JPH10288938A

JPH10288938A - 計算機ホログラム生成方法並びに装置

Info

Publication number: JPH10288938A
Application number: JP9856697A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Horikoshi; 力堀越; Kazuto Higuchi; 和人樋口; Takaaki Akimoto; 高明秋本; Satoshi Suzuki; 智鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ボリュームレンダリングの技術に基づき、高
速に計算機ホログラムを生成することができる計算機ホ
ログラム生成方法並びに装置を提供する。【解決手段】表示対象空間をボリュームデータ空間
（ボクセルの集合）として管理し、物体の属性情報を各
ボクセルに登録しておく。次に、ホログラム面上の仮定
の視点からの視線を決定し、当該視線と交差する物体の
存在するボクセルを検出する。この検出したボクセルの
位置に点光源を仮定し、ホログラム面上での波面を計算
する。この時、当該ボクセルに登録してある物体の透明
度に応じて振幅を変化させ、透明度の合計が閾値以上の
とき当該視線上での交差ボクセルの検出を終了する。あ
らゆる視点、視線方向について同様の処理を行い、これ
らの波面の総和をホログラム面での当該視点での物体波
面とし、ホログラム面上で参照光との干渉縞を計算して
ホログラムを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホログラムを計算
機により生成し、立体映像として表示する計算機ホログ
ラム生成技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ホログラムを計算機で生成するために
は、物体を点光源の集合により記述し、個々の点光源か
らの波面と参照光との干渉を数値演算により求めるとい
う手法が採られている。

【０００３】一方、コンピュータグラフィックスの分野
では、ボリュームレンダリングという手法がある。これ
は、表示対象物体を小さなボクセルの集合で表現すると
いった方法である。そして、視線とボクセルとの交差を
検出し、交差したボクセルの透明度に応じて表示輝度を
変化させる手法であり、物体の内部構造の可視化が容易
であるという利点を有する。また、ボクセルの大きさを
小さくすることで詳細な形状が表現できるため、表示解
像度に依存した効率的なデータ量によるモデル記述が可
能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
計算機ホログラムにおいては、物体を点光源の集合とし
て表現する場合、物体の形状が複雑になるにつれ、物体
形状を表現するために点光源の数が増大してしまい、個
々の点光源の波面の合成のための演算が膨大になってし
まうという問題がある。つまり、各点光源の干渉を計算
するためには、複素演算が必要であり、点光源の増大に
伴い、莫大な計算量が必要とされ、一枚の画像（干渉
縞）を計算する場合でも、数分から数時間を要してしま
うという問題がある。

【０００５】一方、ボリュームレンダリングの技術は、
特定の視点での投影像を生成するための技術であり、計
算機ホログラムのような、複数視点の画像を生成するた
めには、繰り返し同様の投影像生成処理を行う必要があ
り、従来手法の拡張では計算量が膨大になってしまうと
いう問題があった。

【０００６】本発明は、上述したような従来の計算機ホ
ログラムシステムの問題点に鑑みてなされたもので、ボ
リュームレンダリングの技術に基づき、高速に計算機ホ
ログラムを生成することができる計算機ホログラム生成
方法並びに装置を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの方法として、本発明は、物体からの波面並びに参照
光の波面を計算し、前記２つの波面を合成する計算機ホ
ログラム生成方法において、表示対象空間をボクセルの
集合した一つのボリュームデータ空間とし、当該ボクセ
ルの各要素に対して、当該ボクセルの位置に存在する物
体の属性情報を管理する第１の過程と、ホログラム上に
視点があるとしたときの視線を決定する第２の過程と、
当該視線が物体の存在するボクセルに交差するか否かを
検出する第３の過程と、前記交差したボクセルの属性情
報に応じて振幅値を決定する第４の過程と、当該ボクセ
ルの位置に前記振幅値を有する点光源を仮定し、当該点
光源による当該視点での物体からの波面を計算する第５
の過程と、を有することを特徴とする。

