JPH06131472A

JPH06131472A - ボリュメトリック・データを取扱うためのグラフィックス・ワークステーションおよびそのグラフィックス・ワークステーションを動作させる方法

Info

Publication number: JPH06131472A
Application number: JP4352482A
Authority: JP
Inventors: Harvey Ellis Cline; ハーヴェイ・エリス・クライン; William Edward Lorensen; ウィリアム・エドワード・ロレンセン; Siegwalt Ludke; ジーグウォルト・リュドケ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1994-05-13
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: EP0549189A3; EP0549189B1; JPH087801B2; EP0549189A2; DE69233043D1; DE69233043T2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】外科手術手順計画用に取扱いと表示が容易
な、モデルの内部領域を識別する、立体物のモデル化方
法を得る。【構成】走査プロセッサがボリュメトリック・データ
を画像発生装置から受け、そのデータを凝縮した表示リ
ストとしてスパン・メモリに記憶し、スパン・プロセッ
サがその表示リストを、点と法線ベクトルで構成される
表示リストへ変換し、モデル・クリッピング回路が希望
のモデル切断平面に対応する表示すべき点を決定し、回
転回路が点と法線表示リストを希望の向きに従って変換
し、法線ベクトルを法線ベクトルの向きに従って陰影づ
けのレベルへ変換し、変換された表示リスト内の点がス
クリーン・クリッピング回路で希望のスクリーン・ビュ
ー領域へ変換され、深さバッファと比較回路とアンド回
路とが表示に適切なボクセルを決定し、アンド回路が深
さバッファと画像メモリ・バッファの更新を行う。画像
メモリ・バッファはスクリーン・マップである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は三次元（または３Ｄ）グ
ラフィックス・ワークステーションに関するものであ
り、更に詳しくいえば、立体として表示される表面モデ
ルをすばやく処理することができる三次元グラフィック
ス・ワークステーションに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のコンピュータ・グラフィック法
は、立体を、表面モデルと呼ばれる立体モデルの表面を
近似するいくつかの多角形、通常は三角形へ変換する。
それらの三角形は、頂点（ｘ，ｙ，ｚ）と、シミュレー
トされる表面の法線方向を示す法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ
_y ，ｎ_z ）により決められる。表面を決めるために通常
は多数の三角形を必要とする。表面を表示する別の方法
は、実際の三次元データのセットを用いることである。
それから、表面を決める近くのボリューム要素（「ボク
セル」）の値の差を決定するために、それらの三次元デ
ータのセットが処理される。この方法は大容量のメモリ
および強力なプロセッサを必要とする。大容量のメモリ
を用いると装置のコストが上昇し、一方、処理の増大に
より画像形成の速度が低下することになる。画像を切断
し、または回転させる場合には画像を描き直さねばなら
ない。そうすると、各フレームの間の移行に時間がかか
ることになる。これは、ユーザーが実時間またはほぼ実
時間でモデルを取扱うことを希望する場合に、問題にな
る。現在、大容量のメモリまたは強力なプロセッサを必
要としない、ほぼ実時間で立体モデルを取扱い、かつそ
れらのモデルを表示できる装置が望まれている。

【０００３】従来のＣＡＤ／ＣＡＭ法により、または本
願出願人が所有する「立体物の内部領域内に含まれてい
る表面構造の表示装置および方法（Ｓｙｓｔｅｍａｎ
ｄＭｅｔｈｏｄＦｏｒｔｈｅＤｉｓｐｌａｙｏ
ｆＳｕｒｆａｃｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＣｏｎｔａ
ｉｎｅｄＷｉｔｈｉｎｔｈｅＩｎｔｅｒｉｏｒ
ＲｅｇｉｏｎｏｆａＳｏｌｉｄＢｏｄｙ）」と
いう名称の米国特許第４，７１０，８７６号の「立方体
マーチング」法に記載されているようにボリューム・デ
ータから多角形モデルを発生できる。それらの多角形モ
デルは上記した従来の方法により表示できる。

【０００４】モデルを表示する別の方法は「立方体分
割」法と呼ばれている。この方法はボリュメトリック・
データで始まり、多角形ではなくて、いくつかの点と、
各点に関連する法線ベクトルとにより描かれる表面モデ
ルを生ずる。「立方体分割」法はボリューム医学データ
の表面を表示するために用いられており、「立体の内部
領域内に含まれている表面構造の表示のための立方体分
割装置および方法（ＤｉｖｉｄｉｎｇＣｕｂｅｓＳ
ｙｓｔｅｍａｎｄＭｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅ
ｄｉｓｐｌａｙｏｆＳｕｒｆａｃｅＳｔｒｕｃｔ
ｕｒｅｓＣｏｎｔａｉｎｅｄＷｉｔｈｉｎｔｈｅ
ＩｎｔｅｒｉｏｒＲｅｇｉｏｎｏｆａＳｏｌｉ
ｄＢｏｄｙ）」という名称の米国特許第４，７１９，
５８５号に開示されている。この方法により、従来の表
示方法と比較して、モデルをはるかに迅速に回転させる
こと、および表示することができ、しかも処理性能はは
るかに低くて良い。

