JP7131080B2 - volume rendering device - Google Patents

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JP7131080B2
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本開示は、二次元の断層画像を複数枚用いて、3次元的に可視化するためのボリュームレンダリング技術に関する。 The present disclosure relates to volume rendering technology for three-dimensional visualization using a plurality of two-dimensional tomographic images.

従来、CT、MRI、PETなど医療画像診断機器(モダリティ)により所定のスライス間隔で連続的に撮像され、DICOM形式等でPACS(Picture Archiving and Communication Systems)等の医療情報システムに保管されている複数の断層画像を基に、臓器等を3次元的に可視化することが行われている。 Conventionally, multiple images are taken continuously at predetermined slice intervals by medical imaging diagnostic equipment (modality) such as CT, MRI, and PET, and stored in a medical information system such as PACS (Picture Archiving and Communication Systems) in DICOM format. Three-dimensional visualization of organs and the like is performed based on the tomographic image.

3Dコンピュータグラフィックス分野においては、レンダリング像を256色などの限定色で生成し、ハードウェア実装のカラーマップ(カラー・ルックアップテーブル)を対話形式に変更してレンダリング像の色をリアルタイムに変更する手法が用いられている(特許文献1参照)。 In the field of 3D computer graphics, a rendering image is generated with limited colors such as 256 colors, and the colors of the rendering image are changed in real time by interactively changing the color map (color lookup table) implemented in hardware. method is used (see Patent Document 1).

また、カラーマップに依存しないVISボリューム(信号値、陰影輝度値、不透明度強度係数の3パラメータをもつボクセル)でレンダリングする方法も提案されている(特許文献2参照)。 A method of rendering with a VIS volume (a voxel having three parameters of a signal value, a shadow luminance value, and an opacity intensity coefficient) that does not depend on a color map has also been proposed (see Patent Document 2).

特開平1-321577号公報JP-A-1-321577 特許第2651787号公報Japanese Patent No. 2651787

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、変更できるのはRGB値のみであり、ボリュームレンダリングで重要な、不透明度を表現したα値を制御することは開示されていない。また、特許文献2に記載の技術では、信号値に対してカラーマップを適用して再レンダリングする場合に比べ、処理に要する時間が1割程度削減できるに留まる。 However, the technique described in Patent Document 1 can only change the RGB values, and does not disclose controlling the α value expressing opacity, which is important in volume rendering. In addition, with the technique described in Patent Document 2, the time required for processing can be reduced by only about 10% compared to the case of re-rendering by applying a color map to signal values.

そこで、本開示は、複数の断層画像に対してカラーマップを適用して、レンダリング像を生成する処理の演算負荷を抑制し、レンダリング像の生成処理の速度を向上させることが可能なボリュームレンダリング装置を提供することを課題とする。 Therefore, the present disclosure applies a color map to a plurality of tomographic images, suppresses the computational load of the process of generating a rendered image, and improves the speed of the process of generating a rendered image. The task is to provide

本開示は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、
対象物に対して所定の間隔で撮影され、各画素に信号値が付与された複数の2次元の断層画像に基づいて、あらかじめ定義されたカラ-マップを参照してボリュームレンダリング像を生成するためのボリュームレンダリング装置であって、
信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する不透明度ボクセル画像作成手段と、
前記カラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルにの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する色成分ボクセル画像作成手段と、
前記不透明度ボクセル画像および前記色成分ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成するレンダリング手段と、
を備えていることを特徴とするボリュームレンダリング装置を提供する。
The present disclosure includes multiple means for solving the above problems, but if one example is given,
To generate a volume rendering image by referring to a predefined color map based on a plurality of two-dimensional tomographic images in which the object is photographed at predetermined intervals and a signal value is assigned to each pixel. a volume rendering device of
By referring to a color map defined by associating color component values and opacity values with signal values, the signal values of each voxel three-dimensionally arranged in correspondence with each pixel of the plurality of tomographic images are set to be unknown. opacity voxel image creation means for creating an opacity voxel image in which opacity is defined as a voxel value by replacing with transparency;
With reference to the color map, the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in correspondence with each pixel of the plurality of tomographic images is replaced with the value of the color component, and the value of the color component is defined as the voxel value. a color component voxel image creating means for creating a color component voxel image;
rendering means for generating a volume rendered image using the opacity voxel image and the color component voxel image;
To provide a volume rendering device characterized by comprising:

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、
前記不透明度ボクセル画像を構成する各ボクセルの不透明度を、当該ボクセル及び当該ボクセルの近傍のボクセルの不透明度の平均値をに置き換えるスムージング処理を行うスムージング手段を更に備え、
前記レンダリング手段は、スムージング処理された不透明度ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成することを特徴とする。
Also, the volume rendering device of the present disclosure includes:
Smoothing means for performing a smoothing process to replace the opacity of each voxel constituting the opacity voxel image with the average value of the opacity of the voxel and voxels in the vicinity of the voxel,
The rendering means generates a volume rendering image using a smoothed opacity voxel image.

また、本開示では、
対象物に対して所定の間隔で撮影され、各画素に信号値が付与された複数の2次元の断層画像に基づいて、あらかじめ定義されたカラ-マップを参照してボリュームレンダリング像を生成するためのボリュームレンダリング装置であって、
信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する不透明度ボクセル画像作成手段と、
前記カラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する色成分ボクセル画像作成手段と、
前記色成分ボクセル画像の各ボクセルに前記不透明度ボクセル画像の対応するボクセルの不透明度を追加し、ボクセル値として不透明度及び色成分の値が定義された不透明度付色成分ボクセル画像を作成する不透明度付色成分ボクセル画像作成手段と、
前記不透明度付色成分ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成するレンダリング手段と、
を備えていることを特徴とするボリュームレンダリング装置を提供する。
Also, in this disclosure:
To generate a volume rendering image by referring to a predefined color map based on a plurality of two-dimensional tomographic images in which the object is photographed at predetermined intervals and a signal value is assigned to each pixel. a volume rendering device of
By referring to a color map defined by associating color component values and opacity values with signal values, the signal values of each voxel three-dimensionally arranged in correspondence with each pixel of the plurality of tomographic images are set to be unknown. opacity voxel image creation means for creating an opacity voxel image in which opacity is defined as a voxel value by replacing with transparency;
With reference to the color map, the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tomographic images is replaced with a color component value, and the color whose color component value is defined as the voxel value a color component voxel image creating means for creating a component voxel image;
adding the opacity of the corresponding voxel of the opacity voxel image to each voxel of the color component voxel image to create an opacity-added color component voxel image in which the values of the opacity and the color component are defined as voxel values; Transparency color component voxel image creating means;
rendering means for generating a volume rendering image using the color component voxel image with opacity;
To provide a volume rendering device characterized by comprising:

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記不透明度ボクセル画像を構成する各ボクセルの不透明度を、当該ボクセル及び当該ボクセルの近傍のボクセルの不透明度の平均値に置き換えるスムージング処理を行うスムージング手段を更に備え、
前記不透明度付色成分ボクセル画像作成手段は、スムージング処理された不透明度ボクセル画像を用いて前記不透明度付色成分ボクセル画像を作成することを特徴とする。
Further, the volume rendering device of the present disclosure further includes smoothing means for performing a smoothing process of replacing the opacity of each voxel constituting the opacity voxel image with the average value of the opacities of the voxel and voxels in the vicinity of the voxel. prepared,
The color component voxel image with opacity creating means creates the color component voxel image with opacity using a smoothed opacity voxel image.

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記色成分ボクセル画像における最外側であって、当該色成分ボクセル画像に対応する不透明度ボクセル画像におけるボクセルの不透明度が0であるボクセルの色成分の値を、前記不透明度ボクセル画像における不透明度が0であるボクセルの近傍の不透明度が0でないボクセルに対応する前記色成分ボクセル画像におけるボクセルの色成分の平均値に置き換える色補正処理を行う色補正手段を更に備え、
前記不透明度付色成分ボクセル画像作成手段は、色補正処理された色成分ボクセル画像を用いて前記不透明度付色成分ボクセル画像を作成することを特徴とする。
In addition, the volume rendering device of the present disclosure is the outermost voxel in the color component voxel image, and the opacity of the voxel in the opacity voxel image corresponding to the color component voxel image is 0. a color correcting means for performing a color correction process of replacing the color components of voxels in the color component voxel image corresponding to voxels having non-zero opacity in the vicinity of voxels having opacity of 0 in the opacity voxel image with an average value of color components of the voxels; further prepared,
The color component voxel image with opacity creating means creates the color component voxel image with opacity using a color component voxel image that has undergone color correction processing.

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記色成分ボクセル画像の各ボクセルの色成分の値を、当該ボクセルに対応する前記不透明度ボクセル画像のボクセルの近傍のボクセルの不透明度を基に、当該ボクセルにおける勾配ベクトルを算出し、算出した勾配ベクトル及び所定の光源ベクトルに基づいて、陰影値を算出し、前記色成分の値に前記陰影値を乗算した値に置き換える陰影付加手段を更に備えることを特徴とする。 Further, the volume rendering device of the present disclosure calculates the value of the color component of each voxel of the color component voxel image based on the opacity of voxels near the voxel of the opacity voxel image corresponding to the voxel. , calculating a shade value based on the calculated gradient vector and a predetermined light source vector, and replacing the value of the color component with a value obtained by multiplying the shade value by the shade adding means. and

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記陰影付加手段は、前記勾配ベクトルを算出するにあたり、前記不透明度ボクセル画像の当該ボクセルのX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の各々2近傍のボクセルの不透明度の差分値を前記勾配ベクトルのX方向成分、Y方向成分、Z方向成分として算出し、あらかじめ定義されたZ軸方向変倍率に基づいて前記Z方向成分に補正を施した単位ベクトルを、当該ボクセルにおける勾配ベクトルとして算出することを特徴とする。 Further, in the volume rendering device of the present disclosure, the shading adding means, in calculating the gradient vector, includes two voxels near each of the voxel of the opacity voxel image in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. is calculated as the X-direction component, Y-direction component, and Z-direction component of the gradient vector, and a unit vector obtained by correcting the Z-direction component based on a predefined Z-axis direction scaling factor , is calculated as a gradient vector at the voxel.

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記不透明度ボクセル画像作成手段は、前記複数の断層画像の二次元の各軸方向、断層画像と直交する軸方向の三軸の各方向において、M画素おきに対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成するものであり、
前記色成分ボクセル画像作成手段は、前記複数の断層画像の二次元の各軸方向、断層画像と直交する軸方向の三軸の各方向において、M画素おきに対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成するものであることを特徴とする。
Further, in the volume rendering device of the present disclosure, the opacity voxel image creating means is arranged in each of the two-dimensional axial directions of the plurality of tomographic images and in each of the three axial directions perpendicular to the tomographic images, every M pixels. The signal value of each voxel arranged three-dimensionally in association with is replaced with opacity, and an opacity voxel image is created in which the opacity is defined as the voxel value,
The color component voxel image creating means is arranged three-dimensionally in association with every M pixels in each of the two-dimensional axial directions of the plurality of tomographic images and each of three axial directions perpendicular to the tomographic images. It is characterized by replacing signal values of voxels with color component values and creating a color component voxel image in which the color component values are defined as voxel values.

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、
前記断層画像が16ビットの信号値をもつ画像の場合、前記複数の断層画像の全てまたは特定の断層画像を基に信号値の最大値Dmaxと最小値Dminを算出し、最大値Dmaxより(最大値Dmax-最小値Dmin)×γ(γは0.3未満の実数値)だけ減じた値を上限値Lmaxとし、最小値に(最大値Dmax-最小値Dmin)×γだけ加算した値を下限値Lminとするとき、信号値が上限値Lmaxを超える場合は255、下限値Lminを下回る場合は0、下限値Lminから上限値Lmaxの範囲を0から255に線形変換することにより、信号値を8ビットに変換した階調低下画像を作成する断層画像階調変換手段を更に設け、
前記ボクセル画像作成手段は、信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義された階調低下画像用のカラーマップを参照して、前記複数の階調低下画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成し、
前記色成分ボクセル画像作成手段は、前記階調低下画像用のカラーマップを参照して、前記複数の階調低下画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成することを特徴とする。
Also, the volume rendering device of the present disclosure includes:
When the tomographic image is an image having a 16-bit signal value, the maximum value Dmax and the minimum value Dmin of the signal value are calculated based on all of the plurality of tomographic images or a specific tomographic image. The upper limit Lmax is the value obtained by subtracting the value Dmax - minimum value Dmin) x γ (γ is a real number less than 0.3), and the lower limit is the value obtained by adding (maximum value Dmax - minimum value Dmin) x γ to the minimum value. When the value Lmin is 255 when the signal value exceeds the upper limit Lmax, 0 when the signal value is below the lower limit Lmin, and linearly transforms the range from the lower limit Lmin to the upper limit Lmax from 0 to 255, the signal value is further comprising tomographic image gradation conversion means for creating a gradation reduction image converted to 8 bits;
The voxel image creating means refers to a color map for the tone-reduced image defined by associating the color component value and the opacity with the signal value, and creates each pixel of the plurality of tone-reduced images. Create an opacity voxel image in which the opacity is defined as the voxel value by replacing the signal value of each voxel arranged in three dimensions in correspondence with the opacity,
The color component voxel image creating means refers to the color map for the tone reduction image, and converts the signal values of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tone reduction images into color components. is replaced by the value of , and a color component voxel image is created in which the value of the color component is defined as the voxel value.

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記レンダリング手段は、
前記不透明度ボクセル画像を前記生成するボリュームレンダリング像に投影変換した座標系を視点座標系とすると、視点座標系において、前記ボリュームレンダリング像の各画素(x,y)よりZ軸方向に沿って、Z軸の上限値より下限値に向けて、視点座標系の各ボクセル座標(x,y,z)ごとに第1の座標変換を行って前記不透明度ボクセル画像より不透明度を取得しながら、不透明度が0でない不透明ボクセルを探索し、最初に見つかった不透明度が0でない不透明ボクセルの視点座標系におけるZ座標を、前記ボリュームレンダリング像の各画素(x,y)ごとに記録した探索制御マスクを作成する探索制御マスク作成手段と、
前記ボリュームレンダリング像の各画素(x,y)に対して、前記探索制御マスクよりZ座標を取得し、取得したZ座標よりZ軸の下限値に向けてZ軸方向に沿って、所定の光強度をもつ仮想光を照射する際、視点座標系の各ボクセル座標(x,y,z)ごとに第1の座標変換を行って前記不透明度ボクセル画像より不透明度を取得し、不透明度が0でないボクセルが見つかった場合、当該座標(x,y,z)に対して第2の座標変換を行って前記色成分ボクセル画像より(R,G,B)で構成される色成分を取得し、当該ボクセルの不透明度を基に前記光強度を減衰させるとともに、当該ボクセルの不透明度及び色成分並びに前記減衰させた光強度に基づいて累積輝度値を算出する処理を繰り返し、算出された累積輝度値を基に、前記ボリュームレンダリング像の当該画素(x,y)に対応する(R,G,B)で構成される画素値として与えるようにしているレイキャスティング手段と、を備えていることを特徴とする。
Further, in the volume rendering device of the present disclosure, the rendering means includes:
Assuming that the coordinate system obtained by projecting and transforming the opacity voxel image to the volume rendering image to be generated is a viewpoint coordinate system, in the viewpoint coordinate system, along the Z-axis direction from each pixel (x, y) of the volume rendering image, While obtaining the opacity from the opacity voxel image by performing the first coordinate transformation for each voxel coordinate (x, y, z) in the viewpoint coordinate system toward the lower limit from the upper limit of the Z axis, A search control mask that searches for opaque voxels whose transparency is not 0, and records the Z coordinate in the viewpoint coordinate system of the opaque voxel whose opacity is not 0 found first for each pixel (x, y) of the volume rendering image. a search control mask creating means to create;
A Z coordinate is obtained from the search control mask for each pixel (x, y) of the volume rendering image, and a predetermined light beam is emitted from the obtained Z coordinate toward the lower limit of the Z axis along the Z axis direction. When irradiating virtual light with intensity, the first coordinate transformation is performed for each voxel coordinate (x, y, z) in the viewpoint coordinate system to obtain the opacity from the opacity voxel image, and the opacity is 0 If a voxel that is not is found, a second coordinate transformation is performed on the coordinates (x, y, z) to obtain a color component composed of (R, G, B) from the color component voxel image, Repeating the process of attenuating the light intensity based on the opacity of the voxel and calculating the cumulative brightness value based on the opacity and color components of the voxel and the attenuated light intensity, and calculating the calculated cumulative brightness value and a ray casting means for providing a pixel value composed of (R, G, B) corresponding to the pixel (x, y) of the volume rendering image based on and

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記探索制御マスク作成手段および前記レイキャスティング手段は、前記第1の座標変換を行って前記不透明度ボクセル画像より不透明度を取得する際、
所定の3次元座標系における回転を定義した3×3行列、xyz軸各方向のオフセット値、xyz軸方向の拡大又は縮小倍率、z軸方向変倍率を含む前記所定の座標変換のパラメータを取得し、
前記視点座標系のボクセルの整数値の座標(x,y,z)を、前記パラメータに基づいて前記不透明度ボクセル画像の座標系に変換を行って、前記不透明度ボクセル画像の実数値の座標(X,Y,Z)を算出し、
算出した実数値の座標(X,Y,Z)の近傍の複数の整数値の座標(x’,y’,z’)座標に対応する前記不透明度ボクセル画像の複数のボクセルを特定し、
特定した複数のボクセルの不透明度に基づいて前記不透明度ボクセル画像より取得される不透明度として算出するようにしていることを特徴とする。
Further, in the volume rendering device of the present disclosure, when the search control mask creation means and the ray casting means perform the first coordinate transformation to acquire the opacity from the opacity voxel image,
Acquiring parameters of the predetermined coordinate transformation including a 3×3 matrix defining rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system, offset values in each of the xyz axis directions, enlargement or reduction ratios in the xyz axis directions, and z-axis direction scaling factors. ,
Integer-value coordinates (x, y, z) of voxels in the viewpoint coordinate system are converted into the coordinate system of the opacity voxel image based on the parameters, and real-value coordinates ( X, Y, Z) is calculated,
Identifying a plurality of voxels of the opacity voxel image corresponding to a plurality of integer-valued coordinates (x', y', z') near the calculated real-valued coordinates (X, Y, Z);
The opacity obtained from the opacity voxel image is calculated based on the opacity of the specified plurality of voxels.

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記レイキャスティング手段は、前記第2の座標変換を行って前記色成分ボクセル画像より色成分を取得する際、
所定の3次元座標系における回転を定義した3×3行列、xyz軸各方向のオフセット値、xyz軸方向の拡大又は縮小倍率、z軸方向変倍率を含む前記所定の座標変換のパラメータを取得し、
前記視点座標系のボクセルの整数値の座標(x,y,z)を、前記パラメータに基づいて前記色成分ボクセル画像の座標系に変換を行って、前記色成分ボクセル画像の実数値の座標(X,Y,Z)を算出し、
算出した実数値の座標(X,Y,Z)の近傍の複数の整数値の座標(x’,y’,z’)座標に対応する前記色成分ボクセル画像の複数のボクセルを特定し、
特定した複数のボクセルの色成分に基づいて前記色成分ボクセル画像より取得される色成分として算出するようにしていることを特徴とする。
Further, in the volume rendering device of the present disclosure, when the ray casting means performs the second coordinate transformation to acquire color components from the color component voxel image,
Acquiring parameters of the predetermined coordinate transformation including a 3×3 matrix defining rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system, offset values in each of the xyz axis directions, enlargement or reduction ratios in the xyz axis directions, and z-axis direction scaling factors. ,
Integer-valued coordinates (x, y, z) of voxels in the viewpoint coordinate system are converted into the coordinate system of the color component voxel image based on the parameters, and real-valued coordinates ( X, Y, Z) is calculated,
identifying a plurality of voxels of the color component voxel image corresponding to a plurality of integer coordinates (x', y', z') near the calculated real number coordinates (X, Y, Z);
The color components obtained from the color component voxel image are calculated based on the specified color components of the plurality of voxels.

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、
前記レンダリング手段は、
前記色成分ボクセル画像で構成される3Dテクスチャ画像を生成する3Dテクスチャ登録手段と、
前記3Dテクスチャ画像に対して所定の座標変換を行って変換後3Dテクスチャ画像を生成する座標変換手段と、
3次元空間のXY座標面上の四角形をZ軸方向に並べ、前記各四角形の4頂点の各3次元座標を前記変換後3Dテクスチャ画像の所定の4箇所の各3次元座標に対応付けた積層四角形を設定する積層四角形設定手段と、
所定の視点からZ軸方向に平行な視線上の前記積層四角形上のの3次元座標に対応する前記変換後3Dテクスチャ画像のボクセルの(R,G,B)で構成される色成分を当該ボクセルの不透明度に基づいて前記視点から遠い四角形の順にアルファブレンディングして得られた色成分を、前記ボリュームレンダリング像の(R,G,B)で構成される画素値として与えるようにしている画素値算出手段と、
を備えていることを特徴とする。
Also, the volume rendering device of the present disclosure includes:
The rendering means is
3D texture registration means for generating a 3D texture image composed of the color component voxel images;
coordinate transformation means for performing a predetermined coordinate transformation on the 3D texture image to generate a post-transformation 3D texture image;
Lamination in which quadrilaterals on the XY coordinate plane of a three-dimensional space are arranged in the Z-axis direction, and each three-dimensional coordinate of four vertices of each quadrangle is associated with each of four predetermined three-dimensional coordinates of the post-conversion 3D texture image. a laminated quadrangle setting means for setting a quadrangle;
A color component composed of (R, G, B) of a voxel of the converted 3D texture image corresponding to the three-dimensional coordinates on the stacked quadrangle on the line of sight parallel to the Z-axis direction from a predetermined viewpoint is set to the voxel The color components obtained by alpha blending in the order of rectangles farther from the viewpoint based on the opacity of the volume rendering image are given as pixel values composed of (R, G, B) of the volume rendering image. calculating means;
characterized by comprising

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記座標変換手段は、
所定の3次元座標系における回転を定義した4×4行列、視野角度、視点位置、クリッピング位置、xyz軸各方向のオフセット値、xyz軸方向の拡大又は縮小倍率、z軸方向変倍率を含む所定の座標変換のパラメータを取得し、
前記3Dテクスチャ画像に対して、前記取得したパラメータを用いた前記所定の座標変換を行って前記変換後3Dテクスチャ画像を生成するようにしていることを特徴とする。
Further, in the volume rendering device of the present disclosure, the coordinate transformation means is
A 4x4 matrix defining rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system, a predetermined get the parameters of the coordinate transformation of
The 3D texture image is characterized in that the predetermined coordinate transformation using the acquired parameters is performed on the 3D texture image to generate the post-transformation 3D texture image.

また、本開示のボリュームレンダリング装置は、前記座標変換手段および前記画素値算出手段は、汎用コンピュータのビデオカードに搭載されているGPUおよびフレームメモリを用いて実行するようにしていることを特徴とする。 Further, the volume rendering apparatus of the present disclosure is characterized in that the coordinate transformation means and the pixel value calculation means are executed using a GPU and frame memory installed in a video card of a general-purpose computer. .

