JP2627607B2 - ボリュームレンダリング方法 - Google Patents

ボリュームレンダリング方法

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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T15/003D [Three Dimensional] image rendering
    • G06T15/50Lighting effects
    • G06T15/506Illumination models

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、陰影付けを行うことに
よって物体の2次元投影像をデイスプレイ装置に立体的
に表示するボリュームレンダリング方法に係り、特に半
透明物体の表面におけるハイライト表現の補正に関す
る。
【0002】
【従来の技術】技術的、医学的イメージ画像をデイスプ
レイ装置の画面に立体的に表示するボリュームレンダリ
ングでは、半透明な物体の奥行き感や表面形状の特徴を
操作者に視覚的に把握させる上で、半透明物体の表面上
での鏡面反射によるハイライトは重要な要素となる。
【0003】ボリュームレンダリングでは、適当なシェ
ーデイングモデルを用いてボリュームをシェーデイング
(陰影付け)し、不透明度によってボリュームを重み付
けして、その重みにしたがってシェーデイングされたボ
リュームをスクリーン上へ投影することにより立体的な
画像が生成される。
【0004】従来のボリュームレンダリングにおけるレ
イ・トレーシング法では、下記の関係式の通り、色・不
透明度ボリュームのサンプリング点でのデータをスクリ
ーンの画素に投影することにより、立体的な画像を形成
している。
【数2】 ここに、Cpixel:ピクセルの色の値 Ci:サンプリング点iの色の値 αi:サンプリング点iの不透明度 αj:サンプリング点jの不透明度
【0005】上記ピクセルの色Cpixelは、図1に示す
ように、物体1を透過する光線2に沿った各サンプリン
グ点iのデータをたし合わせたものである。そして、上
記Ciは下記の関係式で求められる。
【数3】 ここに、c:物体の本来の色の値 Ka:環境反射係数 Kd:拡散反射係数 Ks:鏡面反射係数 p:鏡面反射強調係数 N:サンプリング点での正規化されたグラデイエントベ
クトル V:視点の方向ベクトル Rj:サンプリング点からのj番目の光源の反射光の方
向ベクトル Lj:j番目の光源の方向ベクトル Ij:j番目の光源の強度 Ia:環境光の強度
【0006】上記式3で右辺の第1項目は環境反射成
分、第2項目は環境反射成分、第3項目は鏡面反射成分
にそれぞれ対応し、各種の反射光による影響が考慮され
ている。
【0007】上記のように不透明度によってボリューム
を重み付けして、シェーデイングされたボリュームをス
クリーン上へ投影する方法に加え、更に、各ボリューム
内で表させている材料に基づいて色と不透明度を割り当
てる方法も、例えば特開昭63−24478号公報に記
載されるように公知である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】半透明な物体の特徴を
人間が視覚的に把握する上で重要なハイライトは鏡面反
射によるものであり、上記式3から判るように、鏡面反
射が大きな部分(すなわち、ハイライト表現が強い部
分)は色の値が大きく成らなくてはならない。
【0009】しかしながら、前記式2から明らかなよう
に、不透明な物体の表面ではその不透明度が大きいため
生成される画像の画素値の色は大きな値を示すが、半透
明な物体の表面ではその不透明度が小さいために生成さ
れる画像の画素値の色は小さな値を示すことになる。
【0010】ここで、従来のボリュームレンダリングに
あっては、半透明な物体について、物体の表面で鏡面反
射成分が如何に大きくても上記各サンプリング点での不
透明度αをそのまま用いていた。このため、半透明な物
体では、表面の鏡面反射成分が大きくても不透明度が小
さいことから、表面上に十分なハイライト表現が成され
ず、物体の特徴を十分に表現することができなかった。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明のボリュームレン
ダリング方法は、請求項1に記載されるように、物体表
面の鏡面反射が大きい部分については当該鏡面反射成分
の大きさに基づいて不透明度を大きくした物体の画像を
形成することを特徴とする。これによって、半透明な物
体にあっても鏡面反射が大きい部分については色の値を
大きくして、十分なハイライト表現がなされるようにす
る。
【0012】また、請求項2に記載される発明では鏡面
反射成分に比例して不透明度を強調する。
【0013】また、請求項3に記載される発明では、ボ
リュームデータからシェーデイングのための鏡面反射成
分を算出した後に、当該鏡面反射成分を用いて強調され
た不透明度の算出を行う。
【0014】また、請求項4に記載される発明では、強
調された不透明度を特定の関係式から求めることとし、
当該関係式に用いられる付加的な不透明度、本来の不透
