JPH11339062A

JPH11339062A - 画像合成システム

Info

Publication number: JPH11339062A
Application number: JP14339998A
Authority: JP
Inventors: Sachio Yamato; 佐知男山戸; Daisaku Yamane; 大作山根; Masaji Ishikawa; 正司石川; Koji Kashiwade; 孝二柏手; Toshiharu Mimura; 俊治三村; Kengo Toeda; 賢吾戸枝
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-05-25
Filing date: 1998-05-25
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】３次元のボリュームデータをディスプレイ上に
高速描画処理することのできるハードウエア化された画
像合成システムを提供することを目的とする。【解決手段】全ボリュームデータ３２を、小立方体を構
成する８個のボリュームデータを単位とした立方体形デ
ータに区分し、当該立方体形データを単位としてメモリ
操作が可能なように蓄積したボリュームメモリ１２と、
メモリ制御部２０、傾斜計算部２２、輝度計算部２４、
合成計算部２６、座標変換部２８からなる画像処理装置
１４と、画面表示メモリ１６と、表示装置１８とを備
え、ボリュームメモリ１２から、小立方体を構成する８
個のボクセルを単位として当該ボリュームデータを読み
出し、傾斜計算部２２にて傾斜計算を行い、輝度計算部
２４で輝度を計算し、合成計算部２６において、全ボリ
ュームデータ３２に対して任意に設定される仮想的な視
線が通過するボクセルに沿って、合成計算を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元空間で定義
された数値データ（ボリュームデータ）をディスプレイ
画面上に可視化する上で重要な役割を担うボリュームレ
ンダリング技術に関し、更に詳細には、ディスプレイ画
面上に３次元ボリュームデータを高速描画処理すること
の可能なハードウエア化された画像合成システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】３次元空間で定義された数値データ（ボ
リュームデータ）により表される３次元の立体モデルを
ディスプレイ装置の画面上に可視化する技術は、ボリュ
ームレンダリング等と称され、例えば、医学分野におい
ては、ＣＴスキャナやＭＲＩなどの計測機械から得られ
た人体内の数値データ（ボリュームデータ）をディスプ
レイなどに画像表示する際に用いられる他、様々な分野
で利用されている。

【０００３】３次元の立体モデルを表すボリュームデー
タは様々な方法で表現されるが、２次元平面上の図形が
２次元格子点上に配置された小正方形の画素（ピクセ
ル）の集合で表されるのと同様に、３次元格子上に配置
された小立方体（ボクセル）の集合で表現する方法が存
在する。

【０００４】このボクセル表現により３次元の立体モデ
ルを表現する技術は、データ量が膨大ではあるが、デー
タ構造が簡単で、集合演算をきわめて容易に行うことが
でき、人工的、規則的な立体モデルでなく、自然界に存
在する非常に不規則な形状を表す場合に適するという特
徴がある。

【０００５】また、ＣＧによるレンダリング手法の１つ
に、レイキャスティング法ないしはレイトレーシング法
と言われる技術が知られている。このレイキャスティン
グ法では、メモリ空間上に定義された仮想３次元空間に
ボクセルにより構成される対象３次元モデルが配置さ
れ、各ボクセルには、対象３次元モデルの内部情報を表
す数値データがボリュームデータとして与えられる。レ
イキャスティング法によれば、対象３次元モデルの様々
な内部情報を目的に応じて自由に可視化することができ
るため、生体を始めとする３次元立体モデルの新たな可
視化技術（ボリュームビジュアリゼーション）として近
年注目を集めている。

【０００６】このようなボリュームデータは、３次元格
子上の点（ボクセル）にフィールドデータと呼ばれるデ
ータを持つ。フィールドデータは、例えば、色値、透明
度などのデータであり、ＣＴスキャナでは、フィールド
データとして生体内組織の密度が用いられ、この密度に
応じてボクセルに色付けして画面上にボリュームデータ
を表示（可視化）することで、データ全体の様子を理解
しやすくすることができる。

【０００７】ボリュームデータの可視化方法としては、
従来、大別して２種類の方法がある。第１の方法とし
て、ボリュームデータの中で等しいデータを持つボクセ
ルを繋ぎ合わせた等値面を形成し、この等値面に対して
面や線などのプリミティブを割り当てて表示するサーフ
ェスレンダリング法がある。第２の方法として、ボリュ
ームデータをレイキャスティング法などを使用して直接
表示する方法がある。