また、本開示では、コンピュータを、
信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する不透明度ボクセル画像作成手段、
前記カラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する色成分ボクセル画像作成手段、
前記不透明度ボクセル画像および前記色成分ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成するレンダリング手段、
として機能させるためのプログラムを提供する。
Also, in the present disclosure, the computer is
By referring to a color map defined by associating color component values and opacity values with signal values, the signal values of each voxel three-dimensionally arranged in correspondence with each pixel of the plurality of tomographic images are set to be unknown. Opacity voxel image creation means for creating an opacity voxel image in which opacity is defined as a voxel value by replacing with transparency;
With reference to the color map, the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tomographic images is replaced with a color component value, and the color whose color component value is defined as the voxel value color component voxel image creating means for creating component voxel images;
rendering means for generating a volume rendered image using the opacity voxel image and the color component voxel image;
Provide a program to function as

また、本開示では、コンピュータを、
信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する不透明度ボクセル画像作成手段、
前記カラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する色成分ボクセル画像作成手段、
前記色成分ボクセル画像の各ボクセルに前記不透明度ボクセル画像の対応するボクセルの不透明度を追加し、不透明度付色成分ボクセル画像を作成する不透明度付色成分ボクセル画像作成手段、
前記不透明度付色成分ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成するレンダリング手段、
として機能させるためのプログラムを提供する。
Also, in the present disclosure, the computer is
By referring to a color map defined by associating color component values and opacity values with signal values, the signal values of each voxel three-dimensionally arranged in correspondence with each pixel of the plurality of tomographic images are set to be unknown. Opacity voxel image creation means for creating an opacity voxel image in which opacity is defined as a voxel value by replacing with transparency;
With reference to the color map, the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tomographic images is replaced with a color component value, and the color whose color component value is defined as the voxel value color component voxel image creating means for creating component voxel images;
opacity-added color component voxel image creating means for creating an opacity-added color component voxel image by adding the opacity of the corresponding voxel of the opacity voxel image to each voxel of the color component voxel image;
rendering means for generating a volume rendering image using the color component voxel image with opacity;
Provide a program to function as

また、本開示では、
対象物に対して所定の間隔で撮影された複数の2次元の断層画像の各画素に対応し、あらかじめ定義されたカラ-マップを参照して定められた各ボクセルで構成されるボクセル構造体のボクセルデータであって、
前記ボクセルデータは、少なくとも、前記各ボクセルの値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像と、前記各ボクセルの値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像とを含む、ボクセル構造体のデータ構造を有し、
前記不透明度ボクセル画像および前記色成分ボクセル画像は、レンダリング手段によりのボリュームレンダリング像を生成するために用いられることを特徴とするボクセルデータを提供する。
Also, in this disclosure:
A voxel structure composed of voxels determined by referring to a predefined color map, corresponding to each pixel of a plurality of two-dimensional tomographic images of an object photographed at predetermined intervals. voxel data,
The voxel data is a voxel structure including at least an opacity voxel image in which opacity is defined as the value of each voxel and a color component voxel image in which a color component value is defined as the value of each voxel. has a data structure of
The opacity voxel image and the color component voxel image provide voxel data characterized in that they are used to generate a volume rendered image by a rendering means.

また、本開示では、
対象物に対して所定の間隔で撮影された複数の2次元の断層画像の各画素に対応し、あらかじめ定義されたカラ-マップを参照して定められた各ボクセルで構成されるボクセル構造体のボクセルデータであって、
前記ボクセルデータは、少なくとも前記各ボクセルの値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像と、前記各ボクセルの値として色成分の値及び不透明度が定義された不透明度付色成分ボクセル画像とを含む、ボクセル構造体のデータ構造を有し、
前記不透明度ボクセル画像は前記不透明度付色成分ボクセル画像を生成するために用いられ、前記不透明度付色成分ボクセル画像は、レンダリング手段によりボリュームレンダリング像を生成するために用いられることを特徴とするボクセルデータを提供する。
Also, in this disclosure:
A voxel structure composed of voxels determined by referring to a predefined color map, corresponding to each pixel of a plurality of two-dimensional tomographic images of an object photographed at predetermined intervals. voxel data,
The voxel data includes at least an opacity voxel image in which opacity is defined as the value of each voxel, and a color component voxel image with opacity in which a color component value and opacity are defined as the value of each voxel. has a data structure of voxel structures, including
The opacity voxel image is used to generate the color component voxel image with opacity, and the color component voxel image with opacity is used to generate a volume rendering image by rendering means. Provides voxel data.

本開示によれば、複数の断層画像に対してカラーマップを適用して、レンダリング像を生成する処理を高速に行うことが可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to apply a color map to a plurality of tomographic images and perform processing for generating rendering images at high speed.

本開示の一実施形態に係るボリュームレンダリング装置100のハードウェア構成図である。1 is a hardware configuration diagram of a volume rendering device 100 according to an embodiment of the present disclosure; FIG. 本実施形態に係るボリュームレンダリング装置の構成を示す機能ブロック図である。1 is a functional block diagram showing the configuration of a volume rendering device according to an embodiment; FIG. 本実施形態に係るボリュームレンダリング装置の処理動作を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing processing operations of the volume rendering device according to the embodiment; 本実施形態で用いるカラーマップを示す図である。It is a figure which shows the color map used by this embodiment. 本開示の一実施形態に係るボリュームレンダリング装置10において作成されるボクセル画像の概念図である。1 is a conceptual diagram of a voxel image created by a volume rendering device 10 according to an embodiment of the present disclosure; FIG. 透明なボクセルの色成分の色補正処理の詳細を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing details of color correction processing for color components of transparent voxels. 3Dテクスチャマッピングにおける対応付けを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing correspondence in 3D texture mapping; 3Dテクスチャマッピング方式の処理を行う場合の、レンダリング手段70の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the rendering means 70 when performing 3D texture mapping method processing; 本実施形態のレンダリング手段70による投影画面設定の一例を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing an example of projection screen setting by rendering means 70 of the present embodiment; FIG. 3Dテクスチャマッピング方式によるレンダリング処理の詳細を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing details of rendering processing by a 3D texture mapping method; レイキャスティング方式の処理を行う場合の、レンダリング手段70の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the rendering means 70 when performing ray-casting processing; レイキャスティング方式によるレンダリング処理の詳細を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing details of rendering processing by the ray casting method; 座標変換の概念図である。4 is a conceptual diagram of coordinate transformation; FIG. 探索制御マスク作成手段77が探索制御マスクを作成する手順を説明する図である。7 is a diagram for explaining a procedure for creating a search control mask by a search control mask creating means 77; FIG. 探索制御マスク作成手段77が各画素において起点座標を探索する手順を説明するフローチャートである。4 is a flowchart for explaining a procedure for search control mask creating means 77 to search for starting point coordinates in each pixel.

以下、本開示の好適な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
<1.装置構成>
図1は、本開示の一実施形態に係るボリュームレンダリング装置100のハードウェア構成図である。本実施形態に係るボリュームレンダリング装置100は、汎用のコンピュータで実現することができ、図1に示すように、CPU(Central Processing Unit)1と、コンピュータのメインメモリであるRAM(Random Access Memory)2と、CPU1が実行するプログラムやデータを記憶するためのハードディスク、SSD(Solid State Drive),フラッシュメモリ等の大容量の記憶装置3と、キーボード、マウス等の指示入力I/F(インターフェース)4と、データ記憶媒体等の外部装置とデータ通信するためのデータ入出力I/F(インターフェース)5と、液晶ディスプレイ等の表示デバイスである表示部6と、グラフィックスに特化した演算処理部であるGPU(Graphics Processing Unit)7と、表示部6に表示する画像を保持するフレームメモリ8と、を備え、互いにバスを介して接続されている。GPU7による演算結果はフレームメモリ8に書き込まれるため、GPU7とフレームメモリ8は、表示部6へのインタフェースを備えたビデオカードに搭載されて汎用のコンピュータにバス経由で装着されていることが多い。
Preferred embodiments of the present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings.
<1. Device configuration>
FIG. 1 is a hardware configuration diagram of a volume rendering device 100 according to an embodiment of the present disclosure. A volume rendering apparatus 100 according to the present embodiment can be realized by a general-purpose computer, and as shown in FIG. , a large-capacity storage device 3 such as a hard disk, SSD (Solid State Drive), flash memory, etc. for storing programs and data executed by the CPU 1, and an instruction input I / F (interface) 4 such as a keyboard, mouse, etc. , a data input/output I/F (interface) 5 for data communication with an external device such as a data storage medium, a display unit 6 which is a display device such as a liquid crystal display, and an arithmetic processing unit specializing in graphics. A GPU (Graphics Processing Unit) 7 and a frame memory 8 for holding an image to be displayed on the display unit 6 are provided, and are connected to each other via a bus. Since the calculation result by the GPU 7 is written to the frame memory 8, the GPU 7 and the frame memory 8 are often mounted on a video card having an interface to the display unit 6 and attached to a general-purpose computer via a bus.

図2は、本実施形態に係るボリュームレンダリング装置の構成を示す機能ブロック図である。図2において、10は断層画像読込手段、15はカラーマップ読込手段、20はROIクリッピング設定手段、30はボクセル画像作成手段、40はスムージング手段、50は陰影付加手段、60は透明ボクセル色補間手段、70はレンダリング手段、80はレンダリング像出力手段である。 FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of the volume rendering device according to this embodiment. 2, 10 is tomographic image reading means, 15 is color map reading means, 20 is ROI clipping setting means, 30 is voxel image creating means, 40 is smoothing means, 50 is shading means, and 60 is transparent voxel color interpolation means. , 70 is rendering means, and 80 is rendering image output means.

断層画像読込手段10は、CT、MRI、PETなどの医用画像診断機器により収集および蓄積されたPACSから、記憶媒体や入力部を経由して、複数の断層画像を読み込む手段である。断層画像は、対象物に対して所定の間隔で撮影されて得られたものであり、各画素に信号値が付与された2次元の断層画像である。カラーマップ読込手段15は、図示されていないカラーマップ作成手段により、あらかじめ作成されたカラーマップを記憶媒体や入力部から、カラーマップを読み込む手段である。ROIクリッピング設定手段20は、読み込んだ複数の断層画像のうち、ボクセル画像の作成対象を、関心領域であるROIとして設定する手段である。ボクセル画像作成手段30は、信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルに対して、色成分の値と不透明度を与えることにより不透明度ボクセル画像、色成分ボクセル画像および不透明度付色成分ボクセル画像を作成する手段である。本実施形態では、ボクセル画像作成手段30は、不透明度ボクセル画像作成手段31、色成分ボクセル画像作成手段32、および不透明度付色成分ボクセル画像作成手段33を有しており、不透明度ボクセル画像作成手段31は、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成し、色成分ボクセル画像作成手段32はボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する。不透明度付色成分ボクセル画像作成手段33はボクセル値として色成分の値および不透明度が定義された不透明度付色成分ボクセル画像を作成する。 The tomographic image reading means 10 is means for reading a plurality of tomographic images from PACS collected and stored by medical image diagnostic equipment such as CT, MRI, and PET via a storage medium and an input unit. A tomographic image is obtained by photographing an object at predetermined intervals, and is a two-dimensional tomographic image in which a signal value is assigned to each pixel. The color map reading means 15 is a means for reading a color map created in advance by a color map creating means (not shown) from a storage medium or an input section. The ROI clipping setting means 20 is a means for setting an ROI, which is a region of interest, as a voxel image creation target among a plurality of read tomographic images. The voxel image creating means 30 refers to a color map defined by associating color component values and opacities with signal values, and refers to each pixel of a plurality of tomographic images arranged three-dimensionally. It is means for creating an opacity voxel image, a color component voxel image, and a color component voxel image with opacity by giving color component values and opacity to voxels. In this embodiment, the voxel image creating means 30 includes opacity voxel image creating means 31, color component voxel image creating means 32, and color component voxel image creating means 33 with opacity. Means 31 creates an opacity voxel image in which opacity is defined as voxel values, and color component voxel image creating means 32 creates a color component voxel image in which color component values are defined as voxel values. An opacity-added color component voxel image creating means 33 creates an opacity-added color component voxel image in which color component values and opacity are defined as voxel values.

スムージング手段40は、不透明度ボクセル画像を構成する各ボクセルの不透明度を、ボクセル及びそのボクセルの近傍のボクセルの不透明度の平均値に置き換えることにより、不透明度の平滑化を行う手段である。陰影付加手段50は、色成分ボクセル画像の各ボクセルの(R,G,B)で構成される色成分に対して、そのボクセルに対応する不透明度ボクセル画像のボクセルの近傍のボクセルの不透明度を基に、そのボクセルにおける勾配ベクトルを算出し、算出した勾配ベクトルを用いて、陰影値を算出し、色成分(R,G,B)の各値に陰影値を乗算すした値に置き換える手段である。 The smoothing means 40 is a means for smoothing the opacity by replacing the opacity of each voxel constituting the opacity voxel image with the average value of the opacity of the voxel and its neighboring voxels. The shading means 50 adds the opacity of voxels near the voxel of the opacity voxel image corresponding to the color component composed of (R, G, B) of each voxel of the color component voxel image. Based on this, the gradient vector in the voxel is calculated, the calculated gradient vector is used to calculate the shade value, and each value of the color components (R, G, B) is multiplied by the shade value and replaced with a value. be.

色補正手段60は、色成分ボクセル画像における最外側であって、対応する不透明度ボクセル画像におけるボクセルの不透明度が0であるボクセル(透明ボクセル)の色成分に対して、当該ボクセルの近傍の不透明度が0でないボクセルに対応する色成分ボクセル画像におけるボクセルの色成分の平均値で置換するような色補正処理を行う色補正手段である。レンダリング手段70は、不透明度ボクセル画像および色成分ボクセル画像、または不透明度付色成分ボクセル画像を用いてカラーのボリュームレンダリング像を生成する手段である。レンダリング手段70は、3Dテクスチャマッピング方式とレイキャスティング方式の2通りのレンダリング処理に対応している。レンダリング像出力手段80は、ボリュームレンダリング像を所定の出力手段に所定の態様で出力する手段である。通常は、表示部6等に表示出力が行われる。 The color correction means 60 corrects the color component of the voxel (transparent voxel), which is the outermost voxel in the color component voxel image and whose opacity is 0 in the corresponding opacity voxel image, to the color component near the voxel. This is a color correcting means for performing a color correcting process such as replacing with an average value of color components of voxels in a color component voxel image corresponding to voxels whose transparency is not zero. The rendering means 70 is a means for generating a color volume rendering image using the opacity voxel image and the color component voxel image, or the color component voxel image with opacity. The rendering means 70 supports two types of rendering processing, 3D texture mapping method and ray casting method. The rendering image output means 80 is means for outputting the volume rendering image to a predetermined output means in a predetermined manner. Normally, display output is performed on the display unit 6 or the like.

断層画像読込手段10およびカラーマップ読込手段15は、CPU1が補助しながら、主にデータ入出力I/F5において実現される。ROIクリッピング設定手段20は、CPU1が補助しながら、主に指示入力I/F4において実現される。ボクセル画像作成手段30、スムージング手段40、陰影付加手段50、色補正手段60は、CPU1が、記憶装置3に記憶されているプログラムを実行することにより実現される。レンダリング手段70については、3Dテクスチャマッピング方式の場合は、CPU1が補助しながら、主にGPU7においてプログラムを実行することにより実現される。また、レイキャスティング方式の場合は、レンダリング手段70は、CPU1がプログラムを実行することにより実現される。レンダリング像出力手段80は、CPU1が補助しながら、主にフレームメモリ8と表示部6において実現される。 The tomographic image reading means 10 and the color map reading means 15 are realized mainly in the data input/output I/F 5 with the assistance of the CPU 1 . The ROI clipping setting means 20 is realized mainly in the instruction input I/F 4 with the assistance of the CPU 1 . The voxel image creating means 30 , the smoothing means 40 , the shadow adding means 50 and the color correcting means 60 are implemented by the CPU 1 executing programs stored in the storage device 3 . In the case of the 3D texture mapping method, the rendering means 70 is realized mainly by executing a program in the GPU 7 with the assistance of the CPU 1 . Moreover, in the case of the ray casting method, the rendering means 70 is implemented by the CPU 1 executing a program. The rendered image output means 80 is realized mainly in the frame memory 8 and the display section 6 with the assistance of the CPU 1 .

図2に示した各構成手段は、現実には図1に示したように、コンピュータおよびその周辺機器等のハードウェアに専用のプログラムを搭載することにより実現される。すなわち、コンピュータが、専用のプログラムに従って各手段の内容を実行することになる。なお、本明細書において、コンピュータとは、CPU、GPU等の演算処理部を有し、データ処理が可能な装置を意味し、パーソナルコンピュータなどの汎用コンピュータだけでなく、GPUを搭載するタブレットなどの携帯端末や様々な装置に組み込まれたコンピュータも含む。 Each component shown in FIG. 2 is actually implemented by installing a dedicated program in hardware such as a computer and its peripherals, as shown in FIG. That is, the computer executes the contents of each means according to a dedicated program. In this specification, a computer means a device that has an arithmetic processing unit such as a CPU or GPU and is capable of data processing. It also includes computers embedded in mobile terminals and various devices.

<2.処理動作>
次に、図1、図2に示したボリュームレンダリング装置の処理動作について説明する。図3は、本実施形態に係るボリュームレンダリング装置の処理動作を示すフローチャートである。まず、断層画像読込手段10が、複数の断層画像を読み込む。DICOM形式の複数の断層画像を読み込んだら、ROIクリッピング設定手段20が、ROIクリッピング設定を行う(ステップS10)。ROIとはRegion of Interestの略であり、関心領域を意味する。ここでは、ボリュームレンダリング像およびボクセル画像の作成対象とする範囲を示す。ROIを設定することにより、3次元的に任意の位置で被写体を断裁したボリュームレンダリング像を生成することができ、体表や骨に隠れた臓器や臓器の内部を描出するのに用いられる。ステップS20以降の処理において、所定の範囲にボクセル画像作成対象が限定されるように、ステップS10においてROIを設定する。
<2. Processing operation>
Next, processing operations of the volume rendering apparatus shown in FIGS. 1 and 2 will be described. FIG. 3 is a flowchart showing processing operations of the volume rendering apparatus according to this embodiment. First, the tomographic image reading means 10 reads a plurality of tomographic images. After reading a plurality of DICOM-format tomographic images, the ROI clipping setting means 20 sets the ROI clipping (step S10). ROI is an abbreviation for Region of Interest, and means a region of interest. Here, the ranges for which volume rendering images and voxel images are to be created are shown. By setting the ROI, it is possible to generate a volume rendering image in which the subject is cut at an arbitrary position three-dimensionally, which is used to depict organs hidden in the body surface and bones, and the interior of the organs. In the processing after step S20, the ROI is set in step S10 so that the voxel image creation target is limited to a predetermined range.

読み込んだ各断層画像のX軸方向の左端に対応する座標をXso、X軸方向の右端に対応する座標をXeo、Y軸方向の上端に対応する座標をYso、Y軸方向の下端に対応する座標をYeo、第1スライスの断層画像に対応する座標をZso、最終スライスの断層画像に対応する座標をZeoとすると、Xso≦Xs<Xe≦Xeo、Yso≦Ys<Ye≦Yeo、Zso≦Zs<Ze≦Zeoを満たす[Xs,Xe]、[Ys,Ye]、[Zs,Ze]の直方体で定義される範囲をROIと定義し処理対象として特定する。ステップS10におけるROIクリッピング設定の結果、処理対象の画素数が(Xeo-Xso+1)×(Yeo-Yso+1)×(Zeo-Zso+1)画素から、(Xe-Xs+1)×(Ye-Ys+1)×(Ze-Zs+1)画素に削減されることになる。ROIクリッピング設定手段20によるステップS10のROIクリッピング設定を行うことにより、観察対象の臓器を露出させたボリュームレンダリング像が得られるという効果に加え、処理対象の画素が減って処理負荷を抑え応答性を向上させることができるという二重のメリットがあるため、設定される場合が多いが、必須の処理ではなく省略することも可能である。(観察対象の臓器を描出する方法として、3次元マスクを作成する方法もとられるが、ROIの設定に比べ操作が煩雑になり、処理負荷も増えるため、ROIクリッピング処理は必須に近い。)尚、ステップS10のROIクリッピング設定の段階では、ROIクリッピングを適用する範囲を定義するだけで、具体的なクリッピング処理は、ステップS20以降の各処理で実行される。各々の処理において、ボクセル画像のROI範囲に限定して演算が行われることにより処理負荷が軽減され、ステップS70のレンダリング処理でクリッピング(断裁)されたボリュームレンダリング像が生成される。 Xso is the coordinate corresponding to the left end in the X-axis direction of each read tomographic image, Xeo is the coordinate corresponding to the right end in the X-axis direction, Yso is the coordinate corresponding to the upper end in the Y-axis direction, and Yso corresponds to the lower end in the Y-axis direction. Let Yeo be the coordinates, Zso be the coordinates corresponding to the tomographic image of the first slice, and Zeo be the coordinates corresponding to the tomographic image of the final slice. A range defined by a rectangular parallelepiped of [Xs, Xe], [Ys, Ye], and [Zs, Ze] satisfying <Ze≦Zeo is defined as an ROI and specified as a processing target. As a result of the ROI clipping setting in step S10, the number of pixels to be processed is (Xeo−Xso+1)×(Yeo−Yso+1)×(Zeo−Zso+1) pixels, and (Xe−Xs+1)×(Ye−Ys+1)×(Ze− Zs+1) pixels. By performing the ROI clipping setting in step S10 by the ROI clipping setting means 20, in addition to the effect that a volume rendering image in which the organ to be observed is exposed is obtained, the number of pixels to be processed is reduced, thereby suppressing the processing load and improving the responsiveness. Since there is a double merit that it can be improved, it is often set, but it is possible to omit it because it is not an essential process. (A method of creating a three-dimensional mask is also used as a method of depicting the organ to be observed, but the operation is more complicated than setting the ROI and the processing load increases, so the ROI clipping process is almost essential.) At the stage of ROI clipping setting in step S10, only the range to which ROI clipping is applied is defined, and specific clipping processing is executed in each processing after step S20. In each process, the processing load is reduced by performing calculations limited to the ROI range of the voxel image, and a clipped volume rendering image is generated in the rendering process of step S70.

次に、ボクセル画像作成手段30が、ボクセル画像作成処理を行う(ステップS20)。ボクセル画像とは、断層画像の各画素が三次元空間にボクセルとして配置されたボクセル構造体である。ステップS20における具体的な処理としては、カラーマップ読込手段15から読み込んだカラーマップを用いて、クリッピング設定後の断層画像のROI範囲に含まれる各画素の信号値に対して対応する値を付与し、ボクセル画像を作成する。本実施形態では、ボクセル画像として、不透明度ボクセル画像、色成分ボクセル画像、不透明度付色成分ボクセル画像の3種を作成する。 Next, the voxel image creation means 30 performs voxel image creation processing (step S20). A voxel image is a voxel structure in which each pixel of a tomographic image is arranged as a voxel in a three-dimensional space. As a specific process in step S20, a value corresponding to the signal value of each pixel included in the ROI range of the tomographic image after clipping setting is assigned using the color map read from the color map reading unit 15. , to create a voxel image. In this embodiment, three types of voxel images are created: an opacity voxel image, a color component voxel image, and a color component voxel image with opacity.

