WO2006100984A1 - ボリュームデータレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング処理方法 - Google Patents

ボリュームデータレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング処理方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2006100984A1
WO2006100984A1 PCT/JP2006/305148 JP2006305148W WO2006100984A1 WO 2006100984 A1 WO2006100984 A1 WO 2006100984A1 JP 2006305148 W JP2006305148 W JP 2006305148W WO 2006100984 A1 WO2006100984 A1 WO 2006100984A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluctuation
volume
data
volume data
sampling
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/305148
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Masataka Imura
Kunihiro Chihara
Ichiro Nakahori
Original Assignee
National University Corporation NARA Institute of Science and Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University Corporation NARA Institute of Science and Technology filed Critical National University Corporation NARA Institute of Science and Technology
Publication of WO2006100984A1 publication Critical patent/WO2006100984A1/ja

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T15/00—3D [Three Dimensional] image rendering
    • G06T15/08—Volume rendering
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a volume data rendering system that visualizes volume data defined in a three-dimensional space, and a volume data rendering processing method.
  • 3D object data is often given in plane units as a combination of polygon data and texture data. If polygon data is used, the outer surface shape of the 3D object can be defined by a mesh-like wire frame.
  • drawing rendering
  • polygon data is arranged while adjusting the position and angle of the 3D object according to the display scene, and the drawing is done by pasting the texture data on the surface. It can be said that the representation by polygon data is an excellent representation format for 3D objects.
  • polygon data is suitable as an expression format for objects and physical phenomena represented by the density and density of particles distributed in a three-dimensional space!
  • clouds which are the concentration distribution of water vapor in the atmosphere
  • clouds absorb and scatter sunlight, and are expressed as white or gray shading, but complex and light uneven patterns continuously spread in the space.
  • polygon data defined by mesh-like wire frames.
  • volume data is 3D array data in which the density and density of particles distributed in 3D space,! / ⁇ features, and opacity are assigned to each voxel.
  • the “botacel” is a lattice-like small cube obtained by subdividing a three-dimensional space. Fill the 3D space with botasels, and add feature values to each botasel By giving it, it is possible to appropriately define the feature quantity such as density and density of particles distributed in a three-dimensional space.
  • various feature quantities are assumed and may be given as high-dimensional data. In the above-mentioned cloud example, brightness and hue are assumed as feature quantities.
  • opacity has been introduced to give the effect of “blur” and “watermark” to 3D objects.
  • opacity has been introduced into each botasel, it is possible to give a 3D object a translucent expression, a foggy! /, And a so-called “blurring” effect.
  • FIG. 10 is a diagram showing a basic flow of a rendering process procedure when volume data is used.
  • volume data is acquired (Sl).
  • the volume data may be prepared in advance, or it may be created in real time by observing a 3D object. It is preferable to perform preprocessing such as noise removal and image enhancement necessary based on the acquired volume data.
  • the luminance value and opacity are determined for each votacel (S2) to form a voxel data set volume.
  • the ray casting process includes a sampling process (S3) and an integral calculation process (S4) based on the brightness value and opacity of the sampled botasel!
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating the concept of ray casting processing.
  • Raycasting gives a line of sight 1202 in each direction from the viewpoint, and samples the botasels 1201 distributed in the volume of the botasel dataset 1200 in the three-dimensional space along the rays 1202 and samples them.
  • This is a method of adding the feature values (luminance values) of each of the botacells 1201. If each botel is given opacity, By casting, the inside is visualized with a translucent display. In ray casting, the product of the brightness value and opacity of each botasel is added in order, and the total opacity is calculated.
  • the pixel luminance value I by ray casting is I
  • the luminance value at the time of line-of-sight input is I. It is represented by the number 1.
  • the pixel value 1301 to be finally drawn is obtained by integrating all the sampled voxels in the above equation 1.
  • volume data rendering processing is performed according to the above procedure, and drawing processing (S5) is performed for each pixel on the monitor.
  • drawing processing S5
  • volume data is calculated on the basis of each voxel spreading in a three-dimensional space, so complicated and enormous calculation is required.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing a concept of introducing a sliced surface model representation format into the volume data representation format.
  • the sampling process and luminance sum of products calculation process performed separately for each ray are executed.
  • the volume data is sliced and divided.
  • Each slice plane is described as polygonal data as a surface model.
  • sampling processing and luminance value processing for each ray can be performed collectively for each slice plane. For example, if the opacity is given to the surface model of each slice surface, the final luminance value of each pixel can be determined as if a plurality of translucent sheets are overlapped.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 5-266216
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-263651
  • the introduction of the sliced surface model representation format into the volume data representation format can reduce the calculation cost, and the observer may move in the virtual reality space. It is possible to execute the 3D rendering process inside the volume in a pseudo manner.
  • the first problem is the loss of nature. It is preferable to draw the acquired volume data as close as possible to the physical phenomenon of the substance and to represent the state. S In order to introduce a fiss model, a plane-like constraint relationship is created between the botasels, and the naturalness is lost. In other words, smoke is present in a three-dimensional space with a spread V, but since a slice-like surface model is introduced, the button cell is described as triangular polygon data on the slice plane (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5). — Fig. 5 of 266216)) The feature of spreading in 3D space cannot be expressed.
  • the second problem is a problem of fluctuation expression. Fluctuation data is given to the acquired volume data itself, but smoke is flowing in a three-dimensional space! /, And it flows with fluctuations not only in the vertical and horizontal directions but also in the longitudinal direction In the rendering process, if this fluctuation can be expressed, it can be drawn so as to represent a state closer to the physical phenomenon of the substance. However, if rendering processing is performed using the above-described conventional technology, it is not possible to express the fluctuation of an entity such as smoke, etc. at a small calculation cost! /.
  • the third problem is the problem of expressing the flow velocity of particles.
  • the acquired volume data includes the movement of macro volume data. For example, in the case of smoke, it cannot be expressed that smoke particles flow and move! And it will be expressed as such. If the flow velocity of smoke particles can be expressed appropriately, it can be visualized to represent a state closer to the physical phenomenon of the substance, and the viewer can intuitively feel the flow velocity of the drawing object such as smoke. It becomes easy to do.
  • the present invention can flexibly add fluctuation expression of three-dimensional volume data while suppressing an increase in calculation cost, and can be easily grasped by a viewer.
  • An object of the present invention is to provide a volume data rendering system and a volume data rendering method that can also express the flow velocity of the volume data. Means for solving the problem
  • a volume data rendering system includes a button cell data set generation module that generates a button cell data set to which a luminance value and opacity are given based on the volume data.
  • a ray casting module that samples a voxel along a ray from the botacell data set, and generates pixel data to be drawn based on a luminance value and opacity of the botacell for the sampling;
  • a drawing module for drawing data, Ray-casting module force The feature is that the coordinate position of the botacell that is useful for the sampling is varied based on a fluctuation model.
  • the fluctuation model is a systematic fluctuation model that reflects fluctuation of a physical phenomenon expressed by the volume data.
  • the volume data to be drawn is smoke at the time of a fire
  • a systematic fluctuation model that reflects how the smoke rises while fluctuating with smoke.
  • a turbulent phenomenon such as smoke is characterized by a statistical quantity, so it is preferable to prepare a fluctuation volume that reflects the frequency characteristics of the spatial density distribution in the phenomenon that actually occurs.
  • the fluctuation model force also includes a description of fluctuation of the shade data of the button cell.
  • the hue data is data relating to pixel color representation, such as additive color mixing RGB data, subtractive color mixing CMYK data, developer Munsell color system data, and HIS color system data. .
  • a fluctuation model database storing a plurality of fluctuation models is provided, and a systematic fluctuation model that reflects fluctuations of a physical phenomenon expressed by the volume data from the fluctuation casting model database is provided. It is also preferable to select and equip it.
  • a velocity field model database storing a plurality of velocity field models is provided, and the velocity field model reflecting the moving speed of the physical phenomenon expressed by the recasting module force, the velocity field model database force, and the volume data. It is preferable that it can be selected and equipped.
  • the fluctuation model force is defined in the form of a fluctuation volume in which a fluctuation function is arranged in each of the botasels
  • the velocity field model is defined in the form of a velocity field volume in which a function representing the velocity is arranged in each of the botasels,
  • the fluctuation volume and the velocity field volume are linked via a yum, the ray casting module force is updated to reflect the influence of the velocity field volume on the physical phenomenon, and the index volume reference information is updated. It is also preferable to change the coordinate position of the volume data related to the sampling by using a fluctuation function arranged in the fluctuation volume indicated by the reference information.
  • the ray casting module changes the coordinate position of the botacell, which is useful for sampling, based on the fluctuation model. It is possible to obtain a volume data rendering system capable of flexibly visualizing fluctuation expressions of volume data such as smoke while keeping the naturalness of 3D volume data while suppressing cost increase.
  • the sampled botacell coordinate position can be changed based on the ray casting module force fluctuation model! ⁇ Since the speed field model that reflects the movement speed of the physical phenomenon expressed by the volume data is added to the magnitude and direction of fluctuation, the smoke flow rate is reduced in the rendering result of the rendered object such as visualized smoke. It can be expressed appropriately, and viewers can easily perceive the flow velocity of the drawing object such as smoke.
  • the volume data rendering system of the present invention in the obtained volume data rendering process, suppresses an increase in calculation cost and maintains naturalness close to the physical phenomenon of the substance, while maintaining fluctuation expression and particle velocity. Expression is also possible.
  • the concept of fluctuation volume describing the characteristic fluctuations of the physical phenomenon to be drawn is introduced, and in the sampling process of each botacell, fluctuations are made in the sampling process of the botacell while referring to the fluctuation volume.
  • Example 1 A configuration example that enables fluctuation expression as Example 1, a configuration example that enables fluctuation expression and particle velocity expression as Example 2, and a further application extension as Example 3 is possible.
  • An example of a functional configuration is shown.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a basic flow of a rendering process in the volume data rendering system according to the first embodiment of the present invention.
  • volume data acquisition processing S 1
  • luminance value and opacity determination processing S 2
  • a sampling coordinate position determination process (S10) is added to the fluctuation process, and the fluctuation process (S10) is compared to the sampling process (S3) of the botacell. ) Is reflected!
  • the botacell is sampled at regular intervals along the path of the ray, and the sampled voxel is fixed.
  • the distance between the surfaces is fixed, and the result is that the samples are sampled at regular intervals along the path of the ray. It can be said that it is the same as the thing.
  • each sampled botacell has a spatial fluctuation according to the fluctuation model based on the fluctuation model.
  • the brightness value and hue of the image are not constant and fluctuations occur.
  • the final luminance value integration calculation results in fluctuations, and the fluctuations are reflected in the luminance values and hues of the pixels that are the rendered rendering results.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing fluctuations in the coordinate position of the sampled botacell in the sampling process of the volume data rendering system of the present invention.
