JP3445152B2 - ボリューム・データ構成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、コン
ピュータ・システムに関するものであり、特に、コンピ
ュータ・システムにおける離散的オブジェクトのグラフ
ィック・ディスプレイ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、図形レン
ダリングおよびピクセル・レンダリングの開発に続く、
コンピュータ・グラフィックスの１つの重要な分野であ
る。ボリューム・レンダリングまたは単に「ボリュー
ム」は、２次元グラフィックス装置上に表示される場合
の立体オブジェクトの内部の特性を示すために必要とさ
れる、ボリューム・データセットの直接のレンダリング
を意味する。ボリューム・データセットは体素の３次元
アレイである。これらの体素は、典型的には、規則的な
グリッド格子上に構成される。有限の距離で間隔をおく
標本ポイントとして体素は定義されてきた。各体素は位
置および値を持つ。体素位置は、３次元体素アレイ内の
位置x、yおよびzを指定する３タプルである。体素値は
その形式に依存する。例えば、体素は強度エレメントお
よびインデックス・エレメントを持つ場合がある。これ
らのエレメントは、通常、ボリューム・レンダリング・
プロセスにおいて異なる方法で取り扱われる。ボリュー
ムにおけるすべてのポイントに関する値の集合は、ボリ
ュームのスカラー・フィールドと呼ばれる。

【０００３】ボリューム・データセットは、多数の手段
によって生成され得るが、最も一般的には、３次元走査
またはサンプリング方法および数量モデリングによって
生成される。例えば、ボリューム・データセットは、磁
性共振画像形成(すなわちＭＲＩ)によって生成されるこ
とができる。この場合、３次元格子の各ポイントにおけ
る人間または動物の組織(ティッシュ)の密度が計算され
る。この情報のディスプレイが、密度変化によって表現
され、種々のタイプの組織の境界を示すことができる。
ボリューム・レンダリングは、このデータを２次元グラ
フィックス装置上に表示するプロセスである。

【０００４】ボリュームの座標系は、ソース空間と呼ば
れる。ソース空間におけるボリューム・データセットの
一番最初の体素は、座標(x₀,y₀,z₀)を持つ。x₀、y₀およ
びz₀はボリューム・データセットにおけるすべてのx、y
およびzの最低値を表し、データセット・ボリュームに
おける原点とみなされる。通常、この原点体素に関する
座標は、(0,0,0)にセットされる。

【０００５】３つの座標は、順番に、ボリューム・デー
タセットにおける画像の列、行およびスライス(厚み)に
対応する。ボリューム・データセットにおける最後の体
素は、ボリューム・データセットにおける原点ソース体
素に対して反対の斜め隅に位置する。その座標は(x_u,
y_u,z_u)と名付けられる。x_u、y_uおよびz_uはボリューム・
データセットにおけるすべてのx、yおよびz位置の最も
上の値を表す。

【０００６】ボリューム・データセットは、非常に大き
く、コンピュータ・システム資源に対する重圧となる。
例えば、ＭＲＩスキャナからの典型的なボリューム・デ
ータセットは６百７０万以上の体素を含むこともあり、
一方、形状レンダリングに関する多角形データセット
は、典型的には、５０万以下の多角形を含む。このよう
に、ボリューム・レンダリングを行う場合専用ハードウ
ェアによる加速の必要性が非常に高い。

【０００７】専用グラフィックス・ハードウェアは、グ
ラフィックス・アルゴリズムを非常に迅速に実行するよ
うに設計されていて、その速度は典型的なコンピュータ
・ワークステーションにおけるプロセッサより非常に速
い。オンチップ・キャッシュはグラフィックス・ハード
ウェア・チップまたはプロセッサ・チップ上に物理的に
所在するＲＡＭである。オンチップ・ＲＡＭは外部ＲＡ
Ｍより非常に廉価でありその実行速度は非常に速い。

【０００８】ボリューム・レンダリングにおいて、種々
の投影を基にしてレンダリングされた画像を見ることが
できなければならないことが多い。観察者の座標系は、
視認空間または画像空間と呼ばれる。それは、ボリュー
ム・データセットがどの方向から観察されそしてレンダ
リングされるかを記述する。かくして、ボリューム・レ
ンダリング・プロセスにおける重要なステップは、ソー
ス空間から視認空間へオリジナルのボリューム・データ
セットの３次元ボリューム変換である。必要とされる変
換の典型的なタイプは、ラスター・タイプのディスプレ
イ装置への投影のための入力ボリュームのズーム、パ
ン、回転および刈り込みを含む。一旦変換が行われれ
ば、ボリューム・レンダリング・パイプラインにおける
その他のステップに加えて、最近接または３線補間のよ
うな種々の再サンプリング技術が適用され、レンダリン
グのためのピクセル値が決定される。

