JPH06274647A - ローカルメモリ型並列可視化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通常のメモリ容量および通信手段を用いて効
率的な可視化が可能な、レイキャスティング法によるボ
リュームレンダリング処理のローカルメモり型並列処理
装置。 【構成】 数値データ分配手段１−２は数値データ格納
手段１−１から三次元数値データを読み込み、各ローカ
ルメモリ１−１２、１−２２に分配格納する。視線トレ
ース手段１−１３、１−２３は視線をトレースして、サ
ンプリング点を求めていき、レンダリング手段１−１
４、１−２４がトレースによるサンプリング点での色、
透明度等を求めてたし込み処理を行う。視線情報転送手
段１−３はトレースが他のプロセッサ領域に入ると、視
線情報を転送して移行手続きを取る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、数値シミュレーション
等により出力される大容量三次元数値データをレイキャ
スティング法によるボリュームレンダリング処理を行っ
て可視化する装置に関し、特にローカルメモリ型並列処
理機構を用いる可視化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】数値シミュレーション等により出力され
る大容量三次元数値データをレイキャスティング法によ
るボリュウムレンダリング処理を並列に行って可視化す
る従来の装置について、図４に示す従来のローカルメモ
リ型並列処理装置の処理説明図を参照して説明する。

【０００３】三次元数値シミュレーションの結果等がそ
うであるように、三次元数値データは三次元空間内に設
定された格子点上に、スカラとして定義されているもの
とする。このような三次元数値データのレイキャスティ
ング法によるボリュームレンダリング処理は、文献
「Ｍ．Ｌｅｖｏｙ：“Ｄｉｓｐｌａｙ ｏｆ Ｓｕｒｆ
ａｃｅｓ ｆｒｏｍ Ｖｏｌｕｍｅ Ｄａｔａ”，ＩＥ
ＥＥ ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ Ａ
ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．３，ｐｐ．
２９−３７（Ｍａｙ １９８８）」に述べられているよ
うに、まず、三次元数値データのデータ値の大きさに応
じて色（Ｒ，Ｇ，Ｂ値）および透明度を決め、三次元数
値データのデータ定義領域Ｄに対して視点Ｏとスクリー
ンＳを設定する。

【０００４】つぎにスクリーン画面Ｓを細かいメッシュ
領域に分割して各四角形メッシュを一つの画素とし、各
画素Ｐに対して視点Ｏから視線Ｖを放つ。これにより、
視線Ｖは画素の数だけ生成されることになる。そして各
視線Ｖが初めて数値データ定義領域Ｄと交わる点Ｐ１か
ら出発して、一定距離進むごとにその地点でのデータ値
を計算し、その大きさに応じた色および透明度をたし込
んでいく。視線Ｖ上に一定の間隔をおいて並んでいるこ
のような計算点Ｐｉ（ｉ＝１，２，…ｎ）をサンプリン
グ点と呼ぶことにする。このようなサンプリング点の間
隔を十分小さく取ることによって、視線Ｖ上のデータ値
の変化に応じた画素の色を求めることができる。サンプ
リング点Ｐｉにおけるデータ値の大きさは、その周りの
データ定義点である格子点上のデータ値の大きさから補
間して求める。以上の各サンプリング点に対する処理は
手前から奥に向かって行い、各視線Ｖに対する処理は視
線上の全サンプリング点Ｐｉ（ｉ＝１，２．…ｎ）に対
する処理が終了するか、透明度が０になった時点で打ち
切りとなる。

【０００５】一般的に従来技術によるローカルメモリ方
式の並列処理装置では、各プロセッサに１ユニット分の
ローカルメモリが割り当てられ密に結合されていて、各
プロセッサの自ローカルメモリに対する参照は高速に行
われる。一方、他プロセッサに割り当てられたローカル
メモリ内のデータに対する参照は、プロセッサ間通信を
介して行われる。隣接プロセッサの場合は１回のプロセ
ッサ間通信で済むために比較的高速に行われるが、遠隔
プロセッサの場合は複数回のプロセッサ間通信を伴うた
め実行が低速となる。

