ボリューム・レンダリング装置及び方法
【課題】 従来のボリューム・レンダリングは、ソフトウェアで実施すると処理が遅く、近似方式だとイメージが狂って品質が良くないという課題があった。
【解決手段】 原ボリューム・データを記憶するボクセル・メモリと、このボリューム・オブジェクトを視点から見た平面にスライスするボリューム平面のパラメータを計算し、また、マッピング・オブジェクトを視点座標系にスライスする３次元マッピング平面のパラメータも計算し、更に、３次元マッピング平面にグラフィックス処理をして２次元マッピング平面に変換するパラメータ設定手段と、ボクセルメモリ・アドレスと、３次元に拡張したマッピング平面を示す画像メモリ・アドレス生成手段と、ボリューム平面をマッピング平面にマッピングした内容を記憶する画像メモリと、データを画像メモリからのマッピング平面上に半透明のブレンディングされたデータを得るブレンディング手段を備えた。
【解決手段】 原ボリューム・データを記憶するボクセル・メモリと、このボリューム・オブジェクトを視点から見た平面にスライスするボリューム平面のパラメータを計算し、また、マッピング・オブジェクトを視点座標系にスライスする３次元マッピング平面のパラメータも計算し、更に、３次元マッピング平面にグラフィックス処理をして２次元マッピング平面に変換するパラメータ設定手段と、ボクセルメモリ・アドレスと、３次元に拡張したマッピング平面を示す画像メモリ・アドレス生成手段と、ボリューム平面をマッピング平面にマッピングした内容を記憶する画像メモリと、データを画像メモリからのマッピング平面上に半透明のブレンディングされたデータを得るブレンディング手段を備えた。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、画面に３次元ボクセル・データを表示するボリューム・レンダリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ボリューム・レンダリングは、医学分野などのＣＴスキャナやＭＲＩなどから得られた３次元離散空間に存在するデータ（ボリューム・データ）を、ディスプレイなどに可視化する方法である。このようなボリューム・データは、３次元格子上の点（ボクセル）にフィールドデータと呼ばれるデータを持つ。ＣＴではこのフィールドデータは密度などが用いられ、この密度に応じてボクセルに色付けすることでボリューム・データを表示する。これにより、データの全体の様子を理解しやすくなる。
【０００３】ボリューム・データの可視化方法として大きく２つの種類がある。まず１つ目の方法としては、ボリューム・データの中で等しいデータを持つボクセルを繋ぎ合わせた等値面を形成し、この等値面に対して面や線などのプリミティブを割り当てて表示するサーフェスレンダリング方法がある。もう１つは、ボクセル・データをレイキャスティング法などを使用して直接表示する方法である。まず、第１のサーフェスグラフィックスを使用する場合は、等しいボクセル・データを結んでできた等値面（２次元の等高線の拡張したもの）を作りあげ、この等値面に対して面やパッチをあてて、サーフェスグラフィックスでレンダリングすることで表示を行っている。即ち、スライス・バイ・スライス法とも呼ばれる。このような等値面を作り出す手法には、MARCHING CUBES法などの時間のかかる方法がある。このようなサーフェスグラフィックスを利用したボリューム・レンダリングでは、ボリューム・レンダリングの特徴であるボリューム・データ全体を眺めることができない。つまり、ある値をフィールドデータに持つボリューム・データしか表示することができない。
【０００４】一方、第２の直接表示するボリューム・レンダリングの場合、表示する面（ディスプレイ上の面）のピクセルからレイを発生させ、レイトレーシングと同様な処理を行ってボクセル・データをサンプリングする必要がある。この計算は、レイトレーシング法のように、非常に多量の計算実行が必要である。このような方法は、文献Levoy,M.,■Display of Surefaces from Volume Data, ■IEEE Computer Graphics and Applications, Vol.8, No.3, pp.29-37, 1988.やGarrity, M.P.,■Raytracing Irregular Volume Data, ■Computer Graphics, Vol24, No.5, pp.35-40,1990に記載されている。このため、直接表示するためにA Generalized Object Display Processor Architecture(GODPA), Voxel ProcessorやCubeや3DP4などの並列計算機が開発されている。例えば、GODAPA装置では、Processingelement(PE)として６４個、Intermediate processor(IP)として８個、Output Processor(OP)として１個と多量のプロセッサを必要としている。
【０００５】また、以上のようなボリューム・レンダリング手法ではなく、本特許と同様ボリューム・データをスライスして、そのスライス画像を半透明表示することでボリューム・レンダリングを行う方法がある。この簡易でシェーディング法とも呼ばれる方法として、特開平５−２６６２１６の「ボリューム・レンダリングを行う方法及び装置」がある。この特許公報では、スライスした平面を三角形分割し、各三角形の頂点のボクセル・データから頂点の色データを求め、三角形内部に対しては、頂点からの補間で求めている。図１６に構成図を示す。１０５はベクトル勾配を計算するベクトル勾配演算部、１０６は視点との距離を演算する距離演算部、１０７は等値面を抽出する等値面抽出部、１０８は色データと不透明度を計算する光学属性計算部、１０９はサーフェスレンダリング用のスキャンコンバージョンを含む３Ｄグラフィックスプロセッサ、１１０はボリューム・データを保持するボリューム・データ第一メモリ、１１１は視点座標を保持する視点座標メモリ、１１２はサンプリング間隔を保持するサンプリング間隔メモリ、１１３は勾配ベクタ演算部５と距離演算部６の結果を保持するボリューム・データ第二メモリである。１１４は等値面抽出部から抽出された三角形のデータを保持する三角形データ第一メモリ、１１６は色データと不透明度を加えた三角形データを保持する三角形データ第二メモリである。１１７はフレームバッファである。
【０００６】以上のように構成された従来例の動作を、図１７のフローチャートをもとに以下に説明する。まず、ボリューム・データをボリューム・データ第一メモリ１１０に、視点座標を視点座標メモリ１１１に、ボリューム・データをサンプリングするサンプリング間隔を、サンプリング間隔メモリ１１２に入力する（ステップ１０１）。次に、サンプリング点におけるデータ勾配ベクタを勾配ベクタ演算部で計算結果と、視点との距離を計算し、これらの結果をボリューム・データ第二メモリ１１３に入力する（ステップ１０２）。ボリューム・データ第二メモリのデータは、等値面抽出部１０７から等値面として距離の等しい点の集合を三角形の集合を取り出し、三角形データメモリ第一メモリ１１４に入力する（ステップ１０３）。光学属性計算部８では、三角形データ第一メモリ１１４のデータから、三角形の頂点の色データと不透明度の計算結果を、三角形データ第二メモリ１１６に入力する（ステップ１０４）。３Ｄグラフィックスプロセッサ１０９は、三角形データ第二メモリ１１６に保持されている三角形の頂点データから、図１８R>８のようなスキャンコンバージョンによって、各ピクセルのデータを線形補間によって求める（ステップ１０５）。この際、ピクセルに対応するボリューム・データが存在するのに、補間によって求めるために、精度的に問題がある。図１８の丸マークはピクセルを示し、図１８R>８の従来例の点線丸が使用されないボリューム・データを示していおり、点線丸のピクセルのデータを求めるために、３頂点のボリューム・データから補間して求めている。この結果をフレームバッファ１１７に書き込む（ステップ１０６）ことで、ボリューム・レンダリングを実現している。