【０００８】サーフェスレンダリング法を使用する場合
は、等しいボリュームデータを結んでできる等値面（２
次元の等高線を拡張したもの）を作りあげ、この等値面
に対して面やパッチをあててサーフェスグラフィックス
でレンダリングすることで表示を行っている。すなわ
ち、この方法はスライス・バイ・スライス法とも呼ば
れ、その詳細は、次の文献（Ａ）に開示されている。（Ａ）Drebin,R.A., Carpenter,L., and Hanrahan,P.,
“Volume Rendering, ”Computer Graphics, Vol.22, N
o.4, pp.65-74, 1988. レイキャスティング法を用いる場合は、表示する面（デ
ィスプレイ上の面）の視点（ピクセル）から各セルを通
るレイ（視線）を発生させ、このレイに沿ってボリュー
ムデータを積分していく方法が取られる。実際には、積
分する代わりに、レイに沿ったいくつかのサンプリング
点での値を用いた数値積分により近似計算する。

【０００９】サンプリングの方法として、レイに沿って
等間隔にサンプリングしていく方法と、レイとセルとの
交点をサンプリング点として評価していく方法とがあ
る。対象とするデータは、前者では直交構造格子、後者
では非構造格子上で定義されるボリュームデータであ
る。これらの詳細については、次の文献（Ｂ）、（Ｃ）
に開示されている。（Ｂ）Levoy, M.,“Display of Surefaces from Volume
Data,” IEEE ComputerGraphics and Applications, V
ol.8, No.3, pp.29-37, 1988. （Ｃ）Garrity, M. P., “Raytracing Irregular Volum
e Data, ” Computer Graphics, Vol.24, No.5, pp.35-
40, 1990.

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のボリュームレンダリングの手法により、高度な
表示機能を実現しようとすると、いずれの手法も莫大な
計算時間を必要とするのが現状であった。

【００１１】これは、２次元サーフェスレンダリングの
場合、処理高速化のための専用プロセッサが開発され、
エンジニアリングワークステーションの主要な構成要素
として市場に提供されているのに比べ、３次元では、以
下のような理由から、高速処理の可能なハードウエア化
された装置が提供されていなかったことに起因してい
る。

【００１２】すなわち、第１には、３次元空間のボリュ
ームデータを蓄積するためには、大容量メモリが必要で
あり、また、ボリュームデータをリアルタイムに演算処
理するためには、当該大容量メモリに蓄積されたデータ
を高速に読み出す必要があるが、これを容易に解決する
適切なメモリおよびメモリインタフェースがなく、ハー
ドウエア化の障害となっていたことが挙げられる。

【００１３】第２には、３次元可視化を実現するために
は、３次元空間全体にわたってボリュームデータからデ
ータサンプリングする必要があり、サンプリングしたボ
リュームデータを演算する際、その計算の途中経過を蓄
積するための大容量メモリを必要とするため、ハードウ
エア化することが困難であり、従来は主としてソフトウ
エアにより実現されてきたことに起因していた。

【００１４】このため、従来、３次元空間のボリューム
データを可視化する装置においては、処理時間が多く必
要となり、視点や対象物体が仮想３次元空間上で移動す
る場合に、その動きを反映した画像をリアルタイムに合
成することが困難であるという不都合が存在していた。

【００１５】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、３次元のボリュームデータを
ディスプレイ上に高速描画することのできるハードウエ
ア化された画像合成システムを提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明においては、ボリ
ュームメモリから小立方体を構成する８個のボリューム
データを単位として読み出し、傾斜計算部において、中
心ボクセルのボリュームデータと、当該中心ボクセルに
隣接するボクセルのボリュームデータとに基づいて傾斜
計算を行い、順次中心ボクセルを移動させて傾斜計算を
行いつつ、次の傾斜計算に必要なボリュームデータをボ
リュームメモリから読み出し、その傾斜計算結果を順
次、合成計算部において累積するため、ボリュームデー
タの表示に必要な計算処理をソフトウエアによらず、ハ
ードウエアにより高速に処理することができる。

【００１７】また、この画像合成システムにおいて、メ
モリ制御部は、ボリュームメモリに連続して格納された
複数の立方体形データの１列分を読み出し、当該読み出
された立方体形データの１列分をそのまま格納する複数
の第１レジスタと、前記立方体形データの１面を構成す
るボリュームデータの１列分を格納する複数の第２レジ
スタとを備えたものである。

【００１８】更に、メモリ制御部は、複数の第１レジス
タおよび第２レジスタに格納されたボリュームデータか
ら、傾斜計算部における傾斜計算処理の中心ボクセル
と、当該中心ボクセルに隣接するボクセルのボリューム
データを選択して、傾斜計算部に供給するセレクタを備
えたものである。