【０００８】また、前記第２の過程では、決定した視線
と交差ボクセルの対応関係をボリュームデータ空間のホ
ログラム面に平行な面に相当するマトリックスに書き込
む過程を有し、前記第３の過程では、前記マトリックス
に書き込まれた視線と交差ボクセルの対応関係に基づい
て当該視線と交差するボクセルを検出することを特徴と
する。

【０００９】また、前記第２の過程では、複数の視線を
決定し、前記第３の過程から前記第５の過程までを前記
複数の視線毎に並列に処理することを特徴とする。

【００１０】また、上記の課題を解決するための装置と
して、本発明は、物体からの波面を生成する手段と、参
照光の波面を生成する手段と、前記生成された物体から
の波面並びに参照光の波面を合成する手段とを具備する
計算機ホログラム生成装置において、前記物体からの波
面を生成する手段は、表示対象物を属性情報に応じて分
類する手段と、表示対象空間をボクセルの集合したボリ
ュームデータとして前記表示対象物の属性情報を管理す
る手段と、視線方向を設定する手段と、前記設定された
視線方向と前記ボリュームデータのボクセルとの交差を
判断する手段と、前記交差したボクセルの位置に点光源
を仮定し物体からの波面を計算する手段と、前記ボクセ
ルの属性情報に基づく透明度に応じて波面の振幅を変化
させる手段と、を備えることを特徴とする。

【００１１】本発明では、ホログラムとしての表示対象
空間をボリュームデータ空間（ボクセルの集合）として
管理し、物体の属性情報を各ボクセルに登録しておく。
そして、ホログラム上に視点があるとしたときの視線を
決定し、当該視線上を走査していって、当該視線が、物
体の存在するボクセルに交差するか否かを検出し、交差
したボクセルに対して、当該位置に点光源を仮定し、ホ
ログラム面上での波面を計算する。このとき、当該ボク
セルに登録してある物体の属性（例えば透明度）に応じ
て、振幅値を変化させる。そして、透明度の合計が閾値
以上となったとき、当該視線上での交差ボクセルの検出
を終了する。あらゆる視点、視線方向について、同様の
処理を行い、これらの波面の総和を、ホログラム面での
当該視点での物体波面とする。そして、ホログラム面上
で、参照光との干渉縞を計算するようにする。

【００１２】上記では、視線上の物体のみを処理対象と
するため、見えない部分の対象は計算対象から外れる。
そのため、計算量を大幅に削減することができ、高速に
干渉縞を生成することが可能となる。また、各ボクセル
に登録する物体の属性情報による振幅値の決定により、
半透明な物体の表現が可能となり、この属性を変えるこ
とで、物体内部の可視化したい部位のみ表示が可能とな
る。また、物体の位置に応じて解像度を変えることで、
演算量を更に削減することができる。また、ボリューム
データのホログラム面に平行な面に相当するマトリック
スに視線とボクセルの対応関係を登録し、それを辿るこ
とで、視線と交差するボクセルを高速に検出可能とな
る。さらに、各視線とボクセルとの交差検出はそれぞれ
独立しているので、処理を並列化することで高速な演算
処理が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の方法での処理の
流れの一実施形態例を示しており、図２に示すような座
標系を用いて、以下、各処理内容について説明する。ボ
リュームデータ２１のサイズはＸ×Ｙ×Ｚであり、ホロ
グラム面２２のサイズはＨ_x×Ｈ_yである。ボリュームデ
ータは、Ｍ×Ｎ×Ｌのメッシュに分割されていて、ホロ
グラム面２２は、Ｕ×Ｖのメッシュに分割されている。
ボリュームデータ２１、ホログラム面２２のそれぞれの
要素の位置は、（ｍ，ｎ，ｌ），（ｕ，ｖ）により特定
される。