【０００７】また、テクスチャ・マッピング装置としては、特開平５−２９８４５６のテクスチャ・マッピング方式がある。この方式は、２次元テクスチャ・マッピング装置を実現したものである。図１９の１９１は多角形のエッジを左エッジと右エッジに分割する手段を有するマイクロプロセッサ、１９２はマイクロプロセッサ１９１により分割された左エッジの補間処理をおこなう左エッジ補間回路、１９３はマイクロプロセッサ１９１により分割された右エッジの補間処理を行う右エッジ補間回路、１９４は左エッジ補間回路１９２と、右エッジ補間回路１９３から出力される２つの点データを入力として、上記２点から決まるスキャンラインに平行な直線を補間するピクセル補間回路、１９５はテクスチャのデータを保持し、ピクセル補間回路１９４が出力するテクスチャ・アドレスを入力として、そのアドレスの示すテクスチャ・データを出力するテクスチャ・メモリ、１９６は左エッジ補間回路１９２と右エッジ１９３から構成され、図２１のような多角形ＡＢＣＤをスキャンライン上の線分Ｌ１Ｒ１，Ｌ２Ｒ２に分割するエッジのスキャン変換を行うスキャン変換部である。
【０００８】図２０は、図１９に示される左エッジ補間回路１９２と、右エッジ補間回路１９３とピクセル補間回路１９４の一例を示す図である。２０１は表示画面のＸ座標を補間しながら生成する補間回路、２０２は表示画面のＹ座標を補間しながら生成する補間回路、２０３は表示画面のＺ座標を補間しながら生成する補間回路、２０４はテクスチャ平面のＸ座標Ｘｔを補間しながら生成する補間回路、２０５はテクスチャ平面のＹ座標Ｙｔを補間しながら生成する補間回路である。
【０００９】次に、これらの図と図２１を用いて従来のテクスチャ・マッピング装置の動作について説明する。マイクロプロセッサ１４１に画面に表示する多角形の頂点データＡ，Ｂ，Ｃ，ＤのＸ，Ｙ，Ｚ座標値と、各頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応するテクスチャの頂点Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ，Ｍｄのテクスチャ・アドレスＭｘ，Ｍｙを設定する。マイクロプロセッサ１４１は、画面上に描画される多角形のエッジを左エッジＡＤＣと右エッジＡＢＣに分割する。このとき、エッジの各頂点に対応するテクスチャのエッジもＭａＭｂＭｃとＭａＭｄＭｃに分割する。この多角形分割は、多角形を構成する頂点の中で、Ｙ座標が最大値である頂点と最小値である頂点がエッジの端点になるように行なわれる。
【００１０】次に、左エッジと右エッジのそれぞれの始点となる頂点ＡのＸ，Ｙ，Ｚ座標値と、頂点Ａに対応するテクスチャの頂点ＭａのＸ座標値Ｍｘ，Ｙ座標値Ｍｙが、左エッジ補間回路１９２と右エッジ補間回路１９３のそれぞれのＸ，Ｙ，Ｚ，Ｍｘ，Ｍｙの補間回路２０１，２０２，２０３，２０４，２０５に設定される。各補間回路の始点ＡのＸ，Ｙ，Ｚ，Ｍｘ，Ｍｙ値に差し込まれる補間値を、マイクロプロセッサ１９１が計算する。この補間値は、エッジ端点間の差分をＹの差分で割ったものである。ただし、Ｙの補間値は１に固定である。これらの補間回路では、始点の値に順次、補間値を加算していくことで、Ｙ座標の一番小さい点からＹ軸正方向に補間していき、左エッジ補間回路１９２は頂点Ｌ１，Ｌ２，Ｄを生成し、右エッジ補間回路１９３は頂点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｂを生成する。
【００１１】このエッジ補間処理では、Ｙ方向に関しては左エッジ補間回路１９２、右エッジ補間回路１９３ともに同じ補間値（＝１）を加算していくので、各エッジ補間回路から出力される左右エッジ上の点は、同一スキャンライン上の点となっている。例えば、Ａ点から始めると、始めの補間によって左エッジ補間回路１９２からは頂点Ｌ１、右エッジ補間回路１９３からはＬ１と同一Ｙライン上に頂点Ｒ１が発生される。この２頂点は、Ｙ方向に関して同一スキャンライン上の点となっている。
【００１２】ピクセル補間回路１９４では、左右エッジ補間回路から出力される頂点間を結ぶような点を生成する。例えば、頂点Ｌ１と頂点Ｒ１の間を埋める様な点Ｐ１，Ｐ２を生成する。左エッジ補間回路１９２からの出力される頂点Ｌ１のデータＸ，Ｙ，Ｚ，Ｍｘ，Ｍｙ座標値は、ピクセル補間回路１４４の始点データとして各補間回路に入力される。また、マイクロプロセッサ１９１は、左右エッジ補間回路１９２，１９３から出力される頂点Ｌ１，Ｒ１のデータを読み込み、スキャンライン上Ｌ１Ｒ１間の点を生成するための補間値を計算する。この計算は、２頂点間のＺ，Ｒ，Ｇ，Ｂの差分をＸの差分で割ったものを用い、ピクセル補間回路１９４の各補間回路に設定する。ただし、このとき、ピクセル単位に補間処理を行うために、Ｘ方向の補間値は単位である１を、Ｙ方向の補間値には同一Ｙ値であるため０を設定する。ピクセル補間回路１９４は、エッジ補間回路と同様に動作し、スキャンライン上の点Ｐ１，Ｐ２を生成する。
【００１３】ピクセル補間回路１９４から出力される点のＸ，Ｙ，Ｚ座標値は、フレームメモリに出力され、Ｍｘ，Ｍｙ座標はテクスチャ・メモリに入力される。テクスチャ・メモリではＭｘ，Ｍｙ座標で示されるアドレスの色情報Ｒ，Ｇ，Ｂをフレームメモリに出力する。フレームメモリに出力されたＸ，Ｙ，Ｚ座標値と、Ｒ，Ｇ，Ｂの色データにより画面に描画が行われていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】従来のボリューム・レンダリング装置は、以上のように構成されていたので、レイトレーシングを高速に行うためのボリューム・レンダリング用の特別なハードウェアを必要とするか、ソフトウェアで処理するため処理が遅いという課題があった。また、スライス断面を重ね合わせる特許公報では、三角形内部ピクセルのカラー値と不透明度は、サンプリングされた頂点間を補間することで求めているため、三角形内部は実際のボリューム・データとは異なったイメージが生成される可能性があり、また、ボリューム・データを拡大縮小した際に、ボリューム・データのサンプリングが粗くなる場合に、正しいレンダリングイメージを生成できないという課題があった。しかし、実際にはそのピクセルに対応するボリューム・データが存在しており、このピクセルに対応するボリュームでデータを使うことで本手法は表示品質を向上できる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、例えば、既存のテクスチャ・マッピング装置などのマッピング装置に改良を加え、制御方法を変更することで、簡単にボリューム・レンダリングができる装置を得ることを目的とする。この際に、ボリューム・データの解像度内では補間せずに、正しくボリューム・イメージを生成し、ボリューム・データの解像度を越える場合は、ボクセル・データ間で補間処理して、ボリューム・データを高品質に生成するボリューム・レンダリング装置を得ることを目的とする。
【００１６】本発明に係るボリューム・レンダリング装置は、原ボリューム・データを記憶するボクセル・メモリと、このボリューム・データが表すボリューム・オブジェクトを視点から見た平面にスライスするボリューム平面のパラメータを計算し、またボリューム・オブジェクトをマッピングするマッピング・オブジェクトを視点座標系に設定してボリューム平面に対応するマッピング・オブジェクトをスライスする３次元マッピング平面のパラメータも計算し、更に上記３次元マッピング平面にグラフィックス処理をして２次元マッピング平面に変換するパラメータ設定手段と、ボリューム平面を示すボクセルメモリ・アドレスと、３次元に拡張したマッピング平面を示す画像メモリ・アドレスを必要に応じて補間して生成するアドレス生成手段と、ボリューム平面をマッピング平面にマッピングした内容を記憶し、また後述のブレンディング手段出力の画像を書き戻す画像メモリと、ボクセル・メモリからのデータを画像メモリからのマッピング平面にマッピングして半透明のブレンディングされたボリュームレンダリング・データを得るブレンディング手段を備えた。
【００１７】また更に基本構成において、パラメータ設定手段は、ボリューム・オブジェクトをボリューム平面で切り出して得られる多角形を三角形に分割し、またマッピング・オブジェクトを３次元マッピング平面で切り出して得られた多角形も対応して三角形に分割し、この得られた対応三角形にグラフィックス処理をして２次元のマッピング平面上の三角形に変換するパラメータ設定手段とし、またアドレス生成手段も対応するようにした。更に、アドレス生成手段は、左右エッジから補間して生成するようにした。また更に、マッピングに際してボクセル・メモリから読み出すボクセル・データとして、指定されたアドレスに最も近いボクセルを選択するか、またはｂｉｌｉｎｅａｒ補間でデータを得るようにした。