  • Reference numeral 200 denotes a volume data Botacel data set. Botacell as lattice unit Is formed. 201 schematically represents a sampled bocellel. 300 is Ley.
  • FIG. 2 shows a state of sampling processing of a voxel data set by ray casting for drawing the first frame. It can be seen that the fixed ray sampling shown in Fig. 11 has a spatial fluctuation. The coordinate position of the bot cell 201 sampled along the ray path fluctuates three-dimensionally. Based on this sampling result, the pixel value of the corresponding pixel in the first frame is determined.
  • the middle diagram of FIG. 2 shows a state of sampling processing of the voxel data set by ray casting for drawing the nth frame. It can be seen that the sampled botasel 201 in the center diagram of FIG. 2 has fluctuations relative to the sampled botasel 201 in the top diagram of FIG. This fluctuation is the fluctuation caused by the passage of the first frame force n frame time at the top of Fig. 2, that is, the temporal fluctuation.
  • the volume data rendering system of the present invention can incorporate spatial fluctuations in one frame, and further can incorporate temporal fluctuations between frames in a visualized image displayed as a moving image. it can.
  • the description of the fluctuation model used for fluctuation processing (S 10) has not only spatial fluctuation but also temporal fluctuation
  • the botacell coordinate position to be sampled fluctuates between frames based on the fluctuation model.
  • fluctuations are reflected in the luminance value of each botasel and the luminance value calculated by integrating the opacity force, and the rendering result can be given fluctuations.
  • the luminance value of the sampled voxel is i
  • the opacity is ⁇
  • the incident luminance value incident on this buttonel is I.
  • the emission luminance value of the botacell is
  • the integration process (S4) and the pixel rendering process (S5) shown in FIG. 1 may be the same as the flow of the volume rendering process according to the prior art shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example in which the volume data rendering system 100 is specifically constructed by processing modules.
  • Each processing module can be composed of a general-purpose CPU and memory system.
  • a dedicated accelerator such as DSP can be used.
  • Reference numeral 110 denotes a volume data acquisition module. For example, volume data given as simulation data is captured. An external input interface may be provided and external force volume data may be captured via a network.
  • Reference numeral 120 denotes a button cell data set generation module.
  • a luminance value determination module 121 and an opacity determination module 122 are provided.
  • Volume data acquisition module 110 Receives volume data from 10 and expands it for each botacell, and obtains a data set of its luminance value and opacity.
  • volume data acquisition module 110 and the button cell data set generation module 120.
  • Volume data often changes as the simulation progresses. Since a new botacell data set reflecting the volume data update must be prepared, new volume data is acquired through the volume data acquisition module 110 at each volume data update cycle, and Need to be generated. Therefore, as shown in the figure, the processing by the volume data acquisition module 110 and the botacell data set generation module 120 forms a loop.
  • 130 is a ray casting module.
  • Ray casting module 130 A sampling module 131, an integration module 132, and a fluctuation processing module 133 are provided.
  • the sampling module 131 first determines the original sampling coordinates d (x, y, z) according to a predetermined rule. For example, one ray corresponding to a certain pixel as shown in FIG. 11 is selected, and the coordinate value d (x, y, z) of the botacell at a predetermined interval is determined along the path through which the ray passes through the volume. .
  • the sampling module 131 passes the sampling original coordinates d (x, y, z) to the fluctuation processing module 133.
  • the fluctuation processing module 133 includes a systematic fluctuation model that reflects fluctuations in physical phenomena expressed by volume data, and for sampling original coordinates d (x, y, z) that are at predetermined intervals, Convert to sampling fluctuation coordinates U (t, d) considering fluctuations. Based on the fluctuation model, the sampling original coordinate d (x, y, z) received from the sampling module 131 is used to generate the sampling fluctuation coordinate U (t, d).
  • the fluctuation processing module 133 is provided with a fluctuation model volume in which fluctuation values are given to each button cell. The fluctuation value is given as a vector with three components x, y and z.
  • the sampling module 131 receives the sampling fluctuation coordinate U (t, d) from the fluctuation processing module 133, and determines the botacell at the coordinate position as the sampling target.
  • the ray casting module 130 accesses the voxel data set generation module 120 based on the sampling fluctuation coordinates U (t, d), and acquires the luminance value and opacity of the botacell at each coordinate position.
  • the integration module 132 performs integration based on Equation 2. This integration value is the pixel value of the target pixel.
  • the drawing module 140 receives the luminance value integrated from the ray casting module 130 and draws the pixel on the monitor according to the luminance value. If all the pixels are drawn by the drawing module 140, one frame in which the volume is visualized is completed. When the simulation display of the volume data is a moving image, the frame needs to be rewritten every predetermined frame period. Therefore, the ray casting module 130 and the drawing module 140 form a loop. For example, when displaying at 30 frames per second, the loop processing by the ray casting module 130 and the drawing module 140 is performed. Repeat 30 times per second.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the concept of fluctuation processing in the present invention.
  • 200 is a volume data set.
  • 210 schematically shows the fluctuation volume.
  • the fluctuation volume 210 is a kind of mapping vector space in which a fluctuation function is arranged in each botacel in a three-dimensional space based on the fluctuation model. Given a coordinate d (x, y, z), it converts it into a fluctuation function U (t, d) that is placed in the button cell at that coordinate position.
  • V and coordinate conversion are performed on the fluctuation volume, and the force also accesses the volume data.
  • a certain coordinate d (x, y, z) is given to the fluctuation volume, and the fluctuation function U (t , d).
  • the fluctuation function U (tl, d) at the time tl corresponding to the frame to be rendered is specified, the volume data is accessed, and the coordinate position d + Get the brightness value and opacity of the Botacel placed in U (tl, d)!
  • the general form of the fluctuation volume is represented by the following map.
  • volume to be drawn is smoke
  • degree of fluctuation of the visualized smoke volume data When it comes close to the flickering of the smoke of the substance, the effect is obtained.
  • the fluctuation volume u (t, d) relating to smoke is generated by the following procedure. First, all fluctuations are initialized to zero. Next, the position r (x, y, z) in the volume is selected at random, and each bot-cell d holds and changes the following Equation 3 in a normal distribution for each fluctuation component.
  • 1 is the characteristic size of the pattern formed by smoke. It is possible to give more fluctuations to k and l. By repeatedly adding perturbations to the fluctuation volume according to the above equation, fluctuations with strong short-range autocorrelation are generated.
  • the present invention provides the power to introduce fluctuations in the determination of the coordinate positions of the sampled botasels as described above. Further, the present invention directly applies fluctuations to the luminance values and color data of the sampled botasels. It is also possible to introduce. Even if the changes in luminance values and hues between adjacent botasels in the volume data set are small, it is possible for viewers to make adjustments by directly introducing fluctuations in the luminance value and hue data. Therefore, it is possible to ensure an easy-to-understand visual effect on the fluctuation of volume data such as smoke that has been visualized.
  • the rendering system of the present invention not only draws stationary objects such as clouds, but also flows like smoke. It is capable of rendering volume data that changes dynamically, such as physical objects. Therefore, access to volume data via the fluctuation volume shown in Fig. 4 needs to be updated periodically.
  • the first update process is an update process performed for each frame period. For example, if display processing of 30 frames per second is performed, sampling processing and integration processing of the voxel at the coordinate position indicated by the fluctuation volume 210 are executed every 1 Z30 seconds, and drawing processing of each pixel of the next frame is executed. . In this way, access is made from the fluctuation volume 210 to the volume data 200 every 1Z30 seconds, and drawing processing is performed while expressing the subtle fluctuations of smoke particles reflecting the fluctuation movement of actual smoke. In consideration of the quality of drawing, for example, frames can be dropped and updated every 1Z15 seconds or updated every 1Z10.
  • the second update process is an update process performed at each update cycle of the volume data 200.
  • the volume data 200 When a 3D object to be drawn moves to a macro or is deformed, the volume data 200 itself is updated and updated at an appropriate timing and replaced with the volume data 200. For example, when expressing macro movement or deformation such as smoke moving along a wall surface or being swept away by wind, the volume data 200 itself is updated. For example, update every 0.5 seconds, 1 second later, etc. at an appropriate timing according to the speed of the macro change of the 3D object.
  • the volume data rendering system according to the second embodiment of the present invention is a configuration example in which the flow velocity of particles can be expressed in addition to the fluctuation of particles in the volume data according to the first embodiment.
  • Example 2 in addition to the fluctuation expression that reflects the characteristics of the physical phenomenon of smoke introduced in Example 1, a fluctuation expression that reflects the influence of external forces such as wind is introduced. This is a visualization that makes it easier for the viewer to feel the smoke flow rate.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a basic flow of a rendering process in the volume data rendering system according to the second embodiment of the present invention.
  • the fluctuation processing is added to the ray casting process.
  • the fluctuation processing according to the second embodiment (S10a) Is a fluctuation expression that incorporates the expression of the flow velocity of particles, and is a visualization that makes it easy for viewers to realize the flow velocity of particles.
  • S1 volume data acquisition processing
  • S2 luminance value and opacity determination processing
  • S3 sampling processing
  • S4 integration processing
  • S5 rendering processing
  • the volume data rendering system of the second embodiment introduces the concept of velocity field volume in order to allow expression of particle flow velocity in addition to expression of particle fluctuation in volume data.
  • the velocity field volume is a kind of mapping vector space in which a function representing velocity is arranged in each three-dimensional space based on the velocity field model. Given a certain coordinate d (x, y, z), it converts it to the velocity v (t, d) placed in the button cell at that coordinate position.
  • the ray casting module performs fluctuation processing in the fluctuation processing module after reflecting the influence of the surrounding environment such as wind via the velocity field processing module. It has become a thing.
  • the volume data rendering system of the second embodiment needs to perform an operation of functions arranged in these two three-dimensional vector space botasels while maintaining the velocity field volume and the fluctuation volume. Therefore, we introduce an index volume that has a three-dimensional vector space buttonel and holds the reference points.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the concept of fluctuation processing reflecting the flow velocity expression of the second embodiment.
  • the volume data set 200 and the fluctuation volume 210 are the same as those in FIG.
  • the index volume 220 is a volume that holds the reference point of the fluctuation model volume 210.
  • the index volume 220 has the same three-dimensional space as the volume data 200, the fluctuation volume 210, and the velocity field volume 230.
  • the velocity field volume 230 includes a model describing the influence of wind and the like, and each three-dimensional vector data is given to each button cell. For example, v (r) is expressed.
  • the coordinates d (x, y, z) of the volume data are directly set using the coordinates d (x, y, z) as a clue force for the volume data. Get the brightness value and opacity of the voxel located at y, z).
  • the flow velocity expression by the velocity field volume 230 is reflected and the coordinate transformation by the fluctuation model volume 210 is performed, and the force also accesses the volume data.
  • a certain coordinate d (x, y, z) is given to the index volume 220, and the reference coordinate i (t, t) possessed by the boat cell arranged at the coordinate d (x, y, z) in the index volume 220 is given. Convert to d).