【０００９】投射線は、ボリュームを通過する画像平面
上のピクセルから発する想像上の線分である。この投射
線上で離散的ステップを進め、各ステップにおいて投射
線に沿った標本ポイントが補間される。画像平面からボ
リュームまでの投射線に沿った標本ポイントは、投射線
がボリュームを出た後の投射線に沿った標本ポイントと
共に、レンダリングされる画像に寄与しない。ユーザに
よって要求される視認の観点によっては、ボリュームを
全く通過せず、レンダリングされる画像になにも貢献し
ない投射線が存在する。従来技術の典型的ボリューム・
レンダリング実施形態は、投射線がボリュームを通過し
ようとしまいと、あるいは投射線に沿った標本ポイント
がボリュームの範囲内にあろうとなかろうと関係なく、
投射線に沿ったすべての標本ポイントを処理する。レン
ダリング時間を減少させるため、ソフトウェアを使用し
てのみ可能であるもかかわらず、このような実施形態
は、しばしば、標本ポイントの位置を検査し追跡するた
め特別なハードウェア解決手段を必要とする。このよう
に、画像レンダリングには必要でない標本ポイントを検
査し追跡するため多くの時間およびシステム資源がレン
ダリング・プロセスにおいて無駄に使われている。これ
は、レンダリング・プロセスを非常に遅くさせ、ハード
ウェアに対する高価な支出を必要とする。

【００１０】ボリューム・レンダリングは非常に計算集
約的技術である。今日の最も強力なスーパーコンピュー
タだけが受容可能なレンダリング速度を達成することが
できる。受容可能なレンダリング速度を達成する上での
隘路の１つは、メイン・メモリにおけるボリューム・デ
ータセットの構造および検索である。ボリューム・デー
タセットは、スライスまたは画像のスタックからなる２
次元データ構造と見なされる。ボリューム・データセッ
トに関連する処理を行う場合の普通で自然な方法は、ス
ライス毎の処理である。

【００１１】しかしながら、各スライスは多数の体素を
含む。典型的ボリューム・レンダリング・アルゴリズム
は、１度に最低限３つのスライスに関する処理を行う必
要がある。これは、ボリューム・データセットにおいて
相互に次の体素が異なるスライス上に存在するためであ
る。３つのスライスにおける体素の量は、典型的には、
今日実行可能なオンチップ・キャッシュに関するいかな
るデータ記憶サイズをも上回る。連続的なスライスを通
して互いに次にあるこれら体素は、メモリに線形に記憶
されていないため、これがまたキャッシュ効率を低下さ
せる。それに加えて、スライスがボリューム・データセ
ットの幅および高さ全体に及んでいるので、スライスに
関連する処理が、所望されるまたは所望されないデータ
を含むスライスを選択することを非現実的にさせる。大
部分の状況においてはほとんどあらゆるスライスが処理
対象の体素をいくつか含む。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従って、データ構造の
観点からキャッシュ動作が効率的であるように改善され
たボリューム・レンダリング方法に対する必要性が当業
界に存在する。また、レンダリングの速度を向上させる
ためボリューム・データセットにおける所望のデータだ
けをプロセスする必要性が当業界に存在する。また、グ
ラフィックス・ハードウェアにおける外部ＲＡＭを必要
とすることなく、その代わりに小さいオンチップＲＡＭ
を利用することができる方法に対する必要性が当業界に
存在する。キャッシュ動作が効率的でなく、グラフィッ
クス・ハードウェアの効率も悪いスライス単位のボリュ
ーム・データセット処理を行わない方法もまた求められ
ている。メモリまたはディスクのような記憶媒体に線形
でかつキャッシュを十分活用できる小さいサイズでボリ
ューム・データセットを記憶することがまた必要とされ
ている。更に、レンダリング速度を向上させるため、１
回だけメモリまたはディスクからボリューム・データセ
ットを呼び出しそしてそれを処理するようなボリューム
・レンダリング方法に対する要求が当業界に存在する。
このように、明らかに、上記諸要求を充足するボリュー
ム・レンダリングのための改良されたデータ構成方法が
当業界において必要とされている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の一面は、非常に
キャッシュ効率の高い形態のボリューム・レンダリング
・システム処理を実現できるように、ボリューム・デー
タセットを小さいサブボリュームに分割するブロック化
と呼ばれるプロセスを使用してボリューム・データセッ
トを構成する。本発明の別の一面は、所望のデータを含
む場合にサブボリュームを選択して、ボリューム・レン
ダリング・システムによって該サブボリュームを処理す
る。本発明の更に別の一面は、呼び出された時１つのサ
ブボリューム全体がプロセッサ・キャッシュに十分収ま
るようなサイズにサブボリュームを構成する。本発明の
更に別の一面は、画像を効率的にレンダリングするため
専用グラフィックス・ハードウェアが小さいオンチップ
ＲＡＭだけを必要とすればよいような小さいサイズにサ
ブボリュームを構成する。本発明の更に別の一面は、キ
ャッシュ効率のため体素が記憶媒体に線形で記憶される
ようにサブボリュームの各体素タプルを線形アドレスに
変換する。本発明の更なる一面は、ボリューム・レンダ
リング・システムにおいて所望のデータを一度だけ用い
てサブボリュームを処理する。