図4は、本実施形態で用いるカラーマップを示す図である。図4において、信号値は、断層画像の各画素に記録された信号値であり、R、G、Bは、それぞれ赤、緑、青の色成分であり、αはそのボクセルの表示の程度を規定する不透明度である。図4は、断層画像の信号値が16ビットで記録され、-32768~32767の値をとる場合のカラーマップである。(CT画像の場合は、水(water)成分を0として-2048から2048の範囲に正規化される場合が多い)。図4に示すように、カラーマップには、断層画像の各画素の信号値に対して、R、G、Bの各色成分と不透明度αが対応付けられている。このようなカラーマップを用いることにより、断層画像の各画素に対応するボクセル画像の各ボクセルに対して、その画素の信号値に対応するR、G、Bの各色成分と不透明度αをボクセル値として与えることによりフルカラーのボリュームレンダリング像を作成することができる。 FIG. 4 is a diagram showing a color map used in this embodiment. In FIG. 4, the signal value is the signal value recorded in each pixel of the tomographic image, R, G, and B are the color components of red, green, and blue, respectively, and α is the degree of display of the voxel. Opacity to specify. FIG. 4 is a color map when the signal values of the tomographic image are recorded in 16 bits and take values from -32768 to 32767. FIG. (CT images are often normalized to a range of -2048 to 2048 with the water component set to 0). As shown in FIG. 4, in the color map, the signal value of each pixel of the tomographic image is associated with each of the R, G, and B color components and the opacity α. By using such a color map, for each voxel of the voxel image corresponding to each pixel of the tomographic image, each of the R, G, and B color components corresponding to the signal value of that pixel and the opacity α are obtained as voxel values. A full-color volume rendering image can be created by giving .

図4に示したようなカラーマップを用いることにより、断層画像において所定の信号値を有する箇所を、任意の色成分、任意の不透明度で表現することができる。断層画像においては、臓器、器官等の部位に応じて信号値が異なるため、ボリュームレンダリング像において、カラーマップを定義することにより、信号値の相違に基づいて、人為的に、特定の臓器を色分けしたり、特定の器官を透明にして背後に隠れた臓器を露出させたりすることができる。特定の部位の不透明度αを最大値(α=255)に設定すれば、その部位だけが明瞭に表示され、その部位の奥に位置する部位は描出されない。逆に特定の部位の不透明度αを最小値(α=0)に設定すれば、その部位は不可視(透明)になり、その部位の奥に位置する部位が露出される。特定の部位の不透明度αを中間調(0<α<255)に設定すれば、その部位が半透明で表示され、その奥に位置する部位が透かし合成されて表示される。また、色成分R、G、Bとしては、目的とする部位を視認し易くするための任意の値を設定することができる。したがって、カラーマップは、観察対象の部位ごとに設定しておくことができ、同じ断層画像群に対しても、異なるカラーマップを使用することにより、異なるボリュームレンダリング像が得られることになる。すなわち、肺用のカラーマップを用いれば、肺の部分が目立ったボリュームレンダリング像が得られ、心臓用のカラーマップを用いれば、心臓の部分が目立ったボリュームレンダリング像が得られる。ただし、各臓器の信号値分布は互いにオーバーラップしていることもあるため、特定の臓器のみを描出するカラーマップを作成することはできないことが多い。例えば、心臓用のカラーマップでは肋骨・胸骨も同時に描出され、心臓はこれらの骨に隠れてしまうため、ROIクリッピングを設定して肋骨を仮想的に断裁するなどの工夫が必要になる。 By using a color map such as that shown in FIG. 4, a portion having a predetermined signal value in a tomographic image can be expressed with an arbitrary color component and an arbitrary opacity. In a tomographic image, since signal values differ according to parts such as organs, specific organs can be artificially colored based on differences in signal values by defining a color map in a volume rendering image. or make certain organs transparent to reveal hidden organs behind them. If the opacity α of a specific part is set to the maximum value (α=255), only that part will be clearly displayed, and the parts located behind that part will not be rendered. Conversely, if the opacity α of a specific portion is set to the minimum value (α=0), that portion becomes invisible (transparent), and the portion located behind that portion is exposed. If the opacity α of a specific portion is set to a halftone (0<α<255), that portion is displayed semi-transparently, and the portion located behind it is displayed as a watermark. Moreover, as the color components R, G, and B, arbitrary values can be set so as to facilitate visual recognition of the target portion. Therefore, a color map can be set for each site to be observed, and different volume rendering images can be obtained by using different color maps for the same group of tomographic images. That is, if the color map for lungs is used, a volume rendering image in which the lung portion is conspicuous is obtained, and if the color map for heart is used, a volume rendering image in which the heart portion is conspicuous is obtained. However, since the signal value distribution of each organ may overlap each other, it is often impossible to create a color map that renders only a specific organ. For example, in the color map for the heart, the ribs and sternum are also drawn at the same time, and the heart is hidden by these bones.

本実施形態では、指示入力I/F4を介した操作により、使用中のカラーマップに変更を加えたり、異なるカラーマップを読み込むことが可能となっている。そして、ボリュームレンダリング装置は、変更されたカラーマップまたは新たに読み込まれたカラーマップを参照して、ボリュームレンダリング像を生成する。本実施形態のボリュームレンダリング装置は、ボリュームレンダリング像を高速で生成することが可能であるため、カラーマップの変更に対してリアルタイムにボリュームレンダリング像を更新できる。 In this embodiment, it is possible to change the color map in use or read a different color map by operating via the instruction input I/F 4 . Then, the volume rendering device generates a volume rendering image by referring to the changed color map or the newly loaded color map. Since the volume rendering apparatus of this embodiment can generate a volume rendering image at high speed, it can update the volume rendering image in real time in response to changes in the color map.

ステップS20においては、ボクセル画像作成手段30が、複数の断層画像のXs<x<XeかつYs<y<YeかつZs<z<Zeの範囲に対応する各画素(x,y,z)における信号値を用いてカラーマップを参照し、信号値に対応する色成分であるR、G、Bと、不透明度αの値を取得し、その値を対応するボクセルの値とする。x≦XsまたはXe≦xまたはy≦YsまたはYe≦yまたはz≦ZsまたはZe≦zの範囲のボクセル(x,y,z)の値に対しては、一律にR=G=B=α=0を設定する。複数枚の断層画像における全ての画素に対して、この処理を行うことにより、複数枚の断層画像に対応した三次元のボクセル画像が得られる。これにより、本来、ボクセル画像の各ボクセルの値は、R、G、B、αの4つとなる。 In step S20, the voxel image generating means 30 generates signals at each pixel (x, y, z) corresponding to the range of Xs<x<Xe, Ys<y<Ye, and Zs<z<Ze of a plurality of tomographic images. The color map is referred to using the values, and the values of R, G, B, which are the color components corresponding to the signal value, and the opacity α are obtained, and these values are used as the values of the corresponding voxels. For voxel (x,y,z) values in the range x≤Xs or Xe≤x or y≤Ys or Ye≤y or z≤Zs or Ze≤z uniformly R=G=B=α =0. A three-dimensional voxel image corresponding to the plurality of tomographic images is obtained by performing this processing on all pixels in the plurality of tomographic images. As a result, each voxel of the voxel image originally has four values of R, G, B, and α.

本実施形態では、ボクセル画像作成手段30が、不透明度ボクセル画像作成手段31、色成分ボクセル画像作成手段32、不透明度付色成分ボクセル画像作成手段33を有し、ステップS20のボクセル画像作成処理において、不透明度ボクセル画像作成手段31が不透明度αのみを各ボクセルに記録した1ボクセル8ビット形式の不透明度ボクセル画像を作成し、色成分ボクセル画像作成手段32が、色成分R、G、Bを各画素に記録した1ボクセル24ビット形式の色成分ボクセル画像を作成する。また、後述する3Dテクスチャマッピング方式でボリュームレンダリングを行う場合、不透明度付色成分ボクセル画像作成手段33が色成分R、G、Bおよび不透明度αを各画素に記録した1ボクセル32ビット形式の不透明度付色成分ボクセル画像を作成する。その理由は、ボクセル画像をOpenGL(Open SourceのGraphics Libraryで、これに基づいてレンダリング処理を記述するとGPUを制御するプログラムコードが自動生成される)に3Dテクスチャ画像として登録するためにボクセル画像を1ボクセル32ビット形式で作成する必要があるためである。 In this embodiment, the voxel image creating means 30 has an opacity voxel image creating means 31, a color component voxel image creating means 32, and a color component voxel image creating means 33 with opacity. , an opacity voxel image creating means 31 creates an opacity voxel image of 1 voxel 8-bit format in which only the opacity α is recorded in each voxel, and a color component voxel image creating means 32 records the color components R, G, and B. A 1-voxel 24-bit format color component voxel image recorded in each pixel is created. When volume rendering is performed by the 3D texture mapping method, which will be described later, the opacity-added color component voxel image creation means 33 creates a 1-voxel 32-bit format in which the color components R, G, and B and the opacity α are recorded in each pixel. Create a color component voxel image with transparency. The reason for this is that the voxel image is registered as a 3D texture image in OpenGL (an Open Source Graphics Library based on which the program code for controlling the GPU is automatically generated when rendering processing is described). This is because it must be created in the voxel 32-bit format.

具体的には、不透明度ボクセル画像作成手段31は、複数の断層画像のXs<x<XeかつYs<y<YeかつZs<z<Zeの範囲に対応する各画素(x,y,z)に対応する信号値を用いてカラーマップを参照し、信号値に対応するαの値を取得し、その値を対応するボクセルの値とする。x≦XsまたはXe≦xまたはy≦YsまたはYe≦yまたはz≦ZsまたはZe≦zの範囲のボクセル(x,y,z)には値として0を設定する。複数枚の断層画像における全ての画素に対して、この処理を行うことにより、複数枚の断層画像に対応した三次元の不透明度ボクセル画像が得られる。不透明度ボクセル画像の各ボクセルの値は、上述のようにαのみとなる。 Specifically, the opacity voxel image creating means 31 calculates each pixel (x, y, z) corresponding to the range of Xs<x<Xe, Ys<y<Ye, and Zs<z<Ze of a plurality of tomographic images. The color map is referred to using the signal value corresponding to , the value of α corresponding to the signal value is acquired, and that value is used as the value of the corresponding voxel. A value of 0 is set for voxels (x, y, z) in the range of x≦Xs, Xe≦x, y≦Ys, Ye≦y, z≦Zs, or Ze≦z. By performing this process on all pixels in a plurality of tomographic images, a three-dimensional opacity voxel image corresponding to the plurality of tomographic images can be obtained. The value of each voxel in the opacity voxel image is α only, as described above.

また、色成分ボクセル画像作成手段32または不透明度付色成分ボクセル画像作成手段33は、断層画像のXs<x<XeかつYs<y<YeかつZs<z<Zeの範囲に対応する各画素(x,y,z)に対応する信号値を用いてカラーマップを参照し、信号値に対応するR、G、Bの色成分の値を取得し、それらの値を対応するボクセルの値とする。x≦XsまたはXe≦xまたはy≦YsまたはYe≦yまたはz≦ZsまたはZe≦zの範囲のボクセル(x,y,z)には値としてR=G=B=0を設定する。更に、不透明度付色成分ボクセル画像作成手段33は作成する不透明度付色成分ボクセル画像の全てのボクセルの不透明度に対して0に設定する。複数枚の断層画像における全ての画素に対して、この処理を行うことにより、複数枚の断層画像に対応した三次元の色成分ボクセル画像または不透明度付色成分ボクセル画像が得られる。色成分ボクセル画像の各ボクセルの値は、上述のようにR、G、Bの3つとなる。不透明度付色成分ボクセル画像の各ボクセルの値は、上述のようにR、G、B、αの4つとなる(ただし、αは初期状態では全て0に設定されている)。例えば、各成分をそれぞれ8ビットで記録した場合、不透明度ボクセル画像の1ボクセルは8ビットで記録され、色成分ボクセル画像の1ボクセルは24ビットで記録され、不透明度付色成分ボクセル画像の1ボクセルは32ビットで記録される。後述するが、1ボクセル8ビット形式の不透明度ボクセル画像と、1ボクセル24ビット形式の色成分ボクセル画像の組合せは、CPU1がレイキャスティング方式でレンダリング処理を行う場合に適しており、1ボクセル8ビット形式の不透明度ボクセル画像と、1ボクセル32ビット形式の不透明度付色成分ボクセル画像の組合せは、GPU7を用いた3Dテクスチャマッピング方式でレンダリング処理を行う場合に適している。 In addition, the color component voxel image creating means 32 or the color component voxel image creating means 33 with opacity has each pixel ( x, y, z) are used to refer to the color map, obtain the values of the R, G, and B color components corresponding to the signal values, and use those values as the values of the corresponding voxels. . R=G=B=0 is set for voxels (x, y, z) in the range of x≦Xs or Xe≦x or y≦Ys or Ye≦y or z≦Zs or Ze≦z. Furthermore, the opacity-added color component voxel image creating means 33 sets the opacity of all voxels of the opacity-added color component voxel image to be created to 0. By performing this processing on all pixels in a plurality of tomographic images, a three-dimensional color component voxel image or opacity-added color component voxel image corresponding to the plurality of tomographic images is obtained. Each voxel of the color component voxel image has three values of R, G, and B as described above. Each voxel of the color component voxel image with opacity has four values of R, G, B, and α as described above (where α is all set to 0 in the initial state). For example, when each component is recorded with 8 bits, 1 voxel of the opacity voxel image is recorded with 8 bits, 1 voxel of the color component voxel image is recorded with 24 bits, and 1 voxel of the color component voxel image with opacity is recorded with 8 bits. Voxels are recorded in 32 bits. As will be described later, the combination of the opacity voxel image in 1-voxel 8-bit format and the color component voxel image in 1-voxel 24-bit format is suitable for the case where the CPU 1 performs rendering processing using the ray casting method. The combination of the opacity voxel image in the format and the color component voxel image with opacity in the 1 voxel 32-bit format is suitable for rendering processing by the 3D texture mapping method using the GPU7.

図5は、不透明度ボクセル画像と色成分ボクセル画像または不透明度付色成分ボクセル画像の概念図である。図5(a)は、不透明度ボクセル画像を立方体で表現したものであり、図5(b)は、色成分ボクセル画像または不透明度付色成分ボクセル画像を立方体で表現したものである。図5においては、説明の便宜上、ボクセル数を6×6×6に設定している。図5に示すように、不透明度ボクセル画像と色成分ボクセル画像または不透明度付色成分ボクセル画像は、三次元の各軸方向におけるボクセル数は等しく、両者のボクセルは互いに1対1で対応している。ただし、不透明度ボクセル画像は、1ボクセルに8ビット記録可能であるのに対して、色成分ボクセル画像は、1ボクセルに24ビット記録可能であり、不透明度付色成分ボクセル画像は、1ボクセルに32ビット記録可能である。この記録容量の差が図5においては、ボクセルの大きさとして表現されている。
図5に模式的に示した2つのボクセル画像は、実際には、RAM3等のメモリ上で各ボクセル画像ごとに記録される。したがって、図5(a)に示したように、小さな不透明度ボクセル画像は、メモリ上においても、小さい領域にまとまって記録されることになり、CPU1やGPU7によるアクセス速度が大幅に向上する。
レイキャスティング方式に対応したボクセルデータは、複数の2次元の断層画像の各画素に対応し、カラ-マップを参照して定められた各ボクセルで構成されるボクセル構造体であり、各ボクセルの値として不透明度αが定義された不透明度ボクセル画像と、各ボクセルの値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像とを含むボクセル構造体のデータ構造を有している。
3Dテクスチャマッピング方式に対応したボクセルデータは、複数の2次元の断層画像の各画素に対応し、カラ-マップを参照して定められた各ボクセルで構成されるボクセル構造体であり、各ボクセルの値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像と、各ボクセルの値として色成分の値及び不透明度が定義された不透明度付色成分ボクセル画像とを含む、ボクセル構造体のデータ構造を有している。
FIG. 5 is a conceptual diagram of an opacity voxel image and a color component voxel image or a color component voxel image with opacity. 5A shows an opacity voxel image represented by a cube, and FIG. 5B shows a color component voxel image or an opacity-added color component voxel image represented by a cube. In FIG. 5, the number of voxels is set to 6×6×6 for convenience of explanation. As shown in FIG. 5, the opacity voxel image and the color component voxel image or the color component voxel image with opacity have the same number of voxels in each three-dimensional axial direction, and the voxels of the two correspond to each other on a one-to-one basis. there is However, the opacity voxel image can be recorded in 8 bits per voxel, whereas the color component voxel image can be recorded in 24 bits per voxel. 32-bit recording is possible. This difference in recording capacity is expressed as the size of voxels in FIG.
The two voxel images schematically shown in FIG. 5 are actually recorded on a memory such as the RAM 3 for each voxel image. Therefore, as shown in FIG. 5A, small opacity voxel images are collectively recorded in a small area even on the memory, and the access speed by the CPU 1 and GPU 7 is greatly improved.
Voxel data corresponding to the ray casting method corresponds to each pixel of a plurality of two-dimensional tomographic images, is a voxel structure composed of each voxel determined with reference to a color map, and the value of each voxel and a color component voxel image in which the color component value is defined as the value of each voxel.
Voxel data corresponding to the 3D texture mapping method corresponds to each pixel of a plurality of two-dimensional tomographic images, and is a voxel structure composed of each voxel determined with reference to a color map. It has a voxel structure data structure including an opacity voxel image in which opacity is defined as a value and a color component voxel image with opacity in which a color component value and opacity are defined as the value of each voxel. ing.


ボクセル画像として、別体である不透明度ボクセル画像と色成分ボクセル画像または不透明度付色成分ボクセル画像を作成することにより、不透明度を参照する際、不透明度ボクセル画像のみを参照すればよいことになる。このため、ボリュームレンダリング像の作成過程において、頻繁に行われる不透明度の参照、特に複数の近傍のボクセルの不透明度の参照に要するアクセス時間が大幅に削減される。その結果、ボリュームレンダリング像を高速に作成し、カラーマップの変更等に伴う再表示処理を高速に行うことに寄与する。

By creating an opacity voxel image and a color component voxel image or a color component voxel image with opacity as separate voxel images, it is possible to refer to only the opacity voxel image when referring to opacity. Become. Therefore, in the process of creating a volume rendering image, the access time required for frequent opacity references, particularly for opacity references of a plurality of neighboring voxels, is greatly reduced. As a result, it contributes to high-speed creation of volume rendering images and high-speed re-display processing associated with color map changes and the like.

次に、スムージング手段40が、スムージング処理を行う(ステップS30)。具体的には、不透明度ボクセル画像のXs<x<XeかつYs<y<YeかつZs<z<Zeの範囲の各ボクセル(x,y,z)の不透明度αの値を、当該ボクセルと近傍のボクセルを用いて平滑化する。近傍のボクセルとしては、例えば、xyz軸の各方向に隣接する26ボクセルを用いることができる。したがって、ボクセル(x,y,z)に対しては、自身も含めてx-1~x+1、y-1~y+1、z-1~z+1に属する27ボクセルを用いて平滑化することになる。平滑化の具体的な手法としては、様々な手法を用いることができるが、本実施形態では、27ボクセルの平均値を対象とするボクセルの値として与えることにより行う。 Next, the smoothing means 40 performs smoothing processing (step S30). Specifically, the value of the opacity α of each voxel (x, y, z) in the range of Xs < x < Xe, Ys < y < Ye, and Zs < z < Ze of the opacity voxel image is Smooth using neighboring voxels. As neighboring voxels, for example, 26 voxels adjacent in each direction of the xyz axis can be used. Therefore, voxel (x, y, z) is smoothed using 27 voxels belonging to x−1 to x+1, y−1 to y+1, z−1 to z+1 including itself. Various methods can be used as a specific smoothing method. In this embodiment, the average value of 27 voxels is given as the value of the target voxel.

スムージング処理は、不透明度ボクセル画像のXs<x<XeかつYs<y<YeかつZs<z<Zeの範囲のボクセル(x,y,z)に対して行い、x≦XsまたはXe≦xまたはy≦YsまたはYe≦yまたはz≦ZsまたはZe≦zの範囲のボクセル(x,y,z)については、変更を行わず、元の不透明度α=0が記録されたままとなる。ステップS30において不透明度ボクセル画像の略全体においてスムージング処理を行うことにより、後にボリュームレンダリング像を表示した際に、モアレの発生を抑制することができる。 Smoothing processing is performed on voxels (x, y, z) in the range of Xs < x < Xe, Ys < y < Ye, and Zs < z < Ze of the opacity voxel image, and x ≤ Xs or Xe ≤ x or For voxels (x, y, z) in the range y≦Ys or Ye≦y or z≦Zs or Ze≦z, no changes are made and the original opacity α=0 remains recorded. By performing the smoothing process on substantially the entire opacity voxel image in step S30, it is possible to suppress the occurrence of moire when the volume rendering image is displayed later.

次に、陰影付加手段50が、陰影付加処理を行う(ステップS40)。これは、所定の照明環境に対応した陰影をボクセル画像に付加する処理で、具体的にはXs≦x≦XeかつYs≦y≦YeかつZs≦z≦Zeの範囲の不透明度ボクセル画像を参照しながら、Xs<x<XeかつYs<y<YeかつZs<z<Zeの範囲の色成分ボクセル画像を更新する処理である。このために、ある平行光源と環境光成分を設定し、付加すべき陰影の計算を行う。具体的には、まず、平行光源の向きを示す単位ベクトルとして光源ベクトル(Lx,Ly,Lz)と、環境光成分Abを設定する。光源ベクトル(Lx,Ly,Lz)、環境光成分Abの数値は、表現したい像の状況に応じて適宜設定することができるが、例えば、(Lx,Ly,Lz)=(0.57735,0.57735,0.57735)、Ab=0.2と設定する。Lx,Ly,Lzは絶対値が1未満の実数値(負値を含む),Abは0以上1以下の実数値である。そして、不透明度ボクセル画像の勾配ベクトル(Gx,Gy,Gz)を以下の〔数式1〕に従った処理を実行することにより算出する。 Next, the shadow addition means 50 performs shadow addition processing (step S40). This is a process of adding a shadow corresponding to a predetermined lighting environment to a voxel image. In this process, the color component voxel image in the range of Xs<x<Xe, Ys<y<Ye, and Zs<z<Ze is updated. For this purpose, a certain parallel light source and ambient light components are set, and shadows to be added are calculated. Specifically, first, a light source vector (Lx, Ly, Lz) and an ambient light component Ab are set as unit vectors indicating the directions of the parallel light sources. The numerical values of the light source vector (Lx, Ly, Lz) and the ambient light component Ab can be appropriately set according to the situation of the image to be expressed. .57735, 0.57735) and set Ab=0.2. Lx, Ly, and Lz are real numbers with absolute values less than 1 (including negative values), and Ab is a real number of 0 or more and 1 or less. Then, the gradient vector (Gx, Gy, Gz) of the opacity voxel image is calculated by executing the process according to [Equation 1] below.