【００１９】従って、傾斜計算の処理の中心ボクセルが
１つ上に上がる度に、すなわち、横１列分の傾斜計算処
理を行っている間に、次の傾斜計算処理に必要になる横
１列分の立方体形データをボリュームデータ蓄積部から
読み出せばよく、スライスパラレルで傾斜計算や合成計
算を行う際、画像処理装置において途中の計算結果を保
持する必要がない。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明に係る画像合成システムに
ついて、その実施形態を挙げ、添付の図面を参照しなが
ら以下詳細に説明する。

【００２１】図１は、本発明に係る３次元ボリュームレ
ンダリングを実施する画像合成システムの概略構成を示
すシステム構成図である。

【００２２】本実施形態の画像合成システム１０は、３
次元空間上のモデルを表すボリュームデータを蓄積する
ボリュームデータ蓄積部１２ａと合成計算結果を蓄積す
る合成計算結果蓄積部１２ｂとからなる高速データ転送
バスメモリで構成されるボリュームメモリ１２と、メモ
リ制御部２０、傾斜計算部２２、輝度計算部２４、合成
計算部２６および座標変換部２８から構成される画像処
理装置１４と、画面表示メモリ１６と、ＣＲＴディスプ
レイ等の表示装置１８と、メモリバス３０とから構成さ
れている。

【００２３】ボリュームメモリ１２は、例えば、Rambus
社の提唱する仕様に沿った高速データ転送が可能なバス
メモリであり、詳細は以下の文献（Ｄ）に開示されてい
る。（Ｄ）直野典彦、“Direct Rambus 1999年のパソコン主
記憶をねらう（上）、（下）” NIKKEI ELECTRONICS, N
o.708, pp.139-152, 1998, No.710, pp.163-176,1998. このボリュームメモリ１２は、ボリュームデータ蓄積部
１２ａに、処理対象とする３次元空間上のモデルを表す
ボリュームデータを格納するとともに、合成計算結果蓄
積部１２ｂに、画像処理装置１４における合成計算部２
６の計算の途中結果を格納する。

【００２４】本実施形態において、ボリュームデータ
は、図２Ａ、図２Ｂに示されるように、小立方体３４を
形成する８個のボクセル０〜７を単位として、３次元空
間上に定義される全ボリュームデータ３２がボリューム
データ蓄積部１２ａに格納され、メモリ制御部２０の制
御により、画像処理装置１４との間で読み出し、書き込
みが行われる。

【００２５】この構成により、１度に読み出せるボリュ
ームデータ数を増やして読み出し速度を向上させるばか
りでなく、後述する傾斜計算部２２において、傾斜計算
に必要なデータを少ない回数で読み出すことを可能に
し、計算に必要な前後のボリュームデータを蓄えておく
ことを不要とすることができる。

【００２６】ここで、本発明における３次元空間上のモ
デルを構成するボリュームデータの一例は、医療分野に
おいて使用される超音波診断装置による計測データであ
り、超音波を生体にあて、反射波データから生体内組織
の情報を得て３次元で蓄積し、画像表示して生体内組織
の状況を様々な角度から観察するために使用される。従
って、この例におけるボリュームデータは、例えば、生
体内組織の密度であり、１個のボリュームデータ（図２
Ｂのボクセル０〜７の各々）は、例えば８ビットの数値
データとして表されるものである。

【００２７】図３は、ボリュームメモリ１２に格納され
たボリュームデータを概念的に示す図である。ボリュー
ムデータにより構成される全ての小立方体３４のボクセ
ル、すなわち、各８個のボクセル０〜７のそれぞれ８ビ
ットのデータは、図３のメモリ素子１３ａ〜１３ｎに示
すように、画像処理装置１４にメモリバス３０を介して
接続されたボリュームデータ蓄積部１２ａに格納されて
いる。

【００２８】本実施形態の画像処理装置１４における計
算処理は、スライスパラレル処理によって行われる。ス
ライスパラレル処理とは、図４に示すように、全ボリュ
ームデータ３２を構成する各小立方体３４のボリューム
データを最前面の小立方体３４から順に、１面分のデー
タを処理し、１面分の処理が終わったら、次の１面分の
データを処理するというように、矢印Ａの方向に、面毎
にデータを順次処理していく方法である。この場合、メ
モリ制御部２０の制御により、ボリュームデータ蓄積部
１２ａからボクセルデータの読み出し処理が行われる。

【００２９】傾斜計算部２２においては、図５に示すよ
うに、処理対象とするボクセルをｍとすると、このボク
セルｍを中心として、その前に位置するボクセルｅ、後
ろに位置するボクセルｆ、左に位置するボクセルａ、右
に位置するボクセルｂ、上に位置するボクセルｄ、下に
位置するボクセルｃのボリュームデータから、傾斜を求
める傾斜計算を行う。