明度及び調整関数は予めテーブルに用意し、入力された
ボリュームデータから両不透明度を導出する一方、ボリ
ュームデータから算出されたシェーデイングのためのグ
ラデイエントベクトルの大きさから調整関数を導出して
強調された不透明度を求める。
【0015】
【作用】請求項1の発明によれば、半透明な物体にあっ
ても鏡面反射が大きい部分については不透明度を見かけ
上大きくすることにより色の値を大きくして、十分なハ
イライト表現がなされるようにする。
【0016】また、請求項2に記載される発明では、鏡
面反射に応じた十分なハイライト表現が実現される。
【0017】また、請求項3に記載される発明では、鏡
面反射成分をシェーデイングと不透明度の強調のために
利用して、演算処理の省略化を図る。
【0018】また、請求項4に記載される発明では、強
調される不透明度の算出のために用いる各種の値をテー
ブル化して、処理の高速化を図る。
【0019】
【実施例】本発明を実施例に基づいて具体的に説明す
る。本発明はCPU、メモリ装置、デイスプレイ装置等
のハードウエアを備え、基本的なソフトウエアを搭載し
た公知のコンピュータ装置を用いて実施され、当該コン
ピュータにアプリケーションプログラムとして搭載され
る。
【0020】本発明が適用できるシェーデイングモデル
は鏡面反射成分が考慮されているものであればどれでも
よいが、本実施例ではフォン(Phong)のモデルを用い
る。
【0021】シェーデイングモデルにおける物体中の各
サンプリング点の色データCiおよび、これに基づいて
不透明度を加味して求められるピクセルの色C
pixelは、前記のように公知の関係式から求められる。
【0022】本発明では色Cpixelを求める際に用いる
各サンプリング点の不透明度αiを鏡面反射成分に応じ
て強調する。この実施例では式4に示すように鏡面反射
成分に比例して不透明度αiが大きくなるように設定し
てある。
【数4】
【0023】尚、αsは鏡面反射成分で強調するために
導入した付加的な不透明度である。この付加的な不透明
度は鏡面反射成分の最大値を分母とした式5に示す値に
設定され、図4に示すように、入力されたデータ値によ
って0≦αs≦1の値を示すように設定してある。この
ように付加的な不透明度を設定することにより求める不
透明度が0≦αi≦1に収まるようにしてある。
【数5】
【0024】また、Gはサンプリング点でのグラデイエ
ントベクトルの大きさ┃N┃によって不透明度を調整
(強調)するための関数であり、図3に示すように増加
関数(0≦G≦1,┃N┃=0:G=0,┃N┃=1:
G=1)としてある。尚、ボリュームに変化がなくグラ
デイエント┃N┃の大きさによって不透明度を強調する
必要がない場合は、G=1(定数)とすればよい。
【0025】ここで、本実施例ではシェーデイングのた
めの法線ベクトルとしてグラデイエントベクトルをボリ
ュームデータからスムージングして算出しており、この
スムージングによりデータに含まれるノイズの影響を低
減している。入力データにノイズが多く含まれる場合に
は、例えば、形成される画像に鏡面反射によるハイライ
トが斑点状に形成されてしまうことがあるが、スムージ
ングによりこのような不具合を防止することができる。
【0026】具体的には、次のようにして任意の格子点
(i,j,k)のグラデイエントベクトルN(i,j,k)を
計算している。従来では、例えば、グラデイエントベク
トルのX成分を周囲の格子点のデータDから図5に示す
演算子を用いて、 N(i,j,k)x=D(i+1,j,k)−D(i-1,j,k) として演算していた。本実施例ではこれを図6に示す演
算子を用いて、 N(i,j,k)x=D(i+1,j+1,k+1)+2D(i+1,j+1,k)+D(i+1,j+1,k-1) +2D(i+1,j,k+1)+3D(i+1,j,k)+2D(i+1,j,k-1) +D(i+1,j-1,k+1)+2D(i+1,j-1,k)+D(i+1,j-1,k-1) −D(i-1,j+1,k+1)−2D(i-1,j+1,k)−D(i-1,j+1,k-1) −2D(i-1,j,k+1)−3D(i-1,j,k)−2D(i-1,j,k-1) −D(i-1,j-1,k+1)−2D(i-1,j-1,k)−D(i-1,j-1,k-1) として演算する。すなわち、周囲の全ての格子点のデー
タを考慮してグラデイエントベクトルを演算子、これに
よってスムージングを図っている。尚、Y成分、Z成分
についても同様である。
【0027】図2には本実施例に係る主要な処理の概要
を示してあり、上記したピクセルの本来の色の値c、付
加的な不透明度αs、本来の不透明度αn、調整関数Gは
それぞれ予め求められてテーブル10、11、12、1
3として用意されている。図示のようにボリュームデー
タ15から色−不透明度ボリューム16を得るのに大き
く分けて、シェーデイングされた色の値を求める処理と
強調された不透明度を求める処理がなされる。
【0028】まず、前者の処理は、ボリュームデータ1
5のデータ値17に基づいて該当するサンプリング点で
の本来の色の値cをテーブル10から引き出すととも
に、グラデイエントベクトルN18を前記演算子を用い
て算出する。そして、このグラデイエントベクトルN1