  • the reference coordinate i (t, d) is given to the fluctuation volume 210, and the fluctuation function u (t, i (t, d) possessed by the button cell arranged at the reference coordinate i (t, d) in the fluctuation volume 210 is given. )).
  • the fluctuation function u (tl, i (tl, d)) at the time tl corresponding to the frame to be rendered is specified.
  • Volume day The brightness value and opacity of the button cell located at the coordinate position d + u (tl, i (tl, d >>).
  • the reference coordinates of the index volume 220 move in a manner that reflects the influence of wind and the like, the brightness value and the opacity change speed also change according to the reference coordinate movement speed. Therefore, rendering that visualizes the flow velocity of particles such as smoke is possible.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example in which the volume data rendering system 100 is specifically constructed by processing modules.
  • Each processing module can be composed of a general-purpose CPU and memory system.
  • a dedicated accelerator such as DSP can be used.
  • the velocity field processing module 134 is added to the ray casting module 130! /.
  • the sampling module 131 determines the sampling original coordinates d (x, y, z) according to a predetermined rule, and performs the fluctuation processing on the sampling original coordinates d (x, y, z).
  • the sampling module 131 determines the sampling original coordinates d (x, y, z) according to a predetermined rule, and first passes it to the velocity field processing module 134.
  • the velocity field processing module 134 has a model that describes the influence of the surrounding environment such as wind, and the velocity field model is applied to the sampling original coordinates d (x, y, z) received from the sampling module 131. Based on the shift process reflecting the flow velocity of smoke, etc., the reference coordinate i (t, d) of the button cell at the corresponding coordinate position of the index volume is generated. In other words, the original sampling coordinates d (x, y, z) are converted into reference coordinates i (t, d) that take into account the movement of smoke particles due to wind.
  • the fluctuation processing module 133 receives the reference coordinates i (t, d) from the velocity field processing module 134 and captures the fluctuation processing based on the fluctuation model for the reference coordinates i (t, d).
  • Sampling fluctuation coordinates u (t, i (t, d) That is, the fluctuation processing module 133 uses the received reference coordinates i (t, d) for sampling fluctuation coordinates u (t , i (t, d).
  • Sampling module 131 receives sampling fluctuation from fluctuation processing module 133. Coordinates U (t, i (t, d) are received and the button cell at the coordinate position is determined as the sampling target.
  • the ray casting module 130 performs the fluctuation processing in the fluctuation processing module 133 after reflecting the influence of the surrounding environment such as wind via the velocity field processing module 134. It is going to be done.
  • the ray casting module 130 accesses the button cell data set generation module 120 based on the sampling fluctuation coordinates u (t, i (t, d), and obtains the brightness value and opacity of the button cell at each coordinate position.
  • the integration module 132 performs integration based on the above-described equation 2.
  • the integration value becomes the pixel value of the target pixel, and the drawing module 140 calculates the luminance value integrated from the ray casting module 130. Then, the pixels are drawn on the monitor according to the luminance value, and if all the pixels are drawn by this drawing module 140, one frame in which the volume is visualized is completed.
  • the volume data rendering system can incorporate spatial fluctuations in one frame, and further, in a visualized image displayed as a moving image, a flow velocity that reflects the influence of wind or the like. It is possible to incorporate temporal fluctuations between frames incorporating expressions.
  • the sampled botacell coordinate position fluctuates between frames, and it is possible to give fluctuations incorporating the flow velocity expression in the rendering result in a pseudo manner. .
  • the velocity field model has different velocities depending on the location (coordinate position) where the influence of the outside world on the volume data such as wind is complicated and not uniform throughout the space, it is located close to the sampling original coordinates.
  • the reference point in the index volume changed over time. Physical phenomena expressed by the volume data to be drawn, because the mutual correlation of the botacell fluctuation coordinates that are separated from each other and referenced in the fluctuation volume is lost, and the mutual fluctuations are simply random. What is the systematic fluctuation that reflects the fluctuations of the world?
  • the volume data rendering system according to the third embodiment of the present invention can flexibly replace the fluctuation model of the fluctuation processing module 133 and the velocity field model of the velocity field processing module 134 shown in the first and second embodiments. This is a configuration example.
  • the drawing target of the volume data rendering system according to the third embodiment of the present invention is not limited to smoke, but in the following, the drawing target is described as smoke as an example.
  • the flow of air in a tunnel or underground mall has a significant effect on the movement of smoke.
  • the flow of air may change significantly, such as the opening and closing of emergency exits in tunnels, the opening and closing of fire doors, fluctuations in air blowing capacity from the air vents, and movement of objects such as arrival and departure of trains in underground railway stations. is there. If this air flow changes significantly, it will be necessary to change the velocity field model that describes the air flow.
  • the fluctuation model of the fluctuation processing module 133 and the speed field model of the speed field processing module 134 can be flexibly exchanged.
  • the state of smoke fluctuation may vary depending on the material being ignited, the oxygen concentration in the space, the temperature, the scale of the fire, and the like. Since the conditions that affect the smoke fluctuation condition vary depending on the progress of the fire and the scale of the fire, it is preferable to dynamically adopt a fluctuation model that appropriately represents the smoke fluctuation condition.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example in which the volume data rendering system 100 according to the third embodiment is constructed by the processing module.
  • Each processing module may be composed of a combination of general-purpose CPU and memory system.
  • a dedicated accelerator such as DSP may be used.
  • the ray casting module 130 includes a sampling module 1 31, an integration module 132, a fluctuation processing module 133, and a velocity field processing module 1 34, a fluctuation model database 135 and a velocity field model.
  • a database 136 is provided.
  • the fluctuation model database 135 stores a plurality of fluctuation models according to the material being ignited, the oxygen concentration in the space, the temperature, the scale of the fire, and the like.
  • the speed field model database 136 stores a plurality of speed field models corresponding to the opening / closing of emergency exits, the opening / closing of fire doors, and fluctuations in the blowing capacity from the ventilation openings.
  • the fluctuation processing module 133 detects information such as the ignited material, the oxygen concentration in the space, the temperature, the scale of the fire, etc. by itself or receives notification from an external force, and fluctuates the fluctuation model accordingly. Equipped from the model database 135 and dynamically equipped.
  • the speed field processing module 134 detects information such as the opening / closing of the emergency exit, the opening / closing of the fire door, and the fluctuation of the air sending capacity from the air outlet, or receives the notification from the outside, and the speed field model corresponding to it. Is extracted from the velocity field model database 136 and dynamically equipped.
  • the volume data rendering system can dynamically replace the fluctuation model and the velocity field model according to various condition fluctuations, and renders the natural fluctuation expressed. Processing can continue.
  • the volume data rendering system of the present invention can be constructed using various computers by providing it as a program describing processing steps for realizing the configuration described above.
  • the program including the processing steps for realizing the volume data rendering system of the present invention is not limited to a portable recording medium such as a CD-ROM, DVD, or flexible disk as shown in the configuration example shown in FIG.
  • the program server on the network can be downloaded. When a program is executed, the program is loaded on the computer and executed on the main memory.
  • the present invention can be applied to a volume data rendering system and volume data rendering processing method for visualizing volume data defined in a three-dimensional space.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a basic flow of a rendering process in the volume data rendering system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing fluctuations in the coordinate position of a sampled botasel in the sampling process of the volume data rendering system of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the concept of fluctuation processing in the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a basic flow of a rendering process in the volume data rendering system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 A diagram schematically showing the concept of fluctuation processing reflecting the flow velocity expression of Example 2.
  • FIG.7 A diagram showing an example of building a system with processing modules.
  • FIG. 8 A diagram showing an example of constructing a volume data rendering system according to the third embodiment by a processing module.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a state in which a program describing processing steps for realizing the volume data rendering system of the present invention is provided.