〔数式1〕
Gx=(Vα(x+1,y,z)-Vα(x-1,y,z))・(Rxy/Rz)
Gy=(Vα(x,y+1,z)-Vα(x,y-1,z))・(Rxy/Rz)
Gz=(Vα(x,y,z+1)-Vα(x,y,z-1))
G=(Gx2+Gy2+Gz21/2
[Formula 1]
Gx=(Vα(x+1, y, z)−Vα(x−1, y, z))・(Rxy/Rz)
Gy=(Vα(x,y+1,z)−Vα(x,y−1,z))・(Rxy/Rz)
Gz = (Vα (x, y, z+1) - Vα (x, y, z−1))
G=(Gx 2 +Gy 2 +Gz 2 ) 1/2

〔数式1〕において、Vα(x,y,z)は不透明度ボクセル画像のボクセル(x,y,z)における不透明度で、Rxyは断層画像の解像度(画素間隔の逆数でmmあたりの画素数で、X方向とY方向は同一)、Rzは断層画像のスライス解像度(断層画像のスライス間隔の逆数で、mmあたりの断層画像のスライス数)、Gは勾配ベクトル(Gx,Gy,Gz)の大きさである。Rxy/RzはZ軸方向変倍率と定義され、〔数式1〕において、GxとGyを算出する式にRxy/Rzを乗ずる代わりに、Gzを算出する式にRz/Rxy、即ちz軸方向変倍率の逆数を乗じてもよい。〔数式1〕に示すように、陰影付加手段50は、不透明度ボクセル画像の当該ボクセルのX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の各々2近傍のボクセルの不透明度の差分値を勾配ベクトルのX方向成分、Y方向成分、Z方向成分として算出し、あらかじめ定義されたZ軸方向変倍率に基づいてX方向・Y方向成分またはZ方向成分に補正を施した単位ベクトルを、当該ボクセルにおける勾配ベクトルとして算出する。さらに、G≧1の場合、以下の〔数式2〕に従った処理を実行して、拡散反射成分のみを含んだ輝度値S(x,y,z)を算出する。S(x,y,z)は、0以上1以下の実数値である。 In [Equation 1], Vα (x, y, z) is the opacity at the voxel (x, y, z) of the opacity voxel image, and Rxy is the resolution of the tomographic image (the reciprocal of the pixel interval, the number of pixels per mm , the X direction and the Y direction are the same), Rz is the slice resolution of the tomographic image (reciprocal of the slice interval of the tomographic image, the number of slices of the tomographic image per mm), G is the gradient vector (Gx, Gy, Gz) It's size. Rxy/Rz is defined as the Z-axis direction scaling factor. You may multiply the reciprocal of the magnification. As shown in [Equation 1], the shading means 50 calculates the difference value of the opacity of two voxels in each of the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction of the voxel of the opacity voxel image as a gradient vector. A unit vector calculated as an X-direction component, a Y-direction component, and a Z-direction component, and corrected for the X-direction/Y-direction component or the Z-direction component based on a predefined Z-axis direction scaling factor is used as the gradient at the voxel. Compute as a vector. Further, when G≧1, the processing according to [Equation 2] below is executed to calculate the luminance value S(x, y, z) including only the diffuse reflection component. S(x, y, z) is a real number of 0 or more and 1 or less.

〔数式2〕
S(x,y,z)=(1-Ab)(|Gx・Lx+Gy・Ly+Gz・Lz|)/G+Ab
[Formula 2]
S (x, y, z) = (1-Ab) (|Gx · Lx + Gy · Ly + Gz · Lz |) / G + Ab

一方、〔数式1〕において算出されたGの値がG<1の場合、不透明度の勾配が存在しない均一な領域(背景部の空気中や肺野など)であるか、最外側であると考えられるため、陰影付加を行わず、輝度値S(x,y,z)=0とする。〔数式1〕において、|Gx・Lx+Gy・Ly+Gz・Lz|は、絶対値を示し、“Gx・Lx+Gy・Ly+Gz・Lz”が負値の場合でも、S(x,y,z)が負値にならないようにしている。 On the other hand, when the value of G calculated in [Equation 1] is G<1, it is a uniform region (in the background air, lung fields, etc.) where there is no opacity gradient, or it is the outermost region. Therefore, the luminance value S(x, y, z) is set to 0 without adding shading. In [Equation 1], |Gx·Lx+Gy·Ly+Gz·Lz| indicates an absolute value, and even when "Gx·Lx+Gy·Ly+Gz·Lz" is a negative value, S(x, y, z) is a negative value. I try not to.

そして、算出された輝度値S(x,y,z)を用いて以下の〔数式3〕に従った処理を実行して、色成分ボクセル画像または不透明度付色成分ボクセル画像の各ボクセル値V(x,y,z,c)を補正して、補正後の各ボクセル値V´(x,y,z,c)を得る。 Then, using the calculated luminance value S (x, y, z), the process according to the following [Formula 3] is executed to obtain each voxel value V of the color component voxel image or the color component voxel image with opacity. (x, y, z, c) is corrected to obtain each corrected voxel value V'(x, y, z, c).

〔数式3〕
V´(x,y,z,c)=S(x,y,z)・V(x,y,z,c)
[Formula 3]
V'(x, y, z, c)=S(x, y, z) V(x, y, z, c)

〔数式3〕において、c=0,1,2の値をとり、それぞれR,G,Bの色成分に対応する。したがって、1色8ビットの場合、3色で24ビットであるので、色成分ボクセル画像の場合は、そのまま記録する。不透明度付色成分ボクセル画像の場合は、c=0,1,2について、〔数式3〕に従った処理を実行した後、さらに、c=3として、以下の〔数式4〕に従い、対応する不透明度ボクセル画像の値を与える処理を実行して、1ボクセル32ビットに情報が記録された各ボクセル値V´(x,y,z,c)を得る。 In [Equation 3], c=0, 1 and 2, which correspond to the R, G and B color components, respectively. Therefore, in the case of 8 bits for one color, 24 bits for 3 colors, so in the case of a color component voxel image, it is recorded as it is. In the case of a color component voxel image with opacity, after executing the process according to [Equation 3] for c=0, 1, 2, further, with c=3, according to the following [Equation 4], the corresponding A process for giving the value of the opacity voxel image is performed to obtain each voxel value V'(x, y, z, c) in which information is recorded in one voxel 32 bits.

〔数式4〕
V´(x,y,z,3)=Vα(x,y,z)
[Formula 4]
V'(x, y, z, 3) = Vα(x, y, z)

なお、数式が繁雑になるのをさけるため、以下では、更新後のV´(x,y,z,c)をV(x,y,z,c)として扱う。 In order to avoid complication of the formula, V'(x, y, z, c) after updating is treated as V(x, y, z, c) below.

続くステップS50、S60の処理は、3Dテクスチャマッピング方式を用いる場合にのみ行われる。ステップS50、S60の処理は、レイキャスティング方式の場合には行われない。従って、不透明度付色成分ボクセル画像に対して処理が行われ、色成分ボクセル画像は更新されない。 The subsequent steps S50 and S60 are performed only when the 3D texture mapping method is used. The processing of steps S50 and S60 is not performed in the case of the ray casting method. Therefore, the color component voxel image with opacity is processed and the color component voxel image is not updated.

3Dテクスチャマッピング方式の場合、アングル変更によりROIクリッピングの境界面が回転して境界面を構成する各ボクセルが階段状にずれると、境界面を構成する透明なボクセル(R=G=B=α=0)がROI内部の近傍に位置する不透明なボクセル(α>0)により補間され、R、G、B、αの各値が0でない値に変化する。そうすると、境界面の透明なボクセルが可視化されるようになり、ボリュームレンダリング像の境界面に回転角に応じた階段状の周期でモアレ(干渉縞)が発生する。(レイキャスティング方式の場合は、座標変換アルゴリズムの工夫により本問題を回避できる。)このようなモアレ発生を抑止するため、色補正手段60が境界面に位置する透明なボクセルの補正を行う(ステップS50)。ここで、透明なボクセルとは、不透明度ボクセル画像における不透明度αの値が0となるボクセルを意味する。本実施形態では、ボクセル画像として、不透明度ボクセル画像と、不透明度付色成分ボクセル画像の2つが存在し、不透明度ボクセル画像と不透明度付色成分ボクセル画像のx、y、zの3軸方向におけるボクセル数はいずれも等しく、各ボクセル同士が互いに対応付けられている。そのため、不透明度ボクセル画像を参照して、不透明度付色成分ボクセル画像における不透明なボクセルを特定することができる。ステップS50においては、不透明度ボクセル画像は参照されるだけであり、更新は行われない。不透明度ボクセル画像を参照して特定された不透明度付色成分ボクセル画像のボクセルの色成分の値を変更することにより、不透明度付色成分ボクセル画像が更新される。 In the case of the 3D texture mapping method, when the boundary surface of ROI clipping is rotated by changing the angle and each voxel constituting the boundary surface is shifted stepwise, transparent voxels (R=G=B=α= 0) is interpolated by nearby opaque voxels (α>0) inside the ROI, and the values of R, G, B, and α change to non-zero values. As a result, transparent voxels on the boundary surface are visualized, and moire (interference fringes) are generated on the boundary surface of the volume rendering image with a stair-like period according to the rotation angle. (In the case of the ray casting method, this problem can be avoided by devising a coordinate conversion algorithm.) In order to suppress the occurrence of such moire, the color correction means 60 corrects transparent voxels located on the boundary surface (step S50). Here, a transparent voxel means a voxel whose opacity α value is 0 in the opacity voxel image. In this embodiment, there are two types of voxel images: an opacity voxel image and an opacity-added color component voxel image. have the same number of voxels, and each voxel is associated with each other. Therefore, by referring to the opacity voxel image, opaque voxels in the color component voxel image with opacity can be specified. In step S50, the opacity voxel image is only referenced and not updated. The color component voxel image with opacity is updated by changing the value of the color component of the voxel of the color component voxel image with opacity specified with reference to the opacity voxel image.

図6は、透明なボクセルの色成分の色補正処理の詳細を示すフローチャートである。図6に示す処理においては、透明なボクセル、不透明なボクセルの探索は、1ボクセルに8ビットの不透明度αのみが記録された不透明度ボクセル画像を用いるため、不透明度を参照する際、不透明度ボクセル画像のみを参照すればよいことになる。そのため、上述のように、頻繁に行われる不透明度の参照、特に複数の近傍のボクセルの不透明度の参照に要するアクセス時間が大幅に削減される。図6に示す処理では、まず、不透明度ボクセル画像の最外側に位置する透明なボクセルを複数個抽出する(S51)。不透明度ボクセル画像の最外側に位置する透明なボクセルは、x=Xs、x=Xe、y=Ys、y=Ye、z=Zs、z=Zeで特定される。すなわち、x=Xs、x=Xe、y=Ys、y=Ye、z=Zs、z=Zeのいずれかを満たすボクセルが、不透明度ボクセル画像の最外側に位置する透明なボクセルとなる。透明なボクセルは、前述のボクセル画像作成処理(S20)により、x≦XsまたはXe≦xまたはy≦YsまたはYe≦yまたはz≦ZsまたはZe≦zの範囲に存在するが、x<XsまたはXe<xまたはy<YsまたはYe<yまたはz<ZsまたはZe<zの範囲では、26近傍に不透明なボクセルが存在せず、モアレ発生に寄与しないため、処理負荷を削減するため、最外側に位置する透明なボクセルに限定して色補正処理を行う。上述のように、不透明度ボクセル画像と不透明度付色成分ボクセル画像のボクセル数は等しく、各ボクセル同士が互いに対応付けられているため、不透明度付色成分ボクセル画像の最外側に位置する透明なボクセルも特定できることになる。この対応関係から、抽出された複数個のボクセルの中から補正対象ボクセルを1個抽出する(S52)。前述のボクセル画像作成処理(S20)により、最外側に位置するボクセルの値(R、G、B、α)はあらかじめ全て0に設定されている。 FIG. 6 is a flow chart showing the details of the color correction process for the color components of transparent voxels. In the processing shown in FIG. 6, the search for transparent voxels and opaque voxels uses an opacity voxel image in which only 8-bit opacity α is recorded in one voxel. Only the voxel image should be referred to. This greatly reduces the access time required for frequent opacity lookups, especially those of multiple nearby voxels, as described above. In the process shown in FIG. 6, first, a plurality of transparent voxels located on the outermost side of the opacity voxel image are extracted (S51). The outermost transparent voxels of the opacity voxel image are identified by x=Xs, x=Xe, y=Ys, y=Ye, z=Zs, z=Ze. That is, a voxel that satisfies any one of x=Xs, x=Xe, y=Ys, y=Ye, z=Zs, and z=Ze becomes the outermost transparent voxel of the opacity voxel image. Transparent voxels exist in the range of x≦Xs or Xe≦x or y≦Ys or Ye≦y or z≦Zs or Ze≦z by the above-described voxel image creation processing (S20), but x<Xs or In the range of Xe<x or y<Ys or Ye<y or z<Zs or Ze<z, there are no opaque voxels in the neighborhood of 26 and do not contribute to the generation of moire. Color correction processing is limited to transparent voxels located at . As described above, the opacity voxel image and the color component voxel image with opacity have the same number of voxels, and the voxels are associated with each other. Voxels can also be identified. Based on this correspondence relationship, one correction target voxel is extracted from the plurality of extracted voxels (S52). All the values (R, G, B, α) of the outermost voxels are set to 0 in advance by the voxel image creation process (S20) described above.

次に、抽出された補正対象ボクセルについて、近傍の不透明なボクセルを探索する(S53)。近傍のボクセルとしては、例えば、xyz軸各方向に隣接する26ボクセルを用いることができる。したがって、補正対象ボクセル(x,y,z)に対しては、自身を除いたx-1~x+1、y-1~y+1、z-1~z+1に属する26ボクセルの中からα>0となる不透明なボクセルを探索する。具体的には、近傍の26ボクセルにα>0となる不透明なボクセルが何個あるかをカウントする。ステップS53の処理において、不透明なボクセルが存在した場合、すなわち、近傍の26ボクセルにα>0となる不透明なボクセルがC個(C≧1)であった場合(S54:YES)、以下の〔数式5〕に従った処理を実行することにより、S52で抽出された補正対象ボクセルの色成分の値を、C個の近傍に位置する不透明なボクセルの色成分の値の平均値に置換して更新する(S55)。 Next, an opaque voxel near the extracted voxel to be corrected is searched (S53). As the neighboring voxels, for example, 26 voxels adjacent in each of the xyz-axis directions can be used. Therefore, for the voxel (x, y, z) to be corrected, α>0 among the 26 voxels belonging to x−1 to x+1, y−1 to y+1, z−1 to z+1 excluding itself Explore opaque voxels. Specifically, the number of opaque voxels satisfying α>0 among the 26 voxels in the neighborhood is counted. [ 5], the value of the color component of the voxel to be corrected extracted in S52 is replaced with the average value of the color component of C nearby opaque voxels. Update (S55).

〔数式5〕
V(x,y,z,0)=Σk=-1,1Σj=-1,1Σi=-1,1;Vα(x+i,y+j,z+k)>0V(x+i,y+j,z+k,0)/C
V(x,y,z,1)=Σk=-1,1Σj=-1,1Σi=-1,1;Vα(x+i,y+j,z+k)>0V(x+i,y+j,z+k,1)/C
V(x,y,z,2)=Σk=-1,1Σj=-1,1Σi=-1,1;Vα(x+i,y+j,z+k)>0V(x+i,y+j,z+k,2)/C
[Formula 5]
V (x, y, z, 0) = Σ k = -1 , 1 Σ j = -1 , 1 Σ i = -1, 1; V α (x + i, y + j, z + k) > 0 V(x+i, y+j, z+k, 0)/C
V (x, y, z, 1) = Σ k = -1 , 1 Σ j = -1 , 1 Σ i = -1, 1; V α (x + i, y + j, z + k) > 0 V(x+i, y+j, z+k, 1)/C
V(x,y,z,2)= Σk=-1,1Σj =-1,1Σi =-1,1;Vα (x+i,y+j,z+k)>0 V(x+i, y+j, z+k, 2)/C

一方、ステップS53の処理において、近傍に不透明なボクセルが存在しない場合、すなわち、近傍の26ボクセルにα>0となる不透明なボクセルがC個(C=0)であった場合(S54:NO)、抽出された補正対象ボクセルの色成分の値をR,G,B全て0にする(S56)。 On the other hand, in the process of step S53, if there is no opaque voxel in the neighborhood, that is, if there are C (C=0) opaque voxels satisfying α>0 in the 26 nearby voxels (S54: NO) , the color component values of the extracted voxels to be corrected are set to 0 (S56).

続いて、ステップS51において、抽出された全ての透明なボクセルについて、処理を終了したか否かを判定する(S57)。終了していない場合は、ステップS52に戻って、次の補正対象ボクセルを抽出する処理を行う。ステップS52~S57の処理を繰り返し実行し、抽出された全ての透明なボクセルに対して処理を終了したら、ステップS50の透明なボクセルの色成分の色補正処理を終了する。 Subsequently, in step S51, it is determined whether or not processing has been completed for all the extracted transparent voxels (S57). If not completed, the process returns to step S52 to perform processing for extracting the next voxel to be corrected. The processing of steps S52 to S57 is repeatedly executed, and when all the extracted transparent voxels have been processed, the color correction processing of the color components of the transparent voxels in step S50 ends.

ステップS50において透明なボクセルの色成分の色補正処理を終了したら、補正した不透明度付色成分ボクセル画像を3Dテクスチャ画像に登録する(S60)。この際、まず、不透明度付色成分ボクセル画像作成手段33が、補正した不透明度付色成分ボクセル画像の各ボクセルに不透明度ボクセル画像の対応するボクセルの不透明度を追加し、不透明度付色成分ボクセル画像を完成させる。すなわち、不透明度付色成分ボクセル画像は、1ボクセルを32ビット形式とし、既に24ビットにR、G、Bの色成分が記録されているので、各ボクセルに対応する不透明度ボクセル画像の不透明度αを8ビットで記録する。なお、〔数式4〕に示したように、既にステップS40において、1ボクセル32ビットに情報が記録された各ボクセル値を生成している場合は、ここでは行う必要はない。ステップS40において、不透明度付色成分ボクセル画像に不透明度ボクセル画像の不透明度αが記録されていない場合には、ステップS60において、〔数式4〕に従った処理を実行して、不透明度αを8ビットで記録し、不透明度付色成分ボクセル画像を完成させる。
そして、レンダリング手段70が、3Dテクスチャマッピング方式を実行する際に用いられる3Dテクスチャ画像として不透明度付色成分ボクセル画像を登録する。
After completing the color correction processing of the color components of the transparent voxels in step S50, the corrected color component voxel image with opacity is registered in the 3D texture image (S60). At this time, first, the opacity-added color component voxel image creating means 33 adds the opacity of the corresponding voxel of the opacity voxel image to each voxel of the corrected opacity-added color component voxel image, and Complete the voxel image. That is, in the color component voxel image with opacity, one voxel is in a 32-bit format, and the R, G, and B color components are already recorded in 24 bits. Record α in 8 bits. Note that, as shown in [Formula 4], if each voxel value in which information is recorded in 32 bits per voxel has already been generated in step S40, there is no need to perform this step here. In step S40, if the opacity α of the opacity voxel image is not recorded in the color component voxel image with opacity, in step S60, the process according to [Equation 4] is performed to set the opacity α. Record at 8 bits to complete the color component voxel image with opacity.
Then, the rendering means 70 registers the color component voxel image with opacity as a 3D texture image used when executing the 3D texture mapping method.

図7は3Dテクスチャマッピングにおける対応付けを示す図である。図7(a)は、テクスチャ座標系における3Dテクスチャマップ、図7(b)は、ワールド座標系で定義される積層四角形を示す。積層四角形を構成する各四角形の4頂点には、3Dテクスチャ画像の4ボクセルが対応付られており、図7のように回転がかかっていない状態では、各四角形はテクスチャマップの基になっている断層画像と1対1で対応しており、各四角形の4頂点は断層画像の4隅の画素に対応付られている。 FIG. 7 is a diagram showing correspondence in 3D texture mapping. FIG. 7(a) shows a 3D texture map in the texture coordinate system, and FIG. 7(b) shows the stacked rectangles defined in the world coordinate system. The 4 vertices of each quadrangle that makes up the stacked quadrangle are associated with the 4 voxels of the 3D texture image, and each quadrangle is the basis of the texture map when it is not rotated as shown in FIG. There is a one-to-one correspondence with the tomographic image, and the four vertices of each quadrangle correspond to the four corner pixels of the tomographic image.

具体的には、図7(b)に示すように、定義された積層四角形に対し、3Dテクスチャマッピングを行う。この場合、ワールド座標系(視点座標系に対応)における各四角形の4頂点の3次元ワールド座標とテクスチャ座標系(ボクセル座標系に対応)における3Dテクスチャ画像の3次元テクスチャ座標とを対応付ける。図7に示すように、(-1,-1,z)、(-1,1,z)、(1,-1,z)、(1,1,z)の4頂点で構成される四角形に対して、ワールド座標の(-1,-1,z)は、テクスチャ座標(0,0,r)に対応付けられている。 Specifically, as shown in FIG. 7B, 3D texture mapping is performed on the defined stacked quadrilaterals. In this case, the 3D world coordinates of the four vertices of each quadrangle in the world coordinate system (corresponding to the viewpoint coordinate system) are associated with the 3D texture coordinates of the 3D texture image in the texture coordinate system (corresponding to the voxel coordinate system). As shown in FIG. 7, a quadrilateral consisting of four vertices (-1, -1, z), (-1, 1, z), (1, -1, z), (1, 1, z) , the world coordinates (-1, -1, z) are associated with the texture coordinates (0, 0, r).

後述の通り、アングル変更の指示があると、図7(a)のテクスチャマップがテクスチャ座標系において3次元的に回転した、変換後3Dテクスチャ画像が生成されるため、各四角形と断層画像との対応関係は崩れる。色成分について補正済みの不透明度付色成分ボクセル画像を、OpenGL(グラフィックAPI)を介して3Dテクスチャ画像として登録する。 As will be described later, when there is an angle change instruction, a converted 3D texture image is generated in which the texture map in FIG. 7A is three-dimensionally rotated in the texture coordinate system. Correspondence breaks down. The color component voxel image with opacity corrected for the color component is registered as a 3D texture image via OpenGL (graphic API).

続いて、レンダリング処理を行う(S70)。レンダリング処理は、3Dテクスチャマッピング方式とレイキャスティング方式の2通りに対応している。まず、3Dテクスチャマッピング方式について説明する。 Subsequently, rendering processing is performed (S70). The rendering process supports two methods, 3D texture mapping method and ray casting method. First, the 3D texture mapping method will be described.

<2.1.3Dテクスチャマッピング>
図8は、3Dテクスチャマッピング方式の処理を行う場合の、レンダリング手段70の構成を示す図である。図8に示すように、レンダリング手段70は、3Dテクスチャ登録手段71、座標変換手段72、積層四角形設定手段73、画素値算出手段74を有する。上述のように、レンダリング手段70は、3Dテクスチャマッピング方式の場合は、CPU1が補助しながら、主にGPU7においてプログラムを実行することにより実現されるが、特に処理負荷が大きい座標変換手段72および画素値算出手段74は、汎用コンピュータのビデオカードに搭載されているGPUおよびフレームメモリを用いて実行するようにすることが好ましい。
<2.1. 3D Texture Mapping>
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the rendering means 70 when performing processing of the 3D texture mapping method. As shown in FIG. 8, the rendering means 70 has a 3D texture registration means 71, a coordinate conversion means 72, a stacked rectangle setting means 73, and a pixel value calculation means 74. As described above, in the case of the 3D texture mapping method, the rendering means 70 is realized mainly by executing a program in the GPU 7 with the assistance of the CPU 1. However, the coordinate transformation means 72 and the pixel The value calculation means 74 is preferably executed using the GPU and frame memory installed in the video card of the general purpose computer.