【００１４】まず、表示対象物の例として、頭部ＣＴ等
のボリューム画像データを想定する。図３は、ボリュー
ム画像データの一水平断面の様子を示していて、３１は
対象物のない部分（空間）、３２，３３はそれぞれ、頭
部内部の組織を表していて、脂肪の量に応じてＸ線の透
過率が違っている。そこで、表示したい組織が分離でき
るように、Ｘ線の透過率に応じて、視線透過率ｔを設定
する（ステップ１０１）。ここでは、一例として、３段
階に量子化する。物体が存在しない所は視線透過率ｔ＝
０．０とする（すなわち透明なボクセルとする）。つま
り、ｔ＝０．０，０．５，１．０といったように当該組
織（当該ボクセル）を分類し、例えば、３１の部分はｔ
＝０．０、３２の部分はｔ＝０．５、３３の部分はｔ＝
１．０として、ボクセル毎にそれぞれ視線透過率ｔを設
定する。そして、表示物体を透過率に応じて分類（ラベ
リング）し（ステップ１０２）、ボリュームデータの個
々のボクセルに当該位置に存在する物体の輝度値、透過
率等を登録する（ステップ１０３）。

【００１５】次に、ホログラム面２２（サイズＨ_x×
Ｈ_y、画素数Ｕ×Ｖ）の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を決定し、
ホログラム面２２とボリュームデータ２１の位置関係と
して、図２に示すように、例えば、（ｕ，ｖ）＝（１，
１）の位置を（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）、また、
（ｍ，ｎ，ｌ）＝（１，１，１）の位置を（ｘ，ｙ，
ｚ）＝（ｘ₀，ｙ₀，ｚ₀）として、ボリュームデータ２
１のｌ＝０の面とホログラム面２２とは平行になるよう
に設定する（ステップ１０４）。

【００１６】次に、ホログラム面上の各点（ｕ，ｖ）か
らの視域を設定する。この視域は、ホログラム面上の位
置によって異なるように設定してよい。例えば、図４に
示すように、水平断面での視線方向を考えたとき、ホロ
グラム面２２の右端Ａでは、ホログラム面２２の法線方
向に対して、左右の各θ₁，θ₂とし、左端Ｂでは、ホロ
グラム面２２の法線方向に対して、左右の各θ₃，θ₄と
いうように設定することができる。この角度は、ホログ
ラムのサイズに対する表示対象物の大きさ（或いはボリ
ュームデータのサイズ）により変化する（ステップ１０
５）。

【００１７】次に、まず、初期値としての視線の方向θ
を決定し、ホログラム面の各点（ｕ，ｖ）を端点とし、
同じ視線上の物体を走査する（ステップ１０６）。つま
り、図５に示すように、傾きθを持つ直線ｐを定義し、
ホログラム面２２上の位置（ｕ，ｖ）を端点とし、この
直線ｐと、各ボクセル（図中のメッシュ部分）との交差
を検出する。そして、交差したボクセルの透過率を検査
する（ステップ１０７）。図５は、透過率ｔが３２の部
分と３３の部分の２種類の組織が存在する例である。ま
ず、直線ｐは、３２の組織部分として、ａのボクセルと
交差する。そこで、ボクセルａの透過率ｔを検査し、こ
の視線ｐ上での透過率Ｔ_pの値として保持しておく。そ
して、当該ボクセルの輝度ｇ、透過率ｔとしたとき、
ｇ，ｔを使って、当該ボクセルに位置する点光源の輝度
を定義して（ステップ１１０）、ホログラム面２２上
（ｕ，ｖ）での波面を計算する（ステップ１１１）。つ
まり、当該ボクセルとホログラム面（ｉ，ｊ）までの距
離をｒ、参照光の波長λ、ｋ＝２π／λとするとき、（ｇ×ｔ／ｒ）ｅｘｐ［ｊｋｒ］（１）により計算される（ここで、ｇとｔの演算方法は、本例
では単にかけ算を行っているが、透明物体の見え方を制
御するために、更に係数を掛ける、或いはバイアスを掛
ける等も考えられ、演算方法は特定されない）。このと
き、波面の値は、複素数であり、この値をホログラムの
マトリックスＨｏｌｏ（ｕ，ｖ）に登録する。