【０００５】外科手術手順計画のようなある状況におい
ては、あるモデルが別のモデルの内側にあるか、外側に
あるかを判定する必要がある。外科手術手順計画とは、
手術を受ける患者から得た実際のデータを用いて、グラ
フィックス・ワークステーションで行う外科手術のシミ
ュレーションのことである。従来の方法で作成された表
面モデルは、内部領域を部分的に囲む表面を生ずるもの
である。これは開表面モデルと呼ばれている。この場合
には、表面と交差しない別のモデルが、開表面モデルの
内部領域内へ延びているかどうかを判定することは困難
である。１つのモデルが外科用メスをシミュレートし、
別のモデルが患者の組織をシミュレートするものとする
と、少なくとも一方のモデルが開表面モデルであるなら
ば、メスが組織内に切り込んでいるかどうかを判定する
ことは困難であろう。

【０００６】閉じられている連続表面を決め、及びある
領域を囲む表面モデルが、閉表面モデルとして知られて
いる。閉表面モデルの間の交差を決定できる。しかし、
外科手術手順計画の場合におけるように、閉表面モデル
が二等分され、表面の一部が除去されるとすると、それ
は開表面となり、そのために開表面モデルで遭遇するシ
ミュレーション問題の全てが含まれることになる。

【０００７】したがって、開表面モデルを外科手術手順
計画のような立体モデル化に使用することは困難であ
る。内部領域の表面だけの代わりに、モデルに関連する
内部領域を識別し、取扱いおよび表示が容易であるモデ
ルを作成する方が有用であろう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、外科
手術手順計画に使用でき、取扱いおよび表示が容易であ
る、モデルに関連する内部領域を識別する、立体のモデ
ル化方法を得ることである。本発明の別の目的は、立体
モデルを表示でき、それらのモデルをほぼ実時間で取扱
うことができるグラフィックス・ワークステーションを
得ることである。本発明の別の目的は、パーソナル・コ
ンピュータと大きさおよび性能がほぼ同じであるプロセ
ッサで立体モデルを取扱うことを実用的にする方法を得
ることである。本発明の別の目的は、従来のコンピュー
タ・グラフィック画像発生法と比較して大容量のメモリ
を必要としない立体モデルを表示する方法を得ることで
ある。本発明の別の目的は、グラフィックス・ワークス
テーションのために画像データを凝縮した態様で記憶す
る方法を得ることである。本発明の別の目的は、処理時
間を短縮することにより、比較的低性能のワークステー
ションによる立体モデルの取扱いを実用的にするを得る
ことである。本発明の更に別の目的は、ボリュメトリッ
ク・データ・モデルの取扱いおよび表示のための性能を
提供するワークステーションを得ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】グラフィックス・ワーク
ステーションは、画像発生装置から得たボリュメトリッ
ク・データから立体モデルを作成し、取扱うための特注
の加速器回路を含む。

【００１０】磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）、計算機軸断
層撮影（ＣＡＴ）、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）等の
ような画像形成装置は、ボリュメトリック・データを作
成するために患者を走査する。それらのデータはスパン
・プロセッサへ送られる。スパン・プロセッサは、内部
モデルの立体物質のスパンのためのボリュメトリック・
データを探し、それらのデータをスパン・メモリに表示
リストとして階層的なやり方で記憶することによって、
それらのデータを凝縮する。モデルは、表面モデルの代
わりに、立体モデルのスパンとして記憶される。

【００１１】スパン・プロセッサは点および法線表示リ
ストへ表示リストを変換し、それを点および表示リスト
・メモリに記憶する。モデル内の構造を切断する平面
と、モデルの三次元の向きと、ワークステーションを見
る領域を決定するスクリーン切断平面とを選択するため
の入力装置をユーザーは採用する。モデル・クリッピン
グ回路がモデル切断平面内の点を決定する。回転回路が
点および法線表示リスト内の法線ベクトルを回転させ、
各点における法線ベクトルの向きを基にして陰影づけを
決定する。スクリーン・クリッピング回路が、スクリー
ン切断面により決められる領域内の点を決定する。表示
回路が、希望の表示領域内およびスクリーン切断面内の
多数の表面の三次元画像を表示する。ワークステーショ
ンは、低い性能のグラフィックス・ワークステーション
で１秒間当たり数回の率で繰り返し描かれる、陰影をつ
けられた三次元立体表面としてモデルを表示でき、それ
によりほぼ実時間の取扱いができるようにする。

【００１２】

【実施例】図１において、画像形成装置１０が、患者１
の三次元（３Ｄ）ボリュメトリック・データのセットを
作成するために、患者１の三次元ボリュメトリック・デ
ータを得る。そのデータのセットはスパン・プロセッサ
３２へ送られる。スパン・プロセッサ３２は、画像形成
装置１０から受けたボリュメトリック・データを走査し
て、ボリュメトリック・データ内の各種の材料の間のイ
ンターフェイス点（ｘ，ｙ，ｚ）を決定する。スパン・
プロセッサ３２は、スパンとして定義される、立体部分
の始めと終わりを決定し、スパンの数を表示リストとし
てスパン・メモリ３０に蓄積する。

【００１３】表示を迅速に行うために、スパン・プロセ
ッサ３２は表示リストを、点（ｘ，ｙ，ｚ）と、各点に
関連する法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z ）とで構成さ
れた閉表面モデル（図示せず）へ変換する。点および法
線表示リストは加速器ボード５の点および法線表示リス
ト・メモリ２０に記憶される。

