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
【課題】
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。
【解決手段】
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。
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。
【解決手段】
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。
【発明の詳細な説明】
【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いる。
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次元オブジェク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いないとされている。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いう特徴量と不透明度をボクセル（Voxel）ごとに持たせた３次元配列データである。ここでボクセルとは３次元空間を細かく分割した格子状の小立方を言う。３次元空間をボクセルで満たし、各ボク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。各ボクセルに不透明度を導入することにより、３次元オブジェクトについて半透明状態の表現や、霧のようないわゆる「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（Ｓ１）。ボリュームデータはあらかじめ用意されているものでも良く、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、各ボク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クセルの輝度値と不透明度を元にした積分計算処理（Ｓ４）を備えている。
【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クセルデータセット１２００に分布しているボクセル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クセル１２０１の特徴量（輝度値）を加算して行く手法である。各ボクセルに不透明度を与えられていれば、レイ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クセルの輝度値と不透明度との積を加算していき、不透明度の総和が１となるか、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、レイキャスティングによる画素の輝度値Ｉｏｕｔは、視線の入力時の輝度値をＩｉｎ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】
【００１３】
最終的に描画される画素値１３０１は、上記数式１をすべ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ク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、専用のア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く、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号公報が挙げられる。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、各レイについ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】
【発明が解決しようとする課題】
【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きる。
【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い状態を表すように描画することが好ましいところ、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ーフィスモデルを導入するためにボクセル間に平面状の拘束関係が生じてしまい、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いるが、スライス状のサーフィスモデルを導入するのでボク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いないが、煙などは３次元空間におい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いてこのような煙などの実体のゆらぎ具合いを表現することができない。
【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が、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いとのっぺりとした塊が移動してい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加が柔軟にでき、視聴者が直感的に把握しやすい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クセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成モジュールと、前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボク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が、前記サンプリングにかかるボク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、前記ゆらぎモデルが、ボク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が、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い。
【００２８】
また、前記レイキャスティングモジュールが、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ク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、前記レイキャスティングモジュールが、前記速度場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、前記ゆらぎモデルが、各ボク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、各ボク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ク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、前記更新にかかる参照情報が示すゆらぎボリュームのボク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ク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ュールがサンプリングにかかるボク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きる。
【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ュールが、ゆらぎモデルに基づくサンプリングされるボクセル座標位置の変動において、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ュームという概念を導入し、各ボクセルのサンプリング処理において、当該ゆらぎボリュームを参照しつつボク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、ボリュームデータの取得処理（Ｓ１）、各ボク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（Ｓ１０）が加えられており、ボクセルのサンプリング処理（Ｓ３）に対してゆらぎ処理（Ｓ１０）が反映されている。
従来技術のボク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ク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ク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クセルをサンプリングするものと同様であると言える。
【００３８】
しかし、本発明のボリュームデータレンダリングシステムでは、ボクセルのサンプリング位置において、ゆらぎモデルに基づいてい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ク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ク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クセルデータセットである。ボク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クセルを模式的に表している。３００はレイである。
【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いる。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クセル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クセル２０１は、図２の一番上の図においてサンプリングされるボクセル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のフレームから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（Ｓ１０）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いてサンプリングするボクセル座標位置がフレーム間でゆらぐこととなり、各ボクセルの輝度値と不透明度から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おい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、このボクセルに入射する入射輝度値をＩｉｎとし、このボクセルを抜け出たときの出射輝度値をＩｏｕｔとすると、当該ボクセルの出射輝度値は、従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いるボクセルについて下記数２を積分したものとなる。
【００４５】
【数２】
【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。
以上が、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く、ＤＳＰなど専用アクセラレータを用いても良い。
【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からボリュームデータを取り込む構成であっても良い。
【００４９】
１２０はボク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１１０からボリュームデータを受け取り、ボクセルごとに展開し、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とボク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い。ボリュームデータの更新を反映した新たなボク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、ボク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ュール１１０とボク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に示した如く、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クセルの座標値 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)をゆらぎ処理モジュール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加え、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は各ボクセルにゆらぎ値を持たせたゆらぎモデルボリュームを備えている。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、当該座標位置のボク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ク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。
【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、ボク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いでい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次元空間の各ボク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、その座標位置のボク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)を手掛かりとして、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、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いて座標変換を施してから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ｔ１のゆらぎ関数 U(t1,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(t1,d) に配されているボクセルの輝度値、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)∈R3→R3
