JPH0636046A - データ視覚化装置および方法 - Google Patents
データ視覚化装置および方法Info
- Publication number
- JPH0636046A JPH0636046A JP4159909A JP15990992A JPH0636046A JP H0636046 A JPH0636046 A JP H0636046A JP 4159909 A JP4159909 A JP 4159909A JP 15990992 A JP15990992 A JP 15990992A JP H0636046 A JPH0636046 A JP H0636046A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- viewpoint
- sight
- line
- pixel value
- data
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T15/00—3D [Three Dimensional] image rendering
- G06T15/10—Geometric effects
- G06T15/40—Hidden part removal
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T15/00—3D [Three Dimensional] image rendering
- G06T15/06—Ray-tracing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Image Generation (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ボリューム・データ領域の境界と視線との交
点を計算することなく、高速にボリューム・レンダリン
グを行う。 【構成】 ボリューム・データ領域の境界をなす多数の
境界面のうち例えば視点を向いているものを選び、視点
からの距離に応じてソートし、ソートの順に境界面を選
び、スキャン・コンバージョンにより、当該境界面に対
応する投影面上の画素群を決定する。当該境界面ごと
に、画素を通っていく視線に沿って、行き止まりの境界
面に至るまで画素値を計算していく。行き止まりの境界
面かどうかは、ボリューム・データ領域を規定する多数
の部分立体についての情報から知ることができる。視線
が再度ボリューム・データ領域に進入するときには他の
境界面でのちに加算すべき画素値が計算され、前の画素
値に加算される。視点を向いている境界面についてすべ
て処理が終わると、視線すべてについて処理が終了した
のと同じになる。
点を計算することなく、高速にボリューム・レンダリン
グを行う。 【構成】 ボリューム・データ領域の境界をなす多数の
境界面のうち例えば視点を向いているものを選び、視点
からの距離に応じてソートし、ソートの順に境界面を選
び、スキャン・コンバージョンにより、当該境界面に対
応する投影面上の画素群を決定する。当該境界面ごと
に、画素を通っていく視線に沿って、行き止まりの境界
面に至るまで画素値を計算していく。行き止まりの境界
面かどうかは、ボリューム・データ領域を規定する多数
の部分立体についての情報から知ることができる。視線
が再度ボリューム・データ領域に進入するときには他の
境界面でのちに加算すべき画素値が計算され、前の画素
値に加算される。視点を向いている境界面についてすべ
て処理が終わると、視線すべてについて処理が終了した
のと同じになる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は3次元に分布するデー
タをグラフィックス技術を用いて視覚化する装置および
方法に関する。この発明は不規則格子データのボリュー
ム・レンダリングを高速に実現できるようにしたもので
ある。不規則格子データは、3次元空間中に任意に配置
された部分立体(セル)上で定義された数値データ(ボ
リューム・データ)である。この種のボリューム・デー
タは、構造解析の分野では標準であり、そして数値流体
解析の分野においても広まりつつある有限要素法解析結
果に見出すことができる。また、ボリューム・レンダリ
ングは、3次元空間上で定義されたスカラ場を大域的に
可視化するために有効なコンピュータ・グラフィックス
技法である。
タをグラフィックス技術を用いて視覚化する装置および
方法に関する。この発明は不規則格子データのボリュー
ム・レンダリングを高速に実現できるようにしたもので
ある。不規則格子データは、3次元空間中に任意に配置
された部分立体(セル)上で定義された数値データ(ボ
リューム・データ)である。この種のボリューム・デー
タは、構造解析の分野では標準であり、そして数値流体
解析の分野においても広まりつつある有限要素法解析結
果に見出すことができる。また、ボリューム・レンダリ
ングは、3次元空間上で定義されたスカラ場を大域的に
可視化するために有効なコンピュータ・グラフィックス
技法である。
【0002】
【従来の技術】今までに発表されている不規則格子デー
タのためのボリューム・レンダリング法として、次のよ
うなものが存在する。
タのためのボリューム・レンダリング法として、次のよ
うなものが存在する。
【0003】(1)レイ・トレーシング法 レイ・トレーシング法は、視点から各ピクセルを通るレ
イを発生し、レイに沿ってボリューム・データを積分し
ていく方法である。具体的なアルゴリズムとしては、Ko
yamadaの"Volume Visualization for the Unstructured
Grid Data", SPIE Vol.1259, pp.14-25, 1990か、 また
は、Garrityの"Raytracing Irregular Volume Data", Co
mputer Graphic, Vol.24, No.5, pp35-40,1990を参照
されたい。レイ・トレーシングでは、一般に、高品質の
画像を生成する事ができる。 しかし、レイがボリュー
ムの境界面と交差判定するのに多大な計算時間を必要と
し、これが、ボリューム・レンダリングに要する全体の
計算時間に大きく影響していた。
イを発生し、レイに沿ってボリューム・データを積分し
ていく方法である。具体的なアルゴリズムとしては、Ko
yamadaの"Volume Visualization for the Unstructured
Grid Data", SPIE Vol.1259, pp.14-25, 1990か、 また
は、Garrityの"Raytracing Irregular Volume Data", Co
mputer Graphic, Vol.24, No.5, pp35-40,1990を参照