3Dテクスチャマッピング方式の処理においては、まず投影画面を設定する。図9は、本実施形態のレンダリング手段70による投影画面設定の一例を示す説明図である。レンダリング手段70は、レンダリング画像のスクリーンサイズ(縦横画素数、縦横アスペクト比率)を設定する。レンダリング手段70は、平行投影(通常の外観レンダリング)又は透視投影(内視鏡モード)のいずれかを設定する。尚、「レンダリング画像」は「ボリュームレンダリング像」と同義で、以降、「ボリュームレンダリング像」を「レンダリング画像」と表記する場合がある。そして、レンダリング手段70は、透視投影が設定された場合、透視投影パラメータを設定する。透視投影パラメータは、例えば、カメラの視野角度(焦点距離)、視点位置(視点と注視点で構成され、前者は目の位置で後者は見ている対象物上の位置で、双方ともZ軸上に設定される。一般に、注視点はワールド座標系の原点に固定)、クリッピング位置(視点からのZ軸上の距離、近方及び遠方の2箇所)などを含む。なお、クリッピング位置は、近方だけでもよい。図9に示すように、平行投影の場合には、視点からの視線は全てZ軸に平行となり、視点は仮想的に左方向に無限遠に離れた位置にあることを想定しているため、Z軸方向に定義されている全ての積層四角形がレンダリング対象になる。一方、透視投影の場合には、視点からの視野角度に応じて、視線が広がり、視点が積層四角形の内部に入るため、レンダリング対象は近方クリッピングより遠方クリッピング(通常は積層四角形の視点から最も遠い四角形)までの範囲に制限されている。 In the processing of the 3D texture mapping method, first, a projection screen is set. FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of projection screen setting by the rendering means 70 of this embodiment. The rendering means 70 sets the screen size (number of vertical and horizontal pixels, vertical and horizontal aspect ratio) of the rendered image. The rendering means 70 sets either parallel projection (normal external rendering) or perspective projection (endoscopic mode). The "rendering image" is synonymous with the "volume rendering image", and hereinafter, the "volume rendering image" may be referred to as the "rendering image". When the perspective projection is set, the rendering means 70 sets perspective projection parameters. Perspective projection parameters are composed of, for example, the viewing angle (focal length) of the camera and the viewpoint position (viewpoint and gaze point. The former is the position of the eyes and the latter is the position on the object being viewed, both on the Z axis. In general, the gaze point is fixed at the origin of the world coordinate system), the clipping position (distance on the Z-axis from the viewpoint, two points near and far), and the like. Note that the clipping position may be limited to near objects. As shown in FIG. 9, in the case of parallel projection, all lines of sight from the viewpoint are assumed to be parallel to the Z-axis, and the viewpoint is assumed to be virtually infinitely far away to the left. All stacked rectangles defined in the Z-axis direction are rendered. On the other hand, in the case of perspective projection, the line of sight spreads according to the viewing angle from the viewpoint, and the viewpoint enters the inside of the stacked quadrilateral. far rectangle).

図10は3Dテクスチャマッピング方式によるレンダリング処理の詳細を示すフローチャートである。まず、図8の3Dテクスチャ登録手段71が、不透明度付色成分ボクセル画像を3Dテクスチャ画像としてOpenGLに登録する。次に、座標変換手段72が、3Dテクスチャ画像に対して所定の座標変換を行って変換後3Dテクスチャ画像を生成する(S71~S73)。 FIG. 10 is a flow chart showing details of rendering processing by the 3D texture mapping method. First, the 3D texture registration means 71 in FIG. 8 registers the color component voxel image with opacity as a 3D texture image in OpenGL. Next, the coordinate transformation means 72 performs predetermined coordinate transformation on the 3D texture image to generate a post-transformation 3D texture image (S71 to S73).

具体的には、座標変換手段72は、所定の3次元座標系における回転を定義した4×4行列、視野角度、視点位置、クリッピング位置、xyz軸各方向のオフセット値、xyz軸方向の拡大又は縮小倍率、z軸方向変倍率を含む所定の座標変換のパラメータを取得し、3Dテクスチャ画像に対して、取得したパラメータを用いた所定の座標変換を行って変換後3Dテクスチャ画像を生成する。 Specifically, the coordinate transformation means 72 includes a 4×4 matrix defining rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system, a viewing angle, a viewpoint position, a clipping position, an offset value in each direction of the xyz axes, an enlargement in the xyz axis direction, or Predetermined coordinate transformation parameters including reduction ratio and z-axis direction scaling ratio are obtained, and the 3D texture image is subjected to predetermined coordinate transformation using the obtained parameters to generate a post-transformation 3D texture image.

個々のステップについて説明すると、座標変換手段72は、3Dテクスチャ画像に対するスケーリング及びz方向変倍処理を行う(S71)。スケーリングはxyz軸方向に対して同一の倍率Scaleで拡大または縮小をかけるが、z方向変倍処理はxy軸方向の解像度Rxyとz軸方向の解像度Rzの相違を補正するため、z軸方向のみに指定倍率Scz(=Rxy/Rz)で拡大または縮小をかける。そして、座標変換手段72は、所定の3次元座標系における回転を定義した4×4行列を用いて3Dテクスチャ画像に対する回転処理を行う(S72)。 Describing individual steps, the coordinate transformation means 72 performs scaling and z-direction scaling processing on the 3D texture image (S71). Scaling is carried out by the same magnification Scale in the xyz-axis direction, but z-direction scaling corrects the difference between the resolution Rxy in the xy-axis direction and the resolution Rz in the z-axis direction, so only the z-axis direction is used. is enlarged or reduced by a designated magnification Scz (=Rxy/Rz). Then, the coordinate transformation means 72 performs rotation processing on the 3D texture image using a 4×4 matrix that defines rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system (S72).

そして、座標変換手段72は、xyz軸各方向のオフセット値(Xoff,Yoff,Zoff)を用いて3Dテクスチャ画像に対するオフセット処理を行う(S73)。これらの処理(S71~S73)により、変換後3Dテクスチャ画像が生成される。次に、積層四角形設定手段73は、複数の四角形で構成される積層四角形を設定する(S74)。具体的には、3次元空間のXY座標面上の四角形をZ軸方向に並べた積層四角形を設定する。3Dテクスチャマッピングを設定する場合、積層四角形設定手段73は、複数のxy平面画像の数と同数の四角形をZ軸方向に並べた積層四角形を設定する。 Then, the coordinate conversion means 72 performs offset processing on the 3D texture image using the offset values (Xoff, Yoff, Zoff) in each of the xyz-axis directions (S73). A converted 3D texture image is generated by these processes (S71 to S73). Next, the stacked quadrangle setting means 73 sets a stacked quadrangle composed of a plurality of quadrilaterals (S74). Specifically, a stacked quadrangle is set by arranging quadrangles on the XY coordinate plane of the three-dimensional space in the Z-axis direction. When setting 3D texture mapping, the stacked quadrangle setting means 73 sets a stacked quadrangle in which the same number of quadrangles as the number of xy plane images are arranged in the Z-axis direction.

積層四角形における四角形の数は任意に設定することができるが、四角形の数と断層画像の枚数とが一致しない場合、Z軸方向に補間処理が働き、座標変換による座標値の丸め誤差が累積し、ストライプ・格子状のモアレが発生する。そして、図7で示されるように、各四角形の4頂点に対して、対応する変換後3Dテクスチャ画像における4箇所のボクセル座標を定義することにより、変換後3Dテクスチャ画像との対応付けを行う(S75)。定義するボクセル座標は、不透明度付色成分ボクセル画像の座標系ではなく、OpenGLのテクスチャ座標系(R,S,Tの3軸方向に対し0から1の範囲の実数値)に基づいたものである。 The number of squares in the stacked squares can be set arbitrarily, but if the number of squares does not match the number of tomographic images, interpolation processing works in the Z-axis direction, rounding errors in coordinate values due to coordinate conversion accumulate, Striped or grid-like moiré occurs. Then, as shown in FIG. 7, by defining four voxel coordinates in the corresponding post-transformation 3D texture image for the four vertices of each quadrangle, correspondence with the post-transformation 3D texture image is performed ( S75). The voxel coordinates to be defined are not based on the coordinate system of color component voxel images with opacity, but on the texture coordinate system of OpenGL (real values ranging from 0 to 1 in the three axial directions of R, S, and T). be.

具体的には、図7(b)に示すように、定義された積層四角形に対し、3Dテクスチャマッピングを行う。この場合、ワールド座標系における各四角形の4頂点の3次元ワールド座標とテクスチャ座標系における3Dテクスチャ画像の3次元テクスチャ座標とを対応付ける。図7に示すように、(-1,-1,z)、(-1,1,z)、(1,-1,z)、(1,1,z)の4頂点で構成される四角形に対して、ワールド座標の(-1,-1,z)は、テクスチャ座標(0,0,r)に対応付けられている。 Specifically, as shown in FIG. 7B, 3D texture mapping is performed on the defined stacked quadrilaterals. In this case, the three-dimensional world coordinates of the four vertices of each quadrangle in the world coordinate system are associated with the three-dimensional texture coordinates of the 3D texture image in the texture coordinate system. As shown in FIG. 7, a quadrilateral consisting of four vertices (-1, -1, z), (-1, 1, z), (1, -1, z), (1, 1, z) , the world coordinates (-1, -1, z) are associated with the texture coordinates (0, 0, r).

次に、画素値算出手段74は、所定の視点からZ軸方向に平行な視線上の最も遠い四角形から視点に最も近い四角形の順にスキャンコンバージョン(四角形内部の塗りつぶし)を行う(S76)。この時、各四角形に貼りついている変換後3Dテクスチャ画像のボクセルの色成分(R,G,B)に基づいて四角形内部を塗りつぶすとともに、同一画素に塗り重ねる際、変換後3Dテクスチャ画像のボクセルの不透明度に基づいてアルファブレンディングを併せて行う。このように、積層四角形のXYZ座標に対応する変換後3Dテクスチャ画像のボクセルの(R,G,B)で構成される色成分(R,G,B)をボクセルの不透明度に基づいて視点から遠い四角形の順にアルファブレンディングして得られた(R,G,B)で構成される色成分を、ボリュームレンダリング像の画素値として与える。これにより、ボリュームレンダリング像が得られる(S76)。 Next, the pixel value calculator 74 performs scan conversion (filling in the inside of the rectangle) in order from the farthest rectangle on the line of sight parallel to the Z-axis direction from a predetermined viewpoint to the nearest rectangle to the viewpoint (S76). At this time, the inside of the rectangle is painted based on the color components (R, G, B) of the voxels of the 3D texture image after conversion attached to each rectangle, and when the same pixel is painted over, the voxels of the 3D texture image after conversion are painted. Also do alpha blending based on opacity. In this way, the color component (R, G, B) composed of (R, G, B) of the voxel of the converted 3D texture image corresponding to the XYZ coordinates of the stacked rectangle is obtained from the viewpoint based on the opacity of the voxel. Color components composed of (R, G, B) obtained by alpha blending in the order of the farthest rectangle are given as pixel values of the volume rendering image. Thereby, a volume rendering image is obtained (S76).

より具体的には、あらかじめレンダリング画像の画素値(RGB値)は全て背景色(例えば、R=G=B=0)で初期化しておく。画素値算出手段74は、視点から最も遠い四角形に対して、貼り付いている変換後3Dテクスチャ画像を参照しながら、スキャンコンバージョンを行う。図9で定義したレンダリング画像に平行投影または透視投影を行い、投影された四角形のワールド座標系におけるXYZ座標の(-1,-1,-1)からX軸方向及びY軸方向に、投影されたレンダリング画像に対して塗り潰す画素の座標を(i,j)とし、レンダリング画像における画素間隔に対応する間隔u(レンダリング画像の1画素に対応するワールド座標の間隔をuとする。例えばu=0.002)でスキャンコンバージョンを行う。スキャンコンバージョンされた、各ワールド座標(-1+iu,-1+ju,-1)(i,jはレンダリング画像の座標値で、例えば0≦i,j≦511の整数)において、各々対応するテクスチャ座標(2iu,2ju,0)を算出し、算出したテクスチャ座標に基づいて変換後3Dテクスチャ画像を参照し色成分の値(RGB値)及び不透明度を取得して、対応するレンダリング画像の座標(i,j)に既に記録されている画素値(RGB値)と取得した不透明度に基づいてアルファブレンディング処理を行い、対応するレンダリング画像の座標(i,j)の画素値を更新する。 More specifically, all pixel values (RGB values) of the rendering image are initialized in advance with the background color (for example, R=G=B=0). The pixel value calculation means 74 performs scan conversion on the quadrangle furthest from the viewpoint while referring to the attached post-conversion 3D texture image. Parallel projection or perspective projection is performed on the rendered image defined in FIG. Let (i, j) be the coordinates of a pixel to be filled in the rendered image, and u be the interval between pixels in the rendered image (where u is the interval in world coordinates corresponding to one pixel in the rendered image. For example, u= 0.002) for scan conversion. At each scan-converted world coordinate (-1+iu, -1+ju, -1) (i, j are coordinate values of the rendered image, for example, integers 0≤i, j≤511), the corresponding texture coordinates (2iu , 2ju, 0), refer to the converted 3D texture image based on the calculated texture coordinates, obtain the color component values (RGB values) and opacity, and calculate the corresponding rendered image coordinates (i, j ) and the acquired opacity, alpha blending is performed, and the pixel value at the coordinates (i, j) of the corresponding rendering image is updated.

このようにして、視点から最も遠い単一の四角形が投影されるレンダリング画像の対応する全ての画素についてアルファブレンディング処理が終了すると、Z座標をv(四角形がZ軸方向に配置されているワールド座標の間隔をvとする。例えば、v=2/Sz)だけ増やし、視点方向に次に近い四角形(-1+iu,-1+ju,-1+v)について同様の処理を繰り返してレンダリング画像を更新する。全ての四角形についてスキャンコンバージョンしてワールド座標(-1+iu,-1+ju,-1+kv)(kは四角形の番号で、0≦k≦Sz-1の整数)に対してアルファブレンディングの処理が終了するとレンダリング画像が完成する。アルファブレンディング処理は、以下の〔数式6〕に従った処理として行われる。 In this way, when the alpha blending process is completed for all corresponding pixels of the rendered image on which the single rectangle furthest from the viewpoint is projected, the Z coordinate is changed to v (the world coordinate where the rectangle is arranged in the Z-axis direction is increased by v. For example, v=2/Sz), and the same process is repeated for the next closest quadrangle (-1+iu, -1+ju, -1+v) to the viewpoint direction to update the rendered image. Rendered image after scan conversion for all quadrilaterals and alpha blending processing for world coordinates (-1+iu, -1+ju, -1+kv) (k is the quadrilateral number and an integer of 0≤k≤Sz-1) is completed. The alpha blending process is performed as a process according to [Formula 6] below.

〔数式6〕
R´=R・α+(1-α)・Rb
G´=G・α+(1-α)・Gb
B´=B・α+(1-α)・Bb
[Formula 6]
R′=R・α+(1−α)・Rb
G′=G・α+(1−α)・Gb
B′=B・α+(1−α)・Bb

ここで、R′、G′、B′は、投影面において更新されるレンダリング画像の画素値(RGB値)である。R、G、Bは、四角形のワールド座標(-1+iu,-1+ju,-1+kv)に対応する変換後3Dテクスチャ画像のボクセル(2iu,2ju,2kv)における色成分(RGB値)であり、重ねる色の値に相当する。αも、四角形のワールド座標(-1+iu,-1+ju,-1+kv)に対応する変換後3Dテクスチャ画像のボクセル(2iu,2ju,2kv)におけるα値であり、重ねる割合を制御する。また、Rb、Gb、Bbは、ワールド座標(-1+iu,-1+ju,-1+kv)に対応するレンダリング画像の座標(i,j)に既に記録されている画素値(RGB値)であり、当該四角形に対して視点と反対側に1つ前に位置する四角形に対して上記〔数式6〕に基づいて算出されたR′、G′、B′の値に一致し、視点から最も遠い四角形に対して算出する場合は背景色(例えば、Rb=Gb=Bb=0)が与えられる。 Here, R', G', and B' are the pixel values (RGB values) of the rendering image updated on the projection plane. R, G, B are the color components (RGB values) in the voxel (2iu, 2ju, 2kv) of the 3D texture image after conversion corresponding to the world coordinates (-1+iu, -1+ju, -1+kv) of the rectangle. corresponds to the value of α is also the α value in the transformed 3D texture image voxel (2iu, 2ju, 2kv) corresponding to the quadrangle world coordinates (−1+iu, −1+ju, −1+kv), and controls the overlapping ratio. Rb, Gb, and Bb are pixel values (RGB values) already recorded at the coordinates (i, j) of the rendered image corresponding to the world coordinates (-1+iu, -1+ju, -1+kv). The values of R', G', and B' calculated based on the above [Equation 6] correspond to the quadrangle located on the side opposite to the viewpoint and the quadrangle farthest from the viewpoint. , the background color (for example, Rb=Gb=Bb=0) is given.

<2.2.レイキャスティング>
次に、レイキャスティング方式によりステップS70のレンダリング処理を行う場合について説明する。図11は、レイキャスティング方式の処理を行う場合の、レンダリング手段70の構成を示す図である。図11に示すように、レンダリング手段70は、探索制御マスク作成手段77、レイキャスティング手段78を有する。
<2.2. Ray casting>
Next, the case where the rendering process of step S70 is performed by the ray casting method will be described. FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the rendering means 70 for ray casting processing. As shown in FIG. 11, the rendering means 70 has search control mask creating means 77 and ray casting means 78 .

図12は、レイキャスティング方式によるレンダリング処理の詳細を示すフローチャートである。後述する処理において、探索制御マスク作成手段77、レイキャスティング手段78は、不透明度ボクセル画像より不透明度を取得するごとに、座標変換を行う。その処理に先立ち、レンダリング手段70は、以後のステップにおいて座標変換を実施する際に共通に用いる座標変換パラメータを設定する(ステップS210)。座標変換パラメータの設定は、ボクセルに対して仮想光を照射する際、ボクセル単位に逐次座標変換処理を円滑に行うことができるようにするために、視点を基準とする視点座標系における3次元座標値を基にボクセル画像が定義されているボクセル座標系の3次元座標値に変換し、ボクセル座標系において対応するボクセルの色成分または不透明度を取得するための処理である。座標変換の概念図と座標変換パラメータの具体例については後述する。 FIG. 12 is a flowchart showing details of rendering processing by the ray casting method. In the processing to be described later, the search control mask creating means 77 and the ray casting means 78 perform coordinate transformation each time an opacity is obtained from an opacity voxel image. Prior to this process, the rendering means 70 sets coordinate transformation parameters that are commonly used when performing coordinate transformation in subsequent steps (step S210). The setting of the coordinate transformation parameters is performed by setting the three-dimensional coordinates in the viewpoint coordinate system based on the viewpoint so that the sequential coordinate transformation processing can be performed smoothly for each voxel when the voxel is irradiated with virtual light. This is a process for converting the value into a three-dimensional coordinate value in the voxel coordinate system in which the voxel image is defined, and obtaining the color component or opacity of the corresponding voxel in the voxel coordinate system. A conceptual diagram of coordinate transformation and specific examples of coordinate transformation parameters will be described later.

次に、探索制御マスク作成手段77が、レンダリング画像の各画素において、仮想光の光強度および当該画素の輝度値(RGB値)を積算する処理を開始するボクセルの起点座標を、レンダリング画像の全画素について算出する。仮想光が通過する全てのボクセルが完全に透明である(不透明度が0である)場合、仮想光の光強度はそのまま維持されてボクセル画像の空間を素通りしてしまうので、レイキャスティング処理は必要ない。そのため、本実施形態においては、視点から見て不透明度が0ではない最初のボクセルの視点座標系におけるz座標を、視線方向に沿って探索する。探索により最初に発見される不透明度が0ではないボクセルのz座標を起点座標と呼ぶことにする。ステップS220においては、レンダリング画像の画素(x,y)ごとに視点座標系のz軸方向(本実施形態ではz軸の負方向)に起点座標を探索する。探索結果はレンダリング画像の画素の座標値(x,y)に対応させて探索制御マスクとして保持しておく。探索制御マスクの例については後述する。 Next, the search control mask creation means 77 sets the starting point coordinates of the voxel where the process of integrating the light intensity of the virtual light and the luminance value (RGB value) of the pixel in each pixel of the rendering image is set to all pixels of the rendering image. Compute for pixels. If all voxels through which the virtual light passes are completely transparent (0 opacity), the raycasting process is necessary because the virtual light passes through the space of the voxel image while maintaining its light intensity. do not have. Therefore, in this embodiment, the z-coordinate in the viewpoint coordinate system of the first voxel whose opacity is not 0 when viewed from the viewpoint is searched along the line-of-sight direction. The z-coordinate of the voxel whose opacity is not 0, which is first found by searching, is called the origin coordinate. In step S220, the coordinates of the starting point are searched in the z-axis direction (the negative direction of the z-axis in this embodiment) of the viewpoint coordinate system for each pixel (x, y) of the rendering image. The search result is stored as a search control mask in association with the pixel coordinate values (x, y) of the rendering image. Examples of search control masks are described later.

レンダリング画像の各画素(x,y)は、2次元座標系で定義されている。これに対して、ボクセルの座標系は3次元座標系で定義されており、3次元のボクセル座標系を2次元座標系に投影変換させた投影像が求めるレンダリング画像である。しかし、レンダリング画像を算出するにあたっては、レンダリング画像を視点座標系という3次元座標系の所定のz座標(本実施形態ではz軸方向の上限値)に配置し、レンダリング画像の各画素(x,y)に対してz座標を付加しながら、3次元の視点座標系を3次元のボクセル座標系に逆投影変換させながら、各画素(x,y)の輝度値を算出する方法をとる。前述の座標変換パラメータは、逆方向に投影変換を行うことを前提に設定されており、レイキャスティング方式における座標変換は、逆方向に投影変換を行うものとする。(一方、前述の3Dテクスチャマッピング方式における座標変換は、GPUを用いて順方向に投影変換を行う方法をとっている)。視点座標系においては、同一の座標(x,y)に対して視線方向(z軸負方向)に複数個のボクセルが連続的に配置されていると想定できる。各画素の輝度値を算出するにあたり、視点座標系において所定のz座標の位置よりz方向に仮想光を投射し、仮想光が通過する各ボクセルに対して座標変換を行い、3次元のボクセル座標系における対応する色成分ボクセル画像のボクセルの色成分の値と不透明度ボクセル画像のボクセルの不透明度を取得することになる。前記所定のz座標は、探索制御マスク作成手段77により事前に算出された探索制御マスクより取得でき、探索制御マスク作成手段77においても座標変換が行われ、前記仮想光が通過する各ボクセルに対する座標変換を含め、ステップS210で算出した座標変換パラメータを用いることができる。 Each pixel (x, y) of the rendered image is defined in a two-dimensional coordinate system. On the other hand, the voxel coordinate system is defined as a three-dimensional coordinate system, and a rendered image is obtained by projecting and transforming the three-dimensional voxel coordinate system into a two-dimensional coordinate system. However, in calculating the rendered image, the rendered image is placed at a predetermined z-coordinate (in this embodiment, the upper limit in the z-axis direction) of a three-dimensional coordinate system called a viewpoint coordinate system, and each pixel (x, A method of calculating the brightness value of each pixel (x, y) while adding the z-coordinate to y) and back-projecting the three-dimensional viewpoint coordinate system to the three-dimensional voxel coordinate system. The coordinate transformation parameters described above are set on the assumption that projection transformation is performed in the opposite direction, and the coordinate transformation in the ray casting method is assumed to be projection transformation in the opposite direction. (On the other hand, the coordinate transformation in the 3D texture mapping method described above adopts a method of performing projection transformation in the forward direction using a GPU). In the viewpoint coordinate system, it can be assumed that a plurality of voxels are arranged continuously in the line-of-sight direction (z-axis negative direction) with respect to the same coordinates (x, y). In calculating the luminance value of each pixel, virtual light is projected in the z-direction from a predetermined z-coordinate position in the viewpoint coordinate system, and each voxel through which the virtual light passes is subjected to coordinate transformation to obtain three-dimensional voxel coordinates. It will obtain the value of the color component of the voxel of the corresponding color component voxel image in the system and the opacity of the voxel of the opacity voxel image. The predetermined z-coordinate can be obtained from the search control mask calculated in advance by the search control mask creating means 77. The search control mask creating means 77 also performs coordinate conversion to obtain the coordinates for each voxel through which the virtual light passes. Coordinate transformation parameters calculated in step S210 can be used, including the transformation.