【００３０】この傾斜計算において、前述のスライスパ
ラレルでデータ処理を行う場合、左右のボクセルａ、ｂ
は、処理対象とするボクセルｍのすぐ隣にあるが、上下
のボクセルｄ、ｃは、ボクセルｍの１ビーム分（横方向
１本）前か、後ろのデータであり、前後のボクセルｅ、
ｆは、１スライス分（１面）前か、後ろのデータである
ので、もしも、ボリュームデータのメモリからの読み出
しが、１面ずつの平板なデータ列を読み出す構成である
ならば、傾斜計算部２２における傾斜計算のためには、
処理対象とするボクセルｍを含む面のデータの他に、前
後２面分のデータを格納しておくメモリが必要となる。

【００３１】本実施形態による画像合成システム１０に
おいては、ボリュームデータを小立方体３４を単位とす
る８個のボクセル０〜７に区分したデータ構造とし、高
速データ転送の可能なバスメモリをボリュームメモリ１
２として用いたことにより、以下の説明から理解できる
ように、スライスパラレル処理による傾斜計算における
前後２面分のデータ格納用メモリを不要としている。

【００３２】図６Ａ、図６Ｂは、全ボリュームデータ３
２における小立方体Ｓ１〜Ｓ６を単位とするボリューム
データの並びを示す図である。図６Ａに示す小立方体Ｓ
１〜Ｓ６のそれぞれは、図６Ｂに示すように、１個の小
立方体３４を構成する８個のボクセル０〜７を単位と
し、奥行き方向に連続して配列されている。ボリューム
メモリ１２のボリュームデータ蓄積部１２ａには、全ボ
リュームデータ３２から、立方体形のデータ（小立方体
Ｓ１を構成するボクセル０〜７の８個を単位としたデー
タを言う）が連続して読み出せるように、図６Ａの矢印
Ｂの視線方向に並べて蓄積されている。

【００３３】すなわち、本実施形態におけるボリューム
データは、例えば、縦、横、奥行き方向にそれぞれ２５
６個、計２５６×２５６×２５６のボリュームデータが
蓄積され、小立方体Ｓ１〜Ｓ６として示される立方体形
データ（８個のボクセル０〜７）を単位として読み出さ
れる。

【００３４】図７は、画像処理装置１４のメモリ制御部
２０の構成を示す図であり、メモリ制御部２０は、レジ
スタ７０ａ〜７０ｅおよびセレクタ７２を有しており、
ボリュームレンダリングが開始されると、まず、ボリュ
ームメモリ１２のボリュームデータ蓄積部１２ａから横
１列分の立方体形データが読み出され、図７のレジスタ
７０ａ〜７０ｅのいずれかに格納される。

【００３５】ボリュームメモリ１２から読み出したボリ
ュームデータをレジスタ７０ａ〜７０ｅのいずれに格納
するかは、レジスタ７０ａ〜７０ｅから傾斜計算部２２
へのボリュームデータの読み出しと、ボリュームメモリ
１２からレジスタ７０ａ〜７０ｅへの書き込みが競合し
ないよう、一般的な順序器（図示せず）を使用して制御
される。

【００３６】レジスタ７０ａ〜７０ｅは、それぞれ、奥
行き方向に２５６個のボリュームデータ、すなわち、図
６Ｂに示されるように並べられたボリュームデータが格
納できる。そして、レジスタ７０ａ〜７０ｃには、ボク
セル０〜７までの立方体形データの全てである４×２５
６のボリュームデータが格納でき、レジスタ７０ｄ、７
０ｅには、立方体形データの片側の０、２、４、６、ま
たは、１、３、５、７の２×２５６のボリュームデータ
が格納できる構成となっている。

【００３７】なお、このレジスタ７０ａ〜７０ｅは、本
実施形態の場合、画像処理装置１４が、後述するよう
に、複数のＡＳＩＣで構成され、複数同時に動作するた
め、実際の奥行きは、２５６／ＡＳＩＣ数のボリューム
データを格納するように構成されている。

【００３８】立方体形データを単位としてデータが処理
されるのは、ボリュームデータが蓄積されたボリューム
メモリ１２と、画像処理装置１４におけるメモリ制御部
２０との間であり、メモリ制御部２０に読み出された段
階で、立方体形データはボリュームデータに分解され、
以降の処理は、傾斜計算における中心ボクセルｍを基準
として、傾斜計算に必要な隣接ボクセルを単位として計
算処理が行われ、スライスパラレルで順次処理される。