  • FIG. 12 Diagram showing the concept of introducing a sliced surface model representation into the volume data representation

Abstract

　ボリュームデータ取得モジュールによりボリュームデータを入力し、ボクセルデータセット生成モジュールにより輝度値及び不透明度が与えられたボクセルデータセットを生成する。ボクセルデータセットからボクセルをサンプリングする際、ゆらぎ処理モジュールのゆらぎモデルに基づいたゆらぎを持たせつつボクセルの選択を行う。積分モジュールがサンプリングされたボクセルの輝度値及び不透明度を基に描画する画素データを計算する。描画モジュールはレイキャスティングモジュールから渡された画素データを描画する。さらに速度場モデルを持つ速度場処理モジュールによって速度表現を織り込んだ形のゆらぎ処理を行い、視聴者にボリュームデータの速度を表現する。これにより、３次元ボリュームデータのゆらぎ表現の付加、さらに視聴者が直感的に把握しやすい速度表現も可能としたボリュームデータのレンダリングシステムを提供する。

Description

明 細 書
ボリュームデータレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング 処理方法
技術分野
[0001] 本発明は、 3次元空間で定義されたボリュームデータを可視化するボリュームデー タレンダリングシステムおよびボリュームデータのレンダリング処理方法に関する。 背景技術
[0002] 3次元コンピュータグラフィックの表現形式には多様なものが提案されて 、る。
一般的には 3次元オブジェクトのデータはポリゴンデータとテクスチャデータの組み 合わせとして面単位で与えられることが多い。ポリゴンデータを用いれば 3次元ォブ ジェタトの外表面形状が網目状のワイヤフレームによって定義できる。描画 (レンダリ ング)の際には表示シーンに応じて 3次元オブジェクトの位置と角度を調整しつつポリ ゴンデータを配し、その表面にテクスチャデータを貼り付けることにより描画されること となる。 3次元オブジェクトの表現形式としてポリゴンデータによる表現は優れたものと 言える。
[0003] しかし、ポリゴンデータは、 3次元空間内に分布する粒子の密度や濃淡によって表 されるオブジェクトや物理現象の表現形式としては適して!/、な ヽとされて ヽる。例えば 、大気中の水蒸気の濃度分布である「雲」はポリゴンデータとして表現することが難し い。雲は水蒸気の濃度分布に応じて、太陽光の吸収'散乱が起こり、白色や灰色の 濃淡として表現されるが、空間内に複雑かつ淡い凹凸模様が連続して広がっており 、外表面形状を網目状のワイヤフレームによって定義するポリゴンデータでの表現は 困難である。「煙」も同様にポリゴンデータとして表現することが難しい。
[0004] そこで、 3次元空間内に分布する粒子の密度や濃淡の表現に適したデータ表現形 式としてボリュームデータによる表現形式が研究されている。ボリュームデータとは、 3 次元空間に分布する粒子の密度や濃淡と!/ヽぅ特徴量と不透明度をボタセル (Voxel) ごとに持たせた 3次元配列データである。ここでボタセルとは 3次元空間を細力べ分割 した格子状の小立方を言う。 3次元空間をボタセルで満たし、各ボタセルに特徴量を 与えることにより 3次元空間に広がりをもって分布する粒子の密度や濃淡という特徴 量を適切に定義することができる。ここで、特徴量としては多様なものが想定され、高 次元データとして与えられることもあり得る。前述の雲の例であれば特徴量として輝度 と色合いが想定される。
[0005] 一方、不透明度は 3次元オブジェクトに対して「ぼかし」や「透かし」の効果を与える ために導入されている。各ボタセルに不透明度を導入することにより、 3次元オブジェ タトにつ 、て半透明状態の表現や、霧のような!/、わゆる「ぼかし」効果を与えることが 可能となる。
[0006] 以上のようにボリュームデータを導入することによって、 3次元空間に広がりをもって 分布する雲や煙などの 3次元オブジェクトを適切に定義することができる。
[0007] 次に、ボリュームデータを用いて定義された 3次元オブジェクトのレンダリング処理 について述べる。
[0008] 図 10は、ボリュームデータを用いた場合のレンダリング処理手順の基本的な流れを 示した図である。
まず、ボリュームデータを取得する（Sl)。ボリュームデータはあら力じめ用意されて いるものでも良ぐ 3次元オブジェクトを観察してリアルタイムに作成するものでも良い 。なお、取得したボリュームデータを基に必要な雑音除去や画像強調など前処理を 行うことが好ましい。
[0009] この前処理を施した上で、各ボタセルに対して輝度値と不透明度を決定し (S2)、ボ クセルデータセットボリュームを形成する。
次に、レイキャスティング処理により各画素に対する最終的な輝度値を求める。レイ キャスティング処理は、サンプリング処理（S3)およびサンプリングされたボタセルの輝 度値と不透明度を元にした積分計算処理 (S4)を備えて!/、る。
[0010] 図 11は、レイキャスティング処理の概念を模式的に説明する図である。
レイキャスティングは、視点から各方向に視線（レイ） 1202を出し、 3次元空間内の ボリュームのボタセルデータセット 1200に分布しているボタセル 1201を、レイ 1202 に沿ってサンプリングしてゆき、そのサンプリングされた各ボタセル 1201の特徴量（ 輝度値)を加算して行く手法である。各ボタセルに不透明度を与えられていれば、レ ィキャスティングにより、半透明表示を行って内部が可視化される。レイキャスティング では順次各ボタセルの輝度値と不透明度との積を加算して 、き、不透明度の総和が
1となる力 レイが、 3次元オブジェクトから突き抜けたときに、その画素に対する処理 を終了し、加算結果を描画面 1300の画素の値 1301として表示する。
[0011] 現在のサンプル位置での輝度値と不透明度をそれぞれ i、 αとすると、レイキャステ イングによる画素の輝度値 I は、視線の入力時の輝度値を I とすると以下の積算計 算による下記数 1で表される。
[0012] [数 1]
I ou t = I i n (1 — L) + I
[0013] 最終的に描画される画素値 1301は、上記数式 1をすベてのサンプリングされたボ クセルを積分して得られたものとなる。
[0014] 従来技術では、上記の手順によりボリュームデータのレンダリング処理が行われ、モ ニタ上の各画素に対して描画処理 (S5)が行われるが、下記の問題点が指摘されて いる。
第 1は、計算コストが大きいことである。ボリュームデータは 3次元空間に広がる各ボ クセルを基本に計算を行うので、複雑で膨大な計算が必要となる。
第 2は、メモリの消費量が大きいことである。 3次元空間全体に広がる各ボタセルの 輝度値や不透明度をデータとして扱う必要があるので、多量のメモリを消費してしまう
[0015] これら 2つの問題を解決しつつ、ボリュームデータのレンダリング処理を高速に行う ためには、専用のァクセラレータなどの特別のリソースを搭載し、多量のメモリを装備 した専用プロセッサの開発が必要とされていた。
[0016] 特に、雲のような静止物を静止状態で表示するものではなぐ煙のような動きのある ボリュームデータをバーチャルリアリティ空間においてレンダリング処理する場合には 、煙が流れて動くたび、または、観察者が移動するたびに、リアルタイムに複雑な計 算を実行しなければならないため、困難性が増す。
[0017] この問題点を解決することを目指した従来技術として、特開平 5— 266216号公報 、特開 2003— 263651号公報力 S挙げられる。これらはいずれも、ボリュームデータの 表現形式に、スライス状のサーフィスモデルの表現形式を導入し、ボリュームデータ の内部のレンダリング処理を簡素化する技術である。
[0018] 図 12は、ボリュームデータの表現形式にスライス状のサーフィスモデルの表現形式 を導入する概念を模式的に示す図である。
図 11に示した従来技術では、各レイにっ 、て行ったサンプリング処理と輝度値の 積和計算処理を独立に実行するところ、図 12に示す従来技術では、ボリュームデー タをスライスして分割し、各スライス面をサーフィスモデルとしてポリゴンデータで記述 しておくものである。このようにボリュームデータを各スライス面のサーフィスモデルの 積み重ねとして準備しておくことにより、各レイについて行うサンプリング処理と輝度 値の処理を当該スライス面ごとにまとめて横断的に行うことができる。例えば、各スラ イス面のサーフィスモデルに不透明度を与えておけば、半透明のシートを複数枚重 ねて通し見たように各画素の最終的な輝度値を決定することができる。また、観察者 がボリューム内を移動して行く場合には、視点に応じたスライス面の 2次元描画をポリ ゴンデータで高速処理することにより、擬似的にボリューム内部の描画を行うこともで きる。
[0019] 特許文献 1 :特開平 5— 266216号公報
特許文献 2：特開 2003 - 263651号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0020] 上記のように、ボリュームデータの表現形式にスライス状のサーフィスモデルの表現 形式を導入すれば、計算コストを低減することができ、また、バーチャルリアリティ空間 での観察者が移動する場合も、擬似的にボリューム内部の 3次元描画処理を実行す ることがでさる。
[0021] しかし、上記従来のレンダリング処理技術では、下記に示す問題がある。
第 1の問題は自然さが損なわれる問題である。取得したボリュームデータをできるだ け実体の物理現象に近 、状態を表すように描画することが好ま 、ところ、上記従来 技術でレンダリング処理すれば、本来自由空間である 3次元空間内にスライス状のサ 一フィスモデルを導入するためにボタセル間に平面状の拘束関係が生じてしま 、、 自然さが損なわれてしまう。つまり、煙などは 3次元空間内に広がりをもって存在して V、るが、スライス状のサーフィスモデルを導入するのでボタセルはスライス平面上の 3 角形のポリゴンデータとして記述されることとなり（特開平 5— 266216号公報の図 5な ど）、 3次元空間内での広がりという特徴が表現できなくなる。
[0022] 第 2の問題はゆらぎ表現の問題である。取得したボリュームデータ自体にはゆらぎ のデータが与えられて ヽな 、が、煙などは 3次元空間にお!/、て上下左右のみならず 前後方向にも自由度を持ちつつゆらぎながら流れており、レンダリング処理において 、このゆらぎの表現ができれば、より実体の物理現象に近い状態を表すように描画す ることができる。しかし、上記従来技術によってレンダリング処理すれば、小さい計算 コストにお 、てこのような煙などの実体のゆらぎ具合 、を表現することができな!/、。
[0023] 第 3の問題は粒子の流速表現の問題である。取得したボリュームデータにはマクロ なボリュームデータの移動は含まれている力 例えば、煙などの場合は煙の粒子が 流れて移動する様が表現できな!/、とのつぺりとした塊が移動して 、るように表現され てしまう。もし、煙粒子の流速が適切に表現できると、より実体の物理現象に近い状 態を表すように可視化することができ、さらに、視聴者が煙などの描画対象の流速を 直感的に感得しやすくなる。
[0024] 本発明は、上記問題点に鑑み、計算コストの増大を抑えつつ、 3次元ボリュームデ ータのゆらぎ表現の付カ卩が柔軟にでき、視聴者が直感的に把握しやす 、粒子の流 速の表現も可能としたボリュームデータのレンダリングシステムおよびボリュームデー タのレンダリング処理方法を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0025] 上記目的を達成するため、本発明のボリュームデータのレンダリングシステムは、ボ リュームデータを基に輝度値および不透明度が与えられたボタセルデータセットを生 成するボタセルデータセット生成モジュールと、前記ボタセルデータセットからレイに 沿ったボタセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボタセルの輝度値および 不透明度を基に描画すべき画素データを生成するレイキャスティングモジュールと、 前記画素データを受け、ボリュームデータを描画する描画モジュールとを備え、前記 レイキャスティングモジュール力 前記サンプリングに力かるボタセルの座標位置をゆ らぎモデルに基づいて変動させることを特徴とする。