【００１８】更に、同一視線ｐ上を走査していく。この
とき、ボクセルｂ，ｃも交差するが、どちらも組織３２
に分類されたボクセルであるため、波面計算は行わない
（ステップ１０８）。そして、組織３３に属する新たな
ボクセルｄに交差したとき、同様にして、波面を計算す
る。そして、マトリックスＨｏｌｏ（ｕ，ｖ）に加算し
ていく。また、ボクセルａとｄの透過率の合計Ｔ_p＝ｔ_a
＋ｔ_d＝０．５＋１．０を計算し、その透過率の合計
が、閾値（例えば１．０）以上であれば、同一視線ｐ上
でのボクセル交差検出は終了する（ステップ１０９）。
そして、次のホログラム面の位置（ｕ′，ｖ′）に移動
し、同一の視線ｐの傾きを用いて、ステップ１０６から
ステップ１１２までの同様の処理を繰り返す（ステップ
１１２）。

【００１９】つまり、図６に示すように、同一視線方向
θに関して、全てのホログラム面上での視線交差物体を
検出していく。

【００２０】ホログラムの全ての（ｕ，ｖ）について処
理が終わったら（ステップ１１３）、次に、θを変化さ
せて、同様の処理（ステップ１０５からステップ１１
４）を繰り返し処理する（ステップ１１４）。ここで、
θは、ホログラムで表示すべき視点の数に対応し、θの
量子化間隔は自由に設定できる。

【００２１】以上の走査を終了すると、ホログラム面各
点での、物体からの光の波面がマトリックスＨｏｌｏに
登録されたことになり、このＨｏｌｏに、更に、参照光
の波面を合成（加算）することで（ステップ１１５）、
ホログラムとしての干渉縞を完成することができる。

【００２２】次に、上述のような特徴部分を有する本発
明の計算機ホログラム生成装置の一実施形態例を示す。

【００２３】図７は、本実施形態例の装置構成を示すブ
ロック図である。図７において、７１は表示対象物を属
性情報に応じて分類しボクセルデータを生成するボクセ
ルデータ生成手段、７２は表示対象空間を一つのボリュ
ームデータ（ボクセルの集合）として管理するボクセル
データ管理手段、７３はボクセルの透過率を検出する透
過率検出手段、７４は設定された視線に交差するボクセ
ルを検出する視線交差物体検出手段、７５は視線方向を
設定する視線設定手段、７６は物体からの波面や参照光
の波面を計算する波面計算手段、７７は物体からの波面
と参照光の波面を合成して干渉縞を生成する波面合成手
段、７８は計算された各ボクセルからの波面データを加
算記憶したり、同じく計算された参照光の波面データを
記憶したりするホログラム面データ記憶手段である。

【００２４】以上のように構成された実施形態例の動作
例を説明する。

【００２５】ボクセルデータ生成手段７１では、入力さ
れた表示対象物のデータをボクセルデータに変換し、個
々のボクセル毎に透過率を設定する。この透過率によ
り、表示対象物はラベリングされたことになる。そし
て、ボクセルデータ管理手段７２では、ホログラム面の
座標系、ボクセルデータ座標系を統合し、一つの座標系
を構築し、ボクセルデータを管理する。視線設定手段７
５では、表示対象物に付加すべき視線の数、方向角度を
設定し、視線交差物体検出手段７４では、個々の視線方
向について、ホログラムの各画素を端点とした直線を定
義し、ボクセルデータ管理手段７２のデータを参照しな
がらボクセルと視線の交差を検出する。交差したボクセ
ルについては、透過率検出手段７３において、既に検出
済みの透過率を有するボクセルか（つまり、既に計算さ
れているラベルかどうか）を判断し、既に処理済みのラ
ベルに属するならば、さらに視線上での交差ボクセルを
検出する。交差した処理対象のボクセルに対しては、波
面計算手段７６にて、当該ボクセルの属性情報（透過
率、輝度等）を用いて、ホログラム面上での波面を計算
する。また、ホログラム面データ記憶手段７８では、ホ
ログラムの各画素に対応する波面情報の記憶領域（マト
リックス）を保持し、各ボクセルの波面の振幅データを
加算記憶していく。そして、波面合成手段７７では、物
体光として求められたホログラム面上での波面データに
対して、参照光と合成する処理を行う。ここで、参照光
の波面データは、例えば上記合成処理の際に波面計算手
段７６にて計算し求めるか、予め波面計算手段７６を用
いて計算し、ホログラム面データ記憶手段７８に記憶し
ておき、上記合成処理の際に読み出して用いる。

