JP3203160B2 - ボリューム・レンダリング装置及び方法 - Google Patents

ボリューム・レンダリング装置及び方法

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JP3203160B2
JP3203160B2 JP20319195A JP20319195A JP3203160B2 JP 3203160 B2 JP3203160 B2 JP 3203160B2 JP 20319195 A JP20319195 A JP 20319195A JP 20319195 A JP20319195 A JP 20319195A JP 3203160 B2 JP3203160 B2 JP 3203160B2
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    • G06T15/08Volume rendering

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、画面に3次元ボ
クセル・データを表示するボリューム・レンダリング装
置に関するものである。

【0002】

【従来の技術】ボリューム・レンダリングは、医学分野
などのCTスキャナやMRIなどから得られた3次元離
散空間に存在するデータ(ボリューム・データ)を、デ
ィスプレイなどに可視化する方法である。このようなボ
リューム・データは、3次元格子上の点(ボクセル)に
フィールドデータと呼ばれるデータを持つ。CTではこ
のフィールドデータは密度などが用いられ、この密度に
応じてボクセルに色付けすることでボリューム・データ
を表示する。これにより、データの全体の様子を理解し
やすくなる。

【0003】ボリューム・データの可視化方法として大
きく2つの種類がある。まず1つ目の方法としては、ボ
リューム・データの中で等しいデータを持つボクセルを
繋ぎ合わせた等値面を形成し、この等値面に対して面や
線などのプリミティブを割り当てて表示するサーフェス
レンダリング方法がある。もう1つは、ボクセル・デー
タをレイキャスティング法などを使用して直接表示する
方法である。まず、第1のサーフェスグラフィックスを
使用する場合は、等しいボクセル・データを結んででき
た等値面(2次元の等高線の拡張したもの)を作りあ
げ、この等値面に対して面やパッチをあてて、サーフェ
スグラフィックスでレンダリングすることで表示を行っ
ている。即ち、スライス・バイ・スライス法とも呼ばれ
る。このような等値面を作り出す手法には、MARCHING C
UBES法などの時間のかかる方法がある。このようなサー
フェスグラフィックスを利用したボリューム・レンダリ
ングでは、ボリューム・レンダリングの特徴であるボリ
ューム・データ全体を眺めることができない。つまり、
ある値をフィールドデータに持つボリューム・データし
か表示することができない。

【0004】一方、第2の直接表示するボリューム・レ
ンダリングの場合、表示する面(ディスプレイ上の面)
のピクセルからレイを発生させ、レイトレーシングと同
様な処理を行ってボクセル・データをサンプリングする
必要がある。この計算は、レイトレーシング法のよう
に、非常に多量の計算実行が必要である。このような方
法は、文献Levoy,M.,■Display of Surefaces from Vol
ume Data, ■IEEE Computer Graphics and Application
s, Vol.8, No.3, pp.29-37, 1988.やGarrity, M.P.,■R
aytracing Irregular Volume Data, ■Computer Graphi
cs, Vol24, No.5, pp.35-40,1990に記載されている。こ
のため、直接表示するためにA Generalized Object Dis
play Processor Architecture(GODPA), Voxel Processo
rやCubeや3DP4などの並列計算機が開発されている。例
えば、GODAPA装置では、Processingelement(PE)として
64個、Intermediate processor(IP)として8個、Outp
ut Processor(OP)として1個と多量のプロセッサを必要
としている。

【0005】また、以上のようなボリューム・レンダリ
ング手法ではなく、本特許と同様ボリューム・データを
スライスして、そのスライス画像を半透明表示すること
でボリューム・レンダリングを行う方法がある。この簡
易でシェーディング法とも呼ばれる方法として、特開平
5−266216の「ボリューム・レンダリングを行う
方法及び装置」がある。この特許公報では、スライスし
た平面を三角形分割し、各三角形の頂点のボクセル・デ
ータから頂点の色データを求め、三角形内部に対して
は、頂点からの補間で求めている。図16に構成図を示
す。105はベクトル勾配を計算するベクトル勾配演算
部、106は視点との距離を演算する距離演算部、10
7は等値面を抽出する等値面抽出部、108は色データ
と不透明度を計算する光学属性計算部、109はサーフ
ェスレンダリング用のスキャンコンバージョンを含む3
Dグラフィックスプロセッサ、110はボリューム・デ
ータを保持するボリューム・データ第一メモリ、111
は視点座標を保持する視点座標メモリ、112はサンプ
リング間隔を保持するサンプリング間隔メモリ、113
は勾配ベクタ演算部5と距離演算部6の結果を保持する
ボリューム・データ第二メモリである。114は等値面
抽出部から抽出された三角形のデータを保持する三角形
データ第一メモリ、116は色データと不透明度を加え
た三角形データを保持する三角形データ第二メモリであ
る。117はフレームバッファである。