[0026] 上記構成において、前記ゆらぎモデルを前記ボリュームデータにより表現される物 理現象のゆらぎを反映する系統的なゆらぎモデルとすることが好ましい。例えば、描 画対象となるボリュームデータが火災時の煙であれば、煙がモクモクとゆらぎながら 立ち昇る具合いを反映する系統的なゆらぎモデルとする。一般的に煙のような乱流 現象は、統計的な量により特徴付けられるため、実際に生じる現象における空間濃 度分布の周波数特性を反映させたゆらぎボリュームを用意することが好ましい。 さらに上記構成において、前記ゆらぎモデル力 ボタセルの色合いデータについて のゆらぎの記述も備えていることも好ましい。ここで、色合いデータとは画素の色表現 に関するデータであり、例えば、加法混色の RGBデータ、減法混色の CMYKデータ 、顕色系であるマンセル表色系データや HIS表色系データなどが挙げられる。
[0027] また、複数のゆらぎモデルを格納したゆらぎモデルデータベースを備え、前記レイ キャスティングモジュール力 前記ゆらぎモデルデータベースから前記ボリュームデ ータにより表現される物理現象のゆらぎを反映する系統的なゆらぎモデルを選択して 装備することも好まし ヽ。
[0028] また、前記レイキャスティングモジュール力 前記ゆらぎモデルに基づく前記サンプ リングにかかるボタセルの座標位置の変動において、前記ゆらぎの大きさおよび流れ る方向につ 、て前記ボリュームデータにより表現される物理現象の移動速度を反映 した速度場モデルによる調整をカ卩えることも好ましい。
[0029] また、複数の速度場モデルを格納した速度場モデルデータベースを備え、前記レ ィキャスティングモジュール力 前記速度場モデルデータベース力 前記ボリューム データにより表現される物理現象の移動速度を反映した速度場モデルを選択して装 備できることが好ましい。
[0030] さらに、前記ゆらぎモデル力 各ボタセルにゆらぎ関数を配したゆらぎボリュームの 形で定義され、前記速度場モデルが、各ボタセルに速度を表す関数を配した速度場 ボリュームの形で定義され、前記ゆらぎボリュームにおいてどのボタセルを参照してい るかを示す参照情報を保持するインデックスボリュームを備え、前記インデックスボリ ユームを介して前記ゆらぎボリュームと前記速度場ボリュームとを連携させ、前記レイ キャスティングモジュール力 前記速度場ボリュームによる前記物理現象への影響を 反映させて前記インデックスボリュームの参照情報を更新し、前記更新にかかる参照 情報が示すゆらぎボリュームのボタセルに配されているゆらぎ関数を用いて前記サン プリングにかかるボリュームデータのボタセルの座標位置を変動させることも好ましい
発明の効果
[0031] 本発明のボリュームデータのレンダリングシステムによれば、レイキャスティングモジ ユールがサンプリングに力かるボタセルの座標位置をゆらぎモデルに基づいて変動さ せるので、煙などの描画対象のレンダリング結果において、計算コストの増大を抑え つつ、 3次元ボリュームデータとしての自然さを保ちつつ、煙などのボリュームデータ のゆらぎ表現を柔軟に可視化できるボリュームデータのレンダリングシステムを得るこ とがでさる。
[0032] 本発明のボリュームデータのレンダリングシステムによれば、レイキャスティングモジ ユール力 ゆらぎモデルに基づくサンプリングされるボタセル座標位置の変動にお！ヽ て、ゆらぎの大きさおよび流れる方向についてボリュームデータにより表現される物理 現象の移動速度を反映した速度場モデルによる調整を加えるので、可視化された煙 などの描画対象のレンダリング結果において煙の流速を適切に表現することができ、 視聴者が煙などの描画対象の流速を感得しやすくなる。
発明を実施するための最良の形態
[0033] 本発明のボリュームデータのレンダリングシステムは、取得したボリュームデータの レンダリング処理において、計算コストの増大を抑えつつ、実体の物理現象に近い自 然さを保ちつつ、ゆらぎ表現および粒子の流速の表現も可能としたものである。 本発明では、描画対象となる物理現象が持つ特徴的なゆらぎを記述したゆらぎボリ ユームという概念を導入し、各ボタセルのサンプリング処理において、当該ゆらぎボリ ユームを参照しつつボタセルのサンプリング処理にゆらぎを与えるものである。
[0034] 以下、実施例 1としてゆらぎ表現を可能とした構成例、実施例 2としてゆらぎ表現お よび粒子の流速の表現も可能とした構成例、実施例 3として、さらなる応用'拡張を可 能とした構成例を示す。
実施例 1
[0035] 実施例 1にかかる、ゆらぎ表現を可能としたボリュームデータのレンダリングシステム の構成例を示す。
図 1は本発明の実施例 1にかかるボリュームデータのレンダリングシステムにおける レンダリング処理の基本的な流れを模式的に示した図である。
[0036] 本発明の実施例 1のボリュームデータのレンダリングシステムにおいても、まず、ボリ ユームデータの取得処理 (S1)、各ボタセルごとの輝度値と不透明度の決定処理 (S2 )が行われる。これらの処理は、図 10に示した従来技術によるボリュームレンダリング 処理の流れと同様で良い。
[0037] 本発明のレイキャスティング処理では、新たに、ゆらぎ処理を加味したサンプリング 座標位置の決定処理（S 10)が加えられており、ボタセルのサンプリング処理（S3)に 対してゆらぎ処理（S 10)が反映されて!、る。
従来技術のボタセルのサンプリング処理では、図 11に示したようにレイの通り道に 沿って一定間隔でボタセルをサンプリングするものであり、サンプリングされるボクセ ルは固定的であった。図 12に示したスライス状のサーフィスモデルの概念を取り込ん だ従来技術でのボタセルのサンプリング処理も、サーフィス間の距離が固定的であり 、結局、レイの通り道に沿って一定間隔でボタセルをサンプリングするものと同様であ ると言える。
[0038] し力し、本発明のボリュームデータレンダリングシステムでは、ボタセルのサンプリン グ位置にぉ 、て、ゆらぎモデルに基づ ヽて 、わゆる空間的なゆらぎを持たせるため、 各々サンプリングされるボタセルの輝度値と色合いが一定ではなくゆらぎが生じること となる。最終的な輝度値の積分計算の結果においてもゆらぎが生じることとなり、可視 化されたレンダリング結果となる画素の輝度値や色合いにゆらぎが反映されることと なる。
[0039] 図 2は、本発明のボリュームデータレンダリングシステムのサンプリング処理におけ るサンプリングするボタセルの座標位置のゆらぎを模式的に示した図である。
200はボリュームデータのボタセルデータセットである。ボタセルを格子単位として 形成されている。 201はサンプリングされるボタセルを模式的に表している。 300はレ ィである。
[0040] 図 2の一番上の図は、第 1のフレームを描画するためのレイキャスティングによるボ クセルデータセットのサンプリング処理の様子を示して 、る。図 11に示した固定的な レイサンプリングに対して空間的にゆらぎを持っていることが分かる。レイの通り道に 対してサンプリングされるボタセル 201の座標位置が 3次元的にゆらいでいる。このサ ンプリング結果に基づいて第 1のフレームにおける対応画素の画素値が決められる。
[0041] 図 2の中央の図は、第 nのフレームを描画するためのレイキャスティングによるボクセ ルデータセットのサンプリング処理の様子を示している。図 2の中央の図においてサ ンプリングされるボタセル 201は、図 2の一番上の図においてサンプリングされるボタ セル 201に対してゆらぎを持っていることが分かる。このゆらぎは図 2の一番上の第 1 のフレーム力 nフレーム時間分経過したことにより生じているゆらぎ、つまり、時間的 ゆらぎである。
[0042] このように本発明のボリュームデータレンダリングシステムは、 1フレームの中に空間 的ゆらぎを織り込むことができ、さらに、動画として表示される可視化画像においてフ レーム間の時間的ゆらぎを織り込むことができる。このようにゆらぎ処理（S 10)に用い るゆらぎモデルの記述が空間的ゆらぎのみならず時間的ゆらぎを持つものであれば 、ゆらぎモデルに基づ 、てサンプリングするボタセル座標位置がフレーム間でゆらぐ こととなり、各ボタセルの輝度値と不透明度力 積分計算される輝度値においてゆら ぎが反映され、レンダリング結果にぉ 、てゆらぎを与えることができる。
[0043] ここで、上記のゆらぎ処理において、描画する対象となるボリュームデータにより表 現される物理現象のゆらぎを反映する系統的なゆらぎモデルを導入すれば、レンダリ ング結果において描画する対象の実体の物理現象を反映するゆらぎを織り込んで表 現することが可能となる。この点の詳しい説明は後述することとする。
[0044] レイキャスティング処理におけるサンプリング処理の結果、サンプリングされたボクセ ルの輝度値を i,不透明度を α、このボタセルに入射する入射輝度値を I とし、このボ
m
クセルを抜け出たときの出射輝度値を I とすると、当該ボタセルの出射輝度値は、従
out
来技術でも上述の数 1として掲載されたものと同じ数式である数 2で示される。 最終的に描画される画素値は、対応するレイの通り道に沿ってゆらぎ処理を経てサ ンプリングされて 、るボタセルにっ 、て下記数 2を積分したものとなる。
[0045] [数 2]
I ou t = I i n (1 —ct) + i
[0046] 各画素の描画処理を実行し、モニタ上に煙などのボリュームデータを描画する。
なお、図 1に示した積分処理（S4)、各画素の描画処理（S5)については、図 10に 示した従来技術によるボリュームレンダリング処理の流れと同様で良い。
以上力 本発明のボリュームレンダリングシステムの基本的な処理の流れである。
[0047] 次に、システムの構成例を示す。
図 3は、具体的に処理モジュールによってボリュームデータレンダリングシステム 10 0を構築した例を示す図である。各処理モジュールは汎用的な CPUとメモリシステム の組み合わせで構成しても良ぐ DSPなど専用ァクセラレータを用 Vヽても良 、。
[0048] 110はボリュームデータ取得モジュールである。例えば、シミュレーションデータとし て与えられているボリュームデータを取り込む。外部入力インタフェースを備え、ネット ワークを介して外部力 ボリュームデータを取り込む構成であっても良い。
[0049] 120はボタセルデータセット生成モジュールである。輝度値決定モジュール 121お よび不透明度決定モジュール 122を備えている。ボリュームデータ取得モジュール 1 10からボリュームデータを受け取り、ボタセルごとに展開し、その輝度値と不透明度 のデータセットを得る。
[0050] ボリュームデータ取得モジュール 110とボタセルデータセット生成モジュール 120間 にはループが形成されている。ボリュームデータは、シミュレーションの進行に伴って 変化する場合が多 、。ボリュームデータの更新を反映した新たなボタセルデータセッ トを用意しなければないため、ボリュームデータの更新周期ごとにボリュームデータ取 得モジュール 110を介して新たなボリュームデータを取得し、ボタセルデータセットを 生成する必要がある。そのため、図中に示したようにボリュームデータ取得モジユー ル 110とボタセルデータセット生成モジュール 120による処理がループを形成する。
[0051] 130はレイキャスティングモジュールである。レイキャスティングモジュール 130は、 サンプリングモジュール 131と、積分モジュール 132と、ゆらぎ処理モジュール 133を 備えている。
[0052] サンプリングモジュール 131は、まず、サンプリング原座標 d(x,y,z)を所定の規則に 従って決める。例えば、図 11に示した如ぐある画素に対応するレイを一つ選定し、 当該レイがボリュームを貫く道筋に沿って所定間隔のボタセルの座標値 d(x,y,z)を決 める。サンプリングモジュール 131は当該サンプリング原座標 d(x,y,z)をゆらぎ処理モ ジユーノレ 133に渡す。
[0053] ゆらぎ処理モジュール 133は、ボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎ を反映する系統的なゆらぎモデルを備え、所定間隔であったサンプリング原座標 d(x ,y,z)に対して、ゆらぎを考慮したサンプリングゆらぎ座標 U(t,d)に変換する。サンプリ ングモジュール 131より受け取ったサンプリング原座標 d(x,y , z)に対してゆらぎモデ ルを基にゆらぎ処理をカ卩え、サンプリングゆらぎ座標 U(t,d)を発生するものである。 ゆらぎ処理モジュール 133は各ボタセルにゆらぎ値を持たせたゆらぎモデルボリュ一 ムを備えている。ゆらぎ値は x,y,zの 3成分を持つベクトルとして与えられている。
[0054] サンプリングモジュール 131はゆらぎ処理モジュール 133からサンプリングゆらぎ座 標 U(t,d)を受け取り、当該座標位置のボタセルをサンプリング対象として決定する。 レイキャスティングモジュール 130は、サンプリングゆらぎ座標 U(t,d)を基にボクセ ルデータセット生成モジュール 120にアクセスし、それぞれの座標位置のボタセルの 輝度値と不透明度を取得する。その後、積分モジュール 132において、数式 2に基 づ 、た積分が施される。この積分値が対象として 、る画素の画素値となる。