また、次の(1)および(2)の性質を満たすことが望ましい。
(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、描画するボリュ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化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いが実体の煙のゆらぎ具合いと近くなるという効果が得られる。
【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、各ボクセルdが保持してい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】
【００６２】
ここでl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クセルの座標位置の決定においてゆらぎを導入するが、さらにそのサンプリングされたボク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クセル間の輝度値や色合いの変化が小さい場合であっても、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い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クセルの持つ輝度値や色合い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)∈R3→R3
例えばＨＳＩ系データの場合であれば、
U: (H,S,I)∈R3→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１／３０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１／３０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加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、１／１５秒ごとの更新処理としたり、１／１０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いボリュームデータ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く、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く、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、視聴者にとって煙の流速が実感しづらい場合が多かった。
【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、風など外界から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が、実施例２のゆらぎ処理（Ｓ１０ａ）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いような可視化表現となっている。
【００７１】
その他のボリュームデータの取得処理（Ｓ１）、各ボク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次元空間の各ボク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、その座標位置のボク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ク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クセルを持ち、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、ゆらぎボリューム２１０、速度場ボリューム２３０と同じ３次元空間に配されたボクセルを持っている。インデックスボリューム２２０は、初期化時に、各ボクセルに連続した値が入っていることが好ましい。例えば、iｊ(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、各ボクセルに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】
【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)を手掛かりとして、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から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)に配されているボク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)に配されているボク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ｔ１のゆらぎ関数 u(t1,i(t1,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(t1,i(t1,d)) に配されているボクセルの輝度値、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く、ＤＳＰなど専用アクセラレータを用いても良い。
【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１３１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が加えられている。
【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に渡したが、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加え、インデックスボリュームの当該座標位置のボク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加え、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、当該座標位置のボク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っている。
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ク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。
【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（Ｓ１０ａ）を行うことにより、サンプリングするボク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く、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、相互に相関が強く、当初、ゆらぎボリューム内の近くのボク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ク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い。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かりやすく可視化できれば良いので、速度場モデルに基づい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く、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、インデックスボリュームを定期的に初期化して各ボク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く、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く、ＤＳＰなど専用ア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１３１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１３４に加え、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いる。
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からの通知を受け、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い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、ＣＤ−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、ネットワーク上にあるプログラムサーバからダウンロードさせるものであっても良く、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ィングされ、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プレットを送信し、クライアントコンピュ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い。
【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ク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 ボク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 サンプリングモジュール
１３２ 積分モジュール
１３３ ゆらぎ処理モジュール
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 描画モジュール
２００ ボリュームデータのボクセルデータセット
２０１ ボクセル
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
【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いる。
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次元オブジェク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いないとされている。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いう特徴量と不透明度をボクセル（Voxel）ごとに持たせた３次元配列データである。ここでボクセルとは３次元空間を細かく分割した格子状の小立方を言う。３次元空間をボクセルで満たし、各ボク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。各ボクセルに不透明度を導入することにより、３次元オブジェクトについて半透明状態の表現や、霧のようないわゆる「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（Ｓ１）。ボリュームデータはあらかじめ用意されているものでも良く、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、各ボク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クセルの輝度値と不透明度を元にした積分計算処理（Ｓ４）を備えている。
【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クセルデータセット１２００に分布しているボクセル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クセル１２０１の特徴量（輝度値）を加算して行く手法である。各ボクセルに不透明度を与えられていれば、レイ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クセルの輝度値と不透明度との積を加算していき、不透明度の総和が１となるか、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、レイキャスティングによる画素の輝度値Ｉｏｕｔは、視線の入力時の輝度値をＩｉｎ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】
【００１３】
最終的に描画される画素値１３０１は、上記数式１をすべ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ク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、専用のア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く、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号公報が挙げられる。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、各レイについ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】
【発明が解決しようとする課題】
【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きる。
【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い状態を表すように描画することが好ましいところ、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ーフィスモデルを導入するためにボクセル間に平面状の拘束関係が生じてしまい、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いるが、スライス状のサーフィスモデルを導入するのでボク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いないが、煙などは３次元空間におい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いてこのような煙などの実体のゆらぎ具合いを表現することができない。