【0006】以上のように構成された従来例の動作を、
図17のフローチャートをもとに以下に説明する。ま
ず、ボリューム・データをボリューム・データ第一メモ
リ110に、視点座標を視点座標メモリ111に、ボリ
ューム・データをサンプリングするサンプリング間隔
を、サンプリング間隔メモリ112に入力する(ステッ
プ101)。次に、サンプリング点におけるデータ勾配
ベクタを勾配ベクタ演算部で計算結果と、視点との距離
を計算し、これらの結果をボリューム・データ第二メモ
リ113に入力する(ステップ102)。ボリューム・
データ第二メモリのデータは、等値面抽出部107から
等値面として距離の等しい点の集合を三角形の集合を取
り出し、三角形データメモリ第一メモリ114に入力す
る(ステップ103)。光学属性計算部8では、三角形
データ第一メモリ114のデータから、三角形の頂点の
色データと不透明度の計算結果を、三角形データ第二メ
モリ116に入力する(ステップ104)。3Dグラフ
ィックスプロセッサ109は、三角形データ第二メモリ
116に保持されている三角形の頂点データから、図1
8のようなスキャンコンバージョンによって、各ピクセ
ルのデータを線形補間によって求める(ステップ10
5)。この際、ピクセルに対応するボリューム・データ
が存在するのに、補間によって求めるために、精度的に
問題がある。図18の丸マークはピクセルを示し、図1
8の従来例の点線丸が使用されないボリューム・データ
を示していおり、点線丸のピクセルのデータを求めるた
めに、3頂点のボリューム・データから補間して求めて
いる。この結果をフレームバッファ117に書き込む
(ステップ106)ことで、ボリューム・レンダリング
を実現している。

【0007】また、テクスチャ・マッピング装置として
は、特開平5−298456のテクスチャ・マッピング
方式がある。この方式は、2次元テクスチャ・マッピン
グ装置を実現したものである。図19の191は多角形
のエッジを左エッジと右エッジに分割する手段を有する
マイクロプロセッサ、192はマイクロプロセッサ19
1により分割された左エッジの補間処理をおこなう左エ
ッジ補間回路、193はマイクロプロセッサ191によ
り分割された右エッジの補間処理を行う右エッジ補間回
路、194は左エッジ補間回路192と、右エッジ補間
回路193から出力される2つの点データを入力とし
て、上記2点から決まるスキャンラインに平行な直線を
補間するピクセル補間回路、195はテクスチャのデー
タを保持し、ピクセル補間回路194が出力するテクス
チャ・アドレスを入力として、そのアドレスの示すテク
スチャ・データを出力するテクスチャ・メモリ、196
は左エッジ補間回路192と右エッジ193から構成さ
れ、図21のような多角形ABCDをスキャンライン上
の線分L1R1,L2R2に分割するエッジのスキャン
変換を行うスキャン変換部である。

【0008】図20は、図19に示される左エッジ補間
回路192と、右エッジ補間回路193とピクセル補間
回路194の一例を示す図である。201は表示画面の
X座標を補間しながら生成する補間回路、202は表示
画面のY座標を補間しながら生成する補間回路、203
は表示画面のZ座標を補間しながら生成する補間回路、
204はテクスチャ平面のX座標Xtを補間しながら生
成する補間回路、205はテクスチャ平面のY座標Yt
を補間しながら生成する補間回路である。

【0009】次に、これらの図と図21を用いて従来の
テクスチャ・マッピング装置の動作について説明する。
マイクロプロセッサ141に画面に表示する多角形の頂
点データA,B,C,DのX,Y,Z座標値と、各頂点
A,B,C,Dに対応するテクスチャの頂点Ma,M
b,Mc,Mdのテクスチャ・アドレスMx,Myを設
定する。マイクロプロセッサ141は、画面上に描画さ
れる多角形のエッジを左エッジADCと右エッジABC
に分割する。このとき、エッジの各頂点に対応するテク
スチャのエッジもMaMbMcとMaMdMcに分割す
る。この多角形分割は、多角形を構成する頂点の中で、
Y座標が最大値である頂点と最小値である頂点がエッジ
の端点になるように行なわれる。

【0010】次に、左エッジと右エッジのそれぞれの始
点となる頂点AのX,Y,Z座標値と、頂点Aに対応す
るテクスチャの頂点MaのX座標値Mx,Y座標値My
が、左エッジ補間回路192と右エッジ補間回路193
のそれぞれのX,Y,Z,Mx,Myの補間回路20
1,202,203,204,205に設定される。各
補間回路の始点AのX,Y,Z,Mx,My値に差し込
まれる補間値を、マイクロプロセッサ191が計算す
る。この補間値は、エッジ端点間の差分をYの差分で割
ったものである。ただし、Yの補間値は1に固定であ
る。これらの補間回路では、始点の値に順次、補間値を
加算していくことで、Y座標の一番小さい点からY軸正
方向に補間していき、左エッジ補間回路192は頂点L
1,L2,Dを生成し、右エッジ補間回路193は頂点
R1,R2,R3,R4,Bを生成する。

【0011】このエッジ補間処理では、Y方向に関して
は左エッジ補間回路192、右エッジ補間回路193と
もに同じ補間値(=1)を加算していくので、各エッジ
補間回路から出力される左右エッジ上の点は、同一スキ
ャンライン上の点となっている。例えば、A点から始め
ると、始めの補間によって左エッジ補間回路192から
は頂点L1、右エッジ補間回路193からはL1と同一
Yライン上に頂点R1が発生される。この2頂点は、Y
方向に関して同一スキャンライン上の点となっている。