されたい。レイ・トレーシングでは、一般に、高品質の
画像を生成する事ができる。 しかし、レイがボリュー
ムの境界面と交差判定するのに多大な計算時間を必要と
し、これが、ボリューム・レンダリングに要する全体の
計算時間に大きく影響していた。
【0004】(2)多角形近似法 多角形近似法は、高速化のため、既存の三角形プリミテ
ィブを処理する3Dグラフィックス・プロセッサの有効
利用を目的とした方法である。まず、元のボリューム・
データを三角形データの集合体として表現する。次に、
三角形の頂点でカラー値および不透明度を評価し、その
結果を各頂点でカラー値および不透明度を持った三角形
の集合としてグラフィックス・プロセッサを使って画像
化する。具体的なアルゴリズムとしては、Shirley ら
の"A Polygonal Approximation toDirect Scalar Volum
e Rendering", Computer Graphic, Vol.24, No.5,pp. 6
3-70,1990を参照されたい。この方法では、予め三角形が
視線方向にソートされていることが必要である。元の不
規則格子データに凹領域(くぼみ・穴)が存在する時、
ソート自身が不可能となる場合がある。単純なソート
(例えば、三角形の重心を用いたソート)をした場合、
順序付けに誤りを生じる可能性が高い。この誤りは、生
成画像の品質に大きな影響を及ぼす。ソートを正確に行
おうとすれば、処理時間の劇的な増加を招いてしまう。
また、三角形面内でカラー値および不透明度を線形補間
する事は、生成画像の品質に大きな影響を及ぼす。本来
は、三角形上で線形に変化しないカラー値および不透明
度を線形補間すると本来のデータ分布とは関係のない
「むら」が生じる。なお本発明と関連する特許出願とし
ては特願平4−48799号がある。この出願の発明で
は、セル構成面を全部ソートするようにしており、本発
明とは異なる。
ィブを処理する3Dグラフィックス・プロセッサの有効
利用を目的とした方法である。まず、元のボリューム・
データを三角形データの集合体として表現する。次に、
三角形の頂点でカラー値および不透明度を評価し、その
結果を各頂点でカラー値および不透明度を持った三角形
の集合としてグラフィックス・プロセッサを使って画像
化する。具体的なアルゴリズムとしては、Shirley ら
の"A Polygonal Approximation toDirect Scalar Volum
e Rendering", Computer Graphic, Vol.24, No.5,pp. 6
3-70,1990を参照されたい。この方法では、予め三角形が
視線方向にソートされていることが必要である。元の不
規則格子データに凹領域(くぼみ・穴)が存在する時、
ソート自身が不可能となる場合がある。単純なソート
(例えば、三角形の重心を用いたソート)をした場合、
順序付けに誤りを生じる可能性が高い。この誤りは、生
成画像の品質に大きな影響を及ぼす。ソートを正確に行
おうとすれば、処理時間の劇的な増加を招いてしまう。
また、三角形面内でカラー値および不透明度を線形補間
する事は、生成画像の品質に大きな影響を及ぼす。本来
は、三角形上で線形に変化しないカラー値および不透明
度を線形補間すると本来のデータ分布とは関係のない
「むら」が生じる。なお本発明と関連する特許出願とし
ては特願平4−48799号がある。この出願の発明で
は、セル構成面を全部ソートするようにしており、本発
明とは異なる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ボリューム・レンダリ
ングでは、一般に、視線と交差する最も近い境界面を特
定し、そこから視線上、順にセルをたどりながら、画素
値を計算していく。ここで、境界面は、セルを構成する
面のうち、その面を共有するセルがないものと定義す
る。セルをたどっていくと、最終的に視線は、境界面を
通じてボリューム・データ領域(セルの集合)の外側に
出る。ボリューム・データ領域が、凹形状をしている場
合、いったん外側に出た視線が再び境界面を通じてボリ
ューム・データ領域の内側に入ることがありえる。その
ため、一般には、いったんボリューム・データ領域の外
に出た視線でも、さらに別の境界面との交差判定を行う
必要がある。この交差判定は、視線ごとに行う必要があ
り、この計算時間は全体のボリューム・レンダリング時
間に大きく寄与する。
ングでは、一般に、視線と交差する最も近い境界面を特
定し、そこから視線上、順にセルをたどりながら、画素
値を計算していく。ここで、境界面は、セルを構成する
面のうち、その面を共有するセルがないものと定義す
る。セルをたどっていくと、最終的に視線は、境界面を
通じてボリューム・データ領域(セルの集合)の外側に
出る。ボリューム・データ領域が、凹形状をしている場
合、いったん外側に出た視線が再び境界面を通じてボリ
ューム・データ領域の内側に入ることがありえる。その
ため、一般には、いったんボリューム・データ領域の外
に出た視線でも、さらに別の境界面との交差判定を行う
必要がある。この交差判定は、視線ごとに行う必要があ
り、この計算時間は全体のボリューム・レンダリング時
間に大きく寄与する。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明においては、ま
ず境界面のうち法線方向が視線方向に向いているものに
ついて視線方向にソートして、視線に近い順に並べる。
(これは、視線探索の順序が視線に沿って前から後ろの
場合(FTB)である。この順序が視線に沿って後ろか
ら前の場合(BTF)境界面のうち法線方向が視線と逆
に向いているものについて視線と反対方向にソートし
て、視線に遠い順に並べる。)この場合でも、単純なソ
ートを行うと、順序に誤りの出る可能性は依然存在す
る。しかし、4面体セル全体を対象にしたソートに比べ
て、その可能性は低い。なぜなら視線方向からみて重な
りのある4面体セルの数に比べて、同方向からみて重な
りのある、そして法線方向が視線方向に向いている境界
面の数が圧倒的に少ないからである。
ず境界面のうち法線方向が視線方向に向いているものに
ついて視線方向にソートして、視線に近い順に並べる。
(これは、視線探索の順序が視線に沿って前から後ろの
場合(FTB)である。この順序が視線に沿って後ろか
ら前の場合(BTF)境界面のうち法線方向が視線と逆
に向いているものについて視線と反対方向にソートし
て、視線に遠い順に並べる。)この場合でも、単純なソ
ートを行うと、順序に誤りの出る可能性は依然存在す
る。しかし、4面体セル全体を対象にしたソートに比べ
て、その可能性は低い。なぜなら視線方向からみて重な
りのある4面体セルの数に比べて、同方向からみて重な
りのある、そして法線方向が視線方向に向いている境界