【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が、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いとのっぺりとした塊が移動してい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加が柔軟にでき、視聴者が直感的に把握しやすい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クセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成モジュールと、前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボク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が、前記サンプリングにかかるボク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、前記ゆらぎモデルが、ボク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が、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い。
【００２８】
また、前記レイキャスティングモジュールが、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ク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、前記レイキャスティングモジュールが、前記速度場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、前記ゆらぎモデルが、各ボク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、各ボク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ク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、前記更新にかかる参照情報が示すゆらぎボリュームのボク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ク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ュールがサンプリングにかかるボク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きる。
【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ュールが、ゆらぎモデルに基づくサンプリングされるボクセル座標位置の変動において、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ュームという概念を導入し、各ボクセルのサンプリング処理において、当該ゆらぎボリュームを参照しつつボク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、ボリュームデータの取得処理（Ｓ１）、各ボク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（Ｓ１０）が加えられており、ボクセルのサンプリング処理（Ｓ３）に対してゆらぎ処理（Ｓ１０）が反映されている。
従来技術のボク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ク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ク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クセルをサンプリングするものと同様であると言える。
【００３８】
しかし、本発明のボリュームデータレンダリングシステムでは、ボクセルのサンプリング位置において、ゆらぎモデルに基づいてい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ク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ク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クセルデータセットである。ボク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クセルを模式的に表している。３００はレイである。
【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いる。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クセル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クセル２０１は、図２の一番上の図においてサンプリングされるボクセル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のフレームから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（Ｓ１０）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いてサンプリングするボクセル座標位置がフレーム間でゆらぐこととなり、各ボクセルの輝度値と不透明度から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おい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、このボクセルに入射する入射輝度値をＩｉｎとし、このボクセルを抜け出たときの出射輝度値をＩｏｕｔとすると、当該ボクセルの出射輝度値は、従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いるボクセルについて下記数２を積分したものとなる。
【００４５】
【数２】
【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。
以上が、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く、ＤＳＰなど専用アクセラレータを用いても良い。
【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からボリュームデータを取り込む構成であっても良い。
【００４９】
１２０はボク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１１０からボリュームデータを受け取り、ボクセルごとに展開し、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とボク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い。ボリュームデータの更新を反映した新たなボク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、ボク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ュール１１０とボク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に示した如く、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クセルの座標値 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)をゆらぎ処理モジュール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加え、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は各ボクセルにゆらぎ値を持たせたゆらぎモデルボリュームを備えている。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、当該座標位置のボク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ク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。
【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、ボク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いでい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次元空間の各ボク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、その座標位置のボク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)を手掛かりとして、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、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いて座標変換を施してから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ｔ１のゆらぎ関数 U(t1,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(t1,d) に配されているボクセルの輝度値、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)∈R3→R3
また、次の(1)および(2)の性質を満たすことが望ましい。
(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、描画するボリュ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化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いが実体の煙のゆらぎ具合いと近くなるという効果が得られる。
【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、各ボクセルdが保持してい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】
【００６２】
ここでl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クセルの座標位置の決定においてゆらぎを導入するが、さらにそのサンプリングされたボク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クセル間の輝度値や色合いの変化が小さい場合であっても、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い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クセルの持つ輝度値や色合い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)∈R3→R3
例えばＨＳＩ系データの場合であれば、
U: (H,S,I)∈R3→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１／３０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１／３０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加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、１／１５秒ごとの更新処理としたり、１／１０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いボリュームデータ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く、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く、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、視聴者にとって煙の流速が実感しづらい場合が多かった。
【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、風など外界から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が、実施例２のゆらぎ処理（Ｓ１０ａ）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いような可視化表現となっている。
【００７１】
その他のボリュームデータの取得処理（Ｓ１）、各ボク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次元空間の各ボク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、その座標位置のボク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ク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クセルを持ち、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、ゆらぎボリューム２１０、速度場ボリューム２３０と同じ３次元空間に配されたボクセルを持っている。インデックスボリューム２２０は、初期化時に、各ボクセルに連続した値が入っていることが好ましい。例えば、iｊ(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、各ボクセルに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】