【0012】ピクセル補間回路194では、左右エッジ
補間回路から出力される頂点間を結ぶような点を生成す
る。例えば、頂点L1と頂点R1の間を埋める様な点P
1,P2を生成する。左エッジ補間回路192からの出
力される頂点L1のデータX,Y,Z,Mx,My座標
値は、ピクセル補間回路144の始点データとして各補
間回路に入力される。また、マイクロプロセッサ191
は、左右エッジ補間回路192,193から出力される
頂点L1,R1のデータを読み込み、スキャンライン上
L1R1間の点を生成するための補間値を計算する。こ
の計算は、2頂点間のZ,R,G,Bの差分をXの差分
で割ったものを用い、ピクセル補間回路194の各補間
回路に設定する。ただし、このとき、ピクセル単位に補
間処理を行うために、X方向の補間値は単位である1
を、Y方向の補間値には同一Y値であるため0を設定す
る。ピクセル補間回路194は、エッジ補間回路と同様
に動作し、スキャンライン上の点P1,P2を生成す
る。

【0013】ピクセル補間回路194から出力される点
のX,Y,Z座標値は、フレームメモリに出力され、M
x,My座標はテクスチャ・メモリに入力される。テク
スチャ・メモリではMx,My座標で示されるアドレス
の色情報R,G,Bをフレームメモリに出力する。フレ
ームメモリに出力されたX,Y,Z座標値と、R,G,
Bの色データにより画面に描画が行われていた。

【0014】

【発明が解決しようとする課題】従来のボリューム・レ
ンダリング装置は、以上のように構成されていたので、
レイトレーシングを高速に行うためのボリューム・レン
ダリング用の特別なハードウェアを必要とするか、ソフ
トウェアで処理するため処理が遅いという課題があっ
た。また、スライス断面を重ね合わせる特許公報では、
三角形内部ピクセルのカラー値と不透明度は、サンプリ
ングされた頂点間を補間することで求めているため、三
角形内部は実際のボリューム・データとは異なったイメ
ージが生成される可能性があり、また、ボリューム・デ
ータを拡大縮小した際に、ボリューム・データのサンプ
リングが粗くなる場合に、正しいレンダリングイメージ
を生成できないという課題があった。しかし、実際には
そのピクセルに対応するボリューム・データが存在して
おり、このピクセルに対応するボリュームでデータを使
うことで本手法は表示品質を向上できる。

【0015】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記のよう
な課題を解消するためになされたもので、例えば、既存
のテクスチャ・マッピング装置などのマッピング装置に
改良を加え、制御方法を変更することで、簡単にボリュ
ーム・レンダリングができる装置を得ることを目的とす
る。この際に、ボリューム・データの解像度内では補間
せずに、正しくボリューム・イメージを生成し、ボリュ
ーム・データの解像度を越える場合は、ボクセル・デー
タ間で補間処理して、ボリューム・データを高品質に生
成するボリューム・レンダリング装置を得ることを目的
とする。

【0016】本発明に係るボリューム・レンダリング装
置は、原ボリューム・データを記憶するボクセル・メモ
リと、このボリューム・データが表すボリューム・オブ
ジェクトを視点から見た平面にスライスするボリューム
平面のパラメータを計算し、またボリューム・オブジェ
クトをマッピングするマッピング・オブジェクトを視点
座標系に設定してボリューム平面に対応するマッピング
・オブジェクトをスライスする3次元マッピング平面の
パラメータも計算し、更に上記3次元マッピング平面に
グラフィックス処理をして2次元マッピング平面に変換
するパラメータ設定手段と、ボリューム平面を示すボク
セルメモリ・アドレスと、3次元に拡張したマッピング
平面を示す画像メモリ・アドレスを必要に応じて補間し
て生成するアドレス生成手段と、ボリューム平面をマッ
ピング平面にマッピングした内容を記憶し、また後述の
ブレンディング手段出力の画像を書き戻す画像メモリ
と、ボクセル・メモリからのデータを画像メモリからの
マッピング平面にマッピングして半透明のブレンディン
グされたボリュームレンダリング・データを得るブレン
ディング手段を備えた。

【0017】また更に基本構成において、パラメータ設
定手段は、ボリューム・オブジェクトをボリューム平面
で切り出して得られる多角形を三角形に分割し、またマ
ッピング・オブジェクトを3次元マッピング平面で切り
出して得られた多角形も対応して三角形に分割し、この
得られた対応三角形にグラフィックス処理をして2次元
のマッピング平面上の三角形に変換するパラメータ設定
手段とし、またアドレス生成手段も対応するようにし
た。更に、アドレス生成手段は、左右エッジから補間し
て生成するようにした。また更に、マッピングに際して
ボクセル・メモリから読み出すボクセル・データとし
て、指定されたアドレスに最も近いボクセルを選択する
か、またはbilinear補間でデータを得るように
した。

【0018】この発明に係るボリューム・レンダリング
方法は、原ボリューム・データが表すボリューム・オブ
ジェクトに対応するマッピング・オブジェクトを設定す
るステップと、視点方向から見た平面にボリューム平面
を設定するステップと、ボリューム・オブジェクトに対
応するマッピング平面を設定するステップと、ボリュー
ム平面上のデータをテクスチャ・データとしてマッピン
グ平面上のデータとでテクスチャ・マッピング処理をす
るステップと、マッピング平面上のデータを半透明描画
のためのブレンディングをしながら表示メモリに書き戻
すステップを備えた。