面の数が圧倒的に少ないからである。
【0007】この発明においては、次に、ソートされた
境界面を順番にとりだし、それぞれの面をスクリーン上
でスキャン・コンバージョンする。スクリーン上におい
て、この面が存在する範囲では、視線は、その境界面と
交差するとして、交差点を求める。続いて、これらの交
差点を出発点として、ボリューム・データ領域内のセル
をたどって、視線がボリューム・データ領域の外に出る
まで、画素値の計算を行う。この結果は、画素毎に対応
したフレーム・バッファに格納して、次の境界面の処理
に移る。ボリューム・データ領域が凹形状の場合にはい
ずれ同一視線上で別の境界面から再進入する。フレーム
・バッファの値は再進入する際の画素値計算の初期値と
なる。このようにして最終的に得られた得られたフレー
ム・バッファの値がボリューム・レンダリングの結果と
なる。本発明における重要なポイントは、従来、視線単
位に行っていた視線探索をソートされた境界面単位に行
うように変更したことである。
境界面を順番にとりだし、それぞれの面をスクリーン上
でスキャン・コンバージョンする。スクリーン上におい
て、この面が存在する範囲では、視線は、その境界面と
交差するとして、交差点を求める。続いて、これらの交
差点を出発点として、ボリューム・データ領域内のセル
をたどって、視線がボリューム・データ領域の外に出る
まで、画素値の計算を行う。この結果は、画素毎に対応
したフレーム・バッファに格納して、次の境界面の処理
に移る。ボリューム・データ領域が凹形状の場合にはい
ずれ同一視線上で別の境界面から再進入する。フレーム
・バッファの値は再進入する際の画素値計算の初期値と
なる。このようにして最終的に得られた得られたフレー
ム・バッファの値がボリューム・レンダリングの結果と
なる。本発明における重要なポイントは、従来、視線単
位に行っていた視線探索をソートされた境界面単位に行
うように変更したことである。
【0008】
【実施例】図1は本発明を適用した画像生成装置の概要
を示すものである。この画像生成装置は、不規則格子デ
ータから高速なボリューム・レンダリングを実現するも
のであり、図1に示すように、前処理部1、 境界面ソー
ト・サブシステム2、境界面スキャン・コンバージョン
・サブシステム3、輝度値計算サブシステム4から構成
される。前処理部1は勾配計算サブシステム1a、距離
計算サブシステム1b、座標変換サブシステム1cを含
んでいる。各部の詳細については後に説明する。各サブ
システムに対する入出力には、一次ボリューム・データ
5a、二次ボリューム・データ5b、三次ボリューム・
データ5c、レンダリング用テーブル6およびフレーム
・バッファ7がある。各サブシステムは、IBM309
0/VMシステムの管理下で稼働するモジュールであ
り、これらサブシステムに対する入出力は、IBM30
90のメモリ空間内の1領域である。
を示すものである。この画像生成装置は、不規則格子デ
ータから高速なボリューム・レンダリングを実現するも
のであり、図1に示すように、前処理部1、 境界面ソー
ト・サブシステム2、境界面スキャン・コンバージョン
・サブシステム3、輝度値計算サブシステム4から構成
される。前処理部1は勾配計算サブシステム1a、距離
計算サブシステム1b、座標変換サブシステム1cを含
んでいる。各部の詳細については後に説明する。各サブ
システムに対する入出力には、一次ボリューム・データ
5a、二次ボリューム・データ5b、三次ボリューム・
データ5c、レンダリング用テーブル6およびフレーム
・バッファ7がある。各サブシステムは、IBM309
0/VMシステムの管理下で稼働するモジュールであ
り、これらサブシステムに対する入出力は、IBM30
90のメモリ空間内の1領域である。
【0009】(1)サブシステムに対する入出力 まずサブシステムに対する入出力について説明する。入
出力にはボリューム・データ5a、5b、5c、レンダ
リング用テーブル6およびフレーム・バッファ7があ
る。
出力にはボリューム・データ5a、5b、5c、レンダ
リング用テーブル6およびフレーム・バッファ7があ
る。
【0010】(a)ボリューム・データ(4面体モデル
に変換された不規則格子データ) 図2に示すように、一次ボリューム・データ5aは、4
面体リス8と、格子点情報9および境界面データ10か
ら構成される。これらは、 小山田らの"FEMシミュレ
ーション結果のためのボリューム・レンダリングアルゴ
リズム"、情報処理学会論文誌 第32巻第5号560−
569ページで採用されているものとほぼ同じである。
4面体リスト8は、4面体格子を構成する格子点ID、
隣接する4面体格子IDからなる。格子点情報9は、格
子点座標、格子点毎のスカラ・データ(それぞれ、X,Y,
Z;Sと表記する。)からなる。境界面データ10は、境界
面をもつ4面体格子ID、境界面を表す内部面IDから
なる。但し、4面体を構成する4格子点をG1,G2,G
3,G4としたとき、内部面(3角形)を次のように定め
る。 内部面1=[G2,G3,G4],内部面2=[G4,G
1,G2] 内部面3=[G4,G1,G2],内部面4=[G1,G
2,G3] 以上の一次ボリューム・データ5aを前処理部1で処理
し、二次ボリューム・データ5bが生成される。また二
次ボリューム・データ5bをソート・サブシステム2で
処理して三次ボリューム・データ5cが生成される。
に変換された不規則格子データ) 図2に示すように、一次ボリューム・データ5aは、4
面体リス8と、格子点情報9および境界面データ10か
ら構成される。これらは、 小山田らの"FEMシミュレ
ーション結果のためのボリューム・レンダリングアルゴ
リズム"、情報処理学会論文誌 第32巻第5号560−
569ページで採用されているものとほぼ同じである。
4面体リスト8は、4面体格子を構成する格子点ID、
隣接する4面体格子IDからなる。格子点情報9は、格
子点座標、格子点毎のスカラ・データ(それぞれ、X,Y,
Z;Sと表記する。)からなる。境界面データ10は、境界
面をもつ4面体格子ID、境界面を表す内部面IDから
なる。但し、4面体を構成する4格子点をG1,G2,G
3,G4としたとき、内部面(3角形)を次のように定め
る。 内部面1=[G2,G3,G4],内部面2=[G4,G
1,G2] 内部面3=[G4,G1,G2],内部面4=[G1,G
2,G3] 以上の一次ボリューム・データ5aを前処理部1で処理
し、二次ボリューム・データ5bが生成される。また二
次ボリューム・データ5bをソート・サブシステム2で
処理して三次ボリューム・データ5cが生成される。
【0011】(b)レンダリング用テーブル レンダリング用テーブル6は、カラー・テーブル、不透
明度テーブルおよびカメラ・データから構成される。カ
ラー・テーブルおよび不透明度テーブルにおいては、ス