8を用いて式3に示した環境反射成分19、拡散反射成
分20、鏡面反射成分21を算出し、環境反射成分19
と拡散反射成分20に本来の色の値cを乗じ、これらを
鏡面反射成分21とともにたし合わせて式2に示したサ
ンプリング点iの色の値Ci22を求める。
【0029】また、後者の処理は、データ値17に基づ
いてテーブル11、12から該当する付加的な不透明度
αs、本来の不透明度αnをそれぞれ引き出す一方、グラ
デイエントベクトルの大きさ┃N┃23を算出して、こ
れに基づいてテーブル13から該当する調整関数Gを引
き出す。そして、先に求めた鏡面反射成分21に付加的
な不透明度αsを乗じた後、本来の不透明度αnを加え、
更にこれに調整関数Gを乗じて式4に示したサンプリン
グ点iの強調された不透明度αi24を求める。
【0030】上記のようにして求めたサンプリング点i
の色の値Ciと強調された不透明度αiから構成される色
・不透明度ボリュームCiαiを求める。しかる後、式1
に示したように、サンプリング点iまでの参照光線に沿
った各サンプリング点(iからi−1)の透明度(1−
αj)積をCiαiに乗じ、その結果を総和してピクセル
の色Cpixelを求め、このピクセルをデイスプレイ装置
に投影して十分なハイライト表現がなされた立体像を表
示する。尚、投影法としては、レイトレーシング法の
他、スライスバイスライス法、セル投影法、スプラッテ
イング法等、公知の種々な手法を用いることができる。
【0031】上記した一連の処理の手順は種々変更する
ことができるが、鏡面反射成分21の算出は強調された
不透明度αiの算出より前の工程で行っておけば、算出
された鏡面反射成分を色の値Ciの算出と不透明度αi
算出との両方に利用することができ、処理の遅延を避け
ることができる。また、付加的な不透明度αs、本来の
不透明度αn、調整関数Gをそれぞれルックアップテー
ブル11、12、13としておくことにより、それぞれ
の値を迅速に得ることができる。上記のような鏡面反射
成分の利用及び各値のテーブル化を採用すれば、不透明
度を強調するための処理を行っても処理時間をほとんど
増大させることはない。
【0032】
【発明の効果】本発明のボリュームレンダリング方法に
よれば、画像化される物体の半透明部分における鏡面反
射によるハイライト表現が十分に行え、物体の特徴が把
握しやすい画像を表示することができる。また、算出し
た値の共用、あるいは、テーブル化によって、処置時間
の大幅な増加を抑え、ハードウエア資源の大型化を抑制
することができる。
【0033】
【図面の簡単な説明】
【図1】サンプリング点を示す概念図である。
【図2】処理の手順を示すブロック図である。
【図3】調整関数をグラデイエントベクトルとの関係を
示すグラフである。
【図4】付加的な不透明度と入力データ値との関係を示
すグラフである。
【図5】グラデイエントベクトルを求める従来の演算子
を示す図である。
【図6】グラデイエントベクトルを求める演算子を示す
図である。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半透明な部分を有する3次元物体を表現す
    るボリューム・データを各サンプリング点で評価して色
    と不透明度を割り当て、これによって得られた半透明な
    色・不透明度ボリュームをデイスプレイ装置の画面に投
    影することによりボリューム・データからシェーデイン
    グされた3次元物体を画像化するボリュームレンダリン
    グ方法において、 物体表面の鏡面反射が大きい部分については当該鏡面反
    射成分の大きさに基づいて不透明度を大きくした物体の
    画像を形成することを特徴とするボリュームレンダリン
    グ方法。
  2. 【請求項2】物体表面の鏡面反射が大きい部分について
    鏡面反射成分に比例して不透明度を強調することを特徴
    とする請求項1に記載のボリュームレンダリング方法。
  3. 【請求項3】ボリュームデータからシェーデイングのた
    めの鏡面反射成分を算出した後に、当該鏡面反射成分を
    用いて強調された不透明度の算出を行うことを特徴とす
    る請求項1に記載のボリュームレンダリング方法。
  4. 【請求項4】強調された不透明度αは、 【数1】 s:鏡面反射係数 p:鏡面反射強調係数 Rj:サンプリング点からのj番目の光源の反射光の方
    向ベクトル Ij:j番目の光源の強度 αs:鏡面反射成分で強調するために導入した付加的な
    不透明度 αn:本来の不透明度 G:グラデイエントベクトルによって不透明度を調整す
    るための関数、 の関係から求めることとし、付加的な不透明度αs、本
    来の不透明度αn及び調整関数Gは予めテーブルに用意
    し、入力されたボリュームデータから両不透明度を導出
    する一方、ボリュームデータから算出されたシェーデイ
    ングのためのグラデイエントベクトルの大きさから調整
    関数を導出することを特徴とする請求項1に記載のボリ
    ュームレンダリング方法。
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