【0019】

【発明の実施の形態】

実施の形態1.以下に、この発明のボリューム・レンダ
リング装置の構成を図1について説明する。図1におい
て、11はボクセル・メモリで、描画対象となるボリュ
ーム・データを記憶する。12はパラメータ計算手段
で、ボリューム空間内に設定したボリューム・オブジェ
クトとボリューム空間に設定した視点と、注視点からボ
リューム・オブジェクトをスライスするボリューム平面
を決定し、ボリューム・オブジェクトをマッピングする
マッピング・オブジェクトを視点座標系空間に設定し、
更に、ボリューム平面をマッピングする3次元マッピン
グ平面を視点座標系空間に決定し、その3次元マッピン
グ平面をグラフィックス処理を施し、2次元のマッピン
グ平面に変換する。13はアドレス生成手段で、ボリュ
ーム平面に含まれるボクセルを示すボクセルメモリ・ア
ドレスと、マッピング平面を示す画像メモリ・アドレス
を生成する。14は画像メモリで、ボリューム平面をマ
ッピング平面にマッピングした内容を記憶し、画像メモ
リ・アドレスによって示されるデータのリード/ライト
が可能である。15はブレンディング手段で、ボクセル
・メモリから読み出したデータと、画像メモリ14から
読み出したデータをブレンディングする。上記ボクセル
・メモリ11ないし画像メモリ14は、テクスチャ・マ
ッピング装置としても必須の構成要素であり、これをボ
リューム・レンダリング用に3次元に拡大アレンジし、
ブレンディング手段15を付加している。

【0020】次に、図2に示した具体例を用いて、その
動作について説明する。まず最初に、本手法の概要を説
明する。本手法は、ボリューム・データを定義するボリ
ューム・オブジェクトと、ボリューム・データをマッピ
ングするマッピング・オブジェクトの2つのオブジェク
トを用意する。例えば、両オブジェクトを6面体とする
と、各頂点間に対応関係をもたせて、ボリューム・オブ
ジェクトの内容をマッピング・オブジェクトにマッピン
グすることで、描画を行う方法である。このマッピング
方法は、ボリューム・オブジェクトを視点からの距離に
応じてスライスしたボリューム平面と、前述の対応関係
に基づいて、ボリューム平面に対応するようなマッピン
グ・オブジェクトにおけるマッピング平面を設定し、こ
の2平面間でテクスチャ・マッピングと同様なマッピン
グ処理を行う。切り出された複数のマッピング平面を画
像メモリに書き込む際に、ブレンディングを行うこと
で、ボリューム・レンダリングを行う。即ち、元のボク
セル・メモリからのデータを、視点面から見たマッピン
グ・オブジェクト中の複数の距離面でスライスしてマッ
ピングし、重層表示するので、正確なデータが得られ、
テクスチャ・マッピングの装置又は思想が利用できて、
しかも、距離データも織り込めることになる。

【0021】以下に、図3のフローチャートと図1の構
成図をもとに動作を説明する。前提として、CTスキャ
ナやMRI、超音波センサで得られた2次元断面画像
が、画像処理などの手法や色計算などを施された上で、
ボクセル・メモリにボリューム・データとして記憶され
ているとする。まず、3次元ボリューム・データを表示
するために、ボクセル・メモリ11内にマッピングする
領域を決めるボリューム・オブジェクトを設定する(ス
テップ1、従来のステップ101,102,104に相
当)。次に、このボリューム・オブジェクトをマッピン
グするマッピング・オブジェクトを、視点座標系空間に
設定する(ステップ2)。例えば、図2(a)のような
ボクセル・メモリ11に定義されているボリューム・オ
ブジェクトに対して、図2(d)のように、マッピング
・オブジェクトとして立方体を設定する。このとき、視
点座標系空間のマッピング・オブジェクトのAv,B
v,Cv,Dv,Ev,Fv,Gv,Hvと、ボクセル
・メモリ空間のボリューム・オブジェクトのAb,B
b,Cb,Db,Eb,Fb,Gb,Hbをそれぞれ対
応付ける。

【0022】更に、視点座標系空間とボクセル空間で同
様に設定された視点と、視線方向から求まるボリューム
・オブジェクトを切断するボリューム平面の方程式を求
め(ステップ3)、前述の対応関係の基づいてボリュー
ム平面に対応するマッピング・オブジェクトを切断する
マッピング平面の方程式を求める(ステップ4、従来例
のステップ103相当)。例えば、視線ベクトルを
(a,b,c)とすると、これを法線ベクトルとする平
面方程式は、以下の式(1)になる。 ax+by+cz=d (1) ここでdは任意の定数で、視点と平面との距離の関係を
示している。複数の断面の設定は、このdを変えて行
う。図2(b)は、dを変えた平面列の一例である。こ
の定数dは、ボリューム・オブジェクトの構成に応じて
任意に設定可能である。以上のボリューム平面とマッピ
ング平面の計算を、パラメータ計算手段12で行い、ボ
リューム平面のパラメータと、グラフィックス処理を施
され2次元の画像メモリの空間に変換されたマッピング
平面のパラメータを、アドレス生成手段13に設定す
る。図2(c)は、スライスされたボリューム平面、図
2(e)は、2次元の画像メモリ14の空間に変換され
たマッピング平面を示す。

【0023】アドレス生成手段13は、ボリューム平面
を構成するボクセルを示すボクセルメモリ・アドレス
を、ボクセル座標系の直交3軸のそれぞれに対して補間
処理を行いながら生成する。また、同様にマッピング平
面を構成する画素を示す画像メモリ・アドレスを、画像
メモリ内の直交2軸のそれぞれに対して、補間処理を行
いながら生成する(ステップ5、従来例のステップ10
5相当)。こうして、マッピング平面に多層のデータを
書き込んでいく。