【００１８】この発明に係るボリューム・レンダリング方法は、原ボリューム・データが表すボリューム・オブジェクトに対応するマッピング・オブジェクトを設定するステップと、視点方向から見た平面にボリューム平面を設定するステップと、ボリューム・オブジェクトに対応するマッピング平面を設定するステップと、ボリューム平面上のデータをテクスチャ・データとしてマッピング平面上のデータとでテクスチャ・マッピング処理をするステップと、マッピング平面上のデータを半透明描画のためのブレンディングをしながら表示メモリに書き戻すステップを備えた。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．以下に、この発明のボリューム・レンダリング装置の構成を図１について説明する。図１において、１１はボクセル・メモリで、描画対象となるボリューム・データを記憶する。１２はパラメータ計算手段で、ボリューム空間内に設定したボリューム・オブジェクトとボリューム空間に設定した視点と、注視点からボリューム・オブジェクトをスライスするボリューム平面を決定し、ボリューム・オブジェクトをマッピングするマッピング・オブジェクトを視点座標系空間に設定し、更に、ボリューム平面をマッピングする３次元マッピング平面を視点座標系空間に決定し、その３次元マッピング平面をグラフィックス処理を施し、２次元のマッピング平面に変換する。１３はアドレス生成手段で、ボリューム平面に含まれるボクセルを示すボクセルメモリ・アドレスと、マッピング平面を示す画像メモリ・アドレスを生成する。１４は画像メモリで、ボリューム平面をマッピング平面にマッピングした内容を記憶し、画像メモリ・アドレスによって示されるデータのリード／ライトが可能である。１５はブレンディング手段で、ボクセル・メモリから読み出したデータと、画像メモリ１４から読み出したデータをブレンディングする。上記ボクセル・メモリ１１ないし画像メモリ１４は、テクスチャ・マッピング装置としても必須の構成要素であり、これをボリューム・レンダリング用に３次元に拡大アレンジし、ブレンディング手段１５を付加している。
【００２０】次に、図２に示した具体例を用いて、その動作について説明する。まず最初に、本手法の概要を説明する。本手法は、ボリューム・データを定義するボリューム・オブジェクトと、ボリューム・データをマッピングするマッピング・オブジェクトの２つのオブジェクトを用意する。例えば、両オブジェクトを６面体とすると、各頂点間に対応関係をもたせて、ボリューム・オブジェクトの内容をマッピング・オブジェクトにマッピングすることで、描画を行う方法である。このマッピング方法は、ボリューム・オブジェクトを視点からの距離に応じてスライスしたボリューム平面と、前述の対応関係に基づいて、ボリューム平面に対応するようなマッピング・オブジェクトにおけるマッピング平面を設定し、この２平面間でテクスチャ・マッピングと同様なマッピング処理を行う。切り出された複数のマッピング平面を画像メモリに書き込む際に、ブレンディングを行うことで、ボリューム・レンダリングを行う。即ち、元のボクセル・メモリからのデータを、視点面から見たマッピング・オブジェクト中の複数の距離面でスライスしてマッピングし、重層表示するので、正確なデータが得られ、テクスチャ・マッピングの装置又は思想が利用できて、しかも、距離データも織り込めることになる。
【００２１】以下に、図３のフローチャートと図１の構成図をもとに動作を説明する。前提として、ＣＴスキャナやＭＲＩ、超音波センサで得られた２次元断面画像が、画像処理などの手法や色計算などを施された上で、ボクセル・メモリにボリューム・データとして記憶されているとする。まず、３次元ボリューム・データを表示するために、ボクセル・メモリ１１内にマッピングする領域を決めるボリューム・オブジェクトを設定する（ステップ１、従来のステップ１０１，１０２，１０４に相当）。次に、このボリューム・オブジェクトをマッピングするマッピング・オブジェクトを、視点座標系空間に設定する（ステップ２）。例えば、図２（ａ）のようなボクセル・メモリ１１に定義されているボリューム・オブジェクトに対して、図２（ｄ）のように、マッピング・オブジェクトとして立方体を設定する。このとき、視点座標系空間のマッピング・オブジェクトのＡｖ，Ｂｖ，Ｃｖ，Ｄｖ，Ｅｖ，Ｆｖ，Ｇｖ，Ｈｖと、ボクセル・メモリ空間のボリューム・オブジェクトのＡｂ，Ｂｂ，Ｃｂ，Ｄｂ，Ｅｂ，Ｆｂ，Ｇｂ，Ｈｂをそれぞれ対応付ける。
【００２２】更に、視点座標系空間とボクセル空間で同様に設定された視点と、視線方向から求まるボリューム・オブジェクトを切断するボリューム平面の方程式を求め（ステップ３）、前述の対応関係の基づいてボリューム平面に対応するマッピング・オブジェクトを切断するマッピング平面の方程式を求める（ステップ４、従来例のステップ１０３相当）。例えば、視線ベクトルを（ａ，ｂ，ｃ）とすると、これを法線ベクトルとする平面方程式は、以下の式（１）になる。
ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝ｄ （１）
ここでｄは任意の定数で、視点と平面との距離の関係を示している。複数の断面の設定は、このｄを変えて行う。図２（ｂ）は、ｄを変えた平面列の一例である。この定数ｄは、ボリューム・オブジェクトの構成に応じて任意に設定可能である。以上のボリューム平面とマッピング平面の計算を、パラメータ計算手段１２で行い、ボリューム平面のパラメータと、グラフィックス処理を施され２次元の画像メモリの空間に変換されたマッピング平面のパラメータを、アドレス生成手段１３に設定する。図２（ｃ）は、スライスされたボリューム平面、図２R>２（ｅ）は、２次元の画像メモリ１４の空間に変換されたマッピング平面を示す。
【００２３】アドレス生成手段１３は、ボリューム平面を構成するボクセルを示すボクセルメモリ・アドレスを、ボクセル座標系の直交３軸のそれぞれに対して補間処理を行いながら生成する。また、同様にマッピング平面を構成する画素を示す画像メモリ・アドレスを、画像メモリ内の直交２軸のそれぞれに対して、補間処理を行いながら生成する（ステップ５、従来例のステップ１０５相当）。こうして、マッピング平面に多層のデータを書き込んでいく。
【００２４】次に、画像メモリ・アドレスとボクセルメモリ・アドレスは、ブレンディング手段１５に設定される。ボクセルメモリ・アドレスで示されたボクセル・メモリ１１のデータは、ブレンディング手段１５に読み出され、更に、ブレンディング手段１５は、画像メモリ・アドレスで指示される画像メモリ１４のデータを読み出し、ボクセル・メモリ１１から読み出したデータと、画像メモリ１４から読み出されたデータをブレンディングする（ステップ６、従来例のステップ１０６に相当）。具体的には、図２（ｃ）のボクセル・メモリのデータをＳ、画像メモリ中のスライスしたマッピング平面上の旧データをＤｏｌｄ、ブレンディング後の新データをＤｎｅｗとすると、Ｄｎｅｗ＝αＳ＋（１−α）Ｄｏｌｄ （２）
但し、０＜α＜１として、ブレンディング後のデータを得る。ブレンディングされたデータは、画像メモリ１４の読み出したアドレスと同じアドレスに書き込む。具体例を示すと、ボクセル・データから読み出すデータの集合は、図２の（ｃ）のようなボリューム平面で表され、この平面をブレンディングしながらマッピング平面にマッピングすることで、図２（ｆ）のようなボリュームレンダリング・イメージを生成する。
【００２５】また、図２２のように、ボリューム・データを透視効果を施したイメージを生成する場合に、従来例では、ボリューム・データ全部に対して奥行きを示すＺ値で割り算をする必要がある。しかし、本実施例では、ステップ２のマッピング・オブジェクトを設定するときに、マッピング・オブジェクトを構成する頂点に対してのみ奥行きを示すＺ値で割り算を行うことで、透視効果を実現することができる。
【００２６】このように、本実施例は、正しい３次元透視を得るために、従来例のテクスチャ・マッピング装置を３次元を扱えるように拡張し、ブレンディング装置を新たに付け加えることで、容易に実現することが可能である。