【００２６】なお、本実施形態例では、ボクセルデータ
に一つの対象物の画像データを登録する例について説明
したが、表示対象が複数の物体であれば、個々の物体の
占有する空間を一つのボクセルとして、さらに、個々の
物体の占有空間を包含したボリュームデータを定義する
ことも考えられる。つまり、ボリュームデータを階層的
に記述し管理することも可能である。

【００２７】また、本実施形態例では、同一属性（同一
透過率）のボクセルは、最初のみ点光源の波面処理を行
い、それ以後は、同一視線上では処理対象から外してい
たが、当該視線と同一属性のボクセルの交差回数に応じ
て、当該属性の先に見えるボクセルの輝度を変化させる
ことも考えられる。つまり、図５の視線ｐ上において、
領域３２の属性のボクセルとの交差回数は、ａ，ｂ，ｃ
のボクセルであり、３回である。つまり、この交差回数
は、領域３２の組織の厚みに対応し、この厚みに応じ
て、次の属性の領域３３の最初の交差ボクセルｄにおけ
る輝度値を変化させる（領域３２の組織が厚い場合、当
初輝度値より低くするなど）ことも可能である。

【００２８】また、本実施形態例では、同一視線での走
査を、逐次処理により行っているが、並列に処理するこ
とが可能である。つまり、図８に示すように、ボリュー
ムデータのホログラム面２２に平行な面に相当するマト
リックス８１を用意する。このマトリックスには視線と
ボクセルとの対応関係が登録されていて、視点（ｕ，
ｖ）からの視線ｐは、マトリックス８１の位置する所に
あるボリュームデータの、どのボクセルに交差するかを
判断することができる。

【００２９】マトリックス８１に対する処理としては、
各視線との交差ボクセルの属性の検査（例えば透過率）
並びに、当該ボクセルの波面計算を行う。そして、この
マトリックス８１をｚ方向にずらしていく。つまり、ｚ
方向に１ボクセルずつずらすとき、座標値としては、Δ
ｚ奥に動くことであり、このとき、マトリックス８１の
内容を、例えば、ｘ方向のみに着目するならば、ｓｈｉｆｔ_x＝ｍｏｄ［ｔａｎ（θ）Δｚ，Δｘ］（２）を計算し、ｓｈｉｆｔ_xを整数に切り上げた値だけ、マ
トリックス８１の視線とボクセルの対応関係の内容を全
体的にｘ方向にシフトさせるようにする。例えば、図９
に示すように、マトリックス８１の各要素には、８１０
に示すようなボリュームデータの（ｍ，ｎ）座標値が登
録されていて、ｓｈｉｆｔ_x＝１としたとき、８１１に
示すように、８１０の視線とボクセルの対応関係の内容
をｘ方向に１だけずらすようにする。これにより、各視
線がボリュームデータのどのボクセルと交差するかを判
断する際、マトリックス８１に登録されている対応ボク
セルを検査すればよく、高速に交差ボクセル検出が可能
となる。

【００３０】また、マトリックス８１における個々の要
素の処理は、独立しており、並列化が可能である。すな
わち、複数の視線を設定し、当該視線上の交差ボクセル
を検出する処理から、物体よりの波面を計算する処理ま
でを、視線毎に独立に並列に実行することで、大幅に高
速化を図ることができる。これは、上記のマトリックス
を用意しない場合でも同様である。

【００３１】また、本実施形態例では、透過率の分類に
おいて、３段階で説明しているが、この分類の段階数は
本実施形態例に限定されず、連続に変化する透過率を設
定しても良い。また、一つのボクセルに一種類の属性を
設定する必要性はなく、複数の属性を同時に持つことも
可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、透
過率に応じて点光源の輝度を変えることで、物体の特定
部位を透明にしたり、遮蔽したりする制御を透過率の制
御により容易に行うことができる。

