JP2006260408A - ボリュームデータレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング処理方法 - Google Patents
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Abstract
3次元ボリュームデータのゆらぎ表現の付加、さらに視聴者が直感的に把握しやすい速度表現も可能としたボリュームデータのレンダリングシステムを提供する。
【解決手段】
ボリュームデータ取得モジュールによりボリュームデータを入力し、ボクセルデータセット生成モジュールにより輝度値及び不透明度が与えられたボクセルデータセットを生成する。ボクセルデータセットからボクセルをサンプリングする際、ゆらぎ処理モジュールのゆらぎモデルに基づいたゆらぎを持たせつつボクセルの選択を行う。積分モジュールがサンプリングされたボクセルの輝度値及び不透明度を基に描画する画素データを計算する。描画モジュールはレイキャスティングモジュールから渡された画素データを描画する。さらに速度場モデルを持つ速度場処理モジュールによって速度表現を織り込んだ形のゆらぎ処理を行い、視聴者にボリュームデータの速度を表現する。
【選択図】図3
Description
一般的には3次元オブジェクトのデータはポリゴンデータとテクスチャデータの組み合わせとして面単位で与えられることが多い。ポリゴンデータを用いれば3次元オブジェクトの外表面形状が網目状のワイヤフレームによって定義できる。描画(レンダリング)の際には表示シーンに応じて3次元オブジェクトの位置と角度を調整しつつポリゴンデータを配し、その表面にテクスチャデータを貼り付けることにより描画されることとなる。3次元オブジェクトの表現形式としてポリゴンデータによる表現は優れたものと言える。
まず、ボリュームデータを取得する(S1)。ボリュームデータはあらかじめ用意されているものでも良く、3次元オブジェクトを観察してリアルタイムに作成するものでも良い。なお、取得したボリュームデータを基に必要な雑音除去や画像強調など前処理を行うことが好ましい。
次に、レイキャスティング処理により各画素に対する最終的な輝度値を求める。レイキャスティング処理は、サンプリング処理(S3)およびサンプリングされたボクセルの輝度値と不透明度を元にした積分計算処理(S4)を備えている。
レイキャスティングは、視点から各方向に視線(レイ)1202を出し、3次元空間内のボリュームのボクセルデータセット1200に分布しているボクセル1201を、レイ1202に沿ってサンプリングしてゆき、そのサンプリングされた各ボクセル1201の特徴量(輝度値)を加算して行く手法である。各ボクセルに不透明度を与えられていれば、レイキャスティングにより、半透明表示を行って内部が可視化される。レイキャスティングでは順次各ボクセルの輝度値と不透明度との積を加算していき、不透明度の総和が1となるか、レイが、3次元オブジェクトから突き抜けたときに、その画素に対する処理を終了し、加算結果を描画面1300の画素の値1301として表示する。
第1は、計算コストが大きいことである。ボリュームデータは3次元空間に広がる各ボクセルを基本に計算を行うので、複雑で膨大な計算が必要となる。
第2は、メモリの消費量が大きいことである。3次元空間全体に広がる各ボクセルの輝度値や不透明度をデータとして扱う必要があるので、多量のメモリを消費してしまう。
図11に示した従来技術では、各レイについて行ったサンプリング処理と輝度値の積和計算処理を独立に実行するところ、図12に示す従来技術では、ボリュームデータをスライスして分割し、各スライス面をサーフィスモデルとしてポリゴンデータで記述しておくものである。このようにボリュームデータを各スライス面のサーフィスモデルの積み重ねとして準備しておくことにより、各レイについて行うサンプリング処理と輝度値の処理を当該スライス面ごとにまとめて横断的に行うことができる。例えば、各スライス面のサーフィスモデルに不透明度を与えておけば、半透明のシートを複数枚重ねて通し見たように各画素の最終的な輝度値を決定することができる。また、観察者がボリューム内を移動して行く場合には、視点に応じたスライス面の2次元描画をポリゴンデータで高速処理することにより、擬似的にボリューム内部の描画を行うこともできる。
第1の問題は自然さが損なわれる問題である。取得したボリュームデータをできるだけ実体の物理現象に近い状態を表すように描画することが好ましいところ、上記従来技術でレンダリング処理すれば、本来自由空間である3次元空間内にスライス状のサーフィスモデルを導入するためにボクセル間に平面状の拘束関係が生じてしまい、自然さが損なわれてしまう。つまり、煙などは3次元空間内に広がりをもって存在しているが、スライス状のサーフィスモデルを導入するのでボクセルはスライス平面上の3角形のポリゴンデータとして記述されることとなり(特開平5−266216号公報の図5など)、3次元空間内での広がりという特徴が表現できなくなる。