ステップS220においては、不透明度が0ではないボクセルを探索するので、ボクセルが有する色成分を参照する必要はない。したがって、探索制御マスク作成手段77は、ステップS220において不透明度ボクセル画像のみを参照し、色成分ボクセル画像は参照しない。座標変換処理は、レンダリング画像の各画素(x,y)に対応する視点座標系の単一の座標(x,y,z)のボクセルに対して、ボクセル画像が定義されている3次元のボクセル座標系における対応する座標(x’,y’,z’)のボクセルの色成分の値(RGB)および不透明度を取得する処理であるが、座標値(x’,y’,z’)は実数値で端数をもつため、座標値(x’,y’,z’)の8近傍の整数の座標値に対応する各ボクセルの色成分の値(RGB)および不透明度を補間する演算処理を必要とする。色成分ボクセル画像の参照を行なわずに不透明度ボクセル画像のみを参照する方法をとることにより、座標変換処理の演算負荷が1/4に削減される。 In step S220, a voxel whose opacity is not 0 is searched, so there is no need to refer to the color component of the voxel. Therefore, the search control mask creation means 77 refers only to the opacity voxel image and not to the color component voxel image in step S220. Coordinate conversion processing converts a single voxel at coordinates (x, y, z) in the viewpoint coordinate system corresponding to each pixel (x, y) of the rendered image into a three-dimensional voxel image defined as a voxel image. A process of obtaining the color component values (RGB) and opacity of the voxel at the corresponding coordinates (x', y', z') in the coordinate system, where the coordinate values (x', y', z') are Since it is a real number and has a fraction, arithmetic processing for interpolating the color component values (RGB) and opacity of each voxel corresponding to the coordinate values of integers in the vicinity of the coordinate values (x', y', z') is performed. I need. By adopting a method of referring only to the opacity voxel image without referring to the color component voxel image, the calculation load of the coordinate conversion process is reduced to 1/4.

レイキャスティング手段78は、レンダリング画像の各画素(x、y)において、ステップS220で探索した起点のz座標を起点として、視点座標系においてz負方向に仮想光を投射し、仮想光が通過する各ボクセルに対して3次元のボクセル座標系における対応する不透明度ボクセル画像のボクセル不透明度と色成分ボクセル画像のボクセルの色成分を用いて仮想光の光強度および当該画素の輝度値(RGB値)を積算することにより累積輝度値を得て、レンダリング画像の各画素(x,y)の画素値を算出する。ステップS230においても、ステップS210で算出した座標変換パラメータを用いて座標変換を行い、視点座標系の各ボクセルに対してボクセル座標系における対応するボクセルの色成分の値と不透明度の双方を取得する必要がある。座標変換処理はステップS230においても視点座標系のボクセルを参照するごとに実施する。 The ray-casting means 78 projects virtual light in the z-negative direction in the viewpoint coordinate system from the z-coordinate of the starting point searched in step S220 at each pixel (x, y) of the rendered image, and the virtual light passes through. Voxel opacity and color component of the corresponding opacity voxel image in the three-dimensional voxel coordinate system for each voxel Light intensity of the virtual light and luminance value (RGB value) of the pixel using the color component of the voxel of the voxel image is obtained by accumulating , and the pixel value of each pixel (x, y) of the rendered image is calculated. Also in step S230, coordinate transformation is performed using the coordinate transformation parameters calculated in step S210, and both the color component value and the opacity of the corresponding voxel in the voxel coordinate system are obtained for each voxel in the viewpoint coordinate system. There is a need. The coordinate conversion process is also performed in step S230 each time a voxel in the viewpoint coordinate system is referred to.

図13は、座標変換の概念図である。レンダリング画像は視点から見た画像であるので、レンダリング画像の各画素(x,y)の基準となる視点座標系は必ずしもボクセル座標系とは一致していない。そこでレイキャスティング手段78は、ボクセル座標系に定義されているボクセル画像を視点座標系に変換する必要がある。しかし、例えば、512×512画素のスライス画像が256枚で構成されるボクセル画像を視点座標系に変換すると、後述するZ方向変倍率を2.0として、x:512×y:512×z:512ボクセルの視点座標系に変換されたボクセル画像を作成する必要があり、512の3乗回の座標変換が必要になる。これに対して、起点座標の探索を行う際は、不透明度が0でないボクセルが即座に見つかれば、z方向に後続するボクセルに対しては参照する必要が無く、レイキャスティング処理を行う際は、仮想光の光強度が所定の値以下に減衰すれば積算処理を打ち切ることができ、z方向に後続するボクセルに対しては参照する必要が無い。即ち、視点座標系に変換された512の3乗個のボクセルの大半は参照されないため、ボクセル画像の全てのボクセルに対して座標変換を行って保持する必要は無い。 FIG. 13 is a conceptual diagram of coordinate transformation. Since a rendered image is an image viewed from a viewpoint, the viewpoint coordinate system that serves as a reference for each pixel (x, y) of the rendered image does not necessarily match the voxel coordinate system. Therefore, the ray casting means 78 needs to convert the voxel image defined in the voxel coordinate system to the viewpoint coordinate system. However, for example, when a voxel image composed of 256 slice images of 512×512 pixels is converted into the viewpoint coordinate system, x: 512×y: 512×z: It is necessary to create a voxel image transformed into a viewpoint coordinate system of 512 voxels, which requires 512 cubic coordinate transformations. On the other hand, when searching for the coordinates of the starting point, if a voxel whose opacity is not 0 is immediately found, there is no need to refer to subsequent voxels in the z direction. If the light intensity of the virtual light is attenuated below a predetermined value, the integration process can be terminated, and there is no need to refer to subsequent voxels in the z direction. That is, most of the 512 3 voxels that have been transformed into the viewpoint coordinate system are not referred to, so there is no need to perform coordinate transformation and hold all the voxels of the voxel image.

図13(b)に示されるような視点座標系に座標変換されたボクセル画像を生成せず、視点座標系を基準にして、図13(b)の下方向の矢印で示される仮想光が通過して参照されるボクセルに限定して、その都度、ボクセル画像が定義されているボクセル座標系に逆方向に座標変換処理を実行させるようにした。参照されないボクセルに対しては座標変換処理が実行されないため、あらかじめボクセル座標系から視点座標系に変換された全てのボクセル画像を作成した上で、起点座標探索とレイキャスティング処理を行う公知の方法に比べ、3次元のボクセル画像を保持するメモリが不要になるとともに、座標変換の回数を削減することができ、メモリアクセス負荷および演算負荷を抑制することができる。 Without generating a voxel image coordinate-transformed to the viewpoint coordinate system as shown in FIG. 13(b), the virtual light indicated by the downward arrow in FIG. Each time, the coordinate transformation process is executed in the opposite direction to the voxel coordinate system in which the voxel image is defined. Since coordinate transformation processing is not executed for voxels that are not referred to, a well-known method of generating all voxel images that have been transformed in advance from the voxel coordinate system to the viewpoint coordinate system and then performing the origin coordinate search and ray casting processing is used. In comparison, memory for holding three-dimensional voxel images is not required, the number of coordinate transformations can be reduced, and the memory access load and computation load can be suppressed.

座標変換を実施する際には、様々な座標変換パラメータを用いる。視点座標系とボクセル座標系の位置関係が同じであれば、座標変換パラメータも同じであると考えられる。即ち、探索制御マスク作成手段77およびレイキャスティング手段78において、視点座標系で参照される全てのボクセルに対して、ボクセル座標系に座標変換を実施するための座標変換パラメータは同一である。そこでレンダリング手段70は、ステップS210において座標変換パラメータをあらかじめ算出し、以後のステップにおいてはその座標変換パラメータを共通の座標変換パラメータとして流用する。座標変換パラメータとしては例えば以下のようなものが挙げられる。 Various coordinate transformation parameters are used when performing the coordinate transformation. If the positional relationship between the viewpoint coordinate system and the voxel coordinate system is the same, it is considered that the coordinate transformation parameters are also the same. That is, in the search control mask creating means 77 and the ray casting means 78, the same coordinate transformation parameters are used for carrying out coordinate transformation to the voxel coordinate system for all voxels referred to in the viewpoint coordinate system. Therefore, the rendering means 70 calculates coordinate transformation parameters in advance in step S210, and uses the coordinate transformation parameters as common coordinate transformation parameters in subsequent steps. Examples of coordinate transformation parameters include the following.

・所定の3次元座標系における回転を定義した3×3行列(逆方向に投影変換が行われるため、指示入力I/F4により指示され定義された3×3行列の逆行列)
・XYZ軸方向のオフセット値:Xoff、Yoff、Zoff(単位:ボクセル)
・拡大又は縮小倍率:ScaleXYZ各軸について同じ値を用いる。
・Z方向変倍率:Scz=Rxy/Rz、XY方向の解像度RxyとZ方向の解像度Rzの間の比率
・3×3 matrix defining rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system (the inverse matrix of the 3×3 matrix specified and defined by the instruction input I/F 4 because projection transformation is performed in the opposite direction)
・XYZ axis offset values: Xoff, Yoff, Zoff (unit: voxel)
- Enlargement or reduction ratio: Use the same value for each of the ScaleXYZ axes.
Z-direction scaling factor: Scz=Rxy/Rz, the ratio between the XY-direction resolution Rxy and the Z-direction resolution Rz

図14は、ステップS220において探索制御マスク作成手段77が探索制御マスクを作成する手順を説明する図である。探索制御マスク作成手段77は、レンダリング画像の画素(x,y)ごとに起点座標を記述した探索制御マスクを作成する。起点座標とは、視点座標系において、視点(z=上限値)からボクセルをz軸負方向(z>0)に探索して最初に見つかった不透明度が0でない値をもつボクセルの視点座標系におけるz座標値(正また0の値)である。探索した結果、不透明度が0でない値をもつボクセルが見つからなかった場合、即ちz方向の末端まで全てのボクセルが透明な場合、起点座標として負値(-1)を設定する。 FIG. 14 is a diagram for explaining the procedure for the search control mask creating means 77 to create the search control mask in step S220. The search control mask creation means 77 creates a search control mask describing the starting point coordinates for each pixel (x, y) of the rendering image. The coordinates of the starting point refer to the voxel having a non-zero opacity value that is found first by searching the voxel from the viewpoint (z=upper limit) in the negative z-axis direction (z>0) in the viewpoint coordinate system. is the z-coordinate value (positive or 0 value) at . If, as a result of searching, no voxel with an opacity value other than 0 is found, that is, if all voxels are transparent up to the end in the z direction, a negative value (-1) is set as the origin coordinate.

レンダリング画像の全ての画素の座標(x,y)について、始めに仮想光を投射する起点座標を探索する必要があるが、この探索処理は座標(x,y)ごとに視点座標系のz軸方向の複数のボクセルの不透明度を参照する必要があり、各ボクセルの不透明度を取得するために座標変換処理を実行して対応するボクセル座標系の複数のボクセルの不透明度の値を補間する処理を実行するため、演算負荷が比較的大きい。そこで、2次元の探索制御マスクを作成する方法をとることにより、一部の座標に対する起点座標については、近傍の座標において探索された起点座標を流用し、探索処理を省略することができる。本実施形態においては個々の画素に対して実行される起点座標の探索処理の演算負荷を抑制するため、以下の手順により探索制御マスクを作成する。 For the coordinates (x, y) of all pixels in the rendered image, it is necessary to first search for the starting point coordinates for projecting the virtual light. A process that needs to refer to the opacity of multiple voxels in a direction and interpolates the opacity values of multiple voxels in the corresponding voxel coordinate system by performing a coordinate transformation process to obtain the opacity of each voxel , the computational load is relatively large. Therefore, by adopting a method of creating a two-dimensional search control mask, it is possible to omit the search process by using the starting point coordinates searched for in the vicinity of the starting point coordinates for some of the coordinates. In this embodiment, a search control mask is created by the following procedure in order to suppress the computational load of search processing for the coordinates of the origin executed for each pixel.

探索制御マスク作成手段77は、まずレンダリング画像のx軸方向およびy軸方向の偶数番目の画素(2m,2n)(m=0,1,・・・、n=0,1,・・・)について、起点座標を探索する。図14(a)の塗り潰した部分がこれに相当する。レンダリング画像の画素数は一般に512×512など偶数個に設定される場合が多く、後述する補間処理では画像末端部の奇数番目の画素の起点座標を設定できないため、図14(a)のように、x軸方向の右末端の画素およびy軸方向の下端の画素についても起点座標を探索する。 The search control mask creating means 77 first generates even-numbered pixels (2m, 2n) (m=0, 1, . . . , n=0, 1, . Search the origin coordinates for . This corresponds to the shaded portion in FIG. 14(a). Generally, the number of pixels in a rendering image is often set to an even number such as 512×512, and the interpolation processing described later cannot set the origin coordinates of odd-numbered pixels at the end of the image. , the right-end pixel in the x-axis direction and the bottom-end pixel in the y-axis direction are also searched for the starting point coordinates.

探索制御マスク作成手段77は、レンダリング画像のy軸方向の偶数番目の画素の中で、x方向の奇数番目の画素(2m+1,2n)について、先に探索されたx方向における両隣の偶数番目の画素の起点座標が同じであるか否かをチェックする。例えば画素(1,0)については、両隣である画素(0,0)の起点座標と画素(2,0)の起点座標が同じであるか否かをチェックする。ただし、x方向の右末端の画素は奇数番目であっても、図14(a)の通り既に起点座標が設定されているので、本チェック処理の対象外とする。両隣の起点座標が同じである場合、対象物は当該画素近傍において同様の形状を有していると推定されるので、間に挟まれている画素の起点座標も両隣の起点座標と同じであるとみなすことができる。また、両隣の起点座標が負値となる背景部の画素である場合、間に挟まれている画素も背景部であるとみなすことができる。そこで探索制御マスク作成手段77は、画素(2m+1,2n)の両隣の起点座標が同じである場合、画素(2m+1,2n)についても同じ起点座標を設定する。図14(b)の縦ハッチング部分がこれに相当する。一方、両隣の起点座標が異なる場合、両隣の偶数番目の画素と同様に、探索制御マスク作成手段77は、起点座標を探索する処理を実行し、探索した起点座標を設定する。 The search control mask creation means 77 selects the odd-numbered pixels (2m+1, 2n) in the x-direction among the even-numbered pixels in the y-axis direction of the rendered image, and extracts the previously searched even-numbered pixels in the x-direction. Check if the origin coordinates of the pixels are the same. For example, for the pixel (1,0), it is checked whether the origin coordinates of the pixel (0,0) and the origin coordinates of the pixel (2,0) are the same. However, even if the pixel at the right end in the x direction is odd-numbered, it is excluded from this check processing because the coordinates of the starting point have already been set as shown in FIG. 14(a). If the origin coordinates of both neighbors are the same, it is assumed that the object has a similar shape in the vicinity of the pixel, so the origin coordinates of the intervening pixels are also the same as the origin coordinates of both neighbors. can be regarded as In addition, if the pixel on both sides of the pixel is in the background portion and has a negative starting point coordinate value, the pixel sandwiched between them can also be regarded as being in the background portion. Therefore, the search control mask creating means 77 sets the same starting point coordinates for the pixel (2m+1, 2n) when the starting point coordinates on both sides of the pixel (2m+1, 2n) are the same. The vertically hatched portion in FIG. 14(b) corresponds to this. On the other hand, if the starting point coordinates on both sides are different, the search control mask creating means 77 executes the process of searching for the starting point coordinates and sets the searched starting point coordinates in the same way as the even-numbered pixels on both sides.

探索制御マスク作成手段77は、レンダリング画像のy方向が奇数番目でx方向は全ての画素(x,2n+1)について、y方向における両隣の偶数番目の画素の起点座標が同じであるか否かをチェックする。例えば画素(0,1)については、両隣である画素(0,0)の起点座標と画素(0,2)の起点座標が同じであるか否かチェックする。ただし、y方向の下末端行の画素は奇数番目であっても、図14(b)の通り既に起点座標が設定されているので、本チェック処理の対象外とする。両隣の起点座標が同じである場合は、x方向と同様に、間に挟まれている画素についても同じ起点座標を設定する。そして、両隣の起点座標が異なる場合は、x方向と同様に、探索制御マスク作成手段77は、起点座標を探索する処理を実行し、探索した起点座標を設定する。図14(c)の横ハッチング部分がこれに相当する。 The search control mask creating means 77 determines whether or not, for all pixels (x, 2n+1) of odd-numbered pixels in the rendered image in the y-direction, the starting point coordinates of even-numbered pixels on both sides in the y-direction are the same. To check. For example, for the pixel (0,1), it is checked whether or not the starting point coordinates of the pixel (0,0) and the starting point coordinates of the pixel (0,2) are the same. However, even if the pixel in the lower end row in the y direction is odd-numbered, it is excluded from this check processing because the starting point coordinates have already been set as shown in FIG. 14(b). When the origin coordinates of both adjacent pixels are the same, the same origin coordinates are set for the intervening pixels in the same manner as in the x direction. Then, if the starting point coordinates on both sides are different, the search control mask creating means 77 executes the process of searching for the starting point coordinates and sets the searched starting point coordinates in the same way as in the x direction. The horizontally hatched portion in FIG. 14(c) corresponds to this.

図14では縦横1画素置きに起点座標の探索を行い、間に挟まれている1画素を両隣の画素を基に補間する方法を示したが、これは一例に過ぎず、縦横M(M>1)画素置きに起点座標の探索を行い、間に挟まれているM個の各画素を両隣の画素を基に補間する方法をとることもでき、その場合は演算負荷を更に抑制することができる。 FIG. 14 shows a method of searching the starting point coordinates every other pixel in the vertical and horizontal directions, and interpolating one pixel sandwiched between them based on the adjacent pixels on both sides, but this is only an example. 1) It is also possible to search for the coordinates of the starting point every other pixel and interpolate each of the M pixels interposed between them based on the adjacent pixels on both sides. can.

図14においては、xy方向の隣接画素において探索された起点座標を基に一部の起点探索の処理を省略することにより起点座標の設定を高速化する手順を説明した。これに代えてまたは併用して、z方向の起点探索の処理自体を高速化することにより、起点探索の演算負荷を二重に抑制することができる。 In FIG. 14, the procedure for speeding up the setting of the starting point coordinates by omitting part of the starting point search processing based on the starting point coordinates searched for in the adjacent pixels in the xy direction has been described. Instead of or in combination with this, by speeding up the z-direction starting point search process itself, the calculation load of the starting point search can be suppressed doubly.

探索制御マスク作成手段77は、視点から開始して視線座標系のz方向に沿って各ボクセルの不透明度を参照する。始めに、視点位置(z=上限値)におけるボクセルの不透明度を確認し、不透明度が0でない場合は被写体の表面(切断面)であるため、起点座標はz=上限値で探索打ち切りとなり、演算負荷が小さい。しかし、視点位置(z=上限値)におけるボクセルの不透明度が0である場合(背景部に多い)、z方向に透明なボクセルが連続して存在する可能性が高く、背景部ではz方向の末端部まで全てのボクセルの不透明度が0となり、z方向に連続するボクセルを順次参照する方法をとると、起点座標が負値であることを決定するためにz方向の末端部まで全てのボクセルに対して座標変換を行いながらボクセルの不透明度を参照する必要があり、膨大な演算負荷を伴ってしまう。そこで、視点位置(z=上限値)におけるボクセルの不透明度が0である場合は、隣接するボクセルを順次参照するのではなく、任意個数のボクセルをスキップしながら不透明度を参照する。例えばz方向に8ボクセルごとに不透明度を参照する。z方向の終端のボクセルに至っても不透明度が0ではないボクセルが見つからなかった場合は、起点座標として負値を設定して探索打ち切りとする。一方、不透明度が0ではない(完全透明ではない)最初のボクセルが見つかった場合は、起点座標を正確に決定するための工程に移る。 The search control mask generator 77 looks up the opacity of each voxel along the z-direction of the line-of-sight coordinate system, starting from the viewpoint. First, the voxel opacity at the viewpoint position (z = upper limit) is checked, and if the opacity is not 0, it is the surface (cut plane) of the subject, so the search is terminated at the origin coordinate z = upper limit, Low computational load. However, when the opacity of voxels at the viewpoint position (z = upper limit) is 0 (many in the background), there is a high possibility that transparent voxels are continuously present in the z direction. If the opacity of all voxels to the end is 0 and the method of sequentially referencing consecutive voxels in the z direction is taken, all voxels It is necessary to refer to the opacity of voxels while performing coordinate transformation for , which entails a huge computational load. Therefore, when the opacity of a voxel at the viewpoint position (z=upper limit) is 0, the opacity is referenced while skipping an arbitrary number of voxels instead of sequentially referencing adjacent voxels. For example, refer to the opacity every 8 voxels in the z direction. If a voxel whose opacity is not 0 is not found even at the end voxel in the z direction, a negative value is set as the coordinates of the starting point, and the search is terminated. On the other hand, if the first voxel with non-zero opacity (not completely transparent) is found, the process moves to accurately determine the origin coordinates.

探索制御マスク作成手段77は、最初に見つかった不透明ボクセルから視点に向かってz軸正方向に遡り、不透明度が0である最初のボクセルを探索する。このときは視点座標系のz方向に隣接するボクセルの不透明度を1ボクセルごとにスキップ幅を上限として順次参照する。不透明度が0である最初のボクセルが見つかった時点で、その1つ前のボクセル(視点から遠ざかる負方向)の視点座標系におけるz座標を起点座標として、探索制御マスクに格納する。スキップ幅の上限まで遡って、不透明度が0である最初のボクセルが見つからなかった場合は、最初に見つかった不透明ボクセルの視点座標系におけるz座標を起点座標として、探索制御マスクに格納する。以上の手順により、z方向の起点探索を高速化することができる。 The search control mask creating means 77 searches for the first voxel whose opacity is 0 by going back in the z-axis positive direction toward the viewpoint from the opacity voxel found first. At this time, the opacity of voxels adjacent in the z-direction of the viewpoint coordinate system is sequentially referred to for each voxel with the skip width as the upper limit. When the first voxel whose opacity is 0 is found, the z coordinate in the viewpoint coordinate system of the previous voxel (negative direction moving away from the viewpoint) is set as the origin coordinate and stored in the search control mask. If the first voxel whose opacity is 0 is not found by tracing back to the upper limit of the skip width, the z coordinate in the viewpoint coordinate system of the first found opaque voxel is stored in the search control mask as the starting coordinate. The above procedure can speed up the search for the starting point in the z direction.