【００１４】本発明の上記およびその他の諸側面は、キ
ャッシュ効率のよいボリューム・レンダリングおよび効
率的グラフィックス・ハードウェアの設計および活用を
可能にするボリューム・レンダリング・データ構成方法
によって達成される。本発明は、ブロック化と呼ばれる
概念を使用する。ブロック化は、ボリューム・データセ
ットを一層小さいサブボリュームすなわち小さいブロッ
クに分割するプロセスである。これらサブボリュームす
なわちブロックは、オリジナルのボリュームに復元する
必要があるときは一緒に使用される。

【００１５】各サブボリュームは元のボリューム特性を
継承する３次元ボリューム・データセットであり、ボリ
ューム・レンダリング・システムによってそのように取
り扱われる。各サブボリュームは、メイン・メモリまた
はディスク上に線形の形態で記憶される。これは、サブ
ボリュームにおける各体素タプルを線形アドレスに変換
することによって達成される。これは、サブボリューム
におけるすべての体素がメイン・メモリの連続部分に記
憶されることを意味する。使用コンピュータ・システム
および利用されているアプリケーション・ソフトウェア
の構成に基づいてサブボリュームが十分小さければ、サ
ブボリュームは呼び出された時キャッシュにうまく適合
する。典型的なサブボリュームのサイズは、キャッシュ
容量の約５％である。

【００１６】キャッシュは、メイン・メモリに線形に記
憶されているデータに対してのみ効率的であるような形
態で設計される。ボリューム・レンダリング・システム
は、一度に１つのサブボリュームを処理する。サブボリ
ューム全体がキャッシュに適合するので、プロセッサ
は、各サブボリュームを処理する時データがメイン・メ
モリから到着するのを待つ必要は決してない。ボリュー
ム・レンダリング・システムは、最初のサブボリューム
の処理を終了すると、第２のサブボリュームを取り出し
処理を開始する。このように、各サブボリュームは処理
のため一度だけ呼び出されればよく、この結果レンダリ
ング速度が大幅に向上する。

【００１７】ブロックまたはサブボリュームの使用に
は、専用グラフィックス・ハードウェアにかかる負荷を
緩和するという利点もある。小さいサブボリュームは、
そのようなグラフィックス・ハードウェアに関するキャ
ッシュが外部ではなくオンチップのものでよいようにさ
せ、チップ設計を簡単にし、チップ・キャッシュに関す
るＲＡＭを大きくせずにすませる。サブボリュームのサ
イズは、アプリケーション・プログラムによって利用さ
れているコンピュータ・システムおよびグラフィックス
・ハードウェアの特定の構成に合うように変更するする
ことができる。

【００１８】ブロック化は、オーバーラップ・ブロック
化および非オーバーラップ・ブロック化という２つの異
なる技術によって達成することができる。非オーバーラ
ップ・ブロック化技術では、各サブボリュームの基本サ
イズは６つの境界平面で規定され、それら平面の表面お
よびそれら境界平面で囲われた内部に体素が含まれる。
各サブボリュームは各サブボリュームにとってユニーク
な体素セットを保持する。この方法では、サブボリュー
ムの間の体素の重複はない。しかしながら、ボリューム
・データセットを通過して投影される投射線上の標本ポ
イントが非オーバーラップ・サブボリュームの境界の外
側に位置する可能性があり、ボリューム・レンダリング
・システムは、標本ポイントの補間および勾配計算を実
行するため、一度に複数のサブボリュームにアクセスし
なければならなくなる。このように、非オーバーラップ
・ブロック化技術では、場合によっては、処理されてい
るサブボリュームに加えて、最高２６の周囲サブボリュ
ームを呼び出し、キャッシュに記憶する必要がある。こ
の技術は、オーバーラップ・ブロック化技術と比較して
グラフィックス・ハードウェアに比較的大きい負荷をか
ける。

【００１９】オーバーラップ・ブロック化技術では、各
サブボリュームの基本サイズは６つの境界平面で規定さ
れ、それら平面の表面およびそれら境界平面で囲われた
内部に体素が含まれる。境界平面およびその上に位置す
る体素は、隣接するサブボリュームによって共有され
る。次に、各サブボリュームは、６つの新しい境界平面
に位置する最高２６の周囲サブボリュームから最も近い
体素を含むようにその基本サイズを拡張される。６つの
新しい境界平面は、オリジナルの６つの平面と平行であ
るが、y、yおよびzの各方向においてサブボリュームの
中心から１体素だけ離れて位置する。この結果、各サブ
ボリュームは、x、yおよびzの各方向において３つの体
素平面をその隣接サブボリュームと共有することにな
る。３つの共有された平面は、隣接するサブボリューム
の中間共通平面である。ボリューム・データセットの最
も外側に位置するサブボリュームの場合、ほとんどのサ
ブボリュームはサブボリュームのサイズ拡張に寄付でき
る体素を持たない。

【００２０】オーバーラプ・ブロック化技術では、ボリ
ューム・レンダリング・システムは拡張されたサブボリ
ュームの１つだけを一度に必要とする。拡張サブボリュ
ームは、x、yおよびz方向の各々においてすぐに隣接す
る体素の３つの共有平面のすべてを含もので、サブボリ
ュームを通過する投射線の上にあって、サブボリューム
の基本サイズの外側に位置する標本ポイントのいずれを
も補間し、いずれの勾配も拡大サイズに含まれる体素を
活用して計算することができる。この技術では各グラフ
ィックス・ハードウェアに対する負荷は減少するが、サ
ブボリュームのサイズの拡張のためデータ記憶能力の負
荷は増加する。