[0055] 描画モジュール 140は、レイキャスティングモジュール 130から積分された輝度値を 受け、当該輝度値に従って画素をモニタ上に描画する。この描画モジュール 140に より全ての画素について描画すれば、ボリュームを可視化した一フレームが完成する ボリュームデータのシミュレーション表示が動画である場合、所定のフレーム周期ご とにフレームを書き換える必要がある。そのためレイキャスティングモジュール 130と 描画モジュール 140はループを形成しており、例えば、 1秒 30フレームで表示する場 合、上記レイキャスティングモジュール 130と描画モジュール 140によるループ処理 を 1秒間に 30回繰り返す。この 30フレームの可視化画像において、ボタセルのサン プリング座標位置についてボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎを反 映するゆらぎ処理が加えられているため、結果として、煙などが実際に近い形でゆら V、で 、るような効果を与えることが可能となる。
[0056] 図 4は、本発明におけるゆらぎ処理の概念を模式的に示した図である。
図 4において、 200はボリュームデータセットである。 210はゆらぎボリュームを模式 的に示している。ゆらぎボリューム 210とは、ゆらぎモデルに基づいて 3次元空間の各 ボタセルにゆらぎの関数を配した一種の写像ベクトル空間である。ある座標 d(x,y,z) を与えられると、その座標位置のボタセルに配されたゆらぎ関数 U(t,d)に変換する。
[0057] 従来技術であれば、点線の矢印で示したように、ボリュームデータに対してある座 標 d(x,y,z)を手掛力りとして、直接ボリュームデータの座標 d(x,y,z)に配されているボ クセルの輝度値、不透明度を取得する。
し力し、本発明のボリュームデータレンダリングシステムでは、ゆらぎボリュームにお V、て座標変換を施して力もボリュームデータにアクセスする。実線の矢印で示したよう に、まず、ある座標 d(x,y,z)をゆらぎボリュームに与え、ゆらぎボリュームにおいて当該 座標 d(x,y,z)に配されているゆらぎ関数 U(t,d)に変換する。そして変換されたゆらぎ 関数 U(t,d)に基づいて、レンダリングするフレームに対応する時刻 tlのゆらぎ関数 U(tl,d)を特定した上で、ボリュームデータにアクセスし、当該座標位置 d+U(tl,d)に 配されて!、るボタセルの輝度値、不透明度を取得する。
[0058] 次に、ゆらぎボリューム 210の一例を示す。
ゆらぎボリュームの一般的な形式は以下の写像で表現される。
U: (x,y,z) eR3→R3
また、次の (1)および (2)の性質を満たすことが望ま 、。
(1)平均が 0であること
(2)特徴的な長さを持つこと (フーリエ変換により得られる周波数成分が特徴的なピ ークを持つこと）
[0059] なお、サンプリング座標位置の決定処理において加味するゆらぎ処理のモデルとし て、描画するボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎに近い自然さを反 映する系統的なゆらぎモデルを利用することが好ましい。例えば、描画するボリユー ムが煙である場合、煙が立ち昇る時にみられる特徴的なゆらぎパターンをモデルィ匕し たゆらぎモデルを採用すれば、可視化された煙のボリュームデータのゆらぎ具合!/、が 実体の煙のゆらぎ具合いに近くなると 、う効果が得られる。
[0060] 煙に関するゆらぎボリューム u(t,d)は以下の手続きにより生成されたものである。ま ず、全ゆらぎを 0に初期化する。次に、ボリューム中の位置 r(x,y,z)をランダムに選択し 、各ボタセル dが保持して 、るゆらぎの各成分に対して正規分布的な下記数 3の変化 を加える。
[0061] [数 3] u(t,d)^u(t,d) + k exp(-( |d-r|2)/l)
[0062] ここで 1は煙が形成するパターンの特徴的なサイズである。 k,lにさらにゆらぎを与える ことも可能である。上式によるゆらぎボリュームへの摂動の付加を繰り返し行うことによ り、短距離自己相関の強いゆらぎが生成される。
[0063] 次に、本発明は、上記のようにサンプリングするボタセルの座標位置の決定におい てゆらぎを導入する力 さらにそのサンプリングされたボタセルの持つ輝度値や色合 いのデータに対して直接ゆらぎを導入することも可能である。ボリュームデータセット における隣接するボタセル間の輝度値や色合 、の変化が小さ 、場合であっても、輝 度値や色合いのデータに対して直接ゆらぎを導入する調整を行うことにより、視聴者 に対して、可視化された煙などのボリュームデータのゆらぎ具合いについての分かり やす 、視覚効果を確保せしめることが可能となる。
[0064] サンプリングされたボタセルの持つ輝度値や色合 、のデータにゆらぎを与えるゆら ぎボリュームの一例は以下のようなものが想定できる。
例えば加法混色の RGB系データの場合であれば、
U: (R,G,B)eR3→R3
例えば HSI系データの場合であれば、
U: (H,S,I)eR3→R3
[0065] 本発明のレンダリングシステムは、雲などの静止物の描画のみならず、煙のように流 体物など動的に変化するボリュームデータのレンダリング処理を行うことができるもの である。そのため、図 4に示したゆらぎボリュームを介したボリュームデータのアクセス は定期的に更新される必要がある。
[0066] 第 1の更新処理は、フレーム周期ごとに行う更新処理である。例えば、 1秒 30フレー ムの表示処理を行うならば 1Z30秒ごとにゆらぎボリューム 210の示す座標位置のボ クセルのサンプリング処理と積分処理を実行して次のフレームの各画素の描画処理 を実行する。このように 1Z30秒ごとにゆらぎボリューム 210からボリュームデータ 200 へのアクセスを実行し、実際の煙が持つゆらぎの動きをカ卩味した微妙な煙粒子のゆら ぎを表現しつつ描画処理を行う。なお、描画の品質を考慮し、例えば、コマ落ちさせ て、 1Z15秒ごとの更新処理としたり、 1Z10ごとの更新処理とすることができる。
[0067] 第 2の更新処理は、ボリュームデータ 200の更新周期ごとに行う更新処理である。
描画対象となる 3次元オブジェクトがマクロに移動したり、変形したりする場合、ボリュ ームデータ 200自体を適宜なタイミングで更新して新し 、ボリュームデータ 200に差 し替えられる。例えば、煙が壁面に沿って移動したり、風により流されたりするような、 マクロな移動や変形を表現する場合、ボリュームデータ 200自体を更新する。例えば 、 0. 5秒ごと、 1秒後など 3次元オブジェクトのマクロな変化の速さに応じて適切なタイ ミングで更新する。
実施例 2
[0068] 本発明の実施例 2のボリュームデータレンダリングシステムは、実施例 1のボリユー ムデータの粒子のゆらぎ表現に加え、粒子の流速の表現も可能とした構成例である
トンネル内や地下街での火災などにおいては、単に煙が自然に立ち昇るのみでは なぐトンネル内や地下街における空気の流れが煙の動きに大きく影響する。ここで、 空気の流れに乗った煙のマクロな移動などは、もともとシミュレーションデータ中に記 述されているので、レンダリングシステムは基本的にはそのシミュレーションに従って 描画すれば良い。しかし、煙などのオブジェクトはシミュレーションデータ中では粒子 一つ一つの動きとして記述されているわけではなぐボリュームデータという塊で与え られることが多い。そのため、レンダリングシステム側において適切なゆらぎ表現を行 わなければ、比較的のっぺりとした塊の動きとして表現されてしまう。また、視聴者にと つて煙の流速が実感しづら 、場合が多力つた。
[0069] そこで、実施例 2は、実施例 1で導入した煙という物理的現象の特徴を反映するゆ らぎ表現に加え、さらに、風など外界力 の影響を反映するゆらぎ表現を導入し、視 聴者に擬似的に煙の流速を実感しやすい可視化表現を行うものである。
図 5は、本発明の実施例 2にかかるボリュームデータのレンダリングシステムにおけ るレンダリング処理の基本的な流れを模式的に示した図である。
[0070] 本発明の実施例 2のボリュームデータレンダリングシステムにおいても、実施例 1の ボリュームデータレンダリングシステムと同様、レイキャスティング処理にゆらぎ処理が 加えられている力 実施例 2のゆらぎ処理 (S 10a)は、粒子の流速表現も取り込んだ ゆらぎ表現とし、視聴者が粒子の流速を実感しやす 、ような可視化表現となって 、る
[0071] その他のボリュームデータの取得処理（S1)、各ボタセルごとの輝度値と不透明度 の決定処理 (S2)、サンプリング処理 (S3)、積分処理 (S4)、描画処理 (S5)は実施 例 1と同様で良い。
[0072] 本実施例 2のボリュームデータレンダリングシステムは、ボリュームデータの粒子の ゆらぎ表現に加え、粒子の流速の表現も可能とするため、速度場ボリュームという概 念を導入する。速度場ボリュームは、速度場モデルに基づいて 3次元空間の各ボタ セルに速度を表す関数を配した一種の写像ベクトル空間である。ある座標 d(x,y,z)を 与えられると、その座標位置のボタセルに配された速度 v(t,d)に変換する。
[0073] 本実施例 2のボリュームデータレンダリングシステムでは、レイキャスティングモジュ ールは、速度場処理モジュールを介して風などの周囲の環境の影響を反映した上で ゆらぎ処理モジュールでのゆらぎ処理を行うものとなっている。
本実施例 2のボリュームデータレンダリングシステムは、速度場ボリュームとゆらぎボ リュームを維持しつつ、これら 2つの 3次元ベクトル空間のボタセルに配された関数の 演算を行う必要がある。そこで、同じく 3次元ベクトル空間のボタセルを持ち、参照点 を保持するインデックスボリュームを導入する。
[0074] 図 6は、実施例 2の流速表現を反映したゆらぎ処理の概念を模式的に示した図であ る。
図 6において、ボリュームデータセット 200およびゆらぎボリューム 210は図 4と同様 である。
[0075] インデックスボリューム 220は、ゆらぎモデルボリューム 210の参照点を保持してい るボリュームである。インデックスボリューム 220は、ボリュームデータ 200、ゆらぎボリ ユーム 210、速度場ボリューム 230と同じ 3次元空間に配されたボタセルを持っている 。インデックスボリューム 220は、初期化時に、各ボタセルに連続した値が入っている ことが好ましい。例えば、 i (r)=rとする。
[0076] 速度場ボリューム 230は、風などの影響を記述したモデルを備え、各ボタセルに 3 次元ベクトルデータを持たせている。例えば、 v(r)と表現される。
インデックスボリューム 220を介してゆらぎモデルボリューム 210を参照するので、速 度場の影響で時々刻々と移動する変化をインデックスボリュームに反映させて保持 することができる。例えば、下記数 4のように参照点を移動する。
[0077] [数 4] ij Cr)+kvvCr)
[0078] 従来技術であれば、点線の矢印で示したように、ボリュームデータに対してある座 標 d(x,y,z)を手掛力りとして、直接ボリュームデータの座標 d(x,y,z)に配されているボ クセルの輝度値、不透明度を取得する。
しかし、実施例 2のボリュームデータレンダリングシステムでは、実線の矢印で示した ように、速度場ボリューム 230による流速表現の反映と、ゆらぎモデルボリューム 210 による座標変換を施して力もボリュームデータにアクセスする。
[0079] まず、ある座標 d(x,y,z)をインデックスボリューム 220に与え、インデックスボリューム 220において当該座標 d(x,y,z)に配されているボタセルが持つ参照座標 i(t,d)に変 換する。次に、参照座標 i(t,d)をゆらぎボリューム 210に与え、ゆらぎボリューム 210 において当該参照座標 i(t,d)に配されているボタセルが持つゆらぎ関数 u(t,i(t,d))に 変換する。そして変換されたゆらぎ関数 u(t,i(t,d》に基づいて、レンダリングするのフ レームに対応する時刻 tlのゆらぎ関数 u(tl,i(tl,d))を特定した上で、ボリュームデー タにアクセスし、当該座標位置 d+u(tl,i(tl,d》に配されているボタセルの輝度値、不 透明度を取得する。
[0080] 上記のように、風などの影響を反映した形でインデックスボリューム 220の参照座標 が移動して行くので、輝度値および不透明度の変化の速さも参照座標の移動の速さ に従って変化するので、擬似的に煙などの粒子の流速を可視化したレンダリングが 可能となる。