【0024】次に、画像メモリ・アドレスとボクセルメ
モリ・アドレスは、ブレンディング手段15に設定され
る。ボクセルメモリ・アドレスで示されたボクセル・メ
モリ11のデータは、ブレンディング手段15に読み出
され、更に、ブレンディング手段15は、画像メモリ・
アドレスで指示される画像メモリ14のデータを読み出
し、ボクセル・メモリ11から読み出したデータと、画
像メモリ14から読み出されたデータをブレンディング
する(ステップ6、従来例のステップ106に相当)。
具体的には、図2(c)のボクセル・メモリのデータを
S、画像メモリ中のスライスしたマッピング平面上の旧
データをDold、ブレンディング後の新データをDn
ewとすると、 Dnew=αS+(1−α)Dold (2) 但し、0<α<1として、ブレンディング後のデータを
得る。ブレンディングされたデータは、画像メモリ14
の読み出したアドレスと同じアドレスに書き込む。具体
例を示すと、ボクセル・データから読み出すデータの集
合は、図2の(c)のようなボリューム平面で表され、
この平面をブレンディングしながらマッピング平面にマ
ッピングすることで、図2(f)のようなボリュームレ
ンダリング・イメージを生成する。

【0025】また、図22のように、ボリューム・デー
タを透視効果を施したイメージを生成する場合に、従来
例では、ボリューム・データ全部に対して奥行きを示す
Z値で割り算をする必要がある。しかし、本実施例で
は、ステップ2のマッピング・オブジェクトを設定する
ときに、マッピング・オブジェクトを構成する頂点に対
してのみ奥行きを示すZ値で割り算を行うことで、透視
効果を実現することができる。

【0026】このように、本実施例は、正しい3次元透
視を得るために、従来例のテクスチャ・マッピング装置
を3次元を扱えるように拡張し、ブレンディング装置を
新たに付け加えることで、容易に実現することが可能で
ある。

【0027】実施の形態2.この発明の実施の形態2の
ボリューム・レンダリング装置の概念を、図4に基づい
て説明する。図4(a)は、ボリューム平面とボクセル
・メモリとの交わりが複雑な形になる場合である。この
ような場合、図4の(b)のように、切り出された多角
形を三角形1,2,3,4に分割する。図4では、三角
形ストリップ形式に分割しているが、どのような分割方
法で可能である。実施の形態1の図3のフローチャート
に、三角形分割(ステップ5b)を加えた動作フローチ
ャートが図5である。画像メモリへ書き込むマッピング
平面も、ボリューム平面で分割したものと同様な三角形
1,2,3,4に分割する。パラメータ設定手段12
は、この分割した三角形をアドレス生成手段13に設定
し、画像メモリのスキャンラインに沿って三角形内のア
ドレスを補間してマッピングを行う。分割された三角形
をすべて設定することで、複雑に切断された切断面を描
画することができ、ボリューム・レンダリングのイメー
ジを生成することができる。このように、三角形に分割
するメリットは、n角形の場合のために、複数の処理制
御を用意する必要が無い点である。

【0028】実施の形態3.この発明の実施の形態3の
装置を、図6〜9に基づいて説明する。図6は、図1で
示されるアドレス生成手段13を、本形態にアレンジし
た構成を示す図である。図において、41はパラメータ
設定手段12により、図4(c)のようにマッピング平
面から分割された三角形と、図4(b)のようにボリュ
ーム平面から分割された三角形のそれぞれの左エッジの
補間処理を行う左エッジ補間回路、42はパラメータ設
定手段12により、図4(c)のようにマッピング平面
から分割された三角形と、図4(b)のようにボリュー
ム平面から分割された三角形のそれぞれの右エッジの補
間処理を行う右エッジ補間回路、43は左エッジ補間回
路41と右エッジ補間回路42のそれぞれから出力され
るマッピング平面から分割された三角形と、ボリューム
平面から分割された三角形のエッジ上のデータを入力と
して、マッピング平面上の三角形の左右エッジ2点によ
り決まる画像メモリ14と、ボクセル・メモリ11のラ
インを補間するライン補間回路である。

【0029】図7は、図6に示される左エッジ補間回路
41と右エッジ補間回路42と右エッジと左エッジを結
ぶラインを補間するライン補間回路43の一例を示す図
である。51は画像メモリ14のマッピング平面上の三
角形のX座標を補間しながら生成する補間回路、52は
画像メモリ14のマッピング平面上の三角形のY座標を
補間しながら生成する補間回路、53は画像メモリ14
のマッピング平面上の三角形のZ座標を補間しながら生
成する補間回路、54はボクセル・メモリ11のボリュ
ーム平面上の三角形のX座標を補間しながら生成する補
間回路、55はボクセル・メモリ11のボリューム平面
上の三角形のY座標を補間しながら生成する補間回路、
56はボクセル・メモリ11のボリューム平面上の三角
形のZ座標を補間する補間回路である。

【0030】図8は、図7で示される51,52,5
3,54,55,56の補間回路の一例である。61は
補間を行う直線の始点を保持する始点レジスタ、62は
補間データを保持する補間レジスタ、63は補間された
データまたは始点レジスタ61のデータを保持する保持
レジスタ、64は保持レジスタ63のデータと補間レジ
スタ62のデータを累積加算することで補間を行う加算
器である。図9は、ボリューム平面と画像メモリ内のマ
ッピング平面上の各データの対応を説明する図である。