【００２１】ボリューム・データセットが上記いずれか
の技術によってブロックに分割されると、ユーザが望む
レンダリングのためのデータを含む場合、アプリケーシ
ョン・プログラムはそのサブボリュームを選択する。ア
プリケーション・プログラムによって供給されサブボリ
ュームに記憶されているパラメータによって動的に選択
が行われる。選択されないサブボリュームは、ボリュー
ム・レンダリング・システムによって処理されない。実
行中のアプリケーション・プログラムがサブボリューム
を選択するパラメータを提供しない場合、ボリューム・
レンダリング・システムはすべてのサブボリュームを処
理する。サブボリュームの選択は、所望の画像に何も寄
付しないデータはボリューム・レンダリング・システム
によって処理されないので、レンダリング時間を大幅に
減少させる。ブロック化の後、ブロック化を利用するプ
リケーション・プログラムによって複数の正射投影法ま
たは透視図法などの種々の視認平面を生成することが可
能である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下の記述は、現時点で最も十分
考察された本発明の実施形態である。本記述は、本発明
をその記述に制限するものと見なされるべきものではな
く、本発明の一般的原理を記述する目的のためにのみこ
の記述は提示されている。

【００２３】図１は、本発明を取り入れたボリューム・
レンダリング・システムを含むコンピュータ・システム
のブロック図である。図１を参照すれば、コンピュータ
・システム１００は処理エレメント１０２を含む。処理
エレメント１０２は、システム・バス１０４を経由して
コンピュータ・システム１００のその他のエレメントと
通信する。キーボード１０６はユーザのコンピュータ・
システム１００への情報の入力を可能にし、グラフィッ
クス・ディスプレイ１１０はコンピュータ・システム１
００のユーザへの情報の出力を可能にする。また、マウ
ス１０８が情報を入力するため使用され、記憶装置１１
２はコンピュータ・システム１００内のデータおよびプ
ログラムを記憶するために使用される。また、システム
・バス１０４に接続したメモリ１１６が、オペレーティ
ング・システム１１８および本発明のボリューム・レン
ダリング・システム１２０を含む。

【００２４】アプリケーション・プログラム１２２によ
って呼び出される時、線形形態でメモリ１１６に記憶さ
れたボリューム・データセットのサブボリュームが、シ
ステム・バス１０４を経由して処理エレメント１０２上
に配置されたキャッシュに書き込まれる。ボリューム・
レンダリング・システム１２０による処理から得られる
結果がシステム・バス１０４を経由してグラフィクス・
コントローラ１１４上のオンチップ・キャッシュに送ら
れる。次に、グラフィクス・コントローラ１１４が処理
されたデータをグラフィックス・ディスプレイ１１０に
送る。

【００２５】図２は、本発明のボリューム・レンダリン
グ・システムに関するボリューム・データ構成方法の流
れを示す。図２において、ブロック２０２はボリューム
・データセットをディスク記憶装置から取り出す。ブロ
ック２０４は、コンピュータ構成およびアプリケーショ
ン・プログラムに基づいてサブボリュームのブロック・
サイズを決定する。ブロック２０６において、ブロック
化技術が選択される。オーバーラップ・ブロック化技術
が選択されれば、制御はブロック２０８に移る。

【００２６】ブロック２０８は、ボリューム・データセ
ットをブロック２０４において決定されたサイズのサブ
ボリュームに分割する。各サブボリュームは、隣接サブ
ボリュームの直近周囲平面、エッジおよび隅から最も近
い体素を含むように拡張される(詳細は図５および図６
を参照して後述される)。従って、各サブボリューム
は、x、yおよびz方向において１体素だけ各隣接サブボ
リュームと重なる。

【００２７】ボリューム・データセットの周囲境界の近
くにあるサブボリュームを作成する際、サブボリューム
がボリューム・データセットの境界の外側に広がるよう
に、サブボリュームのサイズが決定される。この状況
は、次のような３つの方法のうちの１つで取り扱われる
ことができる。第１は、すべてのサブボリュームがボリ
ューム・データセットの境界内に入るように、すべての
サブボリュームは決定したサイズより小さくすることが
できる。これは、最も好ましくないオプションである。
第２は、適合しないサブボリュームだけを決定サイズよ
り小さくする方法である。最後は、ボリューム・データ
セット境界の外側に出るタプル位置を、ゼロまたはその
他なにか重要でない値で埋める方法である。これは、本
発明の好ましい実施形態のための好ましいオプションで
ある。

【００２８】ブロック２０６において非オーバーラップ
技術が選択されれば、制御はブロック２１０に移る。ブ
ロック２１０は、ボリューム・データセットをブロック
２０４で決定されたサイズのサブボリュームに分割す
る。各サブボリュームは、他のいかなるサブボリューム
とも重ならない。従って、各サブボリュームは、ユニー
クな体素セットを保有する。