【００３９】すなわち、ボリュームメモリ１２からメモ
リバス３０（高速データ転送バス）を通じてボリューム
データが読み出され、レジスタ７０ａ〜７０ｅに格納さ
れると、メモリ制御部２０は、傾斜計算部２２において
必要となるボリュームデータを、図７のセレクタ７２に
より選択して、当該傾斜計算部２２に供給する。

【００４０】この際、レジスタ７０ａ〜７０ｅは、セレ
クタ７２により、傾斜計算の中心となる小立方体をＭ、
小立方体Ｍに対してそれぞれ隣接する上方の小立方体
Ｕ、下方の小立方体Ｄ、前方の小立方体Ｆ、後方の小立
方体Ｂに割当てて出力する。

【００４１】図８Ａ、図８Ｂは、傾斜計算において必要
となる中心の小立方体Ｍとそれに隣接する小立方体Ｕ、
Ｄ、Ｆ、Ｂの間の関係を示す図であり、図８Ａは斜視
図、図８Ｂは正面図である。傾斜計算の中心となるボク
セルがＭ０の場合およびＭ１の場合の計算に必要な隣接
ボクセルを黒丸で示しており、Ｒ、Ｌは、中心の小立方
体Ｍのそれぞれ右側、左側に位置する小立方体を示して
いる。

【００４２】傾斜計算の中心ボクセルがＭ０またはＭ１
の場合、その中心ボクセルの下方の立方体Ｄの隣接する
ボクセルＤ２、Ｄ３、前方の小立方体Ｆの隣接するボク
セルＦ４、Ｆ５、左方の小立方体Ｌまたは右方の小立方
体Ｒの隣接するボクセルＲ１、Ｒ０の各ボリュームデー
タが計算に必要となり、傾斜計算の中心ボクセルがＭ０
またはＭ１以外のＭ２〜Ｍ７の場合にも、同様に、それ
ぞれの中心ボクセルに隣接する小立方体Ｍ、Ｕ、Ｄ、
Ｆ、Ｂ内の各ボクセルが傾斜計算に必要となり、それぞ
れのレジスタ７０ａ〜７０ｅから傾斜計算部２２に供給
される。

【００４３】傾斜計算に必要なボリュームデータが、ス
ライスパラレルで処理される様子が図９Ａ〜図９Ｈに模
式的に示されている。図９Ａ〜図９Ｈは、図６Ａ、図６
Ｂに示された小立方体Ｓ１〜Ｓ６を例に、傾斜計算の中
心ボクセルと、傾斜計算に必要となる隣接ボクセル、す
なわち、中心ボクセルに隣接する上下、左右のボクセル
を黒丸で示した正面図で、傾斜計算処理の方向を図９Ａ
〜図９Ｈの順に示したものである。

【００４４】傾斜計算処理の中心ボクセルは、そこを中
心とした傾斜計算が、図９Ａ〜図９Ｈの紙面の奥行き方
向に対する処理が終わる毎に、１ボクセルずつ上に移動
していく。図９Ａ〜図９Ｈから、傾斜計算の処理の中心
ボクセルが１つ上に上がる度に、新たに、立方体形デー
タの横１列分をボリュームデータ蓄積部１２ａから読み
出せば、次の傾斜計算処理ができることが容易に理解さ
れよう。すなわち、横１列分の傾斜計算処理を行ってい
る間に、次の傾斜計算処理に必要になる横１列分の立方
体形データをボリュームデータ蓄積部１２ａから読み出
せばよいことを示している。

【００４５】傾斜計算部２２により計算された結果は、
輝度計算部２４において、計算結果に応じた輝度データ
が計算され、合成計算部２６に供給される。レイキャス
ティング法によるボリュームレンダリングにおいては、
図１０に模式的に示すように、全ボリュームデータ３２
内において、視点３０２から発生した視線Ｃに沿って
（視線Ｃが通過する）ボクセル３０１の合成計算を行
う。図１０において、丸印は、視線Ｃが通過するボクセ
ル３０１のみを図示してある。

【００４６】合成計算処理では、視線Ｃが通過する各ボ
クセル３０１毎の輝度計算結果を１つずつ蓄積していく
処理が行われる。合成計算結果蓄積部１２ｂには、１つ
前のボクセル３０１までの合成計算結果が蓄積されてお
り、視線Ｃの方向によって、合成計算に必要な計算結果
が読み出される。

【００４７】すなわち、図１１Ａの斜視図に示すよう
に、全ボリュームデータ３２の視点３０２に近い方のス
ライス面から計算が開始され、順次、奥の面が計算され
ていくが、合成計算部２６における合成計算は、それま
でに通過したボクセルの累積を計算する処理である。