【００２７】実施の形態２．この発明の実施の形態２のボリューム・レンダリング装置の概念を、図４に基づいて説明する。図４（ａ）は、ボリューム平面とボクセル・メモリとの交わりが複雑な形になる場合である。このような場合、図４の（ｂ）のように、切り出された多角形を三角形１，２，３，４に分割する。図４では、三角形ストリップ形式に分割しているが、どのような分割方法で可能である。実施の形態１の図３のフローチャートに、三角形分割（ステップ５ｂ）を加えた動作フローチャートが図５である。画像メモリへ書き込むマッピング平面も、ボリューム平面で分割したものと同様な三角形１，２，３，４に分割する。パラメータ設定手段１２は、この分割した三角形をアドレス生成手段１３に設定し、画像メモリのスキャンラインに沿って三角形内のアドレスを補間してマッピングを行う。分割された三角形をすべて設定することで、複雑に切断された切断面を描画することができ、ボリューム・レンダリングのイメージを生成することができる。このように、三角形に分割するメリットは、ｎ角形の場合のために、複数の処理制御を用意する必要が無い点である。
【００２８】実施の形態３．この発明の実施の形態３の装置を、図６〜９に基づいて説明する。図６は、図１で示されるアドレス生成手段１３を、本形態にアレンジした構成を示す図である。図において、４１はパラメータ設定手段１２により、図４（ｃ）のようにマッピング平面から分割された三角形と、図４（ｂ）のようにボリューム平面から分割された三角形のそれぞれの左エッジの補間処理を行う左エッジ補間回路、４２はパラメータ設定手段１２により、図４（ｃ）のようにマッピング平面から分割された三角形と、図４（ｂ）のようにボリューム平面から分割された三角形のそれぞれの右エッジの補間処理を行う右エッジ補間回路、４３は左エッジ補間回路４１と右エッジ補間回路４２のそれぞれから出力されるマッピング平面から分割された三角形と、ボリューム平面から分割された三角形のエッジ上のデータを入力として、マッピング平面上の三角形の左右エッジ２点により決まる画像メモリ１４と、ボクセル・メモリ１１のラインを補間するライン補間回路である。
【００２９】図７は、図６に示される左エッジ補間回路４１と右エッジ補間回路４２と右エッジと左エッジを結ぶラインを補間するライン補間回路４３の一例を示す図である。５１は画像メモリ１４のマッピング平面上の三角形のＸ座標を補間しながら生成する補間回路、５２は画像メモリ１４のマッピング平面上の三角形のＹ座標を補間しながら生成する補間回路、５３は画像メモリ１４のマッピング平面上の三角形のＺ座標を補間しながら生成する補間回路、５４はボクセル・メモリ１１のボリューム平面上の三角形のＸ座標を補間しながら生成する補間回路、５５はボクセル・メモリ１１のボリューム平面上の三角形のＹ座標を補間しながら生成する補間回路、５６はボクセル・メモリ１１のボリューム平面上の三角形のＺ座標を補間する補間回路である。
【００３０】図８は、図７で示される５１，５２，５３，５４，５５，５６の補間回路の一例である。６１は補間を行う直線の始点を保持する始点レジスタ、６２は補間データを保持する補間レジスタ、６３は補間されたデータまたは始点レジスタ６１のデータを保持する保持レジスタ、６４は保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータを累積加算することで補間を行う加算器である。図９は、ボリューム平面と画像メモリ内のマッピング平面上の各データの対応を説明する図である。
【００３１】次に、動作を説明する。まず、マッピング平面の分割された三角形のエッジを、左エッジと右エッジとに分離する。図９を基に説明すると、この分離は三角形を構成する頂点の中で、Ｙ座標が最大値となる点と最小値になる点が、エッジの端点になるように分離をする。つまり、図９の場合では、右エッジはＡ−Ｂ、左エッジはＡ−Ｃ−Ｂになる。このとき、画像メモリ１４内の三角形のエッジに対応するボリューム平面から分割された三角形のエッジも、左右に分離される。つまり、右エッジはＭａ−Ｍｂ、左エッジはＭａ−Ｍｃ−Ｍｂになる。
【００３２】次に、左エッジと右エッジのそれぞれの始点となる頂点ＡのＸ，Ｙ，Ｚ座標と、頂点Ａに対応するボリューム平面から分割された三角形の頂点ＭａのＸｂ，Ｙｂ，Ｚｂ座標が、左エッジ補間回路４１と右エッジ補間回路４２のそれぞれの補間回路５１，５２，５３，５４，５５，５６のそれぞれの始点レジスタ６１に入力される。各エッジの端点間のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂの変化量をΔＸ，ΔＹ，ΔＺ，ΔＸｂ，ΔＹｂ，ΔＺｂ、補間値をｄＸ，ｄＹ，ｄＺ，ｄＸｂ，ｄＹｂ，ｄＺｂとすると、補間値はパラメータ設定手段１１で、次のように計算され、ｄＸ＝ΔＸ／ΔＹ，ｄＹ＝１，ｄＺ＝ΔＺ／ΔＹ，ｄＸｂ＝ΔＸｂ／ΔＹ，ｄＹｂ＝ΔＹｂ／ΔＹ，ｄＺｂ＝ΔＺｂ／ΔＹとなる。これらの補間値は、エッジ補間回路５１，５２，５３，５４，５５，５６の補間レジスタ６２に入力される。補間に必要なデータがレジスタに設定されると、各補間回路の始点レジスタ６１のデータが保持レジスタ６３に入力され、保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータが加算器６４において加算され、加算されたデータは保持レジスタに保持される。保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータの加算の繰り返しにより、右エッジの場合は、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｂを生成し、左エッジの場合は、Ｌ１，Ｌ２，Ｃを生成する。
【００３３】このエッジ補間処理において、両エッジの始点のＹ座標は同一であり、ｄＹ＝１とするために左右のエッジ補間回路４１，４２が同期動作を行うと、各エッジ補間回路４１，４２の出力データである左右エッジ上の点は、画像メモリ内の同一スキャンライン上の点となる。左エッジ補間回路４１の出力データであるＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂは、ピクセル補間回路４３のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂのそれぞれの補間回路５１，５２，５３，５４，５５，５６の始点レジスタ６１に入力される。また、パラメータ設定手段１１は、左エッジ補間回路４１と右エッジ補間回路４２から出力される点のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂデータを一旦読み込み、これら２頂点のデータから２頂点の補間値を計算して、ピクセル補間回路の補間レジスタ６２に設定する。左エッジ補間回路４１から出力される左エッジ上の点と、右エッジ補間回路４２から出力される右エッジ上の点を結ぶ直線のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂの変化量を、ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ，ΔＸｂ，ΔＹｂ，ΔＺｂ、補間値をｄＸ，ｄＹ，ｄＺ，ｄＸｂ，ｄＹｂ，ｄＺｂとすると、補間値はパラメータ設定手段１１で、次のように計算され、ｄＸ＝１，ｄＹ＝０，ｄＺ＝ΔＺ／ΔＸ，ｄＸｂ＝ΔＸｂ／ΔＸ，ｄＹｂ＝ΔＹｂ／ΔＸ，ｄＺｂ＝ΔＺｂ／ΔＸと補間値が計算される。ピクセル補間回路４３内の補間回路５１，５２，５３，５４，５５，５６の動作は、エッジ補間回路の場合と同じであり、補間に必要なデータがレジスタに設定されると、補間回路の始点レジスタ６１のデータが保持レジスタ６３に入力され、保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータが加算器６４において加算される。加算されたデータは保持レジスタ６３に入力され保持される。保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータの繰り返しにより、ライン上のアドレスを生成する。以上の処理によって、アドレス生成手段からボリューム平面が構成するボクセルメモリ・アドレスと、マッピング平面が構成する画像メモリ・アドレスが生成され、ボリューム・レンダリングを実現する。