さらに上記構成において、前記ゆらぎモデルが、ボクセルの色合いデータについてのゆらぎの記述も備えていることも好ましい。ここで、色合いデータとは画素の色表現に関するデータであり、例えば、加法混色のRGBデータ、減法混色のCMYKデータ、顕色系であるマンセル表色系データやHIS表色系データなどが挙げられる。
本発明では、描画対象となる物理現象が持つ特徴的なゆらぎを記述したゆらぎボリュームという概念を導入し、各ボクセルのサンプリング処理において、当該ゆらぎボリュームを参照しつつボクセルのサンプリング処理にゆらぎを与えるものである。
図1は本発明の実施例1にかかるボリュームデータのレンダリングシステムにおけるレンダリング処理の基本的な流れを模式的に示した図である。
従来技術のボクセルのサンプリング処理では、図11に示したようにレイの通り道に沿って一定間隔でボクセルをサンプリングするものであり、サンプリングされるボクセルは固定的であった。図12に示したスライス状のサーフィスモデルの概念を取り込んだ従来技術でのボクセルのサンプリング処理も、サーフィス間の距離が固定的であり、結局、レイの通り道に沿って一定間隔でボクセルをサンプリングするものと同様であると言える。
200はボリュームデータのボクセルデータセットである。ボクセルを格子単位として形成されている。201はサンプリングされるボクセルを模式的に表している。300はレイである。
最終的に描画される画素値は、対応するレイの通り道に沿ってゆらぎ処理を経てサンプリングされているボクセルについて下記数2を積分したものとなる。
なお、図1に示した積分処理(S4)、各画素の描画処理(S5)については、図10に示した従来技術によるボリュームレンダリング処理の流れと同様で良い。
以上が、本発明のボリュームレンダリングシステムの基本的な処理の流れである。
図3は、具体的に処理モジュールによってボリュームデータレンダリングシステム100を構築した例を示す図である。各処理モジュールは汎用的なCPUとメモリシステムの組み合わせで構成しても良く、DSPなど専用アクセラレータを用いても良い。
レイキャスティングモジュール130は、サンプリングゆらぎ座標 U(t,d) を基にボクセルデータセット生成モジュール120にアクセスし、それぞれの座標位置のボクセルの輝度値と不透明度を取得する。その後、積分モジュール132において、数式2に基づいた積分が施される。この積分値が対象としている画素の画素値となる。
ボリュームデータのシミュレーション表示が動画である場合、所定のフレーム周期ごとにフレームを書き換える必要がある。そのためレイキャスティングモジュール130と描画モジュール140はループを形成しており、例えば、1秒30フレームで表示する場合、上記レイキャスティングモジュール130と描画モジュール140によるループ処理を1秒間に30回繰り返す。この30フレームの可視化画像において、ボクセルのサンプリング座標位置についてボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎを反映するゆらぎ処理が加えられているため、結果として、煙などが実際に近い形でゆらいでいるような効果を与えることが可能となる。
図4において、200はボリュームデータセットである。210はゆらぎボリュームを模式的に示している。ゆらぎボリューム210とは、ゆらぎモデルに基づいて3次元空間の各ボクセルにゆらぎの関数を配した一種の写像ベクトル空間である。ある座標 d(x,y,z)を与えられると、その座標位置のボクセルに配されたゆらぎ関数 U(t,d) に変換する。
しかし、本発明のボリュームデータレンダリングシステムでは、ゆらぎボリュームにおいて座標変換を施してからボリュームデータにアクセスする。実線の矢印で示したように、まず、ある座標 d(x,y,z)をゆらぎボリュームに与え、ゆらぎボリュームにおいて当該座標 d(x,y,z)に配されているゆらぎ関数 U(t,d) に変換する。そして変換されたゆらぎ関数 U(t,d) に基づいて、レンダリングするフレームに対応する時刻t1のゆらぎ関数 U(t1,d) を特定した上で、ボリュームデータにアクセスし、当該座標位置 d+U(t1,d) に配されているボクセルの輝度値、不透明度を取得する。
ゆらぎボリュームの一般的な形式は以下の写像で表現される。
U: (x,y,z)∈R3→R3
また、次の(1)および(2)の性質を満たすことが望ましい。
(1)平均が0であること
(2)特徴的な長さを持つこと(フーリエ変換により得られる周波数成分が特徴的なピークを持つこと)
例えば加法混色のRGB系データの場合であれば、
U: (R,G,B)∈R3→R3
例えばHSI系データの場合であれば、
U: (H,S,I)∈R3→R3