【００１４】加速器ボードの多くの素子は本願出願人が
所有する「立体の内部領域の表面構造を表示するためパ
イプライン化した並列回路アーキテクチャを用いる装置
および方法（ＳｙｓｔｅｍａｎｄＭｅｔｈｏｄＥ
ｍｐｌｏｙｉｎｇＰｉｐｅｌｉｎｅｄＰａｒａｌｌ
ｅｌＣｉｒｃｕｉｔＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＦｏ
ｒＤｉｓｐｌａｙｉｎｇｏｆＳｕｒｆａｃｅＳ
ｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｉｏｒＲ
ｅｇｉｏｎｏｆａＳｏｌｉｄＢｏｄｙ）」とい
う名称の米国特許第４，９８５，８３４号における素子
に類似する。

【００１５】次に図１と図２を参照する。表示すべきモ
デル２の部分を選択するためにユーザーはモデル切断平
面入力装置４０を操作する。それらの部分はモデル切断
平面２０６である。それらの平面はモデル２を基準にし
て定められ、モデル２の回転中を通じてモデル２に関し
て一定に保たれる。ユーザーは向き入力装置５０を操作
して空間内のモデル２の三次元の向きを選択し、ワーク
ステーション・ビュー入力装置６０を操作してモデル２
を切断するためのスクリーン切断平面２１２を選択す
る。スクリーン切断平面２１２はモニタ・スクリーン２
５０およびＸ，Ｙ，Ｚ座標系（ワークステーション空
間）に関して固定されたままにされるが、モデル２が回
転させられるにつれてモデル２およびＸ，Ｙ，Ｚ座標系
（モデル空間）に対して変化する。入力装置４０，５
０，６０からのパラメータを用いて３Ｄモデルの選択さ
れた部分を取扱い、表示する。

【００１６】モデル・クリッピング回路７０は入力装置
４０からモデル切断平面２０６を受け、モデル切断平面
２０６により決められるモデル・クリップ・ボックス２
０８を決定する。それからモデル・クリッピング回路７
０は表示リスト・メモリ２０内の各点（ｘ，ｙ，ｚ）を
比較して、それがモデル・クリップ・ボックス２０８内
にあるかどうかを判定する。点（ｘ，ｙ，ｚ）がモデル
・クリップ・ボックス２０８内にあるとすると、モデル
・クリッピング回路７０とアンド回路２２０を接続する
選択線８０がモデル・クリッピング回路７０により「高
く」セットされる。

【００１７】回転回路１３０が向き入力装置５０から向
き入力パラメータを受け、４×４変換マトリックスを形
成する。点（ｘ，ｙ，ｚ）と法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ
_y ，ｎ_z ）が回転回路１３０により変換されて、変換さ
れた点（ｘ′，ｙ′，ｚ′）１４０と画像に陰影をつけ
るために用いられる画素輝度を生ずる。回転回路１３０
は点（ｘ，ｙ，ｚ）と法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ
_z ）を次の式に従って変換する。

【００１８】ｘ′＝ｍ₁₁ｘ＋ｍ₁₂ｙ＋ｍ₁₃ｚ＋ｍ₁₄ ｙ′＝ｍ₂₁ｘ＋ｍ₂₂ｙ＋ｍ₂₃ｚ＋ｍ₂₄ ｚ′＝ｍ₃₁ｘ＋ｍ₃₂ｙ＋ｍ₃₃ｚ＋ｍ₃₄ pix ＝ｍ₄₁ｎ_x＋ｍ₄₂ｎ_y＋ｍ₄₃ｎ_z

【００１９】ここに「ｍ₁₁・・・ｍ₄₃」はモデルを向
け、移動させるために計算されたマトリックス要素、ｐ
ｉｘは表面に陰影をつけるために用いられる現在の計算
された画素輝度である。（マトリックス要素ｍ₄₄は０で
ある。）回転回路１３０は回転させられた座標（ｘ′，
ｙ′）をアドレスバス９０に沿って深さバッファ・メ
モリ１８０と画像バッファ・メモリ１９０へ送る。座標
（ｘ′，ｙ′）は両方のメモリのアドレスとして用いら
れる。回転回路１３０は画素輝度ｐｉｘをバス１３５に
沿って画素バッファ・メモリ１９０へも送る。

【００２０】スクリーン・クリッピング回路１５０はス
クリーン・ビュー平面２１２をワークステーション・ビ
ュー入力装置６０から受け、モデル・クリップ・ボック
ス２０８に類似するスクリーン・クリップ・ボックス２
１４を形成する。しかしそれはモニタのスクリーン２５
０に関して静止している。変換された点（ｘ′，ｙ′，
ｚ′）１４０はワークステーションの空間内のスクリー
ン・クリップ・ボックス２１４と比較される。点
（ｘ′，ｙ′，ｚ′）１４０がスクリーン・クリップ・
ボックス２１４内にあるとすると、スクリーン・クリッ
ピング回路１５０をアンド回路２２０へ接続する線１６
０がスクリーン・クリッピング回路１５０により「高
く」セットされる。