カラ・データ値の最大値から最小値までの値の範囲が適
当な区間で分割され、各区間が連続する自然数(ID)
で代表されている。そして各IDと対応する色(赤、
緑、青)の比率及び不透明度(光りの通りにくさを表
す。)が記述される。カメラデータにおいては、スクリ
ーン座標系への変換マトリクスを求めるために必要な情
報(視点、注視点、イメージ・サイズ、スクリーン座標
におけるy軸に変換されるベクトル[アップ・ベクト
ル])および視線に配置されるサンプリング数が記述さ
れる。
明度テーブルおよびカメラ・データから構成される。カ
ラー・テーブルおよび不透明度テーブルにおいては、ス
カラ・データ値の最大値から最小値までの値の範囲が適
当な区間で分割され、各区間が連続する自然数(ID)
で代表されている。そして各IDと対応する色(赤、
緑、青)の比率及び不透明度(光りの通りにくさを表
す。)が記述される。カメラデータにおいては、スクリ
ーン座標系への変換マトリクスを求めるために必要な情
報(視点、注視点、イメージ・サイズ、スクリーン座標
におけるy軸に変換されるベクトル[アップ・ベクト
ル])および視線に配置されるサンプリング数が記述さ
れる。
【0012】(c)フレーム・バッファ フレーム・バッファ7は後述する輝度値計算の中間結果
または最終結果(赤、緑、青)を格納する。FTBの場
合のみ、視線の進行にしたがって加算されていく不透明
度の中間結果が格納される。1画素当たりの各成分
(赤、緑、青、不透明度)には、8ビットの記憶容量が
必要とされる。バッファのサイズは、カメラ・データに
記述されたイメージ・サイズから決定される。
または最終結果(赤、緑、青)を格納する。FTBの場
合のみ、視線の進行にしたがって加算されていく不透明
度の中間結果が格納される。1画素当たりの各成分
(赤、緑、青、不透明度)には、8ビットの記憶容量が
必要とされる。バッファのサイズは、カメラ・データに
記述されたイメージ・サイズから決定される。
【0013】(2) サブシステム つぎにサブシステムについて説明する。
【0014】勾配計算サブシステム1aは、4面体格子
を構成する格子点ID、格子点座標、格子点毎のスカラ
・データから格子点毎の勾配ベクタ(VX,VY,VZと表記す
る。)を計算する。 4面体格子におけるスカラ・デ−タ
(S)の分布は、S=a+ax×X+ay×Y+az×Z と記述され
る。(但し、a,ax,ay,azは、4つの格子点での座標値、
スカラ値から決定される。)したがって、4面体格子に
おける勾配ベクタは、(VX,VY,VZ)=grad(S)=(ax,ay,az)
と計算され、4面体格子中一定となる。本サブシステム
では、各4面体格子での計算結果を各格子点に割り振
り、それらを加算し最後に各格子点において、そこに接
続する格子数で平均化する。
を構成する格子点ID、格子点座標、格子点毎のスカラ
・データから格子点毎の勾配ベクタ(VX,VY,VZと表記す
る。)を計算する。 4面体格子におけるスカラ・デ−タ
(S)の分布は、S=a+ax×X+ay×Y+az×Z と記述され
る。(但し、a,ax,ay,azは、4つの格子点での座標値、
スカラ値から決定される。)したがって、4面体格子に
おける勾配ベクタは、(VX,VY,VZ)=grad(S)=(ax,ay,az)
と計算され、4面体格子中一定となる。本サブシステム
では、各4面体格子での計算結果を各格子点に割り振
り、それらを加算し最後に各格子点において、そこに接
続する格子数で平均化する。
【0015】距離計算サブシステム1bは、各格子点に
おいて、カメラ・データに記述された視点からの距離を
計算し、距離データ(Sと表記する。)としてメモリに格納
する。座標変換サブシステム1cは、世界座標系で記述
された格子点座標に、カメラ・データに基づいて作成し
た座標変換マトリクスを乗ずることによりスクリーン座
標系に変換する。カメラデータに基づいて座標変換マト
リクスを作成する方法は、周知であり、たとえば山口富
士雄著"コンピュータディスプレイによる図形処理工
学"、日刊工業新聞社、161-172ページに記載されてい
る。以上の勾配計算サブシステム1a、距離計算サブシ
ステム1bおよび座標変換サブシステム1cにより二次
ボリューム・データ5bが生成される。なお5bのブロ
ック中に四角で囲んだ部分は新たに生成されたデータを
示す。
おいて、カメラ・データに記述された視点からの距離を
計算し、距離データ(Sと表記する。)としてメモリに格納
する。座標変換サブシステム1cは、世界座標系で記述
された格子点座標に、カメラ・データに基づいて作成し
た座標変換マトリクスを乗ずることによりスクリーン座
標系に変換する。カメラデータに基づいて座標変換マト
リクスを作成する方法は、周知であり、たとえば山口富
士雄著"コンピュータディスプレイによる図形処理工
学"、日刊工業新聞社、161-172ページに記載されてい
る。以上の勾配計算サブシステム1a、距離計算サブシ
ステム1bおよび座標変換サブシステム1cにより二次
ボリューム・データ5bが生成される。なお5bのブロ
ック中に四角で囲んだ部分は新たに生成されたデータを
示す。
【0016】ソート・サブシステム2は、ランダムにメ
モリ内に格納されている境界面データを視点からの距離
に基づいて、その値の小さな順に並べ変える。こうして
三次ボリューム・データ5cが生成される。なお5cの
ブロック中で比較で囲まれた部分は変更されたデータを
示す。スキャン・コンバージョン・サブシステム3は、
各頂点がスクリーン座標系で表された三角形データをス
クリーン平面上の各座標値が整数であるような点列に展
開する。詳細は後述する。輝度値計算サブシステム4
は、スキャン・コンバージョン・サブシステム3で出力
されたスクリーン座標において、4面体モデル・レンダ
リングテーブルを基に輝度値(R,G,B)および不透
明度α(FTBの場合)を計算し、結果をフレーム・バ
ッファ7に格納する。輝度値および不透明度の計算につ
いては後述する。
モリ内に格納されている境界面データを視点からの距離
に基づいて、その値の小さな順に並べ変える。こうして
三次ボリューム・データ5cが生成される。なお5cの
ブロック中で比較で囲まれた部分は変更されたデータを
示す。スキャン・コンバージョン・サブシステム3は、
各頂点がスクリーン座標系で表された三角形データをス
クリーン平面上の各座標値が整数であるような点列に展
開する。詳細は後述する。輝度値計算サブシステム4
は、スキャン・コンバージョン・サブシステム3で出力
されたスクリーン座標において、4面体モデル・レンダ
リングテーブルを基に輝度値(R,G,B)および不透
明度α(FTBの場合)を計算し、結果をフレーム・バ
ッファ7に格納する。輝度値および不透明度の計算につ
いては後述する。
【0017】(3)境界面のスキャン・コンバージョン つぎにスキャン・コンバージョンについて説明する。ス