【０００６】さらに、従来のレイキャスティング法によ
るボリュームレンダリング処理においては、各視線に対
する処理が独立しているため、並列に実行することが可
能である。これらについては、文献「鷺島、西沢、浅
原、著“並列図形処理”、コロナ社（１９９１）」、
「武井利文：“ベクトル処理によるボリューム・レンダ
リングの高速化の研究”、第４２回情報処理学会全国大
会論文集（２）、ｐｐ．３５５−３５６（Ｍａｒ．１９
９１）］、に述べられているような画面分割法がある。
画面分割法では図４に示すように、スクリーン画面Ｓを
プロセッサ数に応じて分割し、各サブスクリーンＳｉ
（ｉ＝１，２，…）中の全画素に放たれた視線Ｖの処理
に対してプロセッサを１台づつ割り当てる。この割り当
ては全処理が終了するまで変わらない方式である。図４
では４並列可視化装置で処理するため、スクリーン画面
Ｓを４つのサブスクリーンＳｉ（ｉ＝１，２，３，４）
に分割した様子を示している。各視線Ｖが進んでいくに
つれて必要となる数値データは、自プロセッサに対する
ローカルメモリまたは他プロセッサに対するローカルメ
モリから取り出してくる。

【０００７】この場合は、三次元数値データの格納方式
には二通りあり、一つ目の方式は三次元数値データ全体
を各プロセッサのローカルメモリに格納する方式であ
る。この方式の場合は数値データの参照は自プロセッサ
のローカルメモリに対してのみ行えば良いが、各ローカ
ルメモリは三次元数値データ全体の大きさに応じて大容
量にする必要がある。二つ目の方式は三次元数値データ
をプロセッサ数に応じて分割し、それぞれを適当に各プ
ロセッサのローカルメモリに割り当てて格納する方式で
ある。この方式の場合は各ローカルメモリは大容量にす
る必要はないが、必要となる数値データが他のプロセッ
サのローカルメモリ上にあることによる遠隔プロセッサ
間通信が頻繁に発生することになる。

【０００８】これらの例としては、特開平４−２１３１
７５号、大域レンダリングで使用するための分散処理装
置が参照できる。

【０００９】図５は従来の大域レンダリングで使用する
ための分散処理装置のブロック図であり、ホスト・コン
ピュータ５０は、インタフェースＩＦＵ５１のＤＭＡ
（直接メモリ・アクセス）回路５３を介して、ｎ個の多
数の変換プロセッサ５５とこれに関連する専用メモリ
（ローカルメモリ）５４からなる変換エンジン５２と交
信する。ホスト・コンピュータ５０はＭＥＭ（メモリ）
に格納している三次元数値データ全体を、各専用メモリ
５４の全てに対しＤＭＡ回路５３を介して迅速にダウン
ロードし、各専用メモリ５４の内容を全て同内容とす
る。各変換プロセッサ５５はそれぞれの分割計算領域を
並列処理する。変換プロセッサ５５は各自並列処理によ
る計算の中間結果を各専用メモリ５４に記憶し、各変換
プロセッサ５５の計算が全て完了した時点で、各専用メ
モリ５４の結果はバス５７を介して共用メモリ５８へ転
送される。ホスト・コンピュータ５０はマルチプレクサ
５６、バス６０および読み出し専用出力６１を介して通
信レジスタ５９を周期的にポーリングし、通信レジスタ
５９からの通知によって、共用メモリ５８に格納されて
いる計算データの検索または、ＤＭＡ回路５３を介して
転送処理を行う。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のローカルメモり型並列処理装置では、ローカル
メモリの大容量化および遠隔プロセッサ間通信の高速化
が困難であるために、並列処理による効率的な可視化が
難しいという問題があった。

【００１１】本発明は上述の問題点に鑑みて、通常のメ
モリ容量および通信手段を用いて効率的な可視化が可能
なローカルメモリ型並列可視化装置を提供することを目
的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のローカルメモリ
型並列可視化装置は、数値シミュレーション等により出
力される大容量三次元数値データを、レイキャスティン
グ法によるボリュームレンダリング処理を行って可視化
する装置において、複数のプロセッサと、該各プロセッ
サに対して１ユニットづつ割り当てられた複数のローカ
ルメモリと、前記三次元数値データを格納しておく数値
データ格納手段と、前記三次元数値データを読み込み前
記各プロセッサのローカルメモリに適当に分配して格納
する数値データ分配手段と、前記各プロセッサに含ま
れ、スクリーン上の各画素に対してキャストされた視線
をトレースしていく視線トレース手段と、前記視線トレ
ース手段によって視線をトレースして行った結果、他の
プロセッサの担当領域に入ったと判定された場合は、該
視線に対する処理を前記他のプロセッサに移行するため
該視線に関する情報を前記他のプロセッサへ転送する視
線情報転送手段と、前記各プロセッサに含まれ、前記数
値データの定義されている三次元領域を前記視線が進ん
でいく過程において、前記視線の通過点でのデータ値の
大きさに応じた色および透明度を順次たし込んでいき最
終的に前記スクリーン上の画素の色を求めるレンダリン
グ手段と、前記レンダリング手段から出力される画像を
表示するモニタを有している。