【００２１】表示回路７が、希望領域内の変換された点
から形成された画像の露出する表面を表示する。その画
像は立体物に類似する。その物体の外面を見ることがで
き、その外面の後ろにある表面は隠されている。表示回
路は深さバッファ・メモリ１８０と、アンド回路２２０
と、画像バッファ・メモリ１９０と、比較回路２１０と
で構成される。比較回路２１０は深さ座標ｚ′をバス２
００に沿って受け、その深さ座標ｚ′を深さバッファ１
８０のアドレス（ｘ′，ｙ′）にある現在の値と比較す
る。現在の点（ｘ′，ｙ′，ｚ′）にある深さｚ′が、
深さバッファ・メモリ１８０のアドレス（ｘ′，ｙ′）
に記憶されている以前の深さより、見る人に近い（すな
わち、より小さい値を有する）とすると、比較回路２１
０はアンド回路２２０へ接続されている深さ線２０２を
「高く」セットする。

【００２２】アンド回路２２０は、線８０，１６０，２
０２が全て「高い」ことを検出した時に、深さバッファ
・メモリ１８０と画像バッファ・メモリ１９０へ結合さ
れている「更新」線２２５を「高く」セットして、画素
輝度ｐｉｘを画像バッファ・メモリのアドレス（ｘ′，
ｙ′）に記憶させ、それによりモニタ２５０に表示され
る画像に陰影をつける。このために深さｚ′が深さバッ
ファ・メモリのアドレス（ｘ′，ｙ′）に記憶させら
れ、それによってアドレス（ｘ′，ｙ′）における現在
の深さを更新する。モデル内の各表示リストが処理され
た後で、陰影をつけられた３Ｄ画像が表示のためにモニ
タ２５０へ転送される。

【００２３】図１に示すように、画像発生装置１０から
最初に得られたボリュメトリック・データの層をスパン
・プロセッサ２２が受ける。図３に示すように、その層
はデータ、たとえば、一定ｚ座標を有するｘ座標とｙ座
標との全ての値に対するデータの１つの平面に属し、患
者１の断面を表わす。最初に、画像形成装置（図１の１
０）からのボリュメトリック・データは、そのボリュメ
トリック・データをより小さい立方体へ分割し、２つの
中間データ層を書き込むことにより純化し、「隣接」ボ
クセルの計算に用いる純化されたデータ層を生ずる。次
の純化されたデータ層が図１のスパン・プロセッサ３２
により書き込まれる。

【００２４】図３に、隣接する物質３０２，３０４とは
異なる物質３０３で構成された純化されたデータ層３０
０が示されている。表面３０１は物質３０２と３０３の
間の境界面である。同様に、表面３０５は物質３０３と
３０４の間の境界面であり、純化されたボリュメトリッ
ク・データ内に全て含まれる。ｘ方向の線に沿う全ての
ボクセルは走査線３５０のような１本の走査線である。
スパン・プロセッサは、ある時刻に、与えられたｘ座標
とｙ座標に対する、たとえば、走査線３１０のような走
査線を処理する。別の走査線３５０，３７０が異なるｙ
座標に対して示されている。スパン・プロセッサ３２
は、表面３０５と交差するボクセル３２０，３３０，３
４０のような、表面と交差する体積素子すなわち「ボク
セル」を決定する。それらはインターフェイス・ボクセ
ルと呼ばれる。走査線３１０は、立体の物質３０３を含
んでボクセル３２０で始まってボクセル３３０および３
４０で終わるモデル３００を通じる１つのスパンで構成
される。

【００２５】スパンというのは、モデルの表面が表面３
０１のような内面であるとしても、走査線がそのモデル
の表面と走査線が交差する場所であるような、いくつか
の点といくつかの法線ベクトルにより定められたモデル
の内側の線分のことである。表面の上の点だけが定めら
れるような表面モデルとは異なって、スパンは立体の内
部の点を定める。

【００２６】インターフェイス・ボクセルがひとたび決
定されると、それの法線ベクトルを計算せねばならな
い。法線ベクトルを計算する方法は前記「立方体分割」
米国特許第４，７１９，５８５号に詳しく記載されてい
る。簡単にいえば、この方法は処理すべき現在のボクセ
ルを選択することと、現在のボクセルの「隣接」ボクセ
ルを見つけることを必要とする。図４に現在のボクセル
であるボクセル３２０が「隣接」ボクセルと共に拡大三
次元図で示されている。「隣接」ボクセルは現在のボク
セルのすぐ上の上側ボクセル５０２と、現在のボクセル
のすぐ下の下側ボクセル５０４と、現在のボクセルのす
ぐ前の前方ボクセル５０６と、現在のボクセルのすぐ後
方の後方ボクセル５０８と、現在のボクセルのすぐ左の
左側ボクセル５１０と、現在のボクセルのすぐ右の右側
ボクセル５１２とである。それらの「隣接」ボクセルは
純化されたデータ層からのデータ・エントリである。

【００２７】図１のスパン・プロセッサ３２は、純化さ
れたデータ層内の各「隣接」ボクセルに関連する各点で
データ・エントリを見出し、各「隣接」ボクセルに対す
るボクセル値を書き込む。それからスパン・プロセッサ
３２はより低いボクセル値をより上の値から差し引いて
ｚベクトル差に達し、それから前方ボクセル値を後方ボ
クセル値から差し引いてｙベクトル差に達する。スパン
・プロセッサ３２は次にｘベクトル差と、ｙベクトル差
と、ｚベクトル差とを加え合わせてベクトル和に達し、
それからそのベクトル和を通常の方法により単位ベクト
ル（ｎ_x ，ｎ_y，ｎ_z ）へ正規化する。「隣接」ボクセ
ル減算から得られた各差はボクセル値の傾きを表わし、
ベクトル和へ加えられた時には表面へのベクトル法線の
向きを示す。