【0031】次に、動作を説明する。まず、マッピング
平面の分割された三角形のエッジを、左エッジと右エッ
ジとに分離する。図9を基に説明すると、この分離は三
角形を構成する頂点の中で、Y座標が最大値となる点と
最小値になる点が、エッジの端点になるように分離をす
る。つまり、図9の場合では、右エッジはA−B、左エ
ッジはA−C−Bになる。このとき、画像メモリ14内
の三角形のエッジに対応するボリューム平面から分割さ
れた三角形のエッジも、左右に分離される。つまり、右
エッジはMa−Mb、左エッジはMa−Mc−Mbにな
る。

【0032】次に、左エッジと右エッジのそれぞれの始
点となる頂点AのX,Y,Z座標と、頂点Aに対応する
ボリューム平面から分割された三角形の頂点MaのX
b,Yb,Zb座標が、左エッジ補間回路41と右エッ
ジ補間回路42のそれぞれの補間回路51,52,5
3,54,55,56のそれぞれの始点レジスタ61に
入力される。各エッジの端点間のX,Y,Z,Xb,Y
b,Zbの変化量をΔX,ΔY,ΔZ,ΔXb,ΔY
b,ΔZb、補間値をdX,dY,dZ,dXb,dY
b,dZbとすると、補間値はパラメータ設定手段11
で、次のように計算され、dX=ΔX/ΔY,dY=
1,dZ=ΔZ/ΔY,dXb=ΔXb/ΔY,dYb
=ΔYb/ΔY,dZb=ΔZb/ΔYとなる。これら
の補間値は、エッジ補間回路51,52,53,54,
55,56の補間レジスタ62に入力される。補間に必
要なデータがレジスタに設定されると、各補間回路の始
点レジスタ61のデータが保持レジスタ63に入力さ
れ、保持レジスタ63のデータと補間レジスタ62のデ
ータが加算器64において加算され、加算されたデータ
は保持レジスタに保持される。保持レジスタ63のデー
タと補間レジスタ62のデータの加算の繰り返しによ
り、右エッジの場合は、R1,R2,R3,R4,Bを
生成し、左エッジの場合は、L1,L2,Cを生成す
る。

【0033】このエッジ補間処理において、両エッジの
始点のY座標は同一であり、dY=1とするために左右
のエッジ補間回路41,42が同期動作を行うと、各エ
ッジ補間回路41,42の出力データである左右エッジ
上の点は、画像メモリ内の同一スキャンライン上の点と
なる。左エッジ補間回路41の出力データであるX,
Y,Z,Xb,Yb,Zbは、ピクセル補間回路43の
X,Y,Z,Xb,Yb,Zbのそれぞれの補間回路5
1,52,53,54,55,56の始点レジスタ61
に入力される。また、パラメータ設定手段11は、左エ
ッジ補間回路41と右エッジ補間回路42から出力され
る点のX,Y,Z,Xb,Yb,Zbデータを一旦読み
込み、これら2頂点のデータから2頂点の補間値を計算
して、ピクセル補間回路の補間レジスタ62に設定す
る。左エッジ補間回路41から出力される左エッジ上の
点と、右エッジ補間回路42から出力される右エッジ上
の点を結ぶ直線のX,Y,Z,Xb,Yb,Zbの変化
量を、ΔX,ΔY,ΔZ,ΔXb,ΔYb,ΔZb、補
間値をdX,dY,dZ,dXb,dYb,dZbとす
ると、補間値はパラメータ設定手段11で、次のように
計算され、dX=1,dY=0,dZ=ΔZ/ΔX,d
Xb=ΔXb/ΔX,dYb=ΔYb/ΔX,dZb=
ΔZb/ΔXと補間値が計算される。ピクセル補間回路
43内の補間回路51,52,53,54,55,56
の動作は、エッジ補間回路の場合と同じであり、補間に
必要なデータがレジスタに設定されると、補間回路の始
点レジスタ61のデータが保持レジスタ63に入力さ
れ、保持レジスタ63のデータと補間レジスタ62のデ
ータが加算器64において加算される。加算されたデー
タは保持レジスタ63に入力され保持される。保持レジ
スタ63のデータと補間レジスタ62のデータの繰り返
しにより、ライン上のアドレスを生成する。以上の処理
によって、アドレス生成手段からボリューム平面が構成
するボクセルメモリ・アドレスと、マッピング平面が構
成する画像メモリ・アドレスが生成され、ボリューム・
レンダリングを実現する。

【0034】実施の形態4.この発明の実施の形態4の
装置を図10を用いて説明する。図10は、画像メモリ
14bをフレームメモリと兼ねて、画像メモリとしてま
るめこんだ整数データを記憶する整数型画像メモリとし
たボリューム・レンダリング装置の構成図である。動作
は実施の形態1の装置と同様である。ブレンディングす
る際に、書き込む値を整数型にすることで、画像メモリ
以外にフレームメモリを持つ必要がなく、コストダウン
を図れる。