探索制御マスク作成手段77は、視点座標系(x,y,z)を基準としてz方向に配置されたボクセルの不透明度を参照することになる。しかし実際に参照するのはボクセル座標系におけるボクセルが有する不透明度であるので、実際のボクセルが有する不透明度を取得するためには、視点座標系からボクセル座標系への座標変換が必要になる。座標変換のためのパラメータは、ステップS210においてあらかじめ算出しておけばよい。座標変換により算出したボクセル座標系の座標値(x’,y’,z’)は実数値になるが、ボクセル座標系におけるボクセルを参照するためには整数値に変換する必要がある。この時、小数点以下を切り捨てて整数化してボクセル座標系における単一のボクセルを参照する方法をとると、レンダリング画像にモアレが発生することが知られているため、算出されたボクセル座標系の実数座標値(x’,y’,z’)に隣接する8近傍の整数座標値のボクセルの不透明度に対して実数座標値の小数点以下の数値に応じて重み付けした値を合算することにより、不透明度を算出する方法が望ましい。後述するレイキャスティング処理においても同様であるが、レイキャスティング処理においてはボクセルの不透明度だけでなくRGB3値からなる色成分の値も参照する必要があるため、起点座標の探索における座標変換の処理負荷はレイキャスティング処理における座標変換の処理負荷に比べ1/4に抑制できる。 The search control mask creating means 77 refers to the opacity of voxels arranged in the z direction with the viewpoint coordinate system (x, y, z) as a reference. However, what is actually referred to is the opacity of the voxel in the voxel coordinate system, so in order to obtain the actual opacity of the voxel, coordinate conversion from the viewpoint coordinate system to the voxel coordinate system is required. Parameters for coordinate transformation may be calculated in advance in step S210. The coordinate values (x', y', z') of the voxel coordinate system calculated by coordinate conversion are real numbers, but must be converted to integer values in order to refer to voxels in the voxel coordinate system. At this time, it is known that if a single voxel in the voxel coordinate system is referred to by truncating the decimal point to an integer, moiré will occur in the rendered image. By summing the values weighted according to the numerical value after the decimal point of the real number coordinate value for the opacity of voxels of integer coordinate values in the vicinity of the coordinate value (x', y', z'), A method of calculating transparency is desirable. The same applies to the ray-casting process, which will be described later, but in the ray-casting process, it is necessary to refer not only to the voxel opacity but also to the RGB 3-value color component values. can be suppressed to 1/4 of the processing load of coordinate transformation in ray casting processing.

図15は、探索制御マスク作成手段77が各画素において起点座標を探索する手順を説明するフローチャートである。探索制御マスク作成手段77は、各対象画素(x,y)について本フローチャートを実施する。以下図15の各ステップについて説明する。 FIG. 15 is a flow chart for explaining the procedure for the search control mask creating means 77 to search for the coordinates of the starting point in each pixel. The search control mask creation means 77 implements this flow chart for each target pixel (x, y). Each step in FIG. 15 will be described below.

探索制御マスク作成手段77は、起点座標を探索する対象画素(x,y)、3次元座標(x,y,z)をセットする。z座標の初期値はz=Zs(上限値)とする。Zsは視点のz座標である。 The search control mask creating means 77 sets the target pixel (x, y) and the three-dimensional coordinates (x, y, z) for searching the coordinates of the starting point. The initial value of the z coordinate is z=Zs (upper limit). Zs is the z-coordinate of the viewpoint.

探索制御マスク作成手段77は、3次元座標(x,y,z)について、座標変換を実施して対応する不透明度ボクセル画像のボクセルの不透明度αを算出する。算出手順としては、例えば上述のように隣接するボクセルの不透明度を重み付け加算する手法を用いることができる。この座標変換は第1の座標変換となる。αが0でなければステップS305へ進み、αが0であればステップS303へ進む。 The search control mask creating means 77 performs coordinate transformation on the three-dimensional coordinates (x, y, z) to calculate the opacity α of the corresponding voxel of the opacity voxel image. As a calculation procedure, for example, a method of weighted addition of the opacities of adjacent voxels as described above can be used. This coordinate transformation becomes the first coordinate transformation. If α is not 0, the process proceeds to step S305, and if α is 0, the process proceeds to step S303.

ステップS303において、探索制御マスク作成手段77は、z軸方向に所定個数のボクセルをスキップする。具体的には現在のz座標からm(例えばm=8)減算する。減算した結果、z座標が0以上である場合はステップS302へ戻って同様の処理を繰り返す。z座標が0未満になった場合は、ステップS304へ進む。 In step S303, the search control mask creating means 77 skips a predetermined number of voxels in the z-axis direction. Specifically, m (for example, m=8) is subtracted from the current z-coordinate. As a result of the subtraction, if the z-coordinate is greater than or equal to 0, the process returns to step S302 and repeats the same processing. If the z-coordinate is less than 0, the process proceeds to step S304.

ステップS304において、探索制御マスク作成手段77は、現在の対象画素(x,y)に対応する探索制御マスクの値M(x,y)に対して、起点座標が見つからなかった旨を示す値(例えば-1などの負値)をセットして起点座標の探索処理を終了する。 In step S304, the search control mask creation unit 77 creates a value ( For example, a negative value such as -1 is set, and the search processing for the coordinates of the starting point is terminated.

ステップS305に進んだ場合、探索制御マスク作成手段77は、変数iを初期化した後、1だけインクリメントする(S306)。iがmまで到達した場合、または現在のz座標にiを加算すると視点z座標に達する場合は、ステップS308に進み、探索制御マスクの値M(x,y)に対して、現在のz座標にインクリメントする前のiを加算した値をセットする。iがmまで到達しておらず、かつ現在のz座標にiを加算しても視点z座標まで達しない場合は、ステップS307へ進む。 When proceeding to step S305, the search control mask creating means 77 initializes the variable i and then increments it by 1 (S306). If i reaches m, or if i is added to the current z-coordinate and the viewpoint z-coordinate is reached, the process proceeds to step S308, where the current z-coordinate set the value obtained by adding i before incrementing to . If i has not reached m and adding i to the current z-coordinate does not reach the viewpoint z-coordinate, the process proceeds to step S307.

ステップS307において、探索制御マスク作成手段77は、3次元座標(x,y,z+i)について、座標変換を実施して対応する不透明度ボクセル画像のボクセルの不透明度αを算出する。算出手順はステップS302と同じである。この座標変換も第1の座標変換となる。αが0でなければステップS306へ戻ってiをインクリメントして同様の処理を繰り返す。αが0であればステップS308へ進む。 In step S307, the search control mask creation means 77 performs coordinate transformation on the three-dimensional coordinates (x, y, z+i) to calculate the voxel opacity α of the corresponding opacity voxel image. The calculation procedure is the same as in step S302. This coordinate transformation is also the first coordinate transformation. If α is not 0, the process returns to step S306, i is incremented, and the same processing is repeated. If α is 0, the process proceeds to step S308.

ステップS308において、探索制御マスク作成手段77は、現在の対象画素(x,y)に対応する探索制御マスクの値M(x,y)に対して、ステップS307の1つ手前のz座標(z+i-1)をセットして起点座標の探索処理を終了する。 In step S308, the search control mask creation means 77 calculates the value M(x, y) of the search control mask corresponding to the current target pixel (x, y) by the z coordinate (z+i) one before step S307. -1) is set to end the origin coordinate search processing.

レイキャスティング手段78は、求めるレンダリング画像の各画素の(x,y)座標に対して探索制御マスクが保持している起点座標を参照して、視点座標系において起点座標よりz方向に仮想光を投射し、仮想光が通過する各ボクセル(x,y,z)に対して‘‘ボクセル座標系における対応するボクセル(x’,y’,z’)の色成分の値と不透明度を用いて仮想光の光強度および当該画素の輝度値(RGB値)をz方向のボクセルごとに積算し、仮想光の光強度が所定の値以下に減衰するか、z方向の終端のボクセルに至る段階まで積算する処理を継続し、最終的に積算された当該画素の輝度値(RGB値)を基にレンダリング画像の当該画素(x,y)の画素値(RGB値)を算出して与える。 The ray casting means 78 refers to the starting point coordinates held by the search control mask for the (x, y) coordinates of each pixel of the rendering image to be obtained, and casts virtual light in the z direction from the starting point coordinates in the viewpoint coordinate system. For each voxel (x, y, z) projected and through which the virtual light passes, use the color component value and opacity of the corresponding voxel (x', y', z') in the voxel coordinate system The light intensity of the virtual light and the luminance value (RGB value) of the pixel are integrated for each voxel in the z direction, and until the light intensity of the virtual light attenuates below a predetermined value or reaches the end voxel in the z direction. The process of accumulating is continued, and the pixel value (RGB value) of the pixel (x, y) of the rendering image is calculated and provided based on the finally accumulated luminance value (RGB value) of the pixel.

レイキャスティング処理の途上で、あるz座標におけるボクセルの不透明度が0である(すなわち透明である)場合がある。透明ボクセルに対しては仮想光の光強度および画素の輝度(RGB値)の積算処理は行われないため、透明ボクセルはスキップし、次の不透明ボクセルを探索する。このときレイキャスティング手段78は、視点座標系のz方向において視点からずれたz>0である途中の透明ボクセルから探索を開始して上記の探索制御マスク作成手段77が起点座標を探索する方法と同様な手法により、不透明度が0でない最初のボクセルを高速に探索することができる。レイキャスティング処理においてはボクセルの不透明度だけでなくRGB3値からなる色成分の値も必要になるが、不透明ボクセルを探索する際は、ボクセルの色成分の値は不要なため、座標変換において不透明度だけを算出すればよく、座標変換の演算負荷を1/4に抑制できる。不透明度が0でないボクセルが見つかると、そのボクセルからレイキャスティング処理を再開し、仮想光の光強度が所定の値以下に減衰するか、z方向の終端のボクセルに至るまでレイキャスティング処理を継続する。このようにして、レイキャスティング処理の途中に存在する透明なボクセルに対して座標変換を伴いながら色成分の値および不透明度を参照する処理をスキップすることにより、レイキャスティング処理を高速化することができる。 During the raycasting process, a voxel at a certain z-coordinate may have zero opacity (ie, be transparent). Since the light intensity of the virtual light and the luminance (RGB value) of the pixel are not integrated for the transparent voxel, the transparent voxel is skipped and the next opaque voxel is searched. At this time, the ray casting means 78 starts searching from a transparent voxel in the middle where z>0, which is shifted from the viewpoint in the z direction of the viewpoint coordinate system, and the search control mask creating means 77 searches for the coordinates of the starting point. A similar technique can be used to quickly search for the first voxel with non-zero opacity. In the ray casting process, not only the voxel opacity but also the color component values consisting of three RGB values are required. can be calculated, and the calculation load for coordinate transformation can be reduced to 1/4. When a voxel whose opacity is not 0 is found, the ray-casting process is resumed from that voxel, and the ray-casting process is continued until the light intensity of the virtual light is attenuated below a predetermined value or the voxel at the end of the z direction is reached. . In this way, the ray casting process can be sped up by skipping the process of referring to the color component value and opacity while performing coordinate conversion for transparent voxels existing in the middle of the ray casting process. can.

レイキャスティング手段78が色成分や不透明度を参照する際には、視点座標系(x,y,z)を基準として対応するボクセル座標系におけるボクセルのこれら値を参照することになる。したがって視点座標系からボクセル座標系への座標変換が必要になる。座標変換パラメータについては座標変換パラメータの設定(S210)で設定したものを用いる。ただし、レイキャスティング処理においてはボクセルの不透明度だけでなくRGB3値からなる色成分も必要になる。そのため、座標変換されたボクセル座標系の実数座標値(x’,y’,z’)に隣接する8近傍の整数座標値に対応するボクセルの色成分と不透明度に対して実数座標値の小数点以下の数値に応じて重み付けした値を合算することにより、ボクセルの色成分と不透明度を取得する方法をとる。この座標変換は第2の座標変換となる。この場合は、不透明度ボクセル画像と色成分ボクセル画像を参照する必要がある。 When the ray casting means 78 refers to color components and opacity, it refers to these values of voxels in the corresponding voxel coordinate system based on the viewpoint coordinate system (x, y, z). Therefore, coordinate conversion from the viewpoint coordinate system to the voxel coordinate system is required. As for the coordinate transformation parameters, those set in the coordinate transformation parameter setting (S210) are used. However, in the ray casting process, not only voxel opacity but also color components consisting of three RGB values are required. Therefore, the decimal point of the real number coordinate value for the color component and the opacity of the voxel corresponding to the eight neighboring integer coordinate values adjacent to the real number coordinate value (x', y', z') in the coordinate-transformed voxel coordinate system A method of obtaining the color component and opacity of a voxel is adopted by summing values weighted according to the following numerical values. This coordinate transformation is the second coordinate transformation. In this case, it is necessary to refer to the opacity voxel image and the color component voxel image.

<3.N分の1の間引き>
上記ボリュームレンダリング装置では、ボクセル画像作成手段30が、複数の断層画像の総画素数と同数のボクセルによるボクセル画像を作成するようにしたが、ボクセルを間引いてボクセル数を少なくしたボクセル画像を作成するようにしてもよい。その場合、不透明度ボクセル画像作成手段31は、複数の断層画像の二次元のXY軸方向、断層画像と直交するZ軸方向の三軸の各方向において、N画素おきに対応付けて三次元に配置した各ボクセルに対して、そのボクセルの信号値を不透明度αに置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する.また、色成分ボクセル画像作成手段32または不透明度付色成分ボクセル画像作成手段33は、複数の断層画像の二次元のXY軸方向、断層画像と直交するZ軸方向の三軸の各方向において、N画素おきに対応付けて三次元に配置した各ボクセルに対して、当該ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像または不透明度付色成分ボクセル画像を作成する。例えば、N=2とした場合、XYZ方向を各々1/2に間引くことができるため、処理するボクセル数が1/8となり、高速な処理を行うことができる。これにより、利用者が、指示入力I/F4を介して対話的に、カラーマップを連続的に切り替えた場合であっても、画質が粗いボリュームレンダリング像を順次表示させて、カラーマップの更新に追従させながらボリュームレンダリング像を表示することができる。
<3. Decimation of 1/N>
In the volume rendering device, the voxel image creation means 30 creates a voxel image with the same number of voxels as the total number of pixels of the plurality of tomographic images, but the voxel image is created by thinning out the voxels to reduce the number of voxels. You may do so. In that case, the opacity voxel image creation means 31 associates every N pixels in each of the three axial directions of the two-dimensional XY-axis direction of the plurality of tomographic images and the Z-axis direction orthogonal to the tomographic image to create a three-dimensional For each placed voxel, the signal value of that voxel is replaced with the opacity α to create an opacity voxel image in which the opacity is defined as the voxel value. In addition, the color component voxel image creating means 32 or the color component voxel image creating means 33 with opacity is arranged in each of the two-dimensional XY-axis directions of the plurality of tomographic images and the Z-axis direction orthogonal to the tomographic images, For each voxel arranged three-dimensionally in association with every N pixels, the signal value of the voxel is replaced with the value of the color component, and a color component voxel image or opacity-added voxel image in which the color component value is defined as the voxel value Create a color component voxel image. For example, when N=2, each of the X, Y, and Z directions can be thinned out by 1/2, so the number of voxels to be processed is reduced to 1/8, and high-speed processing can be performed. As a result, even when the user continuously switches the color map interactively via the instruction input I/F 4, the volume rendering image with coarse image quality is sequentially displayed, and the color map is updated. A volume rendering image can be displayed while tracking.

<4.断層画像の階調落とし>
上記実施形態では、各画素が16ビットの信号値を記録した断層画像をそのまま用いてボクセル画像を作成するようにしたが、断層画像を8ビットに階調変換して階調低下画像を作成した後、ボクセル画像を作成するようにしてもよい。断層画像を8ビットに階調変換することにより、各画素の処理における負荷を削減することができ、ボリュームレンダリング像の高速な生成に寄与する。
<4. Gradation Reduction of Tomographic Image>
In the above embodiment, a tomographic image in which each pixel records a 16-bit signal value is used as it is to create a voxel image. A voxel image may be created later. By converting the tomographic image into 8-bit gradation, the load in processing each pixel can be reduced, contributing to high-speed generation of volume rendering images.

この場合、断層画像階調変換手段を更に設け、断層画像読込手段10が単一の断層画像を読み込むごとに、階調変換を行う。具体的には、一連のDICOM形式の断層画像Do(x,y,z)(-32768≦Do(x,y,z)≦32767,0≦x≦Sx-1,0≦y≦Sy-1,0≦z≦Sz-1; 解像度:Rxy,Rz)の中で、Sz/2番目の中間の断層画像Do(x,y,z/2)を最初に読み込み、同断層画像における全ての画素の最小値をDmin、最大値をDmaxとする。DminとDmaxは全ての断層画像より最小値と最大値を求める方法をとっても良いが、中間の断層画像だけで決定する方法をとると、大容量の16ビットの原断層画像の全てのスライス分を読み込んでメモリ上に保持することなく、階調低下画像である階調圧縮断層画像D8(x,y,z)だけをメモリ上に直接構築できる。続いて、以下の〔数式7〕に従った処理を実行して、下限値Lmin および上限値Lmaxを算出する。 In this case, tomographic image tone conversion means is further provided, and tone conversion is performed each time the tomographic image reading means 10 reads a single tomographic image. Specifically, a series of DICOM format tomographic images Do (x, y, z) (-32768 ≤ Do (x, y, z) ≤ 32767, 0 ≤ x ≤ Sx-1, 0 ≤ y ≤ Sy-1 , 0 ≤ z ≤ Sz-1; resolution: Rxy, Rz), the Sz/2th intermediate tomographic image Do (x, y, z/2) is first read, and all pixels in the same tomographic image Let Dmin be the minimum value of and Dmax be the maximum value of . For Dmin and Dmax, a method of determining the minimum and maximum values from all tomographic images may be used, but if a method of determining only from intermediate tomographic images is used, all slices of the large-capacity 16-bit original tomographic image may be used. Only the gradation-compressed tomographic image D8(x, y, z), which is a gradation-reduced image, can be constructed directly on the memory without reading it and storing it on the memory. Subsequently, a process according to [Equation 7] below is executed to calculate the lower limit value Lmin and the upper limit value Lmax.

〔数式7〕
下限値Lmin=(Dmax-Dmin)・γ+Dmin
上限値Lmax=(Dmax-Dmin)・(1-γ)+Dmin
[Formula 7]
Lower limit Lmin = (Dmax-Dmin) γ + Dmin
Upper limit value Lmax=(Dmax−Dmin)・(1−γ)+Dmin

〔数式7〕において、γは階調圧縮画像のコントラスト調整幅で、0に近いほどコントラストが増大するが輝度が小さくなる。γは0.3未満の実数値であるが、通常はγ=0.1に設定する。レンダリング画像の輝度コントラストはカラーマップなど種々の設定で調整できるので、γは固定で良い。そして、下限値Lminおよび上限値Lmaxの範囲を256段階に圧縮して階調圧縮断層画像D8(x,y,z)を得る。具体的には、階調圧縮断層画像D8(x,y,z)(0≦D8(x,y,z)≦255,0≦x≦Sx-1,0≦y≦Sy-1,0≦z≦Sz-1; 解像度:Rxy,Rz)としたとき、以下の〔数式8〕に従った処理を実行して、階調圧縮断層画像D8(x,y,z) を算出する。 In [Equation 7], γ is the contrast adjustment width of the gradation-compressed image, and the closer to 0, the higher the contrast but the lower the luminance. γ is a real value less than 0.3, but is usually set to γ=0.1. Since the luminance contrast of the rendered image can be adjusted by various settings such as a color map, γ may be fixed. Then, the range between the lower limit value Lmin and the upper limit value Lmax is compressed in 256 steps to obtain a gradation-compressed tomographic image D8(x, y, z). Specifically, the gradation compression tomographic image D8 (x, y, z) (0≤D8 (x, y, z)≤255, 0≤x≤Sx-1, 0≤y≤Sy-1, 0≤ When z≦Sz−1; resolution: Rxy, Rz), the process according to the following [Equation 8] is executed to calculate a gradation compression tomographic image D8(x, y, z).

〔数式8〕
D8(x,y,z)=(Do(x,y,z)-Lmin)・255/(Lmax-Lmin)
D8(x,y,z)>255の場合:D8(x,y,z)=255、D8(x,y,z)<0の場合:D8(x,y,z)=0
[Formula 8]
D8 (x, y, z) = (Do (x, y, z) - Lmin) 255 / (Lmax - Lmin)
If D8(x,y,z)>255: D8(x,y,z)=255 If D8(x,y,z)<0: D8(x,y,z)=0

〔数式8〕の第2式に示すように、信号値が上限値Lmaxを超える場合は255、下限値Lminを下回る場合は0として、下限値Lminから上限値Lmaxの範囲を0から255に線形変換する。なお、階調圧縮断層画像を用いてボクセル画像を作成する場合、図4のカラーマップに代えて、階調低下画像用のカラーマップとして、8ビットの信号値用のカラーマップを用意しておく。具体的には、信号値0~255に対応付けてR,G,B、αが記録されたカラーマップを用いる。 As shown in the second formula of [Equation 8], when the signal value exceeds the upper limit value Lmax, it is set to 255, and when it is below the lower limit value Lmin, it is set to 0, and the range from the lower limit value Lmin to the upper limit value Lmax is linearly from 0 to 255. Convert. When creating a voxel image using a gradation-compressed tomographic image, a color map for 8-bit signal values is prepared as a color map for a gradation-reduced image instead of the color map in FIG. . Specifically, a color map in which R, G, B, and α are recorded in association with signal values 0 to 255 is used.

以上、本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。本開示の趣旨を逸脱しない範囲で変更された態様は、本開示の技術的範囲に含まれる。 Although the preferred embodiments of the present disclosure have been described above, the present disclosure is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible. Modified aspects that do not depart from the gist of the present disclosure are included in the technical scope of the present disclosure.