クリーン上において、境界面 (3角形)が存在する範
囲では、視線は、その境界面と交差するとして、交差点
をデジタル・ディファレンシャル・アナライザ(DD
A)により計算する。このような交差点の計算方法をD
DAも含め、広くスキャン・コンバージョンと呼ぶ。 ス
キャン・コンバージョンは、BTF時には、ソート・サ
ブシステム2において決められた優先度の低い順に、そ
してFTB時には、優先度の高い順に行なわれる。境界
面のスキャン・コンバージョンは、以下のようにして行
う。
クリーン上において、境界面 (3角形)が存在する範
囲では、視線は、その境界面と交差するとして、交差点
をデジタル・ディファレンシャル・アナライザ(DD
A)により計算する。このような交差点の計算方法をD
DAも含め、広くスキャン・コンバージョンと呼ぶ。 ス
キャン・コンバージョンは、BTF時には、ソート・サ
ブシステム2において決められた優先度の低い順に、そ
してFTB時には、優先度の高い順に行なわれる。境界
面のスキャン・コンバージョンは、以下のようにして行
う。
【0018】図3において、境界面(三角形)を、スク
リーン座標系でのy方向について上から2番目の頂点を
通るx軸に平行な直線で上下2個に分割して4番目の頂
点を付け加える。次にもともと三角形に割り振られた番
号とは別に、y座標の最も小さい頂点をV1、最も大きい
頂点をV4とし、この間の同一走査線(y=定数なる直線)
上の2頂点をV2とV3と名付ける。ただし、V2の方がV3よ
り左にあるようにしておく。走査線が1本上がった時、
辺V1V2との交点のx座標の変化量、および辺V1V3につい
ての変化量をあらかじめ求めておく。ここでの処理に先
立ち、FTBの視線探索を行うときだけは、αバッファ
(フレーム・バッファのα成分)の全ての値をその最大
値に初期化しておく。
リーン座標系でのy方向について上から2番目の頂点を
通るx軸に平行な直線で上下2個に分割して4番目の頂
点を付け加える。次にもともと三角形に割り振られた番
号とは別に、y座標の最も小さい頂点をV1、最も大きい
頂点をV4とし、この間の同一走査線(y=定数なる直線)
上の2頂点をV2とV3と名付ける。ただし、V2の方がV3よ
り左にあるようにしておく。走査線が1本上がった時、
辺V1V2との交点のx座標の変化量、および辺V1V3につい
ての変化量をあらかじめ求めておく。ここでの処理に先
立ち、FTBの視線探索を行うときだけは、αバッファ
(フレーム・バッファのα成分)の全ての値をその最大
値に初期化しておく。
【0019】y=[yp1]からy=((yp2))(ここで、頂点V
1、V2のY座標をyp1、yp2としている。)までの走査線に対
し、xs≦x<xe(ここで、辺V1V2の交点をxs、辺V1V3の
交点をxeとしている。)までの間で、xが整数となる点
(x,y)を出発点として、輝度値計算サブシステム4で輝
度値計算を行う(後述する)。ここで[p]は、p以上
の最も小さい整数を表し、また、((p))は、pを超えな
い最も大きな整数を表す。
1、V2のY座標をyp1、yp2としている。)までの走査線に対
し、xs≦x<xe(ここで、辺V1V2の交点をxs、辺V1V3の
交点をxeとしている。)までの間で、xが整数となる点
(x,y)を出発点として、輝度値計算サブシステム4で輝
度値計算を行う(後述する)。ここで[p]は、p以上
の最も小さい整数を表し、また、((p))は、pを超えな
い最も大きな整数を表す。
【0020】(4)輝度値計算 つぎに輝度値計算について説明する。スキャン・コンバ
ージョンによって得られた交差点を出発点として、ボリ
ューム・データ内の格子をたどって、視線がボリューム
・データの外に出るまで、画素値の計算を行う。スキャ
ン・コンバージョンされている境界面に接続する4面体
格子から出発し、そこから点(x,y)を含む(これは、 「視
線と交差する」と同義である。)4面体格子を視線方向あ
るいはその逆方向に次々と探索しながら、次に示す離散
化された輝度値方程式を計算する。 視線上であらかじめ設定されたサンプリング点i(図4
で、黒丸で示される点であり、i=0は、視線上視線に
最も近いところに配置されたサンプリング点を、そして
i−=nは、視線に最も遠い所に配置されたサンプリン
グ点を表す。)で輝度値(ri,gi,bi)、不透明度αiを計
算し、上式に代入する。このような4面体格子の探索
は、4面体モデルに含まれる隣接格子情報を参照するこ
とにより、視線が境界面に達するまで、続けることがで
きる。
ージョンによって得られた交差点を出発点として、ボリ
ューム・データ内の格子をたどって、視線がボリューム
・データの外に出るまで、画素値の計算を行う。スキャ
ン・コンバージョンされている境界面に接続する4面体
格子から出発し、そこから点(x,y)を含む(これは、 「視
線と交差する」と同義である。)4面体格子を視線方向あ
るいはその逆方向に次々と探索しながら、次に示す離散
化された輝度値方程式を計算する。 視線上であらかじめ設定されたサンプリング点i(図4
で、黒丸で示される点であり、i=0は、視線上視線に
最も近いところに配置されたサンプリング点を、そして
i−=nは、視線に最も遠い所に配置されたサンプリン
グ点を表す。)で輝度値(ri,gi,bi)、不透明度αiを計
算し、上式に代入する。このような4面体格子の探索
は、4面体モデルに含まれる隣接格子情報を参照するこ
とにより、視線が境界面に達するまで、続けることがで
きる。
【0021】BTFによる視線探索の場合、 Rnew = ri×αi +Rold×(1-αi) Gnew = gi×αi +Gold×(1-αi) Bnew = bi×αi +Bold×(1-αi) として計算する。 視線が、いったん境界面に達すると、
赤色、緑色、青色に対する輝度値(Rold,Gold,Bold)の中
間結果をフレーム・バッファに格納する。また、FTB
の場合、 Rnew = Rold +ri×αi×αold Gnew = Gold +gi×αi×αold Bnew = Bold +bi×αi×αold αnew = αold×(1-αi) として計算する。 FTBでは、いったん境界面に達する
と、輝度値のほかに不透明度の中間結果もαoldとして、
フレーム・バッファに格納する。視線上の第i番目のサ
ンプリング点において、輝度値(ri,gi,bi)、不透明度α
iは、次のようにして求める。(図5参照)
赤色、緑色、青色に対する輝度値(Rold,Gold,Bold)の中
間結果をフレーム・バッファに格納する。また、FTB
の場合、 Rnew = Rold +ri×αi×αold Gnew = Gold +gi×αi×αold Bnew = Bold +bi×αi×αold αnew = αold×(1-αi) として計算する。 FTBでは、いったん境界面に達する