【００３３】また、視線方向の数は可変であり、計算量
を少なくするために、視線方向を少なくしたり、複数視
点の必要ない対象物に対しては、予め視線数を少なくす
るなど、表示対象、表示環境に応じて効率よく計算を行
うことが可能である。

【００３４】また、ボリュームデータのホログラム面に
平行な面に相当するマトリックスを用意し、これに視線
とボクセルの対応関係を登録するようにした場合には、
その対応関係を辿ることで視線と交差するボクセルを高
速に検出できる。

【００３５】また、複数の視線方向を設定したとき、そ
の視線方向毎に、独立、並列に個々の要素を処理するよ
うにした場合には、より一層高速に計算機ホログラムが
生成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明での方法の一実施形態例を示す処理の流
れ図である。

【図２】上記実施形態例での座標系を示す図である。

【図３】上記実施形態例でのボリュームデータの一断面
図である。

【図４】上記実施形態例での視域を表した図である。

【図５】上記実施形態例での視線とボクセルとの交差を
示した図である。

【図６】上記実施形態例での視線とボクセルの交差を調
べる順序を表した図である。

【図７】本発明での装置の一実施形態例を示すブロック
図である。

【図８】（ａ），（ｂ）は、視線とボクセルの交差検出
の並列化の一例を説明した図である。

【図９】（ａ），（ｂ）は、図８での視線とボクセルの
対応関係の登録の方法を説明した図である。

【符号の説明】

２１…ボリュームデータ２２…ホログラム面３１…データの無い領域３２，３３…透過率の異なるデータの領域７１…ボクセルデータ生成手段７２…ボクセルデータ管理手段７３…透過率検出手段７４…視線交差物体検出手段７５…視線設定手段７６…波面計算手段７７…波面合成手段７８…ホログラム面データ記憶手段８１…視線−ボクセル対応マトリックス８１０，８１１…マトリックス８１の登録内容

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木智東京都新宿区西新宿３丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体からの波面並びに参照光の波面を計
算し、前記２つの波面を合成する計算機ホログラム生成
方法において、表示対象空間をボクセルの集合した一つのボリュームデ
ータ空間とし、当該ボクセルの各要素に対して、当該ボ
クセルの位置に存在する物体の属性情報を管理する第１
の過程と、ホログラム上に視点があるとしたときの視線を決定する
第２の過程と、当該視線が物体の存在するボクセルに交差するか否かを
検出する第３の過程と、前記交差したボクセルの属性情報に応じて振幅値を決定
する第４の過程と、当該ボクセルの位置に前記振幅値を有する点光源を仮定
し、当該点光源による当該視点での物体からの波面を計
算する第５の過程と、を有することを特徴とする計算機ホログラム生成方法。
【請求項２】前記第２の過程では、決定した視線と交
差ボクセルの対応関係をボリュームデータ空間のホログ
ラム面に平行な面に相当するマトリックスに書き込む過
程を有し、前記第３の過程では、前記マトリックスに書き込まれた
視線と交差ボクセルの対応関係に基づいて当該視線と交
差するボクセルを検出する、ことを特徴とする請求項１に記載の計算機ホログラム生
成方法。
【請求項３】前記第２の過程では、複数の視線を決定
し、前記第３の過程から前記第５の過程までを前記複数の視
線毎に並列に処理する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計算
機ホログラム生成方法。
【請求項４】物体からの波面を生成する手段と、参照
光の波面を生成する手段と、前記生成された物体からの
波面並びに参照光の波面を合成する手段とを具備する計
算機ホログラム生成装置において、前記物体からの波面を生成する手段は、表示対象物を属性情報に応じて分類する手段と、表示対象空間をボクセルの集合したボリュームデータと
して前記表示対象物の属性情報を管理する手段と、視線方向を設定する手段と、前記設定された視線方向と前記ボリュームデータのボク
セルとの交差を判断する手段と、前記交差したボクセルの位置に点光源を仮定し物体から
の波面を計算する手段と、前記ボクセルの属性情報に基づく透明度に応じて波面の
振幅を変化させる手段と、を備えることを特徴とする計算機ホログラム生成装置。