[0081] 図 7は、具体的に処理モジュールによってボリュームデータレンダリングシステム 10 0を構築した例を示す図である。各処理モジュールは汎用的な CPUとメモリシステム の組み合わせで構成しても良ぐ DSPなど専用ァクセラレータを用 Vヽても良 、。
[0082] 実施例 2では、レイキャスティングモジュール 130の中に、サンプリングモジュール 1 31と、積分モジュール 132と、ゆらぎ処理モジュール 133に加え、速度場処理モジュ ール 134が加えられて!/、る。
[0083] 実施例 1の図 3の場合、サンプリングモジュール 131は、サンプリング原座標 d(x,y,z )を所定の規則に従って決め、当該サンプリング原座標 d(x,y,z)をゆらぎ処理モジュ ール 133〖こ渡した力 実施例 2の場合、サンプリングモジュール 131は、サンプリング 原座標 d(x,y,z)を所定の規則に従って決め、まず、速度場処理モジュール 134に渡 す。
[0084] 速度場処理モジュール 134は、風などの周囲の環境の影響を記述したモデルを備 え、サンプリングモジュール 131より受け取ったサンプリング原座標 d(x,y,z)に対して 速度場モデルを基に、煙などの流速を反映したシフト処理をカ卩え、インデックスボリュ ームの当該座標位置のボタセルが持つ参照座標 i(t,d)を発生する。つまり、サンプリ ング原座標 d(x,y,z)に対して、煙粒子の風などによる動きを考慮した参照座標 i(t,d) に変換する。
[0085] ゆらぎ処理モジュール 133は、速度場処理モジュール 134から参照座標 i(t,d)を受 け取り、参照座標 i(t,d)に対してゆらぎモデルを基にゆらぎ処理をカ卩え、サンプリング ゆらぎ座標 u(t,i(t,d》を発生する。つまり、ゆらぎ処理モジュール 133は受け取った参 照座標 i(t,d)に対して、ゆらぎを考慮したサンプリングゆらぎ座標 u(t,i(t,d》に変換す る。サンプリングモジュール 131はゆらぎ処理モジュール 133からサンプリングゆらぎ 座標 U(t,i(t,d》を受け取り、当該座標位置のボタセルをサンプリング対象として決定 する。
[0086] このように、実施例 2では、レイキャスティングモジュール 130は、速度場処理モジュ ール 134を介して風などの周囲の環境の影響を反映した上でゆらぎ処理モジュール 133でのゆらぎ処理を行うものとなつている。
レイキャスティングモジュール 130は、サンプリングゆらぎ座標 u(t,i(t,d》を基にボタ セルデータセット生成モジュール 120にアクセスし、それぞれの座標位置のボタセル の輝度値と不透明度を取得する。その後、積分モジュール 132において、前述の数 2に基づいた積分が施される。この積分値が対象としている画素の画素値となる。描 画モジュール 140は、レイキャスティングモジュール 130から積分された輝度値を受 け、当該輝度値に従って画素をモニタ上に描画する。この描画モジュール 140により 全ての画素につ!/、て描画すれば、ボリュームを可視化した一フレームが完成する。
[0087] このように実施例 2のボリュームデータレンダリングシステムは、 1フレームの中に空 間的ゆらぎを織り込むことができ、さらに、動画として表示される可視化画像において 、風などの影響を反映した流速表現を取り込んだフレーム間の時間的ゆらぎを織り込 むことができる。このように流速表現を取り込んだゆらぎ処理 (S 10a)を行うことにより 、サンプリングするボタセル座標位置がフレーム間でゆらぐこととなり、レンダリング結 果において擬似的に流速表現を取り込んだゆらぎを与えることができる。
[0088] 次に、インデックスボリュームの定期的な初期化処理の工夫について述べる。
風などボリュームデータに対する外界の影響が複雑であり空間全体にわたり一様と いうものではなぐ場所 (座標位置）によっては異なる速度を持っている速度場モデル である場合、サンプリング原座標において近くに位置し、相互に相関が強ぐ当初、 ゆらぎボリューム内の近くのボタセルを参照していた 2点について、速度場モデルに おいて異なる速度を持っている場合、時間の経過とともにインデックスボリュームでの 参照点が互いに離れて行き、ゆらぎボリュームにおいて参照したボタセルのゆらぎ座 標について、相互の相関性が失われ、相互のゆらぎが単にランダムなものとなってし まい、描画対象のボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎを反映した系 統的なゆらぎとはならな 、。本発明の実施例 2のボリュームデータレンダリングシステ ムでは、風などの影響による粒子の流速が視聴者に分力りやすく可視化できれば良 V、ので、速度場モデルに基づ 、てインデックスボリューム内での参照座標のシフト量 が反映できれば良ぐ参照座標を初期化しても大きな問題とはならない。そこで、イン デッタスボリュームを定期的に初期化して各ボタセルに連続した値が入っている状態 に戻す工夫を施すことができる。このようにインデックスボリュームを定期的に初期化 すれば、サンプリング原座標において近くに位置し、相互に相関が強いデータ間の 相関性を適度に維持することができる。
実施例 3
[0089] 本発明の実施例 3のボリュームデータレンダリングシステムは、実施例 1、実施例 2 に示したゆらぎ処理モジュール 133のゆらぎモデル、速度場処理モジュール 134の 速度場モデルの入れ替えを柔軟に可能とした構成例である。
[0090] 本発明の実施例 3のボリュームデータレンダリングシステムの描画対象は煙には限 定されないが、以下は一例として描画対象を煙として説明する。
トンネル内や地下街での火災などにおいては、単に煙が自然に立ち昇るのみでは なぐトンネル内や地下街における空気の流れが煙の動きに大きく影響する。さらに、 トンネル内の非常口の開閉、防火扉の開閉や、送風口からの送風能力の変動、地下 鉄駅構内であれば電車の発着などの物体の移動など、空気の流れが大きく変わる場 合がある。このような空気の流れが大きく変わる場合、空気の流れを記述する速度場 モデルを変更する必要が生じる。本実施例 3ではゆらぎ処理モジュール 133のゆらぎ モデル、速度場処理モジュール 134の速度場モデルの入れ替えを柔軟に可能として いる。
[0091] また、煙のゆらぎ具合いは、着火している材料、空間内での酸素濃度、温度、火災 の規模などによって異なる場合がある。このような煙のゆらぎ具合いに影響を与える 条件は、火災の進行、火災の規模などにより変動するので、煙のゆらぎ具合いを適 切に表すゆらぎモデルを動的に採用することが好ましい。
[0092] 図 8は、処理モジュールによって実施例 3にかかるボリュームデータレンダリングシス テム 100を構築した例を示す図である。各処理モジュールは汎用的な CPUとメモリシ ステムの組み合わせで構成しても良ぐ DSPなど専用ァクセラレータを用いても良い [0093] 実施例 3では、レイキャスティングモジュール 130の中に、サンプリングモジュール 1 31と、積分モジュール 132と、ゆらぎ処理モジュール 133、速度場処理モジュール 1 34にカロえ、ゆらぎモデルデータベース 135と速度場モデルデータベース 136を備え るものとなっている。
[0094] ゆらぎモデルデータベース 135には、着火している材料、空間内での酸素濃度、温 度、火災の規模などに応じた複数のゆらぎモデルが格納されて 、る。
速度場モデルデータベース 136には、非常口の開閉、防火扉の開閉や、送風口か らの送風能力の変動などに応じた複数の速度場モデルが格納されている。
[0095] ゆらぎ処理モジュール 133は、着火している材料、空間内での酸素濃度、温度、火 災の規模などの情報を自ら検知しまたは外部力もの通知を受け、それに応じたゆらぎ モデルをゆらぎモデルデータベース 135から取り出して動的に装備する。
[0096] 速度場処理モジュール 134は、非常口の開閉、防火扉の開閉や、送風口からの送 風能力の変動などの情報を自ら検知しまたは外部からの通知を受け、それに応じた 速度場モデルを速度場モデルデータベース 136から取り出して動的に装備する。
[0097] このように、本発明の実施例 3のボリュームデータレンダリングシステムは、多様な条 件変動に応じたゆらぎモデル、速度場モデルの動的な入れ替えができ、自然なゆら ぎを表現したレンダリング処理を継続して行くことができる。
実施例 4
[0098] 本発明のボリュームデータレンダリングシステムは、上記に説明した構成を実現する 処理ステップを記述したプログラムとして提供することにより、各種コンピュータを用 ヽ て構築することができる。本発明のボリュームデータレンダリングシステムを実現する 処理ステップを備えたプログラムは、例えば、図 9に図示した構成例に示すように、 C D— ROMや DVDやフレキシブルディスク等の可搬型記録媒体だけでなく、ネットヮ ーク上にあるプログラムサーバ力 ダウンロードさせるものであっても良ぐプログラム 実行時には、プログラムはコンピュータ上にローデイングされ、主メモリ上で実行され る。
[0099] さらに、ソースプログラムをコンパイルしたもののみならず、いわゆるネットワークを介 してクライアントコンピュータに中間言語形式のアブレットを送信し、クライアントコンビ ユータ上でインタープリタ実行して動作する構成であっても良!、。
産業上の利用可能性
[0100] 本発明は、 3次元空間で定義されたボリュームデータを可視化するボリュームデー タレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング処理方法に適用できる。 図面の簡単な説明
[0101] [図 1]本発明の実施例 1にかかるボリュームデータのレンダリングシステムにおけるレ ンダリング処理の基本的な流れを模式的に示した図
[図 2]本発明のボリュームデータレンダリングシステムのサンプリング処理におけるサ ンプリングするボタセルの座標位置のゆらぎを模式的に示した図
[図 3]処理モジュールによってシステムを構築した例を示す図
[図 4]本発明におけるゆらぎ処理の概念を模式的に示した図
[図 5]本発明の実施例 2にかかるボリュームデータのレンダリングシステムにおけるレ ンダリング処理の基本的な流れを模式的に示した図
[図 6]実施例 2の流速表現を反映したゆらぎ処理の概念を模式的に示した図
[図 7]具体的に処理モジュールによってシステムを構築した例を示す図
[図 8]処理モジュールによって実施例 3にかかるボリュームデータレンダリングシステム を構築した例を示す図
[図 9]本発明のボリュームデータレンダリングシステムを実現する処理ステップを記述 したプログラムとして提供する様子を模式的に示す図
[図 10]ボリュームデータを用いた場合のレンダリング処理手順の基本的な流れを示し た図
[図 11]レイキャスティング処理の概念を模式的に説明する図
[図 12]ボリュームデータの表現形式にスライス状のサーフィスモデルの表現形式を導 入する概念を模式的に示す図
符号の説明
[0102] 100 ボリュームデータレンダリングシステム
110 ボリュームデータ取得モジュール 120 ボタセルデータセット生成モジュール
121 輝度値決定モジュール
122 不透明度決定モジュール
130 レイキャスティングモジュール
131 サンプリングモジユーノレ
132 積分モジュール
133 ゆらぎ処理モジユーノレ
134 速度場処理モジュール
135 ゆらぎモデルデータベース
136 速度場モデルデータベース
140 描画モジユーノレ
200 ボリュームデータのボクセルデータセット 201 ボクセノレ
202 レイ
210 ゆらぎボリューム
220 インデックスボリューム
230 速度場ボリューム

Claims

請求の範囲
[1] ボリュームデータを基に輝度値および不透明度が与えられたボタセルデータセット を生成するボタセルデータセット生成モジュールと、
前記ボタセルデータセットからレイに沿ったボタセルをサンプリングし、前記サンプリ ングにかかるボタセルの輝度値および不透明度を基に描画すべき画素データを生成 するレイキャスティングモジュールと、
前記画素データを受け、ボリュームデータを描画する描画モジュールとを備え、 前記レイキャスティングモジュール力 前記サンプリングにかかるボタセルの座標位 置をゆらぎモデルに基づいて変動させることを特徴とするボリュームデータレンダリン グシステム。
[2] 前記ゆらぎモデル力 前記ボリュームデータにより表現される物理現象のゆらぎを 反映する系統的なゆらぎモデルである請求項 1に記載のボリュームデータレンダリン グシステム。
[3] 前記ゆらぎモデル力 ボタセルの色合いデータについてのゆらぎの記述も備えてい る請求項 1又は 2に記載のボリュームデータレンダリングシステム。
[4] 複数のゆらぎモデルを格納したゆらぎモデルデータベースを備え、