【００３４】実施の形態４．この発明の実施の形態４の装置を図１０を用いて説明する。図１０は、画像メモリ１４ｂをフレームメモリと兼ねて、画像メモリとしてまるめこんだ整数データを記憶する整数型画像メモリとしたボリューム・レンダリング装置の構成図である。動作は実施の形態１の装置と同様である。ブレンディングする際に、書き込む値を整数型にすることで、画像メモリ以外にフレームメモリを持つ必要がなく、コストダウンを図れる。
【００３５】実施の形態５．この発明の実施の形態５の装置を図１１を用いて説明する。図１１は、図１のボリューム・レンダリング装置の構成に９６のフレームメモリ、９７のホストＣＰＵ、９８のディスプレイ、９９のバスを追加したものである。基本的動作は、実施の形態１の装置と同じであり、ホスト９７は描画するボリューム・データをボクセル・メモリに登録し、視点や注視点を設定し、パラメータ設定手段１３へ指示を出す。画像メモリ１４は、浮動小数点型のＲＧＢデータを持つ。画像メモリが浮動小数点型のデータを持つので、複数枚のボリューム平面を重ね合わせた場合でも、整数型を持つ画像メモリの場合よりも精度良くボリューム・データのマッピングができる。複数枚のボリューム平面を重ね終えた後、ホスト９７は画像メモリ１４のデータを整数型に変換した後、フレームメモリ９６に転送し、ディスプレイ９８でボリューム・レンダリングされたイメージを表示する。
【００３６】実施の形態６．動作を簡単にするため、実施の形態１の装置のボクセル補間器において、アドレス補間で示されたアドレスに最も近いボクセルからデータを読み出して、それをボクセルのデータとすることでボリューム・レンダリングを行う。図１２は、この方法の概念を説明する図である。図１２（ａ）で示されるボリューム空間におけるボリューム平面上のアドレスが、図１R>１（ｂ）（指定されたアドレスの付近の拡大図）のように、ボクセルを示さない場合、最も近いボクセルＤを選び、このボクセルＤのデータを指定されたアドレスのデータとして用いることで、簡単にデータを読み出せる。図１３は、その動作フローを示した図である。
【００３７】実施の形態７．正確にデータ補間するため、実施の形態１の装置のボクセル補間器において、アドレス補間の際に、指定されたアドレス付近の８個のボクセルからｂｉｌｉｎｅａｒ補間して、それをボクセル・データとすることで、ボリューム・レンダリングをする。図１４は、ｂｉｌｉｎｅａｒ補間の概念を説明する図である。図１４の（ａ）で示されるボリューム空間におけるボリューム平面上のアドレスが、図１４（ｂ）（指定されたアドレスの付近の拡大図）のように、ボクセルを示さない場合、周辺のボクセルによるｂｉｌｉｎｅａｒ補間を行う。ｂｉｌｉｎｅａｒ補間は、ボクセルＡＢＥＧのデータ補間よりＵＰにおけるデータを求め、ボクセルＣＤＦＨのデータ補間より、ＤＯＷＮにおけるデータを求める。このＵＰとＤＯＷＮ間のデータを補間することで、アドレスで示される位置のデータを求める。この補間処理により補間を行わない場合より計算量は多くなるが、高品質なボリューム・レンダリングが可能となる。図１５（ａ）は、その動作フローを示す図である。図１５（ｂ）は、動作フローの各ステップでの補間計算の論理を示す論理式を示す図である。
【００３８】
【発明の効果】この発明は、以上のように構成されているので、下記のような効果がある。３次元のボリューム・データをスライスした多数の２次元画像を、ブレンディングしながらマッピング処理するので、従来のマッピング装置を応用でき、簡単にボリューム・レンダリングが可能となる。また、深さ方向の距離計算が簡単になる。また、ボリューム・データを読み出す際に、補間処理を行うことで、ボリューム・データを拡大縮小した場合でも、正確に表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のボリューム・レンダリング装置の構成と概念を示す図である。
【図２】 図１のボリューム・レンダリング装置の処理内容を説明する図である。
【図３】 図１の装置の動作を示すフローチャート図である。
【図４】 この発明の実施の形態２のボリューム・レンダリング装置の三角形分割動作を説明する図である。
【図５】 実施の形態２の装置の動作を示すフローチャート図である。
【図６】 実施の形態３のボリューム・レンダリング装置のアドレス生成手段の構成図である。
【図７】 図６のアドレス生成手段内のエッジ補間回路とピクセル補間回路を示す図である。
【図８】 図７のの補間回路の詳細構成図である。
【図９】 ボリューム・レンダリング装置の三角形のエッジ分割と画像メモリ内の画素生成の対応を説明する図である。
【図１０】 実施の形態４の画像メモリをフレームメモリと共用したボリューム・レンダリング装置の構成図である。
【図１１】 実施の形態５の画像メモリとは別にフレームメモリを持つボリューム・レンダリング装置の構成図である。
【図１２】 実施の形態６のボリューム・レンダリング装置で隣接ボクセルの選択動作を説明する図である。
【図１３】 図１２の選択動作を示すフローチャート図である。
【図１４】 実施の形態７のボリューム・レンダリング装置でｂｉｌｉｎｅａｒ補間動作を説明する図である。
【図１５】 図１４の補間動作を示すフローチャート図である。
【図１６】 従来のシェーディング法によるボリューム・レンダリング装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】 従来例の図１６の装置の動作を示すフローチャート図である。
【図１８】 従来例の補間シェーディングによるピクセルの精度を示す図である。
【図１９】 従来のテクスチャ・マッピング装置の構成を示す図である。
【図２０】 従来のテクスチャ・マッピング装置のエッジ補間回路とピクセル補間回路の構成図である。
【図２１】 従来のテクスチャ・マッピング装置におけるエッジ分割動作を説明する図である。
【図２２】 従来のテクスチャ・マッピング装置で透視変換を行うボリューム・レンダリングを説明する図である。
【符号の説明】
１１ ボクセル・メモリ、１２ パラメータ設定手段、１３ アドレス生成手段、１４ 画像メモリ、１５ ブレンディング手段。
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、画面に３次元ボクセル・データを表示するボリューム・レンダリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ボリューム・レンダリングは、医学分野などのＣＴスキャナやＭＲＩなどから得られた３次元離散空間に存在するデータ（ボリューム・データ）を、ディスプレイなどに可視化する方法である。このようなボリューム・データは、３次元格子上の点（ボクセル）にフィールドデータと呼ばれるデータを持つ。ＣＴではこのフィールドデータは密度などが用いられ、この密度に応じてボクセルに色付けすることでボリューム・データを表示する。これにより、データの全体の様子を理解しやすくなる。
【０００３】ボリューム・データの可視化方法として大きく２つの種類がある。まず１つ目の方法としては、ボリューム・データの中で等しいデータを持つボクセルを繋ぎ合わせた等値面を形成し、この等値面に対して面や線などのプリミティブを割り当てて表示するサーフェスレンダリング方法がある。もう１つは、ボクセル・データをレイキャスティング法などを使用して直接表示する方法である。まず、第１のサーフェスグラフィックスを使用する場合は、等しいボクセル・データを結んでできた等値面（２次元の等高線の拡張したもの）を作りあげ、この等値面に対して面やパッチをあてて、サーフェスグラフィックスでレンダリングすることで表示を行っている。即ち、スライス・バイ・スライス法とも呼ばれる。このような等値面を作り出す手法には、MARCHING CUBES法などの時間のかかる方法がある。このようなサーフェスグラフィックスを利用したボリューム・レンダリングでは、ボリューム・レンダリングの特徴であるボリューム・データ全体を眺めることができない。つまり、ある値をフィールドデータに持つボリューム・データしか表示することができない。
