけるオクルーダシールドのセットを、該データセットの各ボクセルに関連付けられた透明度値を用いて計算する工程と、
    該オクルーダシールドを適用して、最終イメージに寄与しない該ボクセルデータの領域を識別する、工程と、
    該ボクセルデータセットを表現する工程であって、該表現する工程は、該最終イメージに寄与しない領域を除外する、工程と
    を含む、コンピュータ読み出し可能媒体。
29. 前記オクルーダシールドを計算する工程は、
    ボクセルデータを複数の前後関係領域に分割する工程であって、該前後関係領域のそれぞれが、複数のボクセルを含み、前記ボクセルのそれぞれは、透明度値および位置値を有する、工程と、
    各前後関係領域についてタスクを実行する工程であって、
    該前後関係領域の不透明度マッピングを行う工程と、
    ゼロオーダーオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程と、
    ゼロオーダーオクルードシールドが存在しない場合、より高いオーダーのオクルードシールドが存在するかを判定する工程とを含むタスクを実行する工程と
    を含む、請求項２８に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
30. 前記ゼロオーダーオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程は、
    前記前後関係領域を囲む境界領域のグレーデータを判定する工程と、
    該前後関係領域および該境界領域の透明度値を計算する工程と、
    不透明なボクセルの数がオクルーダ閾値を越えているか否かを判定する工程と
    を含む、請求項２９に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
31. 前記ゼロオーダーオクルードシールドは、２本の一次軸によって形成される面に並べられる、請求項２９に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
32. ボクセルは、該ボクセルの透明度値が透明度閾値を越える場合、不透明である、請求項２９に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
33. 前記より高いオーダーのオクルードシールドが存在するか否かを判定する工程は、
    複数のオーダーにわたって反復する工程であって、反復のたびに、
    前記前後関係領域および前記境界領域における前記ボクセルの少なくともサブセットについて、有効透明度を計算する工程と、
    該有効透明度を用いて、オクルードシールドが該前後関係領域に存在するか否かを判定する工程とを含むタスクを実行する工程を含む、請求項２９に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
34. 前記より高いオーダーのオクルードシールドは、２本の一次軸によって形成される面に並べられる、請求項３３に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
35. ボクセルの前記有効透明度は、該ボクセルの近傍のボクセルの少なくともサブセットを用いて計算され、該サブセットのサイズは、前記オーダーによって決定される、請求項３３に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。
36. ボクセルの前記有効透明度は、以下の式
    β_{Ｐ，ｅｆｆ}ｎ＝１−α_Ｐ（ｍａｘα_Ｗｎ）^２ｎ
    に従って計算される、請求項３３に記載のコンピュータ読み出し可能媒体。

Images