【００４８】従って、合成計算部２６において、処理中
である全ボリュームデータ３２のスライス面が図１１Ａ
に示す面Ｓである場合、図１１Ｂの側面図に示すよう
に、その面Ｓまでの累積計算結果により、次の合成計算
先を示すベクトル群Ｖが定まる。このように、全ボリュ
ームデータ３２のある面Ｓについて合成計算処理を行う
ためには、１つ前の面までの累積計算結果が必要であ
る。

【００４９】このため、本実施形態の合成計算部２６に
おいては、全ボリュームデータ３２の特定の面Ｓについ
ての合成計算結果は、ボリュームメモリ１２の合成計算
結果蓄積部１２ｂに格納される。この格納された合成計
算の結果は、次の面の合成計算処理において読み出さ
れ、順次累積計算が行われる。

【００５０】ここで、傾斜計算部２２、輝度計算部２
４、合成計算部２６等からなる画像処理装置１４（ＡＳ
ＩＣ）はパイプライン処理が可能な構造であり、ボリュ
ームメモリ１２の処理能力は、画像処理装置１４のパイ
プライン処理の能力の４倍程度ある。

【００５１】このため、画像処理装置１４のパイプライ
ン処理により、ボリュームデータの横１列分のボクセル
を処理している間に、ボタュームメモリ１２に対し、
次のボリュームデータの横１列分の読み出し、合成計
算結果の読み出し、合成計算結果の退避書き込みの３
つの処理を割り振ることができ、ボリュームデータ蓄積
部１２ａと合成計算結果蓄積部１２ｂとを外付けする構
成としても、画像処理装置１４のパイプライン動作を休
みなく実行させることができる。

【００５２】本実施形態のメモリ制御方法においては、
前述の傾斜計算において、図１２Ａ〜図１２Ｄに示すよ
うに、同じボクセル３０１を、後面、中央前側、中央後
側、前面として４回使用することになり、画像処理装置
１４内にメモリを持たないため、その都度ボリュームメ
モリ１２のボリュームデータ蓄積部１２ａから同じデー
タを読み出す必要があるが、高速なデータ転送バスを採
用することにより、メモリサイクルを高速化することで
これを可能とし、画像処理装置１４内のメモリを不要と
している。

【００５３】次に、全ボリュームデータ３２とボリュー
ムメモリ１２および画像処理装置１４（ＡＳＩＣ）の構
成についてその詳細を説明する。

【００５４】図１３は、ボリュームメモリ１２および画
像処理装置１４（ＡＳＩＣ）の接続構成を示す図であ
る。画像処理装置１４を構成する各ＡＳＩＣ素子１３ａ
〜１３ｎ、ＡＳＩＣ０〜ＡＳＩＣ７にはそれぞれ２つの
メモリバス３０が接続され、１個のＡＳＩＣ当たりの処
理パイプライン数は４つで、８個のＡＳＩＣが同時に動
作する構成となっているため、３２の並列の処理が行わ
れ、メモリバス３０は１６の並列で動作することとな
る。

【００５５】前述したように、全ボリュームデータ３２
は、縦、横、奥行き方向にそれぞれ２５６個、計２５６
×２５６×２５６のボクセルからなり、このボクセル
が、図１４Ａに示される３２×３２×３２のボリューム
３２ａを単位とする５１２個（８×８×８）のデータか
ら構成され、図１４Ｂに示す全ボリュームデータ３２と
してボリュームメモリ１２に蓄積される。

【００５６】図１３において、メモリ素子１３ａ〜１３
ｎの中、０００〜ＦＦＦの数字は、８個のボクセルから
構成される小立方体３４のボリュームデータ、すなわ
ち、立方体形データを表し、この立方体形データは、０
００〜ＦＦ１の数字で示されるように、スキューをかけ
られてボリュームメモリ１２に蓄積されている。

【００５７】ここで、データは、ボリューム３２ａの内
部においてスキューがかけられて蓄積されているが、２
５６×２５６×２５６の全ボリュームデータ３２を構成
しているボリューム３２ａ群の間ではスキューはかかっ
ていない。画像処理装置１４を構成する８つのＡＳＩＣ
０〜ＡＳＩＣ７は、ボリュームデータの左下から順に３
２個のボクセルを同時に読み出し処理していくため、読
み出してきたデータにはスキューがかかっているが、そ
のときの読み出しアドレスは、すべてのＡＳＩＣにおい
て同じとなる。

【００５８】データ（Ｄａｔａ）は、元のボリュームデ
ータの座標をｘ、ｙ、ｚとしたとき、それぞれの下位４
ビットアドレスに対応したｉ_x、ｉ_y、ｉ_zの結合、Ｄ
ａｔａ＝〔ｉ_x，ｉ_y，ｉ_z〕で表されるとすると、あ
るデータが１６本のメモリバス３０のうちのどれに入る
データかは、メモリバスチャネル番号をｋとすると次の
式で求められる。