【０００４】一方、第２の直接表示するボリューム・レンダリングの場合、表示する面（ディスプレイ上の面）のピクセルからレイを発生させ、レイトレーシングと同様な処理を行ってボクセル・データをサンプリングする必要がある。この計算は、レイトレーシング法のように、非常に多量の計算実行が必要である。このような方法は、文献Levoy,M.,■Display of Surefaces from Volume Data, ■IEEE Computer Graphics and Applications, Vol.8, No.3, pp.29-37, 1988.やGarrity, M.P.,■Raytracing Irregular Volume Data, ■Computer Graphics, Vol24, No.5, pp.35-40,1990に記載されている。このため、直接表示するためにA Generalized Object Display Processor Architecture(GODPA), Voxel ProcessorやCubeや3DP4などの並列計算機が開発されている。例えば、GODAPA装置では、Processingelement(PE)として６４個、Intermediate processor(IP)として８個、Output Processor(OP)として１個と多量のプロセッサを必要としている。
【０００５】また、以上のようなボリューム・レンダリング手法ではなく、本特許と同様ボリューム・データをスライスして、そのスライス画像を半透明表示することでボリューム・レンダリングを行う方法がある。この簡易でシェーディング法とも呼ばれる方法として、特開平５−２６６２１６の「ボリューム・レンダリングを行う方法及び装置」がある。この特許公報では、スライスした平面を三角形分割し、各三角形の頂点のボクセル・データから頂点の色データを求め、三角形内部に対しては、頂点からの補間で求めている。図１６に構成図を示す。１０５はベクトル勾配を計算するベクトル勾配演算部、１０６は視点との距離を演算する距離演算部、１０７は等値面を抽出する等値面抽出部、１０８は色データと不透明度を計算する光学属性計算部、１０９はサーフェスレンダリング用のスキャンコンバージョンを含む３Ｄグラフィックスプロセッサ、１１０はボリューム・データを保持するボリューム・データ第一メモリ、１１１は視点座標を保持する視点座標メモリ、１１２はサンプリング間隔を保持するサンプリング間隔メモリ、１１３は勾配ベクタ演算部５と距離演算部６の結果を保持するボリューム・データ第二メモリである。１１４は等値面抽出部から抽出された三角形のデータを保持する三角形データ第一メモリ、１１６は色データと不透明度を加えた三角形データを保持する三角形データ第二メモリである。１１７はフレームバッファである。
【０００６】以上のように構成された従来例の動作を、図１７のフローチャートをもとに以下に説明する。まず、ボリューム・データをボリューム・データ第一メモリ１１０に、視点座標を視点座標メモリ１１１に、ボリューム・データをサンプリングするサンプリング間隔を、サンプリング間隔メモリ１１２に入力する（ステップ１０１）。次に、サンプリング点におけるデータ勾配ベクタを勾配ベクタ演算部で計算結果と、視点との距離を計算し、これらの結果をボリューム・データ第二メモリ１１３に入力する（ステップ１０２）。ボリューム・データ第二メモリのデータは、等値面抽出部１０７から等値面として距離の等しい点の集合を三角形の集合を取り出し、三角形データメモリ第一メモリ１１４に入力する（ステップ１０３）。光学属性計算部８では、三角形データ第一メモリ１１４のデータから、三角形の頂点の色データと不透明度の計算結果を、三角形データ第二メモリ１１６に入力する（ステップ１０４）。３Ｄグラフィックスプロセッサ１０９は、三角形データ第二メモリ１１６に保持されている三角形の頂点データから、図１８R>８のようなスキャンコンバージョンによって、各ピクセルのデータを線形補間によって求める（ステップ１０５）。この際、ピクセルに対応するボリューム・データが存在するのに、補間によって求めるために、精度的に問題がある。図１８の丸マークはピクセルを示し、図１８R>８の従来例の点線丸が使用されないボリューム・データを示していおり、点線丸のピクセルのデータを求めるために、３頂点のボリューム・データから補間して求めている。この結果をフレームバッファ１１７に書き込む（ステップ１０６）ことで、ボリューム・レンダリングを実現している。
【０００７】また、テクスチャ・マッピング装置としては、特開平５−２９８４５６のテクスチャ・マッピング方式がある。この方式は、２次元テクスチャ・マッピング装置を実現したものである。図１９の１９１は多角形のエッジを左エッジと右エッジに分割する手段を有するマイクロプロセッサ、１９２はマイクロプロセッサ１９１により分割された左エッジの補間処理をおこなう左エッジ補間回路、１９３はマイクロプロセッサ１９１により分割された右エッジの補間処理を行う右エッジ補間回路、１９４は左エッジ補間回路１９２と、右エッジ補間回路１９３から出力される２つの点データを入力として、上記２点から決まるスキャンラインに平行な直線を補間するピクセル補間回路、１９５はテクスチャのデータを保持し、ピクセル補間回路１９４が出力するテクスチャ・アドレスを入力として、そのアドレスの示すテクスチャ・データを出力するテクスチャ・メモリ、１９６は左エッジ補間回路１９２と右エッジ１９３から構成され、図２１のような多角形ＡＢＣＤをスキャンライン上の線分Ｌ１Ｒ１，Ｌ２Ｒ２に分割するエッジのスキャン変換を行うスキャン変換部である。
【０００８】図２０は、図１９に示される左エッジ補間回路１９２と、右エッジ補間回路１９３とピクセル補間回路１９４の一例を示す図である。２０１は表示画面のＸ座標を補間しながら生成する補間回路、２０２は表示画面のＹ座標を補間しながら生成する補間回路、２０３は表示画面のＺ座標を補間しながら生成する補間回路、２０４はテクスチャ平面のＸ座標Ｘｔを補間しながら生成する補間回路、２０５はテクスチャ平面のＹ座標Ｙｔを補間しながら生成する補間回路である。
【０００９】次に、これらの図と図２１を用いて従来のテクスチャ・マッピング装置の動作について説明する。マイクロプロセッサ１４１に画面に表示する多角形の頂点データＡ，Ｂ，Ｃ，ＤのＸ，Ｙ，Ｚ座標値と、各頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対応するテクスチャの頂点Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ，Ｍｄのテクスチャ・アドレスＭｘ，Ｍｙを設定する。マイクロプロセッサ１４１は、画面上に描画される多角形のエッジを左エッジＡＤＣと右エッジＡＢＣに分割する。このとき、エッジの各頂点に対応するテクスチャのエッジもＭａＭｂＭｃとＭａＭｄＭｃに分割する。この多角形分割は、多角形を構成する頂点の中で、Ｙ座標が最大値である頂点と最小値である頂点がエッジの端点になるように行なわれる。
【００１０】次に、左エッジと右エッジのそれぞれの始点となる頂点ＡのＸ，Ｙ，Ｚ座標値と、頂点Ａに対応するテクスチャの頂点ＭａのＸ座標値Ｍｘ，Ｙ座標値Ｍｙが、左エッジ補間回路１９２と右エッジ補間回路１９３のそれぞれのＸ，Ｙ，Ｚ，Ｍｘ，Ｍｙの補間回路２０１，２０２，２０３，２０４，２０５に設定される。各補間回路の始点ＡのＸ，Ｙ，Ｚ，Ｍｘ，Ｍｙ値に差し込まれる補間値を、マイクロプロセッサ１９１が計算する。この補間値は、エッジ端点間の差分をＹの差分で割ったものである。ただし、Ｙの補間値は１に固定である。これらの補間回路では、始点の値に順次、補間値を加算していくことで、Ｙ座標の一番小さい点からＹ軸正方向に補間していき、左エッジ補間回路１９２は頂点Ｌ１，Ｌ２，Ｄを生成し、右エッジ補間回路１９３は頂点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｂを生成する。
【００１１】このエッジ補間処理では、Ｙ方向に関しては左エッジ補間回路１９２、右エッジ補間回路１９３ともに同じ補間値（＝１）を加算していくので、各エッジ補間回路から出力される左右エッジ上の点は、同一スキャンライン上の点となっている。例えば、Ａ点から始めると、始めの補間によって左エッジ補間回路１９２からは頂点Ｌ１、右エッジ補間回路１９３からはＬ１と同一Ｙライン上に頂点Ｒ１が発生される。この２頂点は、Ｙ方向に関して同一スキャンライン上の点となっている。