【００２９】ブロック２１２は、各(x,y,z)体素タプル
を線形アドレスkに変換する。これは、以下の公式を利
用することによって達成される。 k = x + (y * block_x_size) + (z * block_x_size * b
lock_y_size) block_x_sizeはサブボリュームのx方向における体素数
(幅)であり、block_y_sizeはサブボリュームのy方向に
おける体素数(高さ)である。例えば、サブボリューム
が、x方向において１６体素幅、y方向において１６体素
高、z方向において１６体素の奥行きであったとすれ
ば、 座標(3,2,1)を持つ体素および座標(4,2,1)を持つ
体素は次のように線形アドレスを持つ。(3,2,1)につい
ては、k = 3 + (2*16)+(1 * 16 * 16) = 3 + 32 + 256
= 291 (4,2,1)については、k = 4 + (2*16)+(1 * 16 * 16) =
4 + 32 + 256 = 292 当業者に明らかなように、上記式を利用することによっ
て、サブボリュームにおける各体素はユニークなｋアド
レスを持つことが保証され、体素間の線形関係が確立さ
れる。

【００３０】ブロック２１４は、各体素に関するkアド
レスを持つサブボリュームをメモリ１１６または記憶装
置１１２に記憶する。この形態で記憶される時１つのサ
ブボリューム内の体素は線形関係にある。ボリューム・
レンダリング・システムが処理のためにサブボリューム
を呼びだす時線形関係であるのでサブボリュームをキャ
ッシュに書き込むのが理想的となり、これにより処理時
間が大幅に向上する。

【００３１】ブロック２１６において、アプリケーショ
ン・プログラム１２２によって供給され、対象サブボリ
ュームが所望のデータを持つか否かを示すパラメータを
使用して各サブボリュームが実行時に選択される。これ
は、サブボリュームの中のデータが所望のものであるか
あるいは一定のタイプであるかを示す特定の値を持つ１
つまたは複数のビットを設定することによって達成でき
る。代替的方法としては、サブボリュームの内容に関す
る情報を持つ独立したデータ構造を使用することもでき
る。一旦選択されれば、使用されたパラメータは記憶さ
れ、新たなレンダリングに再利用されることもできる。
アプリケーション・プログラムが選択パラメータを供給
しない場合、ボリューム・レンダリング・システムはす
べてのサブボリュームを処理する。

【００３２】図３は、非オーバーラップ・サブボリュー
ムに分割されたボリューム・データセットを示す。図３
において、ボリューム・データセット３０２は規則的格
子上に構成された体素を含む。ボリューム・データセッ
ト３０２の外側境界は、８つの境界体素を接続する直線
として示されている。境界体素３０６は境界体素の典型
である。サブボリューム３０４は図示されたすべてのサ
ブボリュームの典型であり、また、８つの境界体素を接
続している直線によって表現されている。サブボリュー
ム３０４のサイズは、コンピュータ・システムや利用さ
れているプログラム・アプリケーションの構成に基いて
決定される。サブボリューム３０４は、一定の体素数の
幅、一定の体素数の高さおよび一定の体素数の奥行きを
持つ。ボリューム・データセット３０２は、サブボリュ
ーム３０４によって代表されるいくつかのサブボリュー
ムに完全に分割される。サブボリューム３０８はボリュ
ーム・データセット３０２の外側に部分的に出ている。
本発明の好ましい実施形態において、ボリューム・デー
タセット３０２の外側に出るタプル位置は、ゼロまたは
他の重要でない値で埋められる。

【００３３】図４は、非オーバーラップ・ブロック化技
術を２次元で示すものである。図４において、体素４０
２は、図示されたすべての体素のうちの典型であり、ボ
リューム・データセットの範囲内に含まれたすべての体
素の一部分だけを表している。各体素タプルはユニーク
な(x,y,z)座標を持つ。記号図４２２に示されるようにz
方向の奥行きは紙の平面に垂直に延びる。サブボリュー
ム４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、
４１６、４１８および４２０は、この２次元図における
４つの境界体素を接続している直線として示される外側
境界を持つ。４０４乃至４２０のサブボリュームの各々
は、６体素幅、６体素高および６体素奥行きであり、他
のサブボリュームと共通体素を全く持たないユニークな
体素セットを含む。

【００３４】図５は、オーバーラップ・ブロック化技術
を２次元で表している。図５に示されるオーバーラップ
・ブロック化技術では、各サブボリュームの境界平面が
隣接サブボリュームと共有されるように、サブボリュー
ムが初期的に構成される。サブボリューム５０２、５０
４、５０６、５０８、５１０、５１２、５１４、５１
６、５１８ ５２０ ５２２および５２４は、６体素
幅、６体素高および６体素奥行きである。記号図５８８
に示されるようにz方向の奥行きは紙の平面に垂直に延
びる。これらのサブボリュームの各々は相互に重なるよ
うに拡張される必要がある。サブボリューム５１２およ
び５１４を例とすれば、サブボリューム５１２および５
１４を構成する６つの境界平面の各々を取り上げ、各サ
ブボリューム中心から離れる方向に１体素各平面を拡張
して、追加体素を含む新しい６つの隣接平面を形成する
ことによって、サブボリューム５１２および５１４は重
ね合わさる。６つの平面内にあって、６つの新しい隣接
平面の交点によって形成される１２のエッジおよび８つ
の隅に沿って位置する体素を含むすべての体素が拡張さ
れたサブボリューム５３８および５４０に含まれる。