【００５９】ｋ＝（ｘ＋ｙ＋ｚ）ｍｏｄ１６（ｘ＋ｙ＋
ｚを１６で割った余り）ボリュームレンダリングの実行時に、主軸の向きにより
１６本の各メモリバス３０に与えられるメモリバスチャ
ネルのアドレスは次式のようになる。

【００６０】Ｚ主軸ｉ_z＝Ｚ，ｉ_y＝Ｙ，ｉ_x＝（ｋ
−ｚ−ｙ＋３２）ｍｏｄ１６Ｙ主軸ｉ_z＝（ｋ−ｘ−ｙ＋３２）ｍｏｄ１６，ｉ_y
＝Ｙ，ｉ_x＝ＸＸ主軸ｉ_z＝Ｚ，ｉ_y＝（ｋ−ｘ−ｚ＋３２）ｍｏｄ
１６，ｉ_x＝Ｘこのようにして、主軸が変わっても、横方向に並んだボ
リュームデータを同時に得ることができる。主軸変更時
のボリュームデータの読み出し例を図１５に示す。図１
５において、ｋは１６本のメモリバス３０のメモリバス
チャネル番号である。

【００６１】以上の如くして合成計算部２６により合成
計算された計算結果は、座標変換部２８において座標変
換され、画面表示メモリ１６に出力される。表示装置１
８は、画面表示メモリに蓄積された画像データに従っ
て、その表示部に目的とする画像を表示することができ
る。

【００６２】次に、図１６に示すように、全ボリューム
データ３２を蓄積するボリュームメモリ１２の構造を５
１２×５１２×１０２４とし、８並列のＡＳＩＣにメモ
リバス３０を２チャネルずつ接続し、各メモリバスチャ
ネルには、１８Ｍbit のメモリ（ＤＲＡＭ）６個ずつ接
続して全ボリュームデータ３２を蓄積する場合のアドレ
スマップの例を示すと、図１７Ａ〜図１７Ｃの如くな
る。

【００６３】図１７Ａ〜図１７Ｃにおいて、ＣＳはＤＲ
ＡＭのチップセレクト、ＢはＤＲＡＭ内のバンクセレク
ト、Ｃはカラム、Ｒはロー、ＰＳはＡＳＩＣの選択、Ｐ
はパケット内のデータ選択の各々のアドレスであり、
Ｘ、Ｙ、Ｚはボリュームデータの座標系を表す。

【００６４】本実施形態の場合、前述したように、立方
体形データを単位としたボリュームデータにはスキュー
がかかっていないため、図１８に示すように、ボリュー
ムデータの読み出し時に、視線方向により主軸が変化す
ると、小立方体３４を回転させて、画像処理装置１４の
メモリ制御部２０に読み出されるデータの対応を変える
処理が必要となる。

【００６５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る画像合成シ
ステムによれば、ボリュームメモリから、小立方体を構
成する８個のボクセルを単位としてボリュームデータを
読み出し、傾斜計算部において、中心ボクセルのボリュ
ームデータと、当該中心ボクセルに隣接するボクセルの
ボリュームデータとに基づいて傾斜計算を行い、順次中
心ボクセルを移動させて傾斜計算を行いつつ、次の傾斜
計算に必要なボリュームデータをボリュームメモリから
読み出し、その傾斜計算結果を順次、合成計算部におい
て累積するため、ボリュームデータの表示に必要な計算
処理をソフトウエアによらず、ハードウエアにより、高
速に処理することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３次元ボリュームレンダリングを
実施する画像合成システムの概略構成を示すシステム構
成図である。

【図２】図２Ａはボリュームデータ全体を示し、図２Ｂ
は図２Ａのボリュームデータを構成する小立方体を１単
位としたボクセルの概念を示す図である。

【図３】ボリュームメモリに格納されたボリュームデー
タを示す概念図である。

【図４】スライスパラレル処理によるボリュームデータ
の処理方法を説明するための図である。

【図５】傾斜計算部におけるボリュームデータの傾斜計
算を説明するための図である。

【図６】図６Ａは、ボリュームデータにおける小立方体
を単位とするボリュームデータの並びを示し、図６Ｂは
図６Ａの小立方体のそれぞれの８個のボクセルの配列を
示す図である。