【００１２】ピクセル補間回路１９４では、左右エッジ補間回路から出力される頂点間を結ぶような点を生成する。例えば、頂点Ｌ１と頂点Ｒ１の間を埋める様な点Ｐ１，Ｐ２を生成する。左エッジ補間回路１９２からの出力される頂点Ｌ１のデータＸ，Ｙ，Ｚ，Ｍｘ，Ｍｙ座標値は、ピクセル補間回路１４４の始点データとして各補間回路に入力される。また、マイクロプロセッサ１９１は、左右エッジ補間回路１９２，１９３から出力される頂点Ｌ１，Ｒ１のデータを読み込み、スキャンライン上Ｌ１Ｒ１間の点を生成するための補間値を計算する。この計算は、２頂点間のＺ，Ｒ，Ｇ，Ｂの差分をＸの差分で割ったものを用い、ピクセル補間回路１９４の各補間回路に設定する。ただし、このとき、ピクセル単位に補間処理を行うために、Ｘ方向の補間値は単位である１を、Ｙ方向の補間値には同一Ｙ値であるため０を設定する。ピクセル補間回路１９４は、エッジ補間回路と同様に動作し、スキャンライン上の点Ｐ１，Ｐ２を生成する。
【００１３】ピクセル補間回路１９４から出力される点のＸ，Ｙ，Ｚ座標値は、フレームメモリに出力され、Ｍｘ，Ｍｙ座標はテクスチャ・メモリに入力される。テクスチャ・メモリではＭｘ，Ｍｙ座標で示されるアドレスの色情報Ｒ，Ｇ，Ｂをフレームメモリに出力する。フレームメモリに出力されたＸ，Ｙ，Ｚ座標値と、Ｒ，Ｇ，Ｂの色データにより画面に描画が行われていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】従来のボリューム・レンダリング装置は、以上のように構成されていたので、レイトレーシングを高速に行うためのボリューム・レンダリング用の特別なハードウェアを必要とするか、ソフトウェアで処理するため処理が遅いという課題があった。また、スライス断面を重ね合わせる特許公報では、三角形内部ピクセルのカラー値と不透明度は、サンプリングされた頂点間を補間することで求めているため、三角形内部は実際のボリューム・データとは異なったイメージが生成される可能性があり、また、ボリューム・データを拡大縮小した際に、ボリューム・データのサンプリングが粗くなる場合に、正しいレンダリングイメージを生成できないという課題があった。しかし、実際にはそのピクセルに対応するボリューム・データが存在しており、このピクセルに対応するボリュームでデータを使うことで本手法は表示品質を向上できる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、例えば、既存のテクスチャ・マッピング装置などのマッピング装置に改良を加え、制御方法を変更することで、簡単にボリューム・レンダリングができる装置を得ることを目的とする。この際に、ボリューム・データの解像度内では補間せずに、正しくボリューム・イメージを生成し、ボリューム・データの解像度を越える場合は、ボクセル・データ間で補間処理して、ボリューム・データを高品質に生成するボリューム・レンダリング装置を得ることを目的とする。
【００１６】本発明に係るボリューム・レンダリング装置は、原ボリューム・データを記憶するボクセル・メモリと、このボリューム・データが表すボリューム・オブジェクトを視点から見た平面にスライスするボリューム平面のパラメータを計算し、またボリューム・オブジェクトをマッピングするマッピング・オブジェクトを視点座標系に設定してボリューム平面に対応するマッピング・オブジェクトをスライスする３次元マッピング平面のパラメータも計算し、更に上記３次元マッピング平面にグラフィックス処理をして２次元マッピング平面に変換するパラメータ設定手段と、ボリューム平面を示すボクセルメモリ・アドレスと、３次元に拡張したマッピング平面を示す画像メモリ・アドレスを必要に応じて補間して生成するアドレス生成手段と、ボリューム平面をマッピング平面にマッピングした内容を記憶し、また後述のブレンディング手段出力の画像を書き戻す画像メモリと、ボクセル・メモリからのデータを画像メモリからのマッピング平面にマッピングして半透明のブレンディングされたボリュームレンダリング・データを得るブレンディング手段を備えた。
【００１７】また更に基本構成において、パラメータ設定手段は、ボリューム・オブジェクトをボリューム平面で切り出して得られる多角形を三角形に分割し、またマッピング・オブジェクトを３次元マッピング平面で切り出して得られた多角形も対応して三角形に分割し、この得られた対応三角形にグラフィックス処理をして２次元のマッピング平面上の三角形に変換するパラメータ設定手段とし、またアドレス生成手段も対応するようにした。更に、アドレス生成手段は、左右エッジから補間して生成するようにした。また更に、マッピングに際してボクセル・メモリから読み出すボクセル・データとして、指定されたアドレスに最も近いボクセルを選択するか、またはｂｉｌｉｎｅａｒ補間でデータを得るようにした。
【００１８】この発明に係るボリューム・レンダリング方法は、原ボリューム・データが表すボリューム・オブジェクトに対応するマッピング・オブジェクトを設定するステップと、視点方向から見た平面にボリューム平面を設定するステップと、ボリューム・オブジェクトに対応するマッピング平面を設定するステップと、ボリューム平面上のデータをテクスチャ・データとしてマッピング平面上のデータとでテクスチャ・マッピング処理をするステップと、マッピング平面上のデータを半透明描画のためのブレンディングをしながら表示メモリに書き戻すステップを備えた。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．以下に、この発明のボリューム・レンダリング装置の構成を図１について説明する。図１において、１１はボクセル・メモリで、描画対象となるボリューム・データを記憶する。１２はパラメータ計算手段で、ボリューム空間内に設定したボリューム・オブジェクトとボリューム空間に設定した視点と、注視点からボリューム・オブジェクトをスライスするボリューム平面を決定し、ボリューム・オブジェクトをマッピングするマッピング・オブジェクトを視点座標系空間に設定し、更に、ボリューム平面をマッピングする３次元マッピング平面を視点座標系空間に決定し、その３次元マッピング平面をグラフィックス処理を施し、２次元のマッピング平面に変換する。１３はアドレス生成手段で、ボリューム平面に含まれるボクセルを示すボクセルメモリ・アドレスと、マッピング平面を示す画像メモリ・アドレスを生成する。１４は画像メモリで、ボリューム平面をマッピング平面にマッピングした内容を記憶し、画像メモリ・アドレスによって示されるデータのリード／ライトが可能である。１５はブレンディング手段で、ボクセル・メモリから読み出したデータと、画像メモリ１４から読み出したデータをブレンディングする。上記ボクセル・メモリ１１ないし画像メモリ１４は、テクスチャ・マッピング装置としても必須の構成要素であり、これをボリューム・レンダリング用に３次元に拡大アレンジし、ブレンディング手段１５を付加している。
【００２０】次に、図２に示した具体例を用いて、その動作について説明する。まず最初に、本手法の概要を説明する。本手法は、ボリューム・データを定義するボリューム・オブジェクトと、ボリューム・データをマッピングするマッピング・オブジェクトの２つのオブジェクトを用意する。例えば、両オブジェクトを６面体とすると、各頂点間に対応関係をもたせて、ボリューム・オブジェクトの内容をマッピング・オブジェクトにマッピングすることで、描画を行う方法である。このマッピング方法は、ボリューム・オブジェクトを視点からの距離に応じてスライスしたボリューム平面と、前述の対応関係に基づいて、ボリューム平面に対応するようなマッピング・オブジェクトにおけるマッピング平面を設定し、この２平面間でテクスチャ・マッピングと同様なマッピング処理を行う。切り出された複数のマッピング平面を画像メモリに書き込む際に、ブレンディングを行うことで、ボリューム・レンダリングを行う。即ち、元のボクセル・メモリからのデータを、視点面から見たマッピング・オブジェクト中の複数の距離面でスライスしてマッピングし、重層表示するので、正確なデータが得られ、テクスチャ・マッピングの装置又は思想が利用できて、しかも、距離データも織り込めることになる。