【００３５】拡張サブボリューム５３８は、この２次元
図におけるポイントとして現れるz方向の線分を表すポ
イント５４２、５４４、５４６および５４８によって境
界づけされている。平面５２６および５２８は、x方向
における隣接平面である。平面５３０、５３２、５３４
および５３６は、y方向における隣接平面である。平面
５２６、５２８、５３０、５３２、５３４および５３６
は、図５のエッジとして現れる。平面５２６上に存在
し、平面５３０および５３４によって境界付けされるサ
ブボリューム５０２、５０４および５０６からの体素
は、拡張サブボリューム５３８に含められる。平面５３
４上に存在し、平面５２６および５２８によって境界付
けされるサブボリューム５０６、５１４および５２２か
らの体素は、拡張サブボリューム５３８に含められる。
平面５２８上に存在し、平面５３０および５３４によっ
て境界付けされるサブボリューム５１８、５２０および
５２２からの体素は、拡張サブボリューム５３８に含め
られる。平面５３０上に存在し、平面５２６および５２
８によって境界付けされるサブボリューム５０２、５１
０および５１８からの体素は、拡張サブボリューム５３
８に含められる。図５に示されていないz方向の２つの
隣接平面に関して同様の体素包含が発生することは同業
者に認められるであろう。同様にして、拡張サブボリュ
ーム５４０は、平面５２６、５２８、５３２および５３
６上に存在し、平面５５０、５５２、５５４および５５
６によって境界付けされる(この２次元図におけるポイ
ントとして現れるz方向の線分を表す)体素を含む。

【００３６】図６は、２つの非オーバーラップ・サブボ
リュームを通過する投射線に沿った標本ポイントを示し
ている。図６において、サブボリューム６０２および６
０４が互いに隣接している。投射線６０６は、ボリュー
ム・データセットを通過するように画像平面上のピクセ
ルから投影されたもので、サブボリューム６０２および
６０４を通過している。投射線６０６は、入力ポイント
６０８でサブボリューム６０４に入り、出口ポイント６
１０でサブボリューム６０４を出る。投射線６０６は、
入力ポイント６１２でサブボリューム６０２に入り、出
口ポイント６１４でサブボリューム６０２を出る。投射
線６０６上の標本ポイント６１６および６１８はサブボ
リューム６０４内に位置する。サブボリューム６０４が
所望のデータを含むものとして選択されたならば、ボリ
ューム・レンダリング・システムは、投射線６０６が発
する元のピクセルのレンダリングに役立つように標本ポ
イント６１６および６１８を処理する。サブボリューム
６０４が所望のデータを含むものとして選択されなかっ
たならば、サブボリューム６０４は無視される。

【００３７】投射線６０６上の標本ポイント６２６およ
び６２８はサブボリューム６０２内に位置する。サブボ
リューム６０２が所望のデータを含むものとして選択さ
れたならば、ボリューム・レンダリング・システムは、
投射線６０６が発する元のピクセルのレンダリングに役
立つように標本ポイント６２６および６２８を処理す
る。サブボリューム６０２が所望のデータを含むものと
して選択されなかったならば、サブボリューム６０２は
無視される。

【００３８】投射線６０６上の標本ポイント６２０はサ
ブボリューム６０２または６０４のどちらの範囲内にも
ない。サブボリューム６０２および６０４のいずれかま
たは両者が所望のデータを含むものとして選択されたと
すれば、ボリューム・レンダリング・システムが勾配計
算を含め標本ポイント６２０を処理することができるよ
うにするため、両方のサブボリュームがメモリから呼び
だされキャッシュに書き込まれる必要がある。

【００３９】もしもサブボリューム６０２および６０４
が図５に関連して上述したオーバラップ・ブロック化技
術によってブロック化され、平面６２４がサブボリュー
ム６０２および６０４の間の共通の共有平面であるとす
れば、ポイント６２０はサブボリューム６０２の範囲に
含まれる。サブボリューム６０２は、メモリから呼び出
されキャッシュに書き込まれた後、勾配計算を含め標本
ポイント６２０を処理することができる。なぜなら、拡
張されたサイズのサブボリューム６０２がサブボリュー
ム６０２の中心から離れる方向において平面６２４から
１体素位置にあある平行平面に含まれる体素を含むから
である。