と、輝度値のほかに不透明度の中間結果もαoldとして、
フレーム・バッファに格納する。視線上の第i番目のサ
ンプリング点において、輝度値(ri,gi,bi)、不透明度α
iは、次のようにして求める。(図5参照)
【0022】図5において、サンプリング点を含む4面
体セルと光線との交差点(進入点、脱出点)の各々にお
いて勾配ベクタ、スカラデータ、距離データの補間計算
を行う。この補間計算に先立って、 進入点及び脱出点を
含む面(三角形)におけるこれらの点の面積座標(これは、
補間計算を行う際の各格子点データに対する重みとし
て利用する。)を計算しておく。 但し、3角形PQR上
の点Xの面積座標(AP,AQ,AR)は、それぞれ AP=ΔXQR/ΔPQR, AQ=ΔXRP/ΔPQR, AR=ΔXPQ/ΔPQR であり、 点P,Q,R,Xで定義されたデータをFP,F
Q,FR,FXとしたとき、 FX=Ap×FP+AQ×FQ+AR×FR が成り立つ。
体セルと光線との交差点(進入点、脱出点)の各々にお
いて勾配ベクタ、スカラデータ、距離データの補間計算
を行う。この補間計算に先立って、 進入点及び脱出点を
含む面(三角形)におけるこれらの点の面積座標(これは、
補間計算を行う際の各格子点データに対する重みとし
て利用する。)を計算しておく。 但し、3角形PQR上
の点Xの面積座標(AP,AQ,AR)は、それぞれ AP=ΔXQR/ΔPQR, AQ=ΔXRP/ΔPQR, AR=ΔXPQ/ΔPQR であり、 点P,Q,R,Xで定義されたデータをFP,F
Q,FR,FXとしたとき、 FX=Ap×FP+AQ×FQ+AR×FR が成り立つ。
【0023】進入点からサンプリング点、サンプリング
点から脱出点までの距離で上記のデータを内分すること
によりサンプリング点上での勾配ベクタ、スカラ・デー
タを計算する。この計算は、「4面体内において、スカ
ラ・データは任意の方向に対し線形分布する」という性
質を利用している。
点から脱出点までの距離で上記のデータを内分すること
によりサンプリング点上での勾配ベクタ、スカラ・デー
タを計算する。この計算は、「4面体内において、スカ
ラ・データは任意の方向に対し線形分布する」という性
質を利用している。
【0024】輝度値(ri,gi,bi)は、各サンプル点で補間
計算されるデータ値(Si)、勾配ベクタ(Vxi,Vyi,Vz
i)、 適当な光学モデル、カラーテーブルにより計算さ
れ、不透明度αiは、各サンプル点で補間計算されるデ
ータ値から不透明度テーブルを用いて決定される。計算
法の詳細については、Koyamadaの"Volume Visualizatio
n for the Unstructured Grid Data", SPIE Vol.1259,
pp.14-25, 1990を参照されたい。上側の3角形(V2,V3,V
4)についても、同様に輝度値計算を行う。全ての境界面
上でこれらの処理を行うことにより、 スクリーン面上で
ボリューム・レンダリング・イメージが作成される。
計算されるデータ値(Si)、勾配ベクタ(Vxi,Vyi,Vz
i)、 適当な光学モデル、カラーテーブルにより計算さ
れ、不透明度αiは、各サンプル点で補間計算されるデ
ータ値から不透明度テーブルを用いて決定される。計算
法の詳細については、Koyamadaの"Volume Visualizatio
n for the Unstructured Grid Data", SPIE Vol.1259,
pp.14-25, 1990を参照されたい。上側の3角形(V2,V3,V
4)についても、同様に輝度値計算を行う。全ての境界面
上でこれらの処理を行うことにより、 スクリーン面上で
ボリューム・レンダリング・イメージが作成される。
【0025】
【発明の効果】 以上説明したようにこの発明によれ
ば、視線を向いている境界面をソートし、または視線と
逆方向を向いている境界面をソートし、ソートの順に、
境界面に対応する投影面上の画素群をスキャン・コンバ
ージョンで決定し、これら画素を通る視線に沿ってボリ
ューム・データ領域の外に出るまで輝度値の計算を行
い、画素の値を決定している。ボリューム・データ領域
が凹形状のときには、視線が一旦ボリューム・データ領
域を出たのちも再度ボリューム・データ領域に進入する
ことがあるが、進入位置の境界について同様の計算が行
われ、前の値に累積されるので、正確な輝度値を計算で
きる。この発明では、境界面単位でスキャン・コンバー
ジョン行うだけで、視線が境界と交差するかどうかの検
査を行う必要がない。さらに凹形状のボリューム・デー
タ領域についても、正確に、しかも視線がボリューム・
データ領域に再突入するかどうかの検査を行うことな
く、簡易に輝度値を計算できる。
ば、視線を向いている境界面をソートし、または視線と
逆方向を向いている境界面をソートし、ソートの順に、
境界面に対応する投影面上の画素群をスキャン・コンバ
ージョンで決定し、これら画素を通る視線に沿ってボリ
ューム・データ領域の外に出るまで輝度値の計算を行
い、画素の値を決定している。ボリューム・データ領域
が凹形状のときには、視線が一旦ボリューム・データ領
域を出たのちも再度ボリューム・データ領域に進入する
ことがあるが、進入位置の境界について同様の計算が行
われ、前の値に累積されるので、正確な輝度値を計算で
きる。この発明では、境界面単位でスキャン・コンバー
ジョン行うだけで、視線が境界と交差するかどうかの検
査を行う必要がない。さらに凹形状のボリューム・デー
タ領域についても、正確に、しかも視線がボリューム・
データ領域に再突入するかどうかの検査を行うことな
く、簡易に輝度値を計算できる。
【図1】 この発明の実施例を全体として示すブロック
図である。
図である。
【図2】 図1のボリューム・データを説明する図であ
る。
る。
【図3】 図1のスキャン・コンバージョン・サブシス
テム3の動作を説明する図である。
テム3の動作を説明する図である。
【図4】 図1の輝度値計算サブシステム4の動作を説
明する図である。
明する図である。
【図5】 図1の輝度値計算サブシステム4の動作を説
明する図である。
明する図である。
1・・・前処理部、1a・・・勾配計算サブシステム、
1b・・・距離計算サブシステム、1c・・・座標変換
サブシステム、2・・・ソート・サブシステム、3・・
・スキャン・コンバージョン・サブシステム、4・・・
輝度値計算サブシステム、7・・・フレーム・バッフ
ァ。
1b・・・距離計算サブシステム、1c・・・座標変換
サブシステム、2・・・ソート・サブシステム、3・・
・スキャン・コンバージョン・サブシステム、4・・・
輝度値計算サブシステム、7・・・フレーム・バッフ