【００１３】また、前記各プロセッサはサンプリング点
での計算に必要な数値データの参照を自ローカルメモリ
に対してのみ行えば良いことが保証され、全ての視線に
対して各担当プロセッサが並列に実行するものであるこ
とを特徴としている。

【００１４】

【作用】上記構成によれば、数値データ分配手段は可視
化の対象となる三次元数値データを数値データ格納手段
から読み込み、プロセッサの数に応じて分割し各プロセ
ッサのローカルメモリに分配して格納する。視線トレー
ス手段はスクリーン上の各画素に対してキャストされた
視線をトレースし、視線上のサンプリング点を次々に求
めていく、視線情報転送手段は視線トレース手段による
トレースのサンプリング点が、他のプロセッサの担当領
域に入ったと判定された場合は必要な視線情報を他のプ
ロセッサへ転送し、視線に対する処理を他のプロセッサ
へ移行することにより、各プロセッサは数値データ参照
を自ローカルメモリに対してのみ行えばよいことが保証
される。レンダリング手段は、視線トレース手段が求め
たサンプリング点等の位置におけるデータ値の大きさに
応じた色および透明度を、所定の計算式を用いて順次た
し込み、最終的にスクリーン上の画素の色を求めるの
で、通常のメモリ容量を用いたプロセッサ間通信の発生
頻度が少ない可視化が可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図を参照し
て説明する。図１は本発明の一実施例によるローカルメ
モリ型並列可視化装置のブロック図である。

【００１６】図１に示すローカルメモリ型並列可視化装
置は、可視化の対象となる三次元数値データを格納して
いる数値データ格納手段１−１、数値データ格納手段１
−１から三次元数値データを読み込み、プロセッサの数
に分割して各ローカルメモリに分配格納する数値データ
分配手段１−２、複数のプロセッサ１−１１、１−２
１、…、この各プロセッサに密に結合された１ユニット
分のローカルメモリ１−１２、１−２２、…、各プロセ
ッサ１−１１、１−２１、…、に含まれスクリーン上の
各画素に対してキャストされた視線をトレースしてい
き、サンプリング点を求める視線トレース手段１−１
３、１−２３、…、同じく各プロセッサ１−１１、１−
２１、…、に含まれサンプリング点の位置におけるデー
タ値の大きさ、色、透明度を求めるレンダリング手段１
−１４、１−２４、…、視線情報のプロセッサ間転送を
行う視線情報転送手段１−３、モニタ１−４とで構成さ
れる。

【００１７】つぎに動作について説明する。

【００１８】数値データ格納手段１−１から数値データ
分配手段１−２が可視化の対象となる三次元数値データ
を読み込み、これをプロセッサ１−１１、１−２１、
…、の数に応じてサブ領域を分割し、各ローカルメモリ
１−１２、１−２２、…、に１サブ領域分づつデータを
割り当て格納する。その場合、互いに隣り合うサブ領域
に属するデータは、互いに隣接するプロセッサに対する
ローカルメモリに格納する。

【００１９】各視線に対しては、視線が初めて三次元数
値データ定義領域と交わる点（最初のサンプリング点の
位置）がどのサブ領域に含まれるかを計算し、対応する
サブ領域中のデータを格納しているプロセッサに割り当
てて、視線方向ベクトル等の視線に関する必要な情報を
受け渡す。各プロセッサ１−１１、１−２１、…、に割
り当てられた視線に対しては、最初のサンプリング点の
位置におけるデータ値の大きさと、これに対応する色、
および透明度を、プロセッサ１−１１、１−２１、…、
内のレンダリング手段１−１４、１−２４、…、が求め
る。