【００２８】図３の走査線３５０のような各走査線はス
パン・プロセッサにより処理される。したがって、走査
線３５０に対するインターフェイス・ボクセルがボクセ
ル３５５，３６０，３６２，３６４である。ボクセル３
５５は走査線３５０中の最初のボクセルであり、ボクセ
ル３６０は同じ走査線の最初のスパンの終わりを示す。
ボクセル３６２は走査線３５０中の第２のスパンの初め
を示し、ボクセル３６４は第２のスパンの終わりを示
す。同様に、走査線３７０中の表面と交差するボクセル
はボクセル３８０，３８２，３８４，３８６，３９０で
ある。立体モデルの発生においてはインターフェイス点
が重要であり、残りの点をインターフェイス点から発生
できるから、立体モデルを生ずるためにインターフェイ
ス点だけを記憶する必要がある。

【００２９】図１のスパン・プロセッサ３２はボリュメ
トリック・データを表示リストへ凝縮し、そのリスト
を、図５と図６の流れ図のステップに従って図１のスパ
ン・メモリ３０に記憶する。図５の点Ａ，Ｂ，Ｃが図６
の点Ａ，Ｂ，Ｃへそれぞれ結合される。図１の画像形成
装置１０からのボリューム・データが書き込まれて、受
けたボリューム・データから２つの純化されたデータ層
を形成する。ステップ６０４と６０６において、第１の
ｚ場所に対するｘ場所とｙ場所の全てに対応する第１の
データ層が選択される。「隣接」ボクセルの決定に用い
られる次の層のための純化されたデータがステップ６０
８において書き込まれる。ステップ６１０において、カ
ウントｎｓｃａｎｓが第１の走査線へセットされ、第１
の走査線はステップ６１２において選択される。ステッ
プ６１４において、現在の走査線ごとの走査の数を数え
るカウンタがリセットされる。ステップ６１６において
は、現在のデータ層の現在の走査線中の第１のボクセル
が選択され、ステップ６１８において、その第１のボク
セルが２種類の異なる材料の間の境界であるかどうかを
判定するためにテストされる。現在のボクセルが境界ボ
クセルでないとすると、ステップ６２０において、現在
のボクセルが走査線中の最後のボクセルであるかどうか
についての判定が行われる。現在のボクセルが走査線中
の最後のボクセルでないとすると、ステップ６２２にお
いて、次のボクセルが現在のボクセルとして選択され、
処理はステップ６１８で続行される。現在のボクセルが
現在の走査線中の最後のボクセルであるとすると、走査
の数ｎｓｐａｎｓを表わすカウントがステップ６２４に
おいて一時メモリに記憶される。そのメモリは点および
法線表示リスト・メモリ２０、または図１のスパン・メ
モリ３０の未使用部分である。空でないセットを表わす
カウンタだけが記憶される。

【００３０】現在のボクセルがインターフェイス・ボク
セルであるとすると、隣接ボクセルがステップ６２６に
おいて見出される。ステップ６２８において上側ボクセ
ル値を下側ボクセル値から差引くことによりｚベクトル
差が計算される。ステップ６３０において右側ボクセル
値を左側ボクセル値から差引くことによりｘベクトル差
が計算される。また、ステップ６３２において後方ボク
セル値を前方ボクセル値から差引くことによりｙベクト
ル差が計算される。ステップ６３４において、ｚベクト
ル差と、ｘベクトル差と、ｙベクトル差とを加え合わせ
てベクトル和に達することによりベクトル加算が実行さ
れる。ステップ６３６において、そのベクトル和が正規
化されて、現在のボクセル内の点（ｘ，ｙ，ｚ）におい
て表面に垂直な単位ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z ）にさ
れる。ステップ６４０において、現在のボクセルのｘ座
標と法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z ）が一時メモリに
記憶される。

【００３１】ステップ６４２において、現在のボクセル
がスパン内の最後のボクセルであるかどうかが判定され
る。現在のボクセルがスパン内の最後のボクセルである
とすると、ステップ６４２において、スパン内のボクセ
ルの数ｎｖｏｘｅｌｓを数えるカウンタがその数を一時
メモリに記憶し、それはステップ６４８においてリセッ
トされる。走査線内のスパンの数を表わすカウンタのカ
ウントが増加され、ステップ６２０において処理は続行
する。現在のボクセルがスパン内の最後のボクセルでな
いとすると、ステップ６４４においてそのカウンタのカ
ウントが増加され、ステップ６２０において処理は続行
する。

【００３２】ステップ６２４において、走査線内のスパ
ンの数を表わすカウントｎｓｐａｎｓが一時メモリに記
憶される。ステップ６５２において、現在の走査線が現
在のデータ層内の最後の走査線であるかどうかが判定さ
れる。現在の走査線が最後の走査線であるとすると、ス
テップ６６０において、走査線の数ｎｓｃａｎｓを表わ
すカウントが一時メモリに記憶され、処理はステップ６
６２において続行する。現在の走査線が最後の走査線で
なく、少なくとも１つの交差するボクセルが現在の走査
線内で見出されたとすると、カウントｎｓｃａｎｓが増
加させられ、ステップ６５６においてｙ座標が一時メモ
リに記憶される。ステップ６５８においてｙ座標は増加
させられて次の走査線を現在の走査線にし、ステップ６
１６において処理は続行する。