ァ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土井 章男 東京都千代田区三番町5−19 日本アイ・ ビー・エム株式会社 東京基礎研究所内 (72)発明者 宇野 栄 東京都千代田区三番町5−19 日本アイ・ ビー・エム株式会社 東京基礎研究所内
Claims (6)
- 【請求項1】 3次元空間の所定の領域に分布するデー
タを色情報および不透明度情報に変換し、この色情報お
よび不透明度情報に基づいて上記データをグラフィック
ス表示するデータ視覚化装置において、 上記データが分布する各点を頂点とする複数の多面体を
規定する情報を記憶する手段と、 上記多面体の構成面のうち、上記領域の境界をなし、か
つ視点方向を向いているものを選択して視点との距離に
基づいてソートを行う(または視点方向と逆方向を向い
ているものを選択して視点との距離に基づいてソートを
行う)手段と、 選択された上記構成面を上記ソートの順に指定して、 (a)視点、投影面の画素および当該構成面の点を結ぶ
視線を決定する処理、 (b)当該視線と当該当該構成面との交点から当該視線
と上記所定の領域の他の境界との交点までの間にある多
面体を決定する処理、 (c)上記視線に沿う色情報および不透明情報を上記
(b)の処理で決定された多面体の頂点に分布するデー
タに基づいて生成する処理、および (d)上記生成された色情報および不透明情報に基づい
て画素値を決定する処理、を実行する手段と、 上記画素値をストアする記憶手段と、 視点方向を向いている(または視点方向と逆方向を向い
ている)1個の多面体に関連して生成した画素値がすで
にあり、かつ当該画素について視点方向を向いている
(または視点方向と逆方向を向いている)他の多面体に
関連して画素値を計算するときには、すでにある画素値
に累積して新たな画素値を計算していく手段と、 上記記憶手段にストアされている画素値に基づいてグラ
フィックス表示を行う表示手段とを有することを特徴と
するデータ視覚化装置。 - 【請求項2】 上記多面体は4面体とする請求項1記載
のデータ視覚化装置。 - 【請求項3】 上記(a)の処理をデジタル・ディファ
レンシャル・アナライザ手法により行う請求項2記載の
データ視覚化装置。 - 【請求項4】 上記色情報は色要素の比率である請求項
3記載のデータ視覚化装置。 - 【請求項5】 3次元空間の所定の領域に分布するデー
タを色情報および不透明度情報に変換し、この色情報お
よび不透明度情報に基づいて上記データをグラフィック
ス表示するデータ視覚化方法において、 上記データが分布する各点を頂点とする複数の多面体の
構成面のうち、上記領域の境界をなし、かつ視点方向を
向いているものを選択して視点との距離に基づいてソー
トを行う(または視点方向と逆方向を向いているものを
選択して視点との距離に基づいてソートを行う)ステッ
プと、 選択された上記構成面を上記ソートの順に指定して、 (a)視点、投影面の画素および当該構成面の点を結ぶ
視線を決定し、 (b)当該視線と当該当該構成面との交点から当該視線
と上記所定の領域の他の境界との交点までの間にある多
面体を決定し、 (c)上記視線に沿う色情報および不透明情報を上記
(b)の処理で決定された多面体の頂点に分布するデー
タに基づいて生成し、 (d)上記生成された色情報および不透明情報に基づい
て画素値を決定するステップと、 上記画素値をストアするステップと、 視点方向を向いている(または視点方向と逆方向を向い
ている)1個の多面体に関連して生成した画素値がすで
にあり、かつ当該画素について視点方向を向いている
(または視点方向と逆方向を向いている)他の多面体に
関連して画素値を計算するときには、すでにある画素値
に累積して新たな画素値を計算していくステップと、 上記記憶手段にストアされている画素値に基づいてグラ
フィックス表示を行うステップとを有することを特徴と
するデータ視覚化方法。 - 【請求項6】 3次元空間の所定の領域に分布するデー
タを色情報および不透明度情報に変換し、この色情報お
よび不透明度情報に基づいて上記データをグラフィック
ス表示するためにコンピュータ・システムで実行される
コンピュータ・プログラム製品において、 上記コンピュータ・システムに、 上記データが分布する各点を頂点とする複数の多面体の
構成面のうち、上記領域の境界をなし、かつ視点方向を
向いているものを選択して視点との距離に基づいてソー
トを行う(または視点方向と逆方向を向いているものを
選択して視点との距離に基づいてソートを行う)ステッ
プと、 選択された上記構成面を上記ソートの順に指定して、 (a)視点、投影面の画素および当該構成面の点を結ぶ
視線を決定し、 (b)当該視線と当該当該構成面との交点から当該視線
と上記所定の領域の他の境界との交点までの間にある多
面体を決定し、 (c)上記視線に沿う色情報および不透明情報を上記
(b)の処理で決定された多面体の頂点に分布するデー
タに基づいて生成し、 (d)上記生成された色情報および不透明情報に基づい
て画素値を決定するステップと、 上記画素値をストアするステップと、 視点方向を向いている(または視点方向と逆方向を向い
ている)1個の多面体に関連して生成した画素値がすで
にあり、かつ当該画素について視点方向を向いている
(または視点方向と逆方向を向いている)他の多面体に
関連して画素値を計算するときには、すでにある画素値
に累積して新たな画素値を計算していくステップと、 上記記憶手段にストアされている画素値に基づいてグラ
フィックス表示を行うステップとを実行させることを特
徴とするデータ視覚化用コンピュータ・プログラム製
品。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4159909A JPH087799B2 (ja) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | データ視覚化装置および方法 |
EP93304795A EP0575199A3 (en) | 1992-06-19 | 1993-06-18 | Data display system. |
US08/607,048 US5742293A (en) | 1992-06-19 | 1996-02-26 | Data visualizer utilizing exterior selected and depth sorted polyhedron faces |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4159909A JPH087799B2 (ja) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | データ視覚化装置および方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0636046A true JPH0636046A (ja) | 1994-02-10 |