前記レイキャスティングモジュール力 前記ゆらぎモデルデータベースから前記ボリ ユームデータにより表現される物理現象のゆらぎを反映する系統的なゆらぎモデルを 選択して装備した請求項 1又は 3に記載のボリュームデータレンダリングシステム。
[5] 前記ゆらぎモデルに基づく前記サンプリングにかかるボタセルの座標位置の変動に おいて、前記ゆらぎの大きさおよび流れる方向について前記ボリュームデータにより 表現される物理現象の移動速度を反映した速度場モデルによる調整を加えた請求 項 1乃至 3のいずれかに記載のボリュームデータレンダリングシステム。
[6] 複数の速度場モデルを格納した速度場モデルデータベースを備え、
前記レイキャスティングモジュール力 前記速度場モデルデータベース力 前記ボ リュームデータにより表現される物理現象の移動速度を反映した速度場モデルを選 択して装備する請求項 4に記載のボリュームデータレンダリングシステム。
[7] 前記ゆらぎモデル力 各ボタセルにゆらぎ関数を配したゆらぎボリュームの形で定 義され、前記速度場モデルが、各ボタセルに速度を表す関数を配した速度場ボリュ ームの形で定義され、
前記ゆらぎボリュームにお 、てどのボタセルを参照して 、るかを示す参照情報を保 持するインデックスボリュームを備え、
前記インデックスボリュームを介して前記ゆらぎボリュームと前記速度場ボリュームと を連携させ、
前記レイキャスティングモジュールが、前記速度場ボリュームによる前記物理現象 への影響を反映させて前記インデックスボリュームの参照情報を更新し、前記更新に 力かる参照情報が示すゆらぎボリュームのボタセルに配されているゆらぎ関数を用い て前記サンプリングにかかるボリュームデータのボタセルの座標位置を変動させる請 求項 5又は 6に記載のボリュームデータレンダリングシステム。
[8] ボリュームデータを基に輝度値および不透明度が与えられたボタセルデータセット を生成するボタセルデータセット生成処理ステップと、
前記ボタセルデータセットからレイに沿ったボタセルをサンプリングし、前記サンプリ ングにかかるボタセルの輝度値および不透明度を基に描画すべき画素データを生成 するレイキャスティング処理ステップと、
前記画素データを受け、ボリュームデータを描画する描画処理ステップとを備え、 前記レイキャスティング処理ステップにお 、て、前記サンプリングにかかるボタセル の座標位置をゆらぎモデルに基づいて変動させることを特徴とするボリュームデータ レンダリング処理プログラム。
[9] ボリュームデータを基に輝度値および不透明度が与えられたボタセルデータセット を生成するボタセルデータセット生成手順と、
前記ボタセルデータセットからレイに沿ったボタセルをサンプリングし、前記サンプリ ングにかかるボタセルの輝度値および不透明度を基に描画すべき画素データを生成 するレイキャスティング手順と、
前記画素データを受け、ボリュームデータを描画する描画手順とを備え、 前記レイキャスティング手順にぉ 、て、前記サンプリングにかかるボタセルの座標位 置をゆらぎモデルに基づいて変動させることを特徴とするボリュームデータレンダリン グ処理方法。
PCT/JP2006/305148 2005-03-18 2006-03-15 ボリュームデータレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング処理方法 WO2006100984A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005079661A JP4656633B2 (ja) 2005-03-18 2005-03-18 ボリュームデータレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング処理プログラム
JP2005-079661 2005-03-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006100984A1 true WO2006100984A1 (ja) 2006-09-28

Family

ID=37023648

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2006/305148 WO2006100984A1 (ja) 2005-03-18 2006-03-15 ボリュームデータレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング処理方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP4656633B2 (ja)
WO (1) WO2006100984A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110489480A (zh) * 2019-07-04 2019-11-22 华北电力大学 一种测井数据多属性快速切换可视化方法
CN117078836A (zh) * 2023-07-24 2023-11-17 中国人民解放军海军工程大学 基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法及系统

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101788583B1 (ko) 2011-02-08 2017-10-23 삼성전자주식회사 복셀 가시성에 기반한 ｋｄ-트리 구성 방법 및 장치
KR101090660B1 (ko) 2011-09-14 2011-12-07 인하대학교 산학협력단 포인트 프리미티브를 이용한 실시간 볼륨 렌더링 방법
JP6513391B2 (ja) * 2014-12-24 2019-05-15 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 医用画像処理装置、医用画像処理装置における画像データ表示方法およびｘ線ｃｔ装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08138078A (ja) * 1994-11-09 1996-05-31 Toshiba Medical Eng Co Ltd 画像処理装置
JP2002312809A (ja) * 2001-04-12 2002-10-25 Ziosoft Inc ３次元画像表示方法
JP2003334189A (ja) * 2002-05-21 2003-11-25 Mitsubishi Electric Corp 放射線治療計画装置および方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0454682A (ja) * 1990-06-22 1992-02-21 Toshiba Corp 立体画像処理方法及びその装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08138078A (ja) * 1994-11-09 1996-05-31 Toshiba Medical Eng Co Ltd 画像処理装置
JP2002312809A (ja) * 2001-04-12 2002-10-25 Ziosoft Inc ３次元画像表示方法
JP2003334189A (ja) * 2002-05-21 2003-11-25 Mitsubishi Electric Corp 放射線治療計画装置および方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110489480A (zh) * 2019-07-04 2019-11-22 华北电力大学 一种测井数据多属性快速切换可视化方法
CN117078836A (zh) * 2023-07-24 2023-11-17 中国人民解放军海军工程大学 基于浅海环境近场声全息的辐射声场可视化方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
JP4656633B2 (ja) 2011-03-23
JP2006260408A (ja) 2006-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7450122B2 (en) Volumetric hair rendering
KR101145260B1 (ko) 3ｄ 객체 모델에 텍스쳐를 매핑하는 방법 및 장치
US8760449B1 (en) Multi-stage fire simulation
CN106575445B (zh) 毛皮虚拟化身动画
CN108984169B (zh) 一种跨平台多元集成开发系统
KR100568563B1 (ko) 입자동역학 해석기법과 볼륨렌더링 기법을 이용한 실시간 유체유동 시뮬레이션 및 렌더링 방법
Krüger et al. GPU simulation and rendering of volumetric effects for computer games and virtual environments
Goswami A survey of modeling, rendering and animation of clouds in computer graphics
WO2006100984A1 (ja) ボリュームデータレンダリングシステムおよびボリュームデータレンダリング処理方法
WO2008014384A2 (en) Real-time scenery and animation
Wang et al. Capturing the dance of the earth: PolarGlobe: Real-time scientific visualization of vector field data to support climate science
KR100568562B1 (ko) 연속체 유체역학 해석기법과 볼륨렌더링 기법을 이용한 실시간 유체유동 시뮬레이션 및 렌더링 방법
US9401044B1 (en) Method for conformal visualization
CN110866964A (zh) 一种gpu加速的椭球裁剪图地形渲染方法
KR100898989B1 (ko) 물 표면의 포말 생성 및 표현 장치와 그 방법
King et al. Fast volume rendering and animation of amorphous phenomena
CA2866589C (en) Method for representing a participating media in a scene and corresponding device
Kim et al. Fast GPU computation of the mass properties of a general shape and its application to buoyancy simulation
Ma et al. Hierarchical octree and sub-volume texture block projection for GPU accelerated ray casting volume rendering
Nordahl Enhancing the hpc-lab snow simulator with more realistic terrains and other interactive features
Andrei et al. Bioblender: A software for intuitive representation of surface properties of biomolecules
Timokhin et al. Computer modeling and visualization of accurate terrain shadows in virtual environment system
Wei et al. Real-time visualization of the East China Sea based on priceton ocean model and volume rendering
Li et al. Novel hierarchical level of detail combinatorial optimization method for large-scale 3D scene
Kolivand et al. Simulated real-time soft shadow in mixed reality using fuzzy logic

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06729169

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1