【００４０】本発明には、例として次のような実施様態
が含まれる。 （１）コンピュータ・システムの２次元グラフィックス
・ディスプレイ上にボリューム・データセットをレンダ
リングするためのキャッシュ効率の高いボリューム・デ
ータ構成方法であって、上記ボリューム・データセット
を記憶媒体から取り出すステップ(a)と、上記ボリュー
ム・データセットからサブボリュームを選択するステッ
プ(b)と、上記サブボリュームをボリューム・レンダリ
ング・システムによって処理するステップ(c)と、を含
む方法。 （２）上記サブボリュームのサイズが上記コンピュータ
・システム上に位置するプロセッサ・キャッシュより小
さく、上記プロセッサ・キャッシュが上記コンピュータ
・システム上に位置するグラフィクス・コントローラ・
キャッシュより小さい、上記（１）に記載の方法。 （３）上記サブボリュームのサイズが上記コンピュータ
・システム上に位置するグラフィクス・コントローラ・
キャッシュより小さく、上記グラフィクス・コントロー
ラ・キャッシュが上記コンピュータ・システム上に位置
するプロセッサ・キャッシュより小さい、上記（１）に
記載の方法。 （４）上記ステップ(b)が、上記サブボリュームの体素
タプルの各アドレスを線形アドレスに変換するステップ
(b1)と、上記サブボリュームの各体素タプルのデータを
上記線形アドレスの形態で記憶媒体に記憶するステップ
(b2)と、を更に含む上記（１）に記載の方法。

【００４１】（５）上記ステップ(b)が、アプリケーシ
ョン・プログラムによって供給されたパラメータを上記
サブボリュームの各体素タプルのデータと共に記憶し
て、上記アプリケーション・プログラムが上記パラメー
タを利用して上記ボリューム・レンダリング・システム
による更なる処理のため上記サブボリュームを選択でき
るようにするステップ(b1)、を更に含む上記（１）に記
載の方法。 （６）上記ステップ(b)が、上記ボリューム・データセ
ットの６面を持つ上記サブボリュームを選択するステッ
プ(b1)と、上記サブボリューム内に該サブボリュームの
すぐ外側を囲む体素グループを含めて拡張サブボリュー
ムを生成するステップ(b2)と、を更に含み、上記追加体
素グループは６つの平面グループに含まれていて、上記
６平面グループの各々は、別の６平面グループの交差に
よって境界をつけられ、上記６平面グループの各々は上
記サブボリュームの上記６つの面の各々の対応する１つ
と平行していて、更に、上記６平面グループの各々は上
記サブボリュームの上記６つの面の各々の対応する１つ
に隣接しかつ上記サブボリュームの中心から離れる方向
に位置する、上記（１）に記載の方法。 （７）上記ステップ(b2)が、上記拡張サブボリュームの
体素タプルの各アドレスを線形アドレスに変換するステ
ップ(b2a)と、上記拡張サブボリュームの各上記体素タ
プルのデータを上記線形アドレスの形態で記憶媒体に記
憶するステップ(b2b)と、を更に含む上記（６）に記載
の方法。

【００４２】（８）コンピュータ・システムの２次元グ
ラフィックス・ディスプレイ上にボリューム・データセ
ットをレンダリングするためのキャッシュ効率の高いボ
リューム・データ構成方法であって、上記ボリューム・
データセットを記憶媒体から取り出すステップ(a)と、
上記ボリューム・データセットを各々がユニークな体素
セットを保有する複数のサブボリュームに分割するステ
ップ(b)と、上記複数のサブボリュームをボリューム・
レンダリング・システムによって処理するステップ(c)
と、を含む方法。 （９）上記ステップ(b)が、上記複数サブボリュームの
各々の体素タプルの各アドレスを線形アドレスに変換す
るステップ(b1)と、上記複数サブボリュームの各々の上
記体素タプル各々のデータを上記線形アドレスの形態で
記憶媒体に記憶するステップ(b2)と、アプリケーション
・プログラムによって供給されたパラメータを上記サブ
ボリュームの各体素タプルのデータと共に記憶して、上
記アプリケーション・プログラムが上記パラメータを利
用して上記ボリューム・レンダリング・システムによる
更なる処理のため上記複数サブボリュームから特定数の
サブボリュームを選択できるようにするステップ(b3)
と、を含む上記（８）に記載の方法。 （１０）上記ステップ(b)が、各々が６面を持ち、相互
に隣接する各々が隣接関係の発生毎に上記６面の１つを
共有するような複数のサブボリュームに上記ボリューム
・データセットを分割するステップ(b1)と、上記サブボ
リューム内に該サブボリュームのすぐ外側を囲む体素グ
ループを含めて拡張サブボリュームを生成するステップ
(b2)と、を更に含み、上記追加体素グループは６つの平
面グループに含まれていて、上記６平面グループの各々
は、別の６平面グループの交差によって境界をつけら
れ、上記６平面グループの各々は上記サブボリュームの
上記６つの面の各々の対応する１つと平行していて、更
に、上記６平面グループの各々は上記サブボリュームの
上記６つの面の各々の対応する１つに隣接しかつ上記サ
ブボリュームの中心から離れる方向に位置する、上記
（８）に記載の方法。

【００４３】

【発明の効果】本発明のボリューム・データセットのサ
ブボリュームへの分割によって、キャッシュ動作の効率
が向上し、従って、ボリューム・レンダリング速度が向
上する。また、グラフィックス・ハードウェアにおいて
外部ＲＡＭを必要とすることなく、サイズの小さいオン
チップＲＡＭの活用という実装技術の向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を組み込むボリューム・レンダリング・
システムを有するコンピュータ・システムのブロック図
である。