【００３３】ステップ６６２において現在のデータ層最
後のデータ層であるかどうかが判定される。現在のデー
タ層が最後のデータ層でないとすると、少なくとも１つ
の交差するボクセルが現在のデータ層内で見出されてい
るならば、カウントｎｌａｙｅｒｓが増加させられる。
ｚ座標が増加させられて次のデータ層を現在のデータ層
にし、ステップ６０８で処理を続行する。現在のデータ
層が最後のデータ層であるとすると、少なくとも１つの
インターフェイス・ボクセルを有する層の数を表わすカ
ウントｎｌａｙｅｒｓがステップ６６８において一時メ
モリに記憶される。最後に、ステップ６７０において、
一時メモリに記憶されているデータが再び配列させられ
て、図１のスパン・メモリ３０に図７の階層的フォーマ
ットで記憶される。

【００３４】図７の階層構造が冗長データの多くを無く
し、表面情報をコンパクトな態様で記憶できるように
し、それにより求められるメモリの量を減少する。表示
リストはｎｌｙｅｒｓに等しいいくつかの層または層デ
ータ・セットを含む。各層データ・セットは独自のｚ座
標を有する。各走査線データ・セットは、ｎｓｐａｎｓ
に等しいある数のスパンで構成される。各スパンはデー
タ層に対する独特のｙ座標にある。各スパンはｎｖｏｘ
ｅｌｓに等しいいくつかの交差するボクセルを有する。
交差する各ボクセルには法線ベクトルが組合わされ、与
えられた走査線に対する独特のｘ座標を有する。データ
を図７に示されている順序で記憶することにより、全て
のｘ，ｙ，ｚ座標および法線ベクトルの代わりに、ｘ座
標および法線ベクトルだけがスパンの各ボクセルに対し
て繰返され、それにより求められるメモリを減少する。
同様に、各走査線に対してただ１つのｙ座標を記憶する
必要があり、各層データ・セットに対してデータ・セッ
トと１つのｚ座標を記憶する必要がある。インターフェ
イス点でない点は記憶されず、必要とするメモリを更に
減少する。

【００３５】ここで図１と図７を参照すると、スパン・
プロセッサ３２は表示リストを、加速器ボード５の点お
よび法線表示リスト・メモリ２０に記憶する点および法
線表示リストへ変換する。スパン・プロセッサ３２は表
示リスト内のデータ層の数を表わす値ｎｌａｙｅｒｓを
スパン・メモリ３０からまず読出す。最初のデータ層に
対して、次にスパン・プロセッサ３２はデータ層内の走
査線の数に関するｎｓｃａｎｓを、このデータ層に対す
るｚ座標とともにスパン・メモリ３０から読出す。スパ
ン・プロセッサ３２は、現在のスパンの点および法線ベ
クトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z ）からの一定の間隔をおいて
隔てられている中間点の座標および法線ベクトルを直線
的に書き込む。その結果として得られた中間点と法線ベ
クトルが高速表現のために表示リスト・メモリ３０に記
憶される。

【００３６】スパン・プロセッサ３２はこのプロセス
を、走査線内の全てのスパンｎｓｐａｎｓと、データ層
内の全ての走査線ｎｓｃａｎｓと、表示リスト内の全て
のデータ層とに対して繰返す。全てのボリュメトリック
・データがスパン・プロセッサ３２により走査され、表
示リストとしてスパン・メモリに記憶された後で、立体
モデルをほぼ実時間で発生させて取扱うことができる。
本発明により形成されたモデルは中空表面モデルの代わ
りに立体モデルに一層良く類似するから、従来の方法の
不確実さ無しに、一層迅速にそれらのモデルを切断し、
別の立体物で交差させることができ、その結果として効
果的な立体取扱いツールが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の簡単にしたブロック図である。