JPH087799B2 JPH087799B2 (ja) | 1996-01-29 |
Family
ID=15703819
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4159909A Expired - Lifetime JPH087799B2 (ja) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | データ視覚化装置および方法 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5742293A (ja) |
EP (1) | EP0575199A3 (ja) |
JP (1) | JPH087799B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6554503B2 (en) | 1999-12-16 | 2003-04-29 | Nikon, Corporation | Bayonet mount |
JP2011134352A (ja) * | 2011-03-25 | 2011-07-07 | Toshiba Corp | 画像処理装置 |
Families Citing this family (15)
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---|---|---|---|---|
TW304254B (ja) | 1994-07-08 | 1997-05-01 | Hitachi Ltd | |
JP3323738B2 (ja) * | 1996-06-14 | 2002-09-09 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | ボリューム・データ計算方法及び装置並びにボリューム・データ可視化方法及び装置 |
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EP1332475A1 (en) * | 2000-11-07 | 2003-08-06 | Holographic Imaging LLC | Computer generated hologram display system |
US20050114831A1 (en) * | 2001-04-18 | 2005-05-26 | Andres Callegari | Volume body renderer |
CA2936413C (en) * | 2001-04-18 | 2018-09-04 | Landmark Graphics Corporation, A Halliburton Company | Volume body renderer |
KR100436815B1 (ko) * | 2001-12-24 | 2004-06-23 | 한국전자통신연구원 | 실시간 렌더링을 위한 하드웨어 그래픽 가속장치 내 연산최적화 시스템 및 그 방법 |
WO2005081683A2 (en) * | 2004-02-12 | 2005-09-09 | Pixar | Method and apparatus for multiresolution geometry caching based on ray differentials |
KR100629516B1 (ko) * | 2004-09-21 | 2006-09-28 | 삼성전자주식회사 | 색역 경계 검출장치 및 이를 이용하는 매핑 장치 그리고그 방법 |
US9024949B2 (en) * | 2004-10-13 | 2015-05-05 | Sony Corporation | Object representation using distance functions |
US7965291B1 (en) * | 2006-11-03 | 2011-06-21 | Nvidia Corporation | Isosurface extraction utilizing a graphics processing unit |
US20140313195A1 (en) * | 2008-02-29 | 2014-10-23 | Cherif Atia Algreatly | 3D Model Mapping |
CN115797601B (zh) * | 2022-09-08 | 2023-10-27 | 上海新迪数字技术有限公司 | 一种Brep三维模型的中面自动提取方法及系统 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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FR2610752B1 (fr) * | 1987-02-10 | 1989-07-21 | Sagem | Procede de representation de l'image en perspective d'un terrain et systeme pour sa mise en oeuvre |
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-
1992
- 1992-06-19 JP JP4159909A patent/JPH087799B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1993
- 1993-06-18 EP EP93304795A patent/EP0575199A3/en not_active Withdrawn
-
1996
- 1996-02-26 US US08/607,048 patent/US5742293A/en not_active Expired - Lifetime
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JP2011134352A (ja) * | 2011-03-25 | 2011-07-07 | Toshiba Corp | 画像処理装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0575199A3 (en) | 1995-06-14 |
EP0575199A2 (en) | 1993-12-22 |
JPH087799B2 (ja) | 1996-01-29 |
US5742293A (en) | 1998-04-21 |
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