【図２】本発明のボリューム・レンダリング・システム
に関するボリューム・データ構成方法の概要を示す流れ
図である。

【図３】非オーバーラップ・サブボリュームに分割され
たボリューム・データセットを視覚的に表現したブロッ
ク図である。

【図４】非オーバーラップ・ブロック化技術を２次元視
覚表現したブロック図である。

【図５】オーバーラップ・ブロック化技術を２次元視覚
表現したブロック図である。

【図６】２つの非オーバーラップ・サブボリュームを通
過する投射線に沿った標本ポイントを示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

１００ コンピュータ・システム １０２ 処理エレメント １０４ システム・バス １０６ キーボード １０８ マウス １１０ ２次元グラフィックス・ディスプレイ １１２ 記憶装置 １１６ メモリ １１８ オペレーティング・システム ３０２ ボリューム・データセット ３０４、３０８、４０４、４０６、４０８、４１０、４
１２、４１４、４１６、４１８、４２０、５０２、５０
４、５０６、５０８、５１０、５１２、５１４、５１
６、５１８ ５２０ ５２２、６０２、６０４ サブ
ボリューム ３０６ 境界体素３０６ ４０２ 体素 ４２２、５８８ 記号図 ５３８、５４０ 拡張サブボリューム ５２６、５２８、５３０、５３２、５３４、５３６、６
２２、６２４ 平面 ６０６ 投射線 ６０８、６１２ 入力ポイント ６１０、６１４ 出口ポイント ６１６、６１８、６２０、６２６、６２８ 標本ポイ
ント

フロントページの続き (72)発明者 ハサン・シャザド・ナクヴィ アメリカ合衆国80525コロラド州フォー ト・コリンズ、ブラックストーン・コー ト 2630 (72)発明者 トム・モルツベンダー アメリカ合衆国94306カリフォルニア州 パロ・アルト、ミランダ・アベニュー 4331 (56)参考文献 特開 平10−137215（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−69547（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−12398（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンピュータ・システムの２次元グラフィ
   ックス・ディスプレイ上にボリューム・データセットを
   レンダリングするためのキャッシュ効率の高いボリュー
   ム・データを構成する方法であって、コンピュータは、 （ａ）記憶媒体から前記ボリューム・データセットを取
   り出すステップと、 （ｂ）前記ボリューム・データセットから、６面を持つ
   一つのサブボリューム全体を選択するステップと、 （ｃ）前記選択された一つのサブボリュームの６面に平
   行で、かつ該サブボリュームの中心から離れる方向に隣
   接して位置する６つの隣接平面を算出するステップと、 （ｄ）前記６つの隣接平面に含まれる体素を、前記選択
   された一つのサブボリュームに含めることにより、拡張
   サブボリュームを生成するステップと、 （ｅ）前記拡張サブボリュームの体素タプルの各アドレ
   スを、線形アドレスに変換して記憶媒体に記憶するステ
   ップと、 （ｆ）前記拡張サブボリュームを、ボリューム・レンダ
   リング・システムにより前記ディスプレイ上にレンダリ
   ングするステップと、 （ｇ）前記ボリューム・データセットのそれぞれのサブ
   ボリュームについて、前記（ｂ）〜（ｆ）のステップを
   繰り返すステップと、を実行するようプログラムされている 、ボリューム・デ
   ータを構成する方法。
2. 【請求項２】コンピュータ・システムの２次元グラフィ
   ックス・ディスプレイ上にボリューム・データセットを
   レンダリングするためのキャッシュ効率の高いボリュー
   ム・データを構成する方法であって、コンピュータは、 （ａ）記憶媒体から前記ボリューム・データセットを取
   り出すステップと、 （ｂ）前記ボリューム・データセットを、それぞれがユ
   ニークな体素セットを含む複数のサブボリュームに分割
   するステップであって、該複数のサブボリュームのそれ
   ぞれが６面を持ち、他のサブボリュームと隣接している
   サブボリュームが、該隣接している場所のそれぞれにお
   いて、該６面のうちの１つの面を該他のサブボリューム
   と共有するように、該ボリューム・データセットを分割
   するステップと、 （ｃ）前記複数のサブボリュームのそれぞれについて、
   該サブボリュームの６面に平行で、かつ該サブボリュー
   ムの中心から離れる方向に隣接して位置する６つの隣接
   平面を算出するステップと、 （ｄ）前記複数のサブボリュームのそれぞれについて、
   前記６つの隣接平面に含まれる体素を該サブボリューム
   に含めることにより、複数の拡張サブボリュームを生成
   するステップと、 （ｅ）前記複数の拡張サブボリュームのそれぞれについ
   て、該拡張サブボリュームの体素タプルの各アドレス
   を、線形アドレスに変換して記憶媒体に記憶するステッ
   プと、 （ｆ）１つの拡張サブボリューム全体がレンダリングさ
   れた後に次の拡張サブボリュームのレンダリングが開始
   されるように、前記複数の拡張サブボリュームのそれぞ
   れを、ボリューム・レンダリング・システムにより前記
   ディスプレイ上にレンダリングするステップと、 を実行するようプログラムされている 、ボリューム・デ
   ータを構成する方法。