【図２】本発明に従ってモデル・クリップ・ボックスと
スクリーン・クリップ・ボックスを交差させる、表示す
べきモデルの図である。

【図３】いくつかのスパンおよび走査線がデータ層を横
切って重畳させられた、患者の横断面を表わすボリュメ
トリック・データ層を示す図である。

【図４】法線ベクトルの計算に用いられる「隣接」ボク
セルの図である。

【図５】走査プロセッサがボリュメトリック・データを
表示リストへ変換する方法の流れ図である。

【図６】走査プロセッサがボリュメトリック・データを
表示リストへ変換する方法の図５に続く流れ図である。

【図７】表示リストの構造を示す階層図である。

【符号の説明】

５加速器ボード１０画像発生装置２０点および法線表示リスト・メモリ３０スパン・メモリ３２スパン・プロセッサ４０モデル切断平面入力装置５０モデルの向き入力装置６０ワークステーション・ビュー入力装置７０モデル・クリッピング回路１３０回転回路１５０スクリーン・クリッピング回路１８０深さバッファ・メモリ１９０画像バッファ・メモリ２１０比較回路２２０アンド回路２５０モニタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウィリアム・エドワード・ロレンセンアメリカ合衆国 12019 ニューヨーク州・ボールストンレイク・ハースサイドドライブ・14 (72)発明者ジーグウォルト・リュドケアメリカ合衆国 12302 ニューヨーク州・スコシア・ダウンドライブ・10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）ボリュメトリック・データを受けて
記憶するスパンメモリと、ｂ）ボリュメトリック・データを受け、そのボリュメト
リック・データを処理して、ボリュメトリック・データ
よりコンパクトである表示リストを形成するものであっ
て、その表示リストを表わすデータをスパンメモリに記
憶し、表示リスト・メモリから表示リストを読出し、そ
の表示リストを、点（ｘ，ｙ，ｚ）および法線ベクトル
（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z ）で構成されている点および法線表
示リストへ変換するために用いられるスパンプロセッサ
と、ｃ）モデル切断平面を定める第１の入力装置と、ｄ）三次元の向きを定める第２の入力装置と、ｅ）スリーン・ビュー平面を定める第３の入力装置と、ｆ）グラフィック画像を表示するモニタと、ｇ）モデル切断平面と、三次元の向きと、スクリーン・
ビュー平面と、点および法線表示リストとを受け、点お
よび法線表示リストから、モデル切断平面と三次元の向
きおよびスクリーン・ビュー平面に従って、立体表面の
三次元陰影をつけられた画像の部分を形成し、１秒間に
数フレームという率でその画像を表示する加速器ボード
と、を備える患者の三次元表面画像を表示するためにボ
リュメトリック・データを取扱うためのグラフィックス
・ワークステーション。
【請求項２】請求項１記載のグラフィックス・ワーク
ステーションにおいて、加速器ボードが、ａ）点および法線表示リストを記憶するための点および
法線表示リスト・メモリと、ｂ）この点および法線表示リスト・メモリと前記第１の
入力装置に応答して、点（ｘ，ｙ，ｚ）が、第１の入力
装置により定められたモデル切断平面により指定された
領域内にある時を示す信号を形成するモデル・クリッピ
ング回路と、ｃ）前記点および法線表示リスト・メモリと制御器第２
の入力装置に応答して、点および法線表示リスト中の各
点（ｘ，ｙ，ｚ）および法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ
_z ）を、第２の入力装置から受けた三次元の向きに従っ
て、アドレス（ｘ′，ｙ′）と、深さｚ′と、画素輝度
ｐｉｘとを有する変換される点（ｘ′，ｙ′，ｚ′）へ
変換する回転回路と、ｄ）この回転回路と前記第３の入力装置に応答して、変
換された点（ｘ′，ｙ′，ｚ′）が第３の入力装置から
受けたスクリーン・ビュー平面により定められた領域内
にある時を示す信号を形成するスクリーン・クリッピン
グ回路と、ｅ）モデル・クリッピング回路とスクリーン・クリッピ
ング回路から受けた信号に応答して、変換された点
（ｘ′，ｙ′，ｚ′）および画素輝度ｐｉｘから多数の
表面の三次元（３Ｄ）画像を形成する表示回路と、ｆ）この表示回路へ結合され、３Ｄ画像を表示する表示
モニタと、を備えるグラフィックス・ワークステーショ
ン。
【請求項３】請求項１記載のグラフィックス・ワーク
ステーションにおいて、表示回路が、ａ）回転回路へ結合され、その回転回路からアドレス
（ｘ′，ｙ′）を受け、深さをそのアドレス（ｘ′，
ｙ′）に記憶する深さバッファ・メモリと、ｂ）回転回路とバッファ・メモリへ結合され、１．深さｚ′を表わす信号を回転回路から受け、２．深さバッファ・メモリのアドレス（ｘ′，ｙ′）に
記憶されている現在の深さを読出し、それを、回転回路
から受けた深さｚ′と比較し、３．深さｚ′が、深さバッファ・メモリに記憶されてい
る現在の深さよりも、ユーザーに近いかどうかを示す信
号を生ずる、比較回路と、ｃ）１．モデル切断平面により定められている領域内に
点（ｘ′，ｙ′，ｚ′）があるかどうかを示す信号をモ
デル・クリッピング回路から受け、２．スクリーン・ビュー平面により定められている領域
内に点（ｘ′，ｙ′，ｚ′）があるかどうかを示す信号
をスクリーン・クリッピング回路から受け、３．比較回路から信号を受け、４．モデル切断平面およびスクリーン・ビュー平面によ
り定められている２つの領域内に点（ｘ′，ｙ′，