【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)を手掛かりとして、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から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)に配されているボク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)に配されているボク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ｔ１のゆらぎ関数 u(t1,i(t1,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(t1,i(t1,d)) に配されているボクセルの輝度値、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く、ＤＳＰなど専用アクセラレータを用いても良い。
【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１３１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が加えられている。
【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に渡したが、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加え、インデックスボリュームの当該座標位置のボク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加え、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、当該座標位置のボク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っている。
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ク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。
【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（Ｓ１０ａ）を行うことにより、サンプリングするボク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く、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、相互に相関が強く、当初、ゆらぎボリューム内の近くのボク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ク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い。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かりやすく可視化できれば良いので、速度場モデルに基づい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く、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、インデックスボリュームを定期的に初期化して各ボク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く、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く、ＤＳＰなど専用ア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１３１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１３４に加え、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いる。
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からの通知を受け、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い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、ＣＤ−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、ネットワーク上にあるプログラムサーバからダウンロードさせるものであっても良く、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ィングされ、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プレットを送信し、クライアントコンピュ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い。
【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ク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 ボク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 サンプリングモジュール
１３２ 積分モジュール
１３３ ゆらぎ処理モジュール
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 描画モジュール
２００ ボリュームデータのボクセルデータセット
２０１ ボクセル
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
【特許請求の範囲】
【請求項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クセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成モジュールと、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボク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が、前記サンプリングにかかるボク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。
【請求項２】
前記ゆらぎモデルが、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。
【請求項３】
前記ゆらぎモデルが、ボク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。
【請求項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が、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。
【請求項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ク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。
【請求項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が、前記速度場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。
【請求項７】
前記ゆらぎモデルが、各ボク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、各ボク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ク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、前記更新にかかる参照情報が示すゆらぎボリュームのボク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クセルの座標位置を変動させる請求項５または６に記載のボリュームデータレンダリングシステム。
【請求項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クセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成処理ステップと、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボク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いて、前記サンプリングにかかるボク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。
【請求項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クセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成手順と、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボク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おいて、前記サンプリングにかかるボク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。
【請求項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クセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成モジュールと、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボク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が、前記サンプリングにかかるボク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。
【請求項２】
前記ゆらぎモデルが、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。
【請求項３】
前記ゆらぎモデルが、ボク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。
【請求項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が、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。
【請求項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ク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。
【請求項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が、前記速度場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。
【請求項７】
前記ゆらぎモデルが、各ボク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、各ボク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ク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、前記更新にかかる参照情報が示すゆらぎボリュームのボク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クセルの座標位置を変動させる請求項５または６に記載のボリュームデータレンダリングシステム。
【請求項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クセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成処理ステップと、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボク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いて、前記サンプリングにかかるボク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。
【請求項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クセルデータセットを生成するボクセルデータセット生成手順と、
前記ボクセルデータセットからレイに沿ったボクセルをサンプリングし、前記サンプリングにかかるボク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おいて、前記サンプリングにかかるボク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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２６０４０８（Ｐ２００６−２６０４０８Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７９６６１（Ｐ２００５−７９６６１）
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【出願人】（５０４１４３４４１）国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 (226)
【出願人】（５０１１７００８０）株式会社創発システム研究所 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【出願人】（５０４１４３４４１）国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 (226)
【出願人】（５０１１７００８０）株式会社創発システム研究所 (10)
【Ｆターム（参考）】
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