【００２０】次に、視線トレース手段１−１３、１−２
３、…、が視線情報をもとに、該当視線上の次のサンプ
リング点の位置を求める。その位置が引き続き該当プロ
セッサの担当サブ領域内に存在すれば、該当プロセッサ
内のレンダリング手段が次のサンプリング点に対して再
び上述の処理を行い、その結果を前回計算された色およ
び透明度の値に次の式を用いてたし込む。

【００２１】「新たな色＝前回計算された色＋サンプリ
ング点での色×（１−サンプリング点での透明度）×前
回計算された透明度」、「新たな透明度＝サンプリング
点での透明度×前回計算された透明度」一方、次のサン
プリング点の位置が他のプロセッサの担当サブ領域内に
あると判定された場合は、必要な視線情報（これまでに
計算された色および透明度、次のサンプリング点の位
置、視線方向ベクトル）を視線情報転送手段１−３がプ
ロセッサ間通信により次の該当プロセッサへ転送する。
これによって、各プロセッサ１−１１、１−２１、…、
はサンプリング点での計算に必要となる数値データの参
照は、自ローカルメモリに対してのみ行えば良いことが
保証される。以上の処理は、全ての視線に対して各担当
プロセッサが平行に実行する。ただし、一つのプロセッ
サが複数の視線に対する処理を担当している場合は、こ
れらの視線に対する処理は該当プロセッサ上で順番に実
行される。

【００２２】一般に、三次元数値データをレイキャステ
ィング法によるボリュームレンダリング処理を行って可
視化する場合、その三次元数値データ自身の持つ解像度
を落とさないようにサンプリング点の間隔は、データ値
の定義されている格子点の間隔と同程度かあるいはそれ
以下に設定される。

【００２３】従って、一つの視線に対してはその上のい
くつかのサンプリング点における計算が、連続的に同一
プロセッサ上で実行されるため、プロセッサ間通信の発
生頻度は少なくなる。さらに、視線情報転送も隣接プロ
セッサ間の通信のみで行われる。全ての視線に対して、
視線上の全てのサンプリング点における計算が終了する
か、透明度が０になればスクリーン上の全画素の色が求
められたことになり、最後にこれらの色をモニタ１−４
に表示すれば目的とする画像が得られる。

【００２４】図２は三次元数値データの８分割例の説明
図である。

【００２５】図３は８並列可視化装置の説明図である。

【００２６】図２と図３を参照して具体例について説明
する。図２に示すような直交直線格子の格子点上に定義
された三次元数値データ２−１を、図３に簡単に示すよ
うな本発明による８並列可視化装置で可視化する場合を
考える。ただし、図３では８並列処理を行うプロセッサ
ＰＥとローカルメモリＬＭの組み合わせをプロセッサ１
〜８として示し、他の数値データ格納手段、数値データ
分配手段およびモニタ等は省略されている。

【００２７】まず、図２のように三次元数値データ２−
１を、８つのサブ領域２−２に分割し、ｉ番目のサブ領
域中の数値データはｉ番目のプロセッサのローカルメモ
リに格納する。つぎに、スクリーンＳ上の一つの画素Ｐ
を通る視線２−３について考えると、視線２−３が最初
に三次元数値データ定義領域と交わる点Ｐ１は、プロセ
ッサ２の担当サブ領域中に含まれるため、視線２−３に
関する情報をプロセッサ２に渡して点Ｐ１における計算
を行う。以下、点Ｐｉまでのサンプリング点は全て同じ
サブ領域内であるから、これらの点における計算を順番
にプロセッサ２で行う。

【００２８】点Ｐｉを横切った時点では、次のサンプリ
ング点は隣接プロセッサ６の担当するサブ領域中に含ま
れるため、それまでに計算された視線２−３に対する色
および透明度、次にサンプル点の位置、視線２−３の方
向ベクトルをプロセッサ６へ渡す。以下、点Ｐｉから点
Ｐｊまでの間にあるサンプリング点は同一サブ領域中に
含まれるので、これらの点における計算を順番にプロセ
ッサ６で行う。

【００２９】こうして、視線２−３の担当プロセッサＰ
Ｅは、プロセッサ２→プロセッサ６→プロセッサ５とい
う順に変わることになり、最終的に求められた色が画素
Ｐの色として出力される。一方、例えば図２でスクリー
ンＳ上の他の画素Ｐ’を通る視線に対する担当プロセッ
サＰＥは、プロセッサ２→プロセッサ６→プロセッサ８
という順に変わる。そして、これら２つの視線に対する
処理は、同一プロセッサ２またはプロセッサ６が担当し
ているときは順番に、それぞれ別のプロセッサが担当し
ているときは並列に実行される。