ｚ′）がある時を示し、かつ、深さバッファ・メモリの
アドレス（ｘ′，ｙ′）における深さより浅い深さｚ′
を有する更新信号を生ずる、アンド回路と、ｄ）表示モニタの各点に対応するアドレスを有し、アド
レス（ｘ′，ｙ′）と、画素輝度ｐｉｘを示す信号を回
転回路から受け、アンド回路により発生された更新信号
を受け、画素輝度ｐｉｘをアドレス（ｘ′，ｙ′）に記
憶して、モニタで表示する画像を発生するようにされた
画像バッファ・メモリと、を備えるグラフィックス・ワ
ークステーション。
【請求項４】請求項１記載のグラフィックス・ワーク
ステーションにおいて、グラフィックス・ワークステー
ションに結合された三次元画像形成装置を含み、前記表
面モデルを形成するためのボリュメトリック・データを
供給するために、陽電子放出断層撮影装置と、磁気共鳴
画像形成装置と、計算機軸断層撮影装置と、三次元超音
波装置と、三次元レーダ装置とより成る群の１つを備え
るグラフィックス・ワークステーション。
【請求項５】走査プロセッサがボリュメトリック・デ
ータ層を表示リストへ変換し、ａ）おのおの異なるｚ座標にある２つのデータ層をボリ
ュメトリック・データから書き込む過程と、ｂ）値ｎｌａｙｅｒｓをリセットする過程と、ｃ）第１のｚ座標における第１の層を選択する過程と、ｄ）次のデータ層をボリュメトリック・データから書き
込む過程と、ｅ）値ｎｓｃａｎｓをリセットする過程と、ｆ）第１のｙ座標における第１の走査線を選択する過程
と、ｇ）値ｎｓｐａｎｓをリセットする過程と、ｈ）第１のｘ座標における第１のボクセルを選択する過
程と、ｉ）場所ｘ，ｙ，ｚにおけるボクセルを現在のボクセル
へセットする過程と、ｊ）ボクセルが表面と交差するならば、 i. 現在のボクセルのすぐ近くに位置している「隣接」
ボクセルであって、それらの「隣接」ボクセルは、上側
ボクセル、下側ボクセル、左側ボクセル、右側ボクセ
ル、前側ボクセル、後側ボクセルである前記「隣接」ボ
クセルと、各「隣接」ボクセルに関連するデータ・エン
トリとを書き込まれたデータ層から見つける過程と、 ii. 上側の「隣接」ボクセルに関連するデータ・エント
リと下側の「隣接」ボクセルに関連するデータ・エント
リの間の差をとり、ｚベクトルの差に達する過程と、 iii.左側の「隣接」ボクセルに関連するデータ・エント
リと右側の「隣接」ボクセルに関連するデータ・エント
リの間の差をとり、ｘベクトルの差に達する過程と、 iv. 前側の「隣接」ボクセルに関連するデータ・エント
リと後側の「隣接」ボクセルに関連するデータ・エント
リの間の差をとり、ｙベクトルの差に達する過程と、ｖ. ｘベクトル差と、ｙベクトル差と、ｚベクトル差と
を加え合わせてベクトル和に達する過程と、 vi. ベクトル和を単位法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ
_z ）へ正規化する過程と、 vii.ｘ座標と単位法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z ）を
記憶する過程と、 viii. ボクセルを増加する過程と、 ix. そのボクセルがスパン中の最後のボクセルであるな
らば、Ａ．ｎｖｏｘｅｌｓを保存する過程と、Ｂ．ｎｖｏｘｅｌｓを零へリセットする過程と、Ｃ．ｎｓｐａｎｓを増加する過程と、を実行する過程と、を実行し、ｋ）ｘ座標を増加する過程と、ｌ）走査線内の全てのボクセルに対して過程「ｉ」〜
「ｋ」を繰返す過程と、ｍ）ｎｓｐａｎｓを記憶する過程と、ｎ）現在のｙ座標に対して少なくとも１つの交差するボ
クセルが検出されるとすると、ｎｓｐａｎｓを増加し、
ｙ座標を記憶する過程と、ｏ）ｙ座標を増加する過程と、ｐ）ｙ座標の全ての値に対して過程「ｇ」〜「ｏ」を繰
返す過程と、ｑ）ｚ座標とｎｓｐａｎｓを記憶する過程と、ｒ）現在のｚ座標に対して少なくとも１つの交差するボ
クセルが検出されるとすると、ｎｓｃａｎｓを増加する
過程と、ｓ）ｚ座標を増加する過程と、ｔ）ｚ座標の全ての値に対して過程「ｄ」〜「ｓ」を繰
返す過程と、ｕ）ｎｌａｙｅｒｓを記憶する過程と、を備えるグラフィックス・ワークステーションを動作さ
せる方法。
【請求項６】走査プロセッサが表示リストを点および
法線表示リストへ変換し、ａ）ｎｌａｙｅｒｓをスパンメモリから読出す過程と、ｂ）ｚ座標とｎｓｃａｎｓをスパンメモリから読出す過
程と、ｃ）ｙ座標とｎｓｐａｎｓをスパンメモリから読出す過
程と、ｄ）ｎｖｏｘｅｌｓをスパンメモリから読出す過程と、ｅ）スパン内の全てのボクセル（ｎｖｏｘｅｌｓ）に対
してｘ座標と法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z ）を読出
す過程と、ｆ）中間点のセットに対する一定の間隔を置いて隔てら
れている座標のセットを現在のスパン内の点（ｘ，ｙ，
ｚ）の間で直線的に書き込む過程と、ｇ）現在のスパン内の法線ベクトル（ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ
_z ）からの各中間点に対して法線ベクトルを直線的に書
き込む過程と、ｈ）高速表現のために、書き込まれた座標法線ベクトル
を表示リスト・メモリに記憶する過程と、ｉ）走査線内の全ての走査線（ｎｓｐａｎｓ）に対して
過程「ｃ」〜「ｈ」を繰返す過程と、ｊ）データ層内の全ての走査線（ｎｓｃａｎｓ）に対し
て過程「ｃ」〜「ｉ」を繰返す過程と、ｋ）表示リスト内の全てのデータ層（ｎｌａｙｅｒｓ）
に対して過程「ｂ」〜「ｊ」を繰返す過程と、を備えるグラフィックス・ワークステーションを動作さ
せる方法。