トンネル内や地下街での火災などにおいては、単に煙が自然に立ち昇るのみではなく、トンネル内や地下街における空気の流れが煙の動きに大きく影響する。ここで、空気の流れに乗った煙のマクロな移動などは、もともとシミュレーションデータ中に記述されているので、レンダリングシステムは基本的にはそのシミュレーションに従って描画すれば良い。しかし、煙などのオブジェクトはシミュレーションデータ中では粒子一つ一つの動きとして記述されているわけではなく、ボリュームデータという塊で与えられることが多い。そのため、レンダリングシステム側において適切なゆらぎ表現を行わなければ、比較的のっぺりとした塊の動きとして表現されてしまう。また、視聴者にとって煙の流速が実感しづらい場合が多かった。
図5は、本発明の実施例2にかかるボリュームデータのレンダリングシステムにおけるレンダリング処理の基本的な流れを模式的に示した図である。
本実施例2のボリュームデータレンダリングシステムは、速度場ボリュームとゆらぎボリュームを維持しつつ、これら2つの3次元ベクトル空間のボクセルに配された関数の演算を行う必要がある。そこで、同じく3次元ベクトル空間のボクセルを持ち、参照点を保持するインデックスボリュームを導入する。
図6において、ボリュームデータセット200およびゆらぎボリューム210は図4と同様である。
インデックスボリューム220を介してゆらぎモデルボリューム210を参照するので、速度場の影響で時々刻々と移動する変化をインデックスボリュームに反映させて保持することができる。例えば、下記数4のように参照点を移動する。
しかし、実施例2のボリュームデータレンダリングシステムでは、実線の矢印で示したように、速度場ボリューム230による流速表現の反映と、ゆらぎモデルボリューム210による座標変換を施してからボリュームデータにアクセスする。
レイキャスティングモジュール130は、サンプリングゆらぎ座標 u(t,i(t,d))を基にボクセルデータセット生成モジュール120にアクセスし、それぞれの座標位置のボクセルの輝度値と不透明度を取得する。その後、積分モジュール132において、前述の数2に基づいた積分が施される。この積分値が対象としている画素の画素値となる。描画モジュール140は、レイキャスティングモジュール130から積分された輝度値を受け、当該輝度値に従って画素をモニタ上に描画する。この描画モジュール140により全ての画素について描画すれば、ボリュームを可視化した一フレームが完成する。
風などボリュームデータに対する外界の影響が複雑であり空間全体にわたり一様というものではなく、場所(座標位置)によっては異なる速度を持っている速度場モデルである場合、サンプリング原座標において近くに位置し、相互に相関が強く、当初、ゆらぎボリューム内の近くのボクセルを参照していた2点について、速度場モデルにおいて異なる速度を持っている場合、時間の経過とともにインデックスボリュームでの参照点が互いに離れて行き、ゆらぎボリュームにおいて参照したボクセルのゆらぎ座標について、相互の相関性が失われ、相互のゆらぎが単にランダムなものとなってしまい、描画対象のボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎを反映した系統的なゆらぎとはならない。本発明の実施例2のボリュームデータレンダリングシステムでは、風などの影響による粒子の流速が視聴者に分かりやすく可視化できれば良いので、速度場モデルに基づいてインデックスボリューム内での参照座標のシフト量が反映できれば良く、参照座標を初期化しても大きな問題とはならない。そこで、インデックスボリュームを定期的に初期化して各ボクセルに連続した値が入っている状態に戻す工夫を施すことができる。このようにインデックスボリュームを定期的に初期化すれば、サンプリング原座標において近くに位置し、相互に相関が強いデータ間の相関性を適度に維持することができる。
トンネル内や地下街での火災などにおいては、単に煙が自然に立ち昇るのみではなく、トンネル内や地下街における空気の流れが煙の動きに大きく影響する。さらに、トンネル内の非常口の開閉、防火扉の開閉や、送風口からの送風能力の変動、地下鉄駅構内であれば電車の発着などの物体の移動など、空気の流れが大きく変わる場合がある。このような空気の流れが大きく変わる場合、空気の流れを記述する速度場モデルを変更する必要が生じる。本実施例3ではゆらぎ処理モジュール133のゆらぎモデル、速度場処理モジュール134の速度場モデルの入れ替えを柔軟に可能としている。
速度場モデルデータベース136には、非常口の開閉、防火扉の開閉や、送風口からの送風能力の変動などに応じた複数の速度場モデルが格納されている。
110 ボリュームデータ取得モジュール
120 ボクセルデータセット生成モジュール
121 輝度値決定モジュール
122 不透明度決定モジュール
130 レイキャスティングモジュール
131 サンプリングモジュール
132 積分モジュール
133 ゆらぎ処理モジュール
134 速度場処理モジュール
135 ゆらぎモデルデータベース