1・・・CPU(Central Processing Unit)
2・・・RAM(Random Access Memory)
3・・・記憶装置
4・・・指示入力I/F
5・・・データ入出力I/F
6・・・表示部
7・・・GPU
8・・・フレームメモリ
10・・・断層画像読込手段
15・・・カラーマップ読込手段
20・・・ROIクリッピング設定手段
30・・・ボクセル画像作成手段
40・・・スムージング手段
50・・・陰影付加手段
60・・・色補正手段
70・・・レンダリング手段
71・・・3Dテクスチャ登録手段
72・・・座標変換手段
73・・・積層四角形設定手段
74・・・画素値算出手段
77・・・探索制御マスク作成手段
78・・・レイキャスティング手段
80・・・レンダリング像出力手段
100・・・ボリュームレンダリング装置
1 CPU (Central Processing Unit)
2 RAM (random access memory)
3... Storage device 4... Instruction input I/F
5 Data input/output I/F
6... Display unit 7... GPU
8 frame memory 10 tomographic image reading means 15 color map reading means 20 ROI clipping setting means 30 voxel image creating means 40 smoothing means 50 shading addition Means 60 Color Correcting Means 70 Rendering Means 71 3D Texture Registering Means 72 Coordinate Transforming Means 73 Laminated Rectangle Setting Means 74 Pixel Value Calculating Means 77 Searching Control mask creating means 78 Ray casting means 80 Rendering image output means 100 Volume rendering device

Claims (17)

対象物に対して所定の間隔で撮影され、各画素に信号値が付与された複数の2次元の断層画像に基づいて、あらかじめ定義されたカラ-マップを参照してボリュームレンダリング像を生成するためのボリュームレンダリング装置であって、
信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する不透明度ボクセル画像作成手段と、
前記カラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する色成分ボクセル画像作成手段と、
前記不透明度ボクセル画像および前記色成分ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成するレンダリング手段と、
を備えていることを特徴とするボリュームレンダリング装置。
To generate a volume rendering image by referring to a predefined color map based on a plurality of two-dimensional tomographic images in which the object is photographed at predetermined intervals and a signal value is assigned to each pixel. a volume rendering device of
By referring to a color map defined by associating color component values and opacity values with signal values, the signal values of each voxel three-dimensionally arranged in correspondence with each pixel of the plurality of tomographic images are set to be unknown. opacity voxel image creation means for creating an opacity voxel image in which opacity is defined as a voxel value by replacing with transparency;
With reference to the color map, the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tomographic images is replaced with a color component value, and the color whose color component value is defined as the voxel value a color component voxel image creating means for creating a component voxel image;
rendering means for generating a volume rendered image using the opacity voxel image and the color component voxel image;
A volume rendering device comprising:
前記不透明度ボクセル画像を構成する各ボクセルの不透明度を、当該ボクセル及び当該ボクセルの近傍のボクセルの不透明度の平均値に置き換えるスムージング処理を行うスムージング手段を更に備え、
前記レンダリング手段は、スムージング処理された不透明度ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成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装置。
Smoothing means for performing a smoothing process to replace the opacity of each voxel constituting the opacity voxel image with the average value of the opacity of the voxel and voxels in the vicinity of the voxel,
2. The volume rendering apparatus according to claim 1, wherein said rendering means generates a volume rendering image using a smoothed opacity voxel image.
対象物に対して所定の間隔で撮影され、各画素に信号値が付与された複数の2次元の断層画像に基づいて、あらかじめ定義されたカラ-マップを参照してボリュームレンダリング像を生成するためのボリュームレンダリング装置であって、
信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する不透明度ボクセル画像作成手段と、
前記カラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する色成分ボクセル画像作成手段と、
前記色成分ボクセル画像の各ボクセルに前記不透明度ボクセル画像の対応するボクセルの不透明度を追加し、ボクセル値として不透明度及び色成分の値が定義された不透明度付色成分ボクセル画像を作成する不透明度付色成分ボクセル画像作成手段と、
前記不透明度付色成分ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成するレンダリング手段と、
を備えていることを特徴とするボリュームレンダリング装置。
To generate a volume rendering image by referring to a predefined color map based on a plurality of two-dimensional tomographic images in which the object is photographed at predetermined intervals and a signal value is assigned to each pixel. a volume rendering device of
By referring to a color map defined by associating color component values and opacity values with signal values, the signal values of each voxel three-dimensionally arranged in correspondence with each pixel of the plurality of tomographic images are set to be unknown. opacity voxel image creation means for creating an opacity voxel image in which opacity is defined as a voxel value by replacing with transparency;
With reference to the color map, the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tomographic images is replaced with a color component value, and the color whose color component value is defined as the voxel value a color component voxel image creating means for creating a component voxel image;
adding the opacity of the corresponding voxel of the opacity voxel image to each voxel of the color component voxel image to create an opacity-added color component voxel image in which the values of the opacity and the color component are defined as voxel values; Transparency color component voxel image creating means;
rendering means for generating a volume rendering image using the color component voxel image with opacity;
A volume rendering device comprising:
前記不透明度ボクセル画像を構成する各ボクセルの不透明度を、当該ボクセル及び当該ボクセルの近傍のボクセルの不透明度の平均値に置き換えるスムージング処理を行うスムージング手段を更に備え、
前記不透明度付色成分ボクセル画像作成手段は、スムージング処理された不透明度ボクセル画像を用いて前記不透明度付色成分ボクセル画像を作成することを特徴とする請求項3に記載のボリュームレンダリング装置。
Smoothing means for performing a smoothing process to replace the opacity of each voxel constituting the opacity voxel image with the average value of the opacity of the voxel and voxels in the vicinity of the voxel,
4. The volume rendering apparatus according to claim 3, wherein said color component voxel image with opacity creating means creates said color component voxel image with opacity using a smoothed opacity voxel image.
前記色成分ボクセル画像における最外側であって、当該色成分ボクセル画像に対応する不透明度ボクセル画像におけるボクセルの不透明度が0であるボクセルの色成分の値を、前記不透明度ボクセル画像における不透明度が0であるボクセルの近傍の不透明度が0でないボクセルに対応する前記色成分ボクセル画像におけるボクセルの色成分の平均値に置き換える色補正処理を行う色補正手段を更に備え、
前記不透明度付色成分ボクセル画像作成手段は、色補正処理された色成分ボクセル画像を用いて前記不透明度付色成分ボクセル画像を作成することを特徴とする請求項3または請求項4に記載のボリュームレンダリング装置。
The value of the color component of the voxel that is the outermost in the color component voxel image and has an opacity of 0 in the opacity voxel image corresponding to the color component voxel image is further comprising color correction means for performing a color correction process of replacing the voxels in the color component voxel image corresponding to the voxels with non-zero opacity near the 0 voxels with the average value of the color components of the voxels;
5. The opacity-added color-component voxel image creation means creates the opacity-added color-component voxel image using a color-component voxel image that has undergone color correction processing. Volume rendering device.
前記色成分ボクセル画像の各ボクセルの色成分の値を、
当該ボクセルに対応する前記不透明度ボクセル画像のボクセルの近傍のボクセルの不透明度を基に、当該ボクセルにおける勾配ベクトルを算出し、
算出した勾配ベクトル及び所定の光源ベクトルに基づいて陰影値を算出し、
前記色成分の値に前記陰影値を乗算した値に置き換える陰影付加手段を更に備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のボリュームレンダリング装置。
The value of the color component of each voxel of the color component voxel image,
Based on the opacity of voxels near the voxel of the opacity voxel image corresponding to the voxel, calculate a gradient vector in the voxel,
calculating a shadow value based on the calculated gradient vector and a predetermined light source vector;
6. The volume rendering apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising shading adding means for replacing the value of the color component with a value obtained by multiplying the shading value.
前記陰影付加手段は、前記勾配ベクトルを算出するにあたり、前記不透明度ボクセル画像の当該ボクセルのX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の各々2近傍のボクセルの不透明度の差分値を前記勾配ベクトルのX方向成分、Y方向成分、Z方向成分として算出し、あらかじめ定義されたZ軸方向変倍率に基づいて前記Z方向成分に補正を施した単位ベクトルを、当該ボクセルにおける勾配ベクトルとして算出することを特徴とする請求項6に記載のボリュームレンダリング装置。 In calculating the gradient vector, the shading means calculates the difference value of the opacity of two voxels near the voxel of the opacity voxel image in each of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction as the gradient vector. and calculating a unit vector obtained by correcting the Z-direction component based on a predefined Z-axis direction scaling factor as a gradient vector in the voxel. 7. The volume rendering device according to claim 6, characterized by: 前記不透明度ボクセル画像作成手段は、前記複数の断層画像の二次元の各軸方向、断層画像と直交する軸方向の三軸の各方向において、N画素おきに対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成するものであり、
前記色成分ボクセル画像作成手段は、前記複数の断層画像の二次元の各軸方向、断層画像と直交する軸方向の三軸の各方向において、N画素おきに対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成するものであることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のボリュームレンダリング装置。
The opacity voxel image creating means is arranged three-dimensionally in association with every N pixels in each of the two-dimensional axial directions of the plurality of tomographic images and in each of the three axial directions perpendicular to the tomographic images. It replaces the signal value of the voxel with opacity and creates an opacity voxel image in which the opacity is defined as the voxel value,
The color component voxel image creating means is arranged three-dimensionally in association with every N pixels in each of the two-dimensional axial directions of the plurality of tomographic images and each of the three axial directions perpendicular to the tomographic images. 8. A color component voxel image in which the voxel signal values are replaced with color component values to create a color component voxel image in which the color component values are defined as the voxel values. The volume rendering device according to .
前記断層画像が16ビットの信号値をもつ画像の場合、前記複数の断層画像の全てまたは特定の断層画像を基に信号値の最大値Dmaxと最小値Dminを算出し、最大値Dmaxより(最大値Dmax-最小値Dmin)×γ(γは0.3未満の実数値)だけ減じた値を上限値Lmaxとし、最小値に(最大値Dmax-最小値Dmin)×γだけ加算した値を下限値Lminとするとき、信号値が上限値Lmaxを超える場合は255、下限値Lminを下回る場合は0、下限値Lminから上限値Lmaxの範囲を0から255に線形変換することにより、信号値を8ビットに変換した階調低下画像を作成する断層画像階調変換手段を更に設け、
前記不透明度ボクセル画像作成手段は、信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義された階調低下画像用のカラーマップを参照して、前記複数の階調低下画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成し、
前記色成分ボクセル画像作成手段は、前記階調低下画像用のカラーマップを参照して、前記複数の階調低下画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のボリュームレンダリング装置。
When the tomographic image is an image having a 16-bit signal value, the maximum value Dmax and the minimum value Dmin of the signal value are calculated based on all of the plurality of tomographic images or a specific tomographic image. The upper limit Lmax is the value obtained by subtracting the value Dmax - minimum value Dmin) x γ (γ is a real number less than 0.3), and the lower limit is the value obtained by adding (maximum value Dmax - minimum value Dmin) x γ to the minimum value. When the value Lmin is 255 when the signal value exceeds the upper limit Lmax, 0 when the signal value is below the lower limit Lmin, and linearly transforms the range from the lower limit Lmin to the upper limit Lmax from 0 to 255, the signal value is further comprising tomographic image gradation conversion means for creating a gradation reduction image converted to 8 bits;
The opacity voxel image creating means refers to a color map for tone-reduced images defined by associating color component values and opacities with signal values, and Replace the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in correspondence with the pixel with opacity, create an opacity voxel image in which the opacity is defined as the voxel value,
The color component voxel image creating means refers to the color map for the tone reduction image, and converts the signal values of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tone reduction images into color components. 9. The volume rendering apparatus according to claim 1, wherein a color component voxel image in which color component values are defined as voxel values is created.
前記レンダリング手段は、
前記不透明度ボクセル画像を前記生成するボリュームレンダリング像に投影変換した座標系を視点座標系とすると、視点座標系において、前記ボリュームレンダリング像の各画素(x,y)よりZ軸方向に沿って、Z軸の上限値より下限値に向けて、視点座標系の各ボクセル座標(x,y,z)ごとに第1の座標変換を行って前記不透明度ボクセル画像より不透明度を取得しながら、不透明度が0でない不透明ボクセルを探索し、最初に見つかった不透明度が0でない不透明ボクセルの視点座標系におけるZ座標を、前記ボリュームレンダリング像の各画素(x,y)ごとに記録した探索制御マスクを作成する探索制御マスク作成手段と、
前記ボリュームレンダリング像の各画素(x,y)に対して、前記探索制御マスクよりZ座標を取得し、取得したZ座標よりZ軸の下限値に向けてZ軸方向に沿って、所定の光強度をもつ仮想光を照射する際、視点座標系の各ボクセル座標(x,y,z)ごとに第1の座標変換を行って前記不透明度ボクセル画像より不透明度を取得し、不透明度が0でないボクセルが見つかった場合、当該座標(x,y,z)に対して第2の座標変換を行って前記色成分ボクセル画像より(R,G,B)で構成される色成分を取得し、当該ボクセルの不透明度を基に前記光強度を減衰させるとともに、当該ボクセルの不透明度及び色成分、前記減衰させた光強度に基づいて累積輝度値を算出する処理を繰り返し、算出された累積輝度値を基に、前記ボリュームレンダリング像の当該画素(x,y)に対応する(R,G,B)で構成される画素値として与えるようにしているレイキャスティング手段と、を備えていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のボリュームレンダリング装置。
The rendering means is
Assuming that the coordinate system obtained by projecting and transforming the opacity voxel image to the volume rendering image to be generated is a viewpoint coordinate system, in the viewpoint coordinate system, along the Z-axis direction from each pixel (x, y) of the volume rendering image, While obtaining the opacity from the opacity voxel image by performing the first coordinate transformation for each voxel coordinate (x, y, z) in the viewpoint coordinate system toward the lower limit from the upper limit of the Z axis, A search control mask that searches for opaque voxels whose transparency is not 0, and records the Z coordinate in the viewpoint coordinate system of the opaque voxel whose opacity is not 0 found first for each pixel (x, y) of the volume rendering image. a search control mask creating means to create;
A Z coordinate is obtained from the search control mask for each pixel (x, y) of the volume rendering image, and a predetermined light beam is emitted from the obtained Z coordinate toward the lower limit of the Z axis along the Z axis direction. When irradiating virtual light with intensity, the first coordinate transformation is performed for each voxel coordinate (x, y, z) in the viewpoint coordinate system to obtain the opacity from the opacity voxel image, and the opacity is 0 If a voxel that is not is found, a second coordinate transformation is performed on the coordinates (x, y, z) to obtain a color component composed of (R, G, B) from the color component voxel image, Repeating the process of attenuating the light intensity based on the opacity of the voxel and calculating the cumulative brightness value based on the opacity and color components of the voxel and the attenuated light intensity, and calculating the calculated cumulative brightness value and a ray casting means for providing a pixel value composed of (R, G, B) corresponding to the pixel (x, y) of the volume rendering image based on 3. The volume rendering device according to claim 1 or 2, wherein:
前記探索制御マスク作成手段および前記レイキャスティング手段は、前記第1の座標変換を行って前記不透明度ボクセル画像より不透明度を取得する際、
所定の3次元座標系における回転を定義した3×3行列、xyz軸各方向のオフセット値、xyz軸方向の拡大又は縮小倍率、z軸方向変倍率を含む前記所定の座標変換のパラメータを取得し、
前記視点座標系のボクセルの整数値の座標(x,y,z)を、前記パラメータに基づいて前記不透明度ボクセル画像の座標系に変換を行って、前記不透明度ボクセル画像の実数値の座標(X,Y,Z)を算出し、
算出した実数値の座標(X,Y,Z)の近傍の複数の整数値の座標(x’,y’,z’)座標に対応する前記不透明度ボクセル画像の複数のボクセルを特定し、
特定した複数のボクセルの不透明度に基づいて前記不透明度ボクセル画像より取得される不透明度として算出するようにしていることを特徴とする請求項10に記載のボリュームレンダリング装置。
When the search control mask creation means and the ray casting means perform the first coordinate transformation to obtain the opacity from the opacity voxel image,
Acquiring parameters of the predetermined coordinate transformation including a 3×3 matrix defining rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system, offset values in each of the xyz axis directions, enlargement or reduction ratios in the xyz axis directions, and z-axis direction scaling factors. ,
Integer-value coordinates (x, y, z) of voxels in the viewpoint coordinate system are converted into the coordinate system of the opacity voxel image based on the parameters, and real-value coordinates ( X, Y, Z) is calculated,
Identifying a plurality of voxels of the opacity voxel image corresponding to a plurality of integer-valued coordinates (x', y', z') near the calculated real-valued coordinates (X, Y, Z);
11. The volume rendering apparatus according to claim 10, wherein the opacity obtained from the opacity voxel image is calculated based on the opacity of the specified plurality of voxels.
前記レイキャスティング手段は、前記第2の座標変換を行って前記色成分ボクセル画像より色成分を取得する際、
所定の3次元座標系における回転を定義した3×3行列、xyz軸各方向のオフセット値、xyz軸方向の拡大又は縮小倍率、z軸方向変倍率を含む前記所定の座標変換のパラメータを取得し、
前記視点座標系のボクセルの整数値の座標(x,y,z)を、前記パラメータに基づいて前記色成分ボクセル画像の座標系に変換を行って、前記色成分ボクセル画像の実数値の座標(X,Y,Z)を算出し、
算出した実数値の座標(X,Y,Z)の近傍の複数の整数値の座標(x’,y’,z’)座標に対応する前記色成分ボクセル画像の複数のボクセルを特定し、
特定した複数のボクセルの色成分に基づいて前記色成分ボクセル画像より取得される色成分として算出するようにしていることを特徴とする請求項10に記載のボリュームレンダリング装置。
When the ray casting means performs the second coordinate transformation to acquire color components from the color component voxel image,
Acquiring parameters of the predetermined coordinate transformation including a 3×3 matrix defining rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system, offset values in each of the xyz axis directions, enlargement or reduction ratios in the xyz axis directions, and z-axis direction scaling factors. ,
Integer-valued coordinates (x, y, z) of voxels in the viewpoint coordinate system are converted into the coordinate system of the color component voxel image based on the parameters, and real-valued coordinates ( X, Y, Z) is calculated,
identifying a plurality of voxels of the color component voxel image corresponding to a plurality of integer coordinates (x', y', z') near the calculated real number coordinates (X, Y, Z);
11. The volume rendering apparatus according to claim 10, wherein the color components obtained from the color component voxel image are calculated based on the specified color components of the plurality of voxels.
前記レンダリング手段は、
前記色成分ボクセル画像で構成される3Dテクスチャ画像を生成する3Dテクスチャ登録手段と、
前記3Dテクスチャ画像に対して所定の座標変換を行って変換後3Dテクスチャ画像を生成する座標変換手段と、
3次元空間のXY座標面上の四角形をZ軸方向に並べ、前記各四角形の4頂点の各3次元座標を前記変換後3Dテクスチャ画像の所定の4箇所の各3次元座標に対応付けた積層四角形を設定する積層四角形設定手段と、
所定の視点からZ軸方向に平行な視線上の前記積層四角形上の3次元座標に対応する前記変換後3Dテクスチャ画像のボクセルの(R,G,B)で構成される色成分を当該ボクセルの不透明度に基づいて前記視点から遠い四角形の順にアルファブレンディングして得られた色成分を、前記ボリュームレンダリング像の(R,G,B)で構成される画素値として与えるようにしている画素値算出手段と、
を備えていることを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか一項にボリュームレンダリング装置。
The rendering means is
3D texture registration means for generating a 3D texture image composed of the color component voxel images;
coordinate transformation means for performing a predetermined coordinate transformation on the 3D texture image to generate a post-transformation 3D texture image;
Lamination in which quadrilaterals on the XY coordinate plane of a three-dimensional space are arranged in the Z-axis direction, and each three-dimensional coordinate of four vertices of each quadrangle is associated with each of four predetermined three-dimensional coordinates of the post-conversion 3D texture image. a laminated quadrangle setting means for setting a quadrangle;
A color component composed of (R, G, B) of a voxel of the converted 3D texture image corresponding to the three-dimensional coordinates on the stacked quadrangle on the line of sight parallel to the Z-axis direction from a predetermined viewpoint is Pixel value calculation in which color components obtained by alpha blending in the order of rectangles farther from the viewpoint based on opacity are given as pixel values composed of (R, G, B) of the volume rendering image. means and
6. A volume rendering apparatus according to any one of claims 3 to 5, comprising:
前記座標変換手段は、
所定の3次元座標系における回転を定義した4×4行列、視野角度、視点位置、クリッピング位置、xyz軸各方向のオフセット値、xyz軸方向の拡大又は縮小倍率、z軸方向変倍率を含む所定の座標変換のパラメータを取得し、
前記3Dテクスチャ画像に対して、前記取得したパラメータを用いた前記所定の座標
変換を行って前記変換後3Dテクスチャ画像を生成するようにしていることを特徴とする請求項13にボリュームレンダリング装置。
The coordinate transformation means is
A 4x4 matrix defining rotation in a predetermined three-dimensional coordinate system, a predetermined get the parameters of the coordinate transformation of
14. The volume rendering apparatus according to claim 13, wherein the 3D texture image is subjected to the predetermined coordinate transformation using the acquired parameters to generate the post-transformation 3D texture image.
前記座標変換手段および前記画素値算出手段は、汎用コンピュータのビデオカードに搭載されているGPUおよびフレームメモリを用いて実行するようにしていることを特徴とする請求項14にボリュームレンダリング装置。 15. A volume rendering apparatus according to claim 14, wherein said coordinate transformation means and said pixel value calculation means are executed using a GPU and frame memory installed in a video card of a general-purpose computer. コンピュータを、
信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、対象物に対して所定の間隔で撮影され、各画素に信号値が付与された複数の2次元の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する不透明度ボクセル画像作成手段、
前記カラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する色成分ボクセル画像作成手段、
前記不透明度ボクセル画像および前記色成分ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成するレンダリング手段、
として機能させるためのプログラム。
the computer,
With reference to a color map defined by associating color component values and opacity with signal values, a plurality of two - dimensional images are captured at predetermined intervals with respect to the object, and each pixel is given a signal value. Opacity voxel image creation means for creating an opacity voxel image in which opacity is defined as a voxel value by replacing the signal value of each voxel arranged three-dimensionally in correspondence with each pixel of the dimensional tomographic image with opacity;
With reference to the color map, the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tomographic images is replaced with a color component value, and the color whose color component value is defined as the voxel value color component voxel image creating means for creating component voxel images;
rendering means for generating a volume rendered image using the opacity voxel image and the color component voxel image;
A program to function as
コンピュータを、
信号値に対して色成分の値と不透明度を対応付けて定義されたカラーマップを参照して、対象物に対して所定の間隔で撮影され、各画素に信号値が付与された複数の2次元の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を不透明度に置き換え、ボクセル値として不透明度が定義された不透明度ボクセル画像を作成する不透明度ボクセル画像作成手段、
前記カラーマップを参照して、前記複数の断層画像の各画素と対応付けて三次元に配置した各ボクセルの信号値を色成分の値に置き換え、ボクセル値として色成分の値が定義された色成分ボクセル画像を作成する色成分ボクセル画像作成手段、
前記色成分ボクセル画像の各ボクセルに前記不透明度ボクセル画像の対応するボクセルの不透明度を追加し、不透明度付色成分ボクセル画像を作成する不透明度付色成分ボクセル画像作成手段、
前記不透明度付色成分ボクセル画像を用いてボリュームレンダリング像を生成するレンダリング手段、
として機能させるためのプログラム。
the computer,
With reference to a color map defined by associating color component values and opacity with signal values, a plurality of two - dimensional images are captured at predetermined intervals with respect to the object, and each pixel is given a signal value. Opacity voxel image creation means for creating an opacity voxel image in which opacity is defined as a voxel value by replacing the signal value of each voxel arranged three-dimensionally in correspondence with each pixel of the dimensional tomographic image with opacity;
With reference to the color map, the signal value of each voxel three-dimensionally arranged in association with each pixel of the plurality of tomographic images is replaced with a color component value, and the color whose color component value is defined as the voxel value color component voxel image creating means for creating component voxel images;
opacity-added color component voxel image creating means for creating an opacity-added color component voxel image by adding the opacity of the corresponding voxel of the opacity voxel image to each voxel of the color component voxel image;
rendering means for generating a volume rendering image using the color component voxel image with opacity;
A program to function as
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