【図７】画像処理装置におけるメモリ制御部の構成を示
す図である。

【図８】傾斜計算において必要となる、中心ボクセルと
それに隣接するボクセルの間の関係を示す図であり、図
８Ａは斜視図、図８Ｂは正面図である。

【図９】図９Ａ〜図９Ｈは傾斜計算に必要なボリューム
データが、スライスパラレルで処理される様子を示す模
式図である。

【図１０】レイキャスティング法による合成計算処理を
説明するための模式図である。

【図１１】合成計算部における合成計算処理を説明する
ための図であり、図１１Ａは斜視図、図１１Ｂは側面図
である。

【図１２】傾斜計算におけるボリュームデータの読み出
しを説明するための図であり、図１２Ａは後面、図１２
Ｂは中央前側、図１２Ｃは中央後側、図１２Ｄは前面を
示す図である。

【図１３】ボリュームメモリおよび画像処理装置（ＡＳ
ＩＣ）の接続構成を示す図である。

【図１４】ボリュームデータの構成を示す図であり、図
１４Ａは３２×３２×３２のボリュームデータを説明す
る図、図１４Ｂはボリュームデータの全体を示す図であ
る。

【図１５】主軸変更時のボリュームデータの読み出し例
を示す図である。

【図１６】ボリュームデータを蓄積する５１２×５１２
×１０２４からなるボリュームメモリの構造を示す図で
ある。

【図１７】図１７Ａ〜図１７Ｃは図１６のメモリ構成の
場合のアドレスマップの例を示す図である。

【図１８】ボリュームデータの読み出し時の説明図であ
る。

【符号の説明】

１０…画像合成システム１２…ボリュー
ムメモリ１２ａ…ボリュームデータ蓄積部１２ｂ…合成計
算結果蓄積部１４…画像処理装置１６…画面表示
メモリ１８…表示装置２０…メモリ制
御部２２…傾斜計算部２４…輝度計算
部２６…合成計算部２８…座標変換
部３０…メモリバス３２…全ボリュ
ームデータ３４…小立方体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柏手孝二東京都三鷹市下連雀５丁目１番１号日本無線株式会社内 (72)発明者三村俊治東京都三鷹市下連雀５丁目１番１号日本無線株式会社内 (72)発明者戸枝賢吾東京都三鷹市下連雀５丁目１番１号日本無線株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元空間上の数値データで定義される複
数のボクセルから構成されたボリュームデータを、小立
方体を構成する８個のボリュームデータを単位とした立
方体形データに区分し、当該立方体形データを単位とし
てメモリ操作が可能なように蓄積したボリュームメモリ
と、前記ボリュームメモリから、小立方体を構成する８個の
ボリュームデータを単位として読み出すメモリ制御部、前記メモリ制御部により読み出したボリュームデータか
ら、中心ボクセルのボリュームデータと、当該中心ボク
セルに隣接するボクセルのボリュームデータとに基づい
て、傾斜計算を行う傾斜計算部、前記傾斜計算部の計算結果に基づいて輝度計算を行う輝
度計算部、前記ボリュームデータに対して任意に設定される仮想的
な視線が通過するボクセルに沿って、前記輝度計算部の
計算結果に基づいて合成計算を行う合成計算部、およ
び、前記合成計算部の計算結果を座標変換する座標変換部、からなる画像処理装置と、前記ボリュームメモリと前記画像処理装置とを接続する
メモリバスと、前記画像処理装置から出力される画像データを格納する
画面表示メモリと、前記画面表示メモリに格納された画像データに基づいて
ボリュームデータを表示する表示装置と、から構成されることを特徴とする画像合成システム。
【請求項２】請求項１記載の画像合成システムにおい
て、前記メモリ制御部は、前記ボリュームメモリに連続して
格納された複数の立方体形データの１列分を読み出し、
当該読み出された立方体形データの１列分をそのまま格
納する複数の第１レジスタと、前記立方体形データの１
面を構成するボリュームデータの１列分を格納する複数
の第２レジスタとを備えたことを特徴とする画像合成シ
ステム。
【請求項３】請求項２記載の画像合成システムにおい
て、前記メモリ制御部は、前記複数の第１レジスタおよび第
２レジスタに格納されたボリュームデータから、前記傾
斜計算部における傾斜計算処理の中心ボクセルと、当該
中心ボクセルに隣接するボクセルのボリュームデータを
選択して、前記傾斜計算部に供給するセレクタを備える
ことを特徴とする画像合成システム。
【請求項４】請求項１記載の画像合成システムにおい
て、前記画像処理装置は、並列動作する複数の素子から構成
され、前記各素子は、それぞれ複数の前記メモリバスを
介して前記ボリュームメモリを構成する複数のメモリ素
子に接続され、前記ボリュームデータは、前記メモリバ
スの数に応じたスキューを持って当該ボリュームメモリ
に格納されることを特徴とする画像合成システム。