136 速度場モデルデータベース
140 描画モジュール
200 ボリュームデータのボクセルデータセット
201 ボクセル
202 レイ
210 ゆらぎボリューム
220 インデックスボリューム
230 速度場ボリューム
Claims (9)
- ボリュームデータを基に輝度値および不透明度が与えられたボクセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成モジュールと、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボクセルの輝度値および不透明度を基に描画すべき画素データを生成するレイキャスティングモジュールと、
前記画素データを受け、ボリュームデータを描画する描画モジュールとを備え、
前記レイキャスティングモジュールが、前記サンプリングにかかるボクセルの座標位置をゆらぎモデルに基づいて変動させることを特徴とするボリュームデータレンダリングシステム。 - 前記ゆらぎモデルが、前記ボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎを反映する系統的なゆらぎモデルである請求項1に記載のボリュームデータレンダリングシステム。
- 前記ゆらぎモデルが、ボクセルの色合いデータについてのゆらぎの記述も備えている請求項1又は2に記載のボリュームデータレンダリングシステム。
- 複数のゆらぎモデルを格納したゆらぎモデルデータベースを備え、
前記レイキャスティングモジュールが、前記ゆらぎモデルデータベースから前記ボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎを反映する系統的なゆらぎモデルを選択して装備した請求項1又は3に記載のボリュームデータレンダリングシステム。 - 前記ゆらぎモデルに基づく前記サンプリングにかかるボクセルの座標位置の変動において、前記ゆらぎの大きさおよび流れる方向について前記ボリュームデータにより表現される物理現象の移動速度を反映した速度場モデルによる調整を加えた請求項1乃至3のいずれかに記載のボリュームデータレンダリングシステム。
- 複数の速度場モデルを格納した速度場モデルデータベースを備え、
前記レイキャスティングモジュールが、前記速度場モデルデータベースから前記ボリュームデータにより表現される物理現象の移動速度を反映した速度場モデルを選択して装備する請求項4に記載のボリュームデータレンダリングシステム。 - 前記ゆらぎモデルが、各ボクセルにゆらぎ関数を配したゆらぎボリュームの形で定義され、前記速度場モデルが、各ボクセルに速度を表す関数を配した速度場ボリュームの形で定義され、
前記ゆらぎボリュームにおいてどのボクセルを参照しているかを示す参照情報を保持するインデックスボリュームを備え、
前記インデックスボリュームを介して前記ゆらぎボリュームと前記速度場ボリュームとを連携させ、
前記レイキャスティングモジュールが、前記速度場ボリュームによる前記物理現象への影響を反映させて前記インデックスボリュームの参照情報を更新し、前記更新にかかる参照情報が示すゆらぎボリュームのボクセルに配されているゆらぎ関数を用いて前記サンプリングにかかるボリュームデータのボクセルの座標位置を変動させる請求項5または6に記載のボリュームデータレンダリングシステム。 - ボリュームデータを基に輝度値および不透明度が与えられたボクセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成処理ステップと、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボクセルの輝度値および不透明度を基に描画すべき画素データを生成するレイキャスティング処理ステップと、
前記画素データを受け、ボリュームデータを描画する描画処理ステップとを備え、
前記レイキャスティング処理ステップにおいて、前記サンプリングにかかるボクセルの座標位置をゆらぎモデルに基づいて変動させることを特徴とするボリュームデータレンダリング処理プログラム。 - ボリュームデータを基に輝度値および不透明度が与えられたボクセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成手順と、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボクセルの輝度値および不透明度を基に描画すべき画素データを生成するレイキャスティング手順と、
前記画素データを受け、ボリュームデータを描画する描画手順とを備え、
前記レイキャスティング手順において、前記サンプリングにかかるボクセルの座標位置をゆらぎモデルに基づいて変動させることを特徴とするボリュームデータレンダリング処理方法。
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