【００３０】このように、三次元数値データのレイキャ
スティング法によるボリュームレンダリング処理を行っ
て可視化する場合、視線はたかだか三次元データ定義領
域中のあるサブ領域から他の隣接サブ領域へと進んでい
くだけであるため、本発明の装置によれば、従来例に比
較して非効率的な遠隔プロセッサ通信が発生しない。サ
ブ領域間の移動回数も全サンプリング点数と比べて小さ
いため通信発生の頻度も低い。また、各プロセッサのロ
ーカルメモリの容量も、対象とする三次元数値データ全
体の容量を全プロセッサ数で割った程度あればよく、他
プロセッサのローカルメモリへのアクセスも発生しない
のでメモリ競合も無い。これらは一般に装置の並列度が
高くなるほど効果が大きくなる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
数値データ分配手段によって可視化の対象となる三次元
数値データを、各プロセッサの数に応じて各ローカルメ
モリに分配し、各プロセッサはサンプリング点での計算
に必要となる数値データの参照については、自ローカル
メモリに対してのみ行えばよいように保証され、視線上
の各サンプリング点における処理は自ローカルメモリ領
域内のみ処理し、領域外の点は視線情報転送手段が領域
外担当のプロセッサへ引継ぎ手続きをとり、全ての視線
に対しては各担当プロセッサが並列に実行するようにし
たので、通常のメモり容量程度を使用しプロセッサ間通
信頻度の低い効率的な可視化が可能になるという効果が
ある。

【００３２】さらに大規模数値シミュレーションを並列
処理により実行する場合の、データ割り当て方式（領域
分割法等）とも整合性がとれるので、トラッキングやス
テアリングを伴うインタラクティブ・ビジュアル・シミ
ュレーションを行う際にも、データの並べ変え等を要す
ること無くそのまま適用できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のローカルメモリ型並列可視
化装置のブロック図である。

【図２】本発明の三次元数値データ８分割例の説明図で
ある。

【図３】本発明の８並列可視化装置の説明図である。

【図４】従来のローカルメモリ型並列処理装置の処理説
明図である。

【図５】従来の大域レンダリングで使用するための分散
処理装置のブッロク図である。

【符号の説明】

１−１ 数値データ格納手段 １−２ 数値データ分配手段 １−３ 視線情報転送手段 １−４ モニタ １−１１、１−２１ プロセッサ １−１２、１−２２ ローカルメモリ １−１３、１−２３ 視線トレース手段 １−１４、１−２４ レンダリング手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 数値シミュレーション等により出力され
   る大容量三次元数値データを、レイキャスティング法に
   よるボリュームレンダリング処理を行って可視化する装
   置において、 複数のプロセッサと、 該各プロセッサに対して１ユニットづつ割り当てられた
   複数のローカルメモリと、 前記三次元数値データを格納しておく数値データ格納手
   段と、 前記三次元数値データを読み込み前記各プロセッサのロ
   ーカルメモリに適当に分配して格納する数値データ分配
   手段と、 前記各プロセッサに含まれ、スクリーン上の各画素に対
   してキャストされた視線をトレースしていく視線トレー
   ス手段と、 前記視線トレース手段によって視線をトレースして行っ
   た結果、他のプロセッサの担当領域に入ったと判定され
   た場合は、該視線に対する処理を前記他のプロセッサに
   移行するため該視線に関する情報を前記他のプロセッサ
   へ転送する視線情報転送手段と、 前記各プロセッサに含まれ、前記数値データの定義され
   ている三次元領域を前記視線が進んでいく過程におい
   て、前記視線の通過点でのデータ値の大きさに応じた色
   および透明度を順次たし込んでいき最終的に前記スクリ
   ーン上の画素の色を求めるレンダリング手段と、 前記レンダリング手段から出力される画像を表示するモ
   ニタを有することを特徴とするローカルメモリ型並列可
   視化装置。
2. 【請求項２】 前記各プロセッサはサンプリング点での
   計算に必要な数値データの参照を自ローカルメモリに対
   してのみ行えば良いことが保証され、全ての視線に対し
   て各担当プロセッサが並列に実行するものであることを
   特徴とする請求項１に記載のローカルメモリ型並列可視
   化装置。