【0035】実施の形態5.この発明の実施の形態5の
装置を図11を用いて説明する。図11は、図1のボリ
ューム・レンダリング装置の構成に96のフレームメモ
リ、97のホストCPU、98のディスプレイ、99の
バスを追加したものである。基本的動作は、実施の形態
1の装置と同じであり、ホスト97は描画するボリュー
ム・データをボクセル・メモリに登録し、視点や注視点
を設定し、パラメータ設定手段13へ指示を出す。画像
メモリ14は、浮動小数点型のRGBデータを持つ。画
像メモリが浮動小数点型のデータを持つので、複数枚の
ボリューム平面を重ね合わせた場合でも、整数型を持つ
画像メモリの場合よりも精度良くボリューム・データの
マッピングができる。複数枚のボリューム平面を重ね終
えた後、ホスト97は画像メモリ14のデータを整数型
に変換した後、フレームメモリ96に転送し、ディスプ
レイ98でボリューム・レンダリングされたイメージを
表示する。

【0036】実施の形態6.動作を簡単にするため、実
施の形態1の装置のボクセル補間器において、アドレス
補間で示されたアドレスに最も近いボクセルからデータ
を読み出して、それをボクセルのデータとすることでボ
リューム・レンダリングを行う。図12は、この方法の
概念を説明する図である。図12(a)で示されるボリ
ューム空間におけるボリューム平面上のアドレスが、図
1(b)(指定されたアドレスの付近の拡大図)のよう
に、ボクセルを示さない場合、最も近いボクセルDを選
び、このボクセルDのデータを指定されたアドレスのデ
ータとして用いることで、簡単にデータを読み出せる。
図13は、その動作フローを示した図である。

【0037】実施の形態7.正確にデータ補間するた
め、実施の形態1の装置のボクセル補間器において、ア
ドレス補間の際に、指定されたアドレス付近の8個のボ
クセルからbilinear補間して、それをボクセル
・データとすることで、ボリューム・レンダリングをす
る。図14は、bilinear補間の概念を説明する
図である。図14の(a)で示されるボリューム空間に
おけるボリューム平面上のアドレスが、図14(b)
(指定されたアドレスの付近の拡大図)のように、ボク
セルを示さない場合、周辺のボクセルによるbilin
ear補間を行う。bilinear補間は、ボクセル
ABEGのデータ補間よりUPにおけるデータを求め、
ボクセルCDFHのデータ補間より、DOWNにおける
データを求める。このUPとDOWN間のデータを補間
することで、アドレスで示される位置のデータを求め
る。この補間処理により補間を行わない場合より計算量
は多くなるが、高品質なボリューム・レンダリングが可
能となる。図15(a)は、その動作フローを示す図で
ある。図15(b)は、動作フローの各ステップでの補
間計算の論理を示す論理式を示す図である。

【0038】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、下記のような効果がある。3次元のボリューム
・データをスライスした多数の2次元画像を、ブレンデ
ィングしながらマッピング処理するので、従来のマッピ
ング装置を応用でき、簡単にボリューム・レンダリング
が可能となる。また、深さ方向の距離計算が簡単にな
る。また、ボリューム・データを読み出す際に、補間処
理を行うことで、ボリューム・データを拡大縮小した場
合でも、正確に表示できる。

【図面の簡単な説明】

【図1】 この発明の実施の形態1のボリューム・レン
ダリング装置の構成と概念を示す図である。

【図2】 図1のボリューム・レンダリング装置の処理
内容を説明する図である。

【図3】 図1の装置の動作を示すフローチャート図で
ある。

【図4】 この発明の実施の形態2のボリューム・レン
ダリング装置の三角形分割動作を説明する図である。

【図5】 実施の形態2の装置の動作を示すフローチャ
ート図である。

【図6】 実施の形態3のボリューム・レンダリング装
置のアドレス生成手段の構成図である。

【図7】 図6のアドレス生成手段内のエッジ補間回路
とピクセル補間回路を示す図である。

【図8】 図7のの補間回路の詳細構成図である。

【図9】 ボリューム・レンダリング装置の三角形のエ
ッジ分割と画像メモリ内の画素生成の対応を説明する図
である。

【図10】 実施の形態4の画像メモリをフレームメモ
リと共用したボリューム・レンダリング装置の構成図で
ある。

【図11】 実施の形態5の画像メモリとは別にフレー
ムメモリを持つボリューム・レンダリング装置の構成図
である。

【図12】 実施の形態6のボリューム・レンダリング
装置で隣接ボクセルの選択動作を説明する図である。

【図13】 図12の選択動作を示すフローチャート図
である。

【図14】 実施の形態7のボリューム・レンダリング
装置でbilinear補間動作を説明する図である。

【図15】 図14の補間動作を示すフローチャート図
である。

【図16】 従来のシェーディング法によるボリューム
・レンダリング装置の構成を示すブロック図である。

【図17】 従来例の図16の装置の動作を示すフロー
チャート図である。

【図18】 従来例の補間シェーディングによるピクセ
ルの精度を示す図である。

【図19】 従来のテクスチャ・マッピング装置の構成
を示す図である。

【図20】 従来のテクスチャ・マッピング装置のエッ
ジ補間回路とピクセル補間回路の構成図である。

【図21】 従来のテクスチャ・マッピング装置におけ
るエッジ分割動作を説明する図である。

【図22】 従来のテクスチャ・マッピング装置で透視
変換を行うボリューム・レンダリングを説明する図であ
る。

【符号の説明】

11 ボクセル・メモリ、12 パラメータ設定手段、
13 アドレス生成手段、14 画像メモリ、15 ブ
レンディング手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−209583(JP,A) 特開 平5−298456(JP,A) 特開 平3−147083(JP,A) 特開 昭59−62036(JP,A) 特開 昭64−88792(JP,A) 特開 平5−266216(JP,A) 特開 昭63−186628(JP,A) 特開 平5−298456(JP,A) 特開 昭62−82470(JP,A) 特開 平6−301792(JP,A) 特表 平8−502842(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06T 15/00 200 G06T 15/00 300

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原ボリューム・データを記憶するボクセ
    ル・メモリと、 上記ボリューム・データが表すボリューム・オブジェク
    トを視点から見た平面にスライスするボリューム平面の
    パラメータを計算し、また上記ボリューム・オブジェク
    トをマッピングするマッピング・オブジェクトを視点座
    標系に設定して上記ボリューム平面に対応する上記マッ
    ピング・オブジェクトをスライスする3次元マッピング
    平面のパラメータも計算するパラメータ設定手段と、 上記ボリューム平面を示すX,Y,Z座標からなるボク
    セルメモリ・アドレスと、上記マッピング平面を示す
    X,Y,Z座標からなる画像メモリ・アドレスを補間し
    て生成するアドレス生成手段と、 上記ボリューム平面を上記マッピング平面にマッピング
    した内容を記憶し、また後述のブレンディング手段出力
    の画像を書き戻す画像メモリと、 上記ボクセル・メモリからのデータを画像メモリからの
    マッピング平面にマッピングして半透明のブレンディン
    グされたボリュームレンダリング・データを得るブレン
    ディング手段とを備え、 上記パラメータ設定手段は、ボリューム・オブジェクト
    をボリューム平面で切り出して得られる多角形をX,
    Y,Z座標で示される三角形に分割し、またマッピング
    ・オブジェクトを3次元マッピング平面で切り出して得
    られた多角形も対応してX,Y,Z座標で示される三角
    形に分割するパラメータ設定手段とし、 上記アドレス生成手段は、上記ボリューム・オブジェク
    トをボリューム平面で切り出して得られる分割三角形に
    含まれるボクセルを示すX,Y,Z座標からなるボクセ
    ルメモリ・アドレスと、上記マッピング・オブジェクト
    を3次元マッピング平面で切り出して得られた対応三角
    形に含まれる画像を示すX,Y,Z座標からなる画像メ
    モリ・アドレスを生成するアドレス生成手段であり、 アドレス生成手段は、パラメータ設定手段により3次元
    マッピング平面から分割された三角形と、ボリューム平
    面から分割された対応する三角形を各左エッジと右エッ
    ジに分け、内部データは上記左エッジと右エッジを補間
    して生成するアドレス生成手段であり、 アドレス生成手段は、 パラメータ設定手段により、3次元マッピング平面から
    分割された三角形と、ボリューム平面から分割された三
    角形のそれぞれの左エッジの補間処理を行う左エッジ補
    間回路と、 パラメータ設定手段により、3次元マッピング平面から
    分割された三角形と、ボリューム平面から分割された三
    角形のそれぞれの右エッジの補間処理を行う右エッジ補
    間回路と、 左エッジ補間回路と右エッジ補間回路のそれぞれから出
    力される3次元マッピング平面から分割された三角形の
    エッジ上のデータと、ボリューム平面から分割された三
    角形のエッジ上のデータとを入力として、3次元マッピ
    ング平面上の三角形の左右エッジ2点により決まる画像
    メモリのラインと、ボリューム平面上の三角形の左右エ
    ッジ2点により決まるボクセル・メモリのラインとを補
    間するライン補間回路とを有し、 上記左エッジ補間回路と右エッジ補間回路とライン補間
    回路とは、それぞれ、 画像メモリの3次元マッピング平面上の三角形のX座標
    を補間しながら生成する補間回路と、 画像メモリの3次元マッピング平面上の三角形のY座標
    を補間しながら生成する補間回路と、 画像メモリの3次元マッピング平面上の三角形のZ座標
    を補間しながら生成する補間回路と、 ボクセル・メモリのボリューム平面上の三角形のX座標
    を補間しながら生成する補間回路と、 ボクセル・メモリのボリューム平面上の三角形のY座標
    を補間しながら生成する補間回路と、 ボクセル・メモリのボリューム平面上の三角形のZ座標
    を補間する補間回路とを有していることを特徴とするボ
    リューム・レンダリング装置。
  2. 【請求項2】 画像メモリは、記憶する画像の色データ
    を整数の値で保持する整数型の画像メモリとし、更に表
    示用のフレームメモリを兼ねるようにしたこ とを特徴と
    する請求項1記載のボリューム・レンダリング装置。
  3. 【請求項3】 画像メモリは、記憶する画像の色データ
    を浮動小数点データとして保持する画像メモリとし、更
    に表示用のフレームメモリとは独立に設けたことを特徴
    とする請求項1記載のボリューム・レンダリング装置。
  4. 【請求項4】 また更に、マッピングに際してボクセル
    ・メモリから読み出すボクセル・データとして、指定さ
    れたアドレスに最も近いボクセルを選択することを特徴
    とする請求項1記載のボリューム・レンダリング装置。
  5. 【請求項5】 また更に、マッピングに際してボクセル
    ・メモリから読み出すボクセル・データに対して指定さ
    れたアドレスを中に含む8座標のボクセルを選択してb
    ilinear補間でデータを得ることを特徴とする請
    求項1記載のボリューム・レンダリング装置。
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