【００２１】以下に、図３のフローチャートと図１の構成図をもとに動作を説明する。前提として、ＣＴスキャナやＭＲＩ、超音波センサで得られた２次元断面画像が、画像処理などの手法や色計算などを施された上で、ボクセル・メモリにボリューム・データとして記憶されているとする。まず、３次元ボリューム・データを表示するために、ボクセル・メモリ１１内にマッピングする領域を決めるボリューム・オブジェクトを設定する（ステップ１、従来のステップ１０１，１０２，１０４に相当）。次に、このボリューム・オブジェクトをマッピングするマッピング・オブジェクトを、視点座標系空間に設定する（ステップ２）。例えば、図２（ａ）のようなボクセル・メモリ１１に定義されているボリューム・オブジェクトに対して、図２（ｄ）のように、マッピング・オブジェクトとして立方体を設定する。このとき、視点座標系空間のマッピング・オブジェクトのＡｖ，Ｂｖ，Ｃｖ，Ｄｖ，Ｅｖ，Ｆｖ，Ｇｖ，Ｈｖと、ボクセル・メモリ空間のボリューム・オブジェクトのＡｂ，Ｂｂ，Ｃｂ，Ｄｂ，Ｅｂ，Ｆｂ，Ｇｂ，Ｈｂをそれぞれ対応付ける。
【００２２】更に、視点座標系空間とボクセル空間で同様に設定された視点と、視線方向から求まるボリューム・オブジェクトを切断するボリューム平面の方程式を求め（ステップ３）、前述の対応関係の基づいてボリューム平面に対応するマッピング・オブジェクトを切断するマッピング平面の方程式を求める（ステップ４、従来例のステップ１０３相当）。例えば、視線ベクトルを（ａ，ｂ，ｃ）とすると、これを法線ベクトルとする平面方程式は、以下の式（１）になる。
ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝ｄ （１）
ここでｄは任意の定数で、視点と平面との距離の関係を示している。複数の断面の設定は、このｄを変えて行う。図２（ｂ）は、ｄを変えた平面列の一例である。この定数ｄは、ボリューム・オブジェクトの構成に応じて任意に設定可能である。以上のボリューム平面とマッピング平面の計算を、パラメータ計算手段１２で行い、ボリューム平面のパラメータと、グラフィックス処理を施され２次元の画像メモリの空間に変換されたマッピング平面のパラメータを、アドレス生成手段１３に設定する。図２（ｃ）は、スライスされたボリューム平面、図２R>２（ｅ）は、２次元の画像メモリ１４の空間に変換されたマッピング平面を示す。
【００２３】アドレス生成手段１３は、ボリューム平面を構成するボクセルを示すボクセルメモリ・アドレスを、ボクセル座標系の直交３軸のそれぞれに対して補間処理を行いながら生成する。また、同様にマッピング平面を構成する画素を示す画像メモリ・アドレスを、画像メモリ内の直交２軸のそれぞれに対して、補間処理を行いながら生成する（ステップ５、従来例のステップ１０５相当）。こうして、マッピング平面に多層のデータを書き込んでいく。
【００２４】次に、画像メモリ・アドレスとボクセルメモリ・アドレスは、ブレンディング手段１５に設定される。ボクセルメモリ・アドレスで示されたボクセル・メモリ１１のデータは、ブレンディング手段１５に読み出され、更に、ブレンディング手段１５は、画像メモリ・アドレスで指示される画像メモリ１４のデータを読み出し、ボクセル・メモリ１１から読み出したデータと、画像メモリ１４から読み出されたデータをブレンディングする（ステップ６、従来例のステップ１０６に相当）。具体的には、図２（ｃ）のボクセル・メモリのデータをＳ、画像メモリ中のスライスしたマッピング平面上の旧データをＤｏｌｄ、ブレンディング後の新データをＤｎｅｗとすると、Ｄｎｅｗ＝αＳ＋（１−α）Ｄｏｌｄ （２）
但し、０＜α＜１として、ブレンディング後のデータを得る。ブレンディングされたデータは、画像メモリ１４の読み出したアドレスと同じアドレスに書き込む。具体例を示すと、ボクセル・データから読み出すデータの集合は、図２の（ｃ）のようなボリューム平面で表され、この平面をブレンディングしながらマッピング平面にマッピングすることで、図２（ｆ）のようなボリュームレンダリング・イメージを生成する。
【００２５】また、図２２のように、ボリューム・データを透視効果を施したイメージを生成する場合に、従来例では、ボリューム・データ全部に対して奥行きを示すＺ値で割り算をする必要がある。しかし、本実施例では、ステップ２のマッピング・オブジェクトを設定するときに、マッピング・オブジェクトを構成する頂点に対してのみ奥行きを示すＺ値で割り算を行うことで、透視効果を実現することができる。
【００２６】このように、本実施例は、正しい３次元透視を得るために、従来例のテクスチャ・マッピング装置を３次元を扱えるように拡張し、ブレンディング装置を新たに付け加えることで、容易に実現することが可能である。
【００２７】実施の形態２．この発明の実施の形態２のボリューム・レンダリング装置の概念を、図４に基づいて説明する。図４（ａ）は、ボリューム平面とボクセル・メモリとの交わりが複雑な形になる場合である。このような場合、図４の（ｂ）のように、切り出された多角形を三角形１，２，３，４に分割する。図４では、三角形ストリップ形式に分割しているが、どのような分割方法で可能である。実施の形態１の図３のフローチャートに、三角形分割（ステップ５ｂ）を加えた動作フローチャートが図５である。画像メモリへ書き込むマッピング平面も、ボリューム平面で分割したものと同様な三角形１，２，３，４に分割する。パラメータ設定手段１２は、この分割した三角形をアドレス生成手段１３に設定し、画像メモリのスキャンラインに沿って三角形内のアドレスを補間してマッピングを行う。分割された三角形をすべて設定することで、複雑に切断された切断面を描画することができ、ボリューム・レンダリングのイメージを生成することができる。このように、三角形に分割するメリットは、ｎ角形の場合のために、複数の処理制御を用意する必要が無い点である。
【００２８】実施の形態３．この発明の実施の形態３の装置を、図６〜９に基づいて説明する。図６は、図１で示されるアドレス生成手段１３を、本形態にアレンジした構成を示す図である。図において、４１はパラメータ設定手段１２により、図４（ｃ）のようにマッピング平面から分割された三角形と、図４（ｂ）のようにボリューム平面から分割された三角形のそれぞれの左エッジの補間処理を行う左エッジ補間回路、４２はパラメータ設定手段１２により、図４（ｃ）のようにマッピング平面から分割された三角形と、図４（ｂ）のようにボリューム平面から分割された三角形のそれぞれの右エッジの補間処理を行う右エッジ補間回路、４３は左エッジ補間回路４１と右エッジ補間回路４２のそれぞれから出力されるマッピング平面から分割された三角形と、ボリューム平面から分割された三角形のエッジ上のデータを入力として、マッピング平面上の三角形の左右エッジ２点により決まる画像メモリ１４と、ボクセル・メモリ１１のラインを補間するライン補間回路である。
【００２９】図７は、図６に示される左エッジ補間回路４１と右エッジ補間回路４２と右エッジと左エッジを結ぶラインを補間するライン補間回路４３の一例を示す図である。５１は画像メモリ１４のマッピング平面上の三角形のＸ座標を補間しながら生成する補間回路、５２は画像メモリ１４のマッピング平面上の三角形のＹ座標を補間しながら生成する補間回路、５３は画像メモリ１４のマッピング平面上の三角形のＺ座標を補間しながら生成する補間回路、５４はボクセル・メモリ１１のボリューム平面上の三角形のＸ座標を補間しながら生成する補間回路、５５はボクセル・メモリ１１のボリューム平面上の三角形のＹ座標を補間しながら生成する補間回路、５６はボクセル・メモリ１１のボリューム平面上の三角形のＺ座標を補間する補間回路である。
【００３０】図８は、図７で示される５１，５２，５３，５４，５５，５６の補間回路の一例である。６１は補間を行う直線の始点を保持する始点レジスタ、６２は補間データを保持する補間レジスタ、６３は補間されたデータまたは始点レジスタ６１のデータを保持する保持レジスタ、６４は保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータを累積加算することで補間を行う加算器である。図９は、ボリューム平面と画像メモリ内のマッピング平面上の各データの対応を説明する図である。
【００３１】次に、動作を説明する。まず、マッピング平面の分割された三角形のエッジを、左エッジと右エッジとに分離する。図９を基に説明すると、この分離は三角形を構成する頂点の中で、Ｙ座標が最大値となる点と最小値になる点が、エッジの端点になるように分離をする。つまり、図９の場合では、右エッジはＡ−Ｂ、左エッジはＡ−Ｃ−Ｂになる。このとき、画像メモリ１４内の三角形のエッジに対応するボリューム平面から分割された三角形のエッジも、左右に分離される。つまり、右エッジはＭａ−Ｍｂ、左エッジはＭａ−Ｍｃ−Ｍｂになる。
【００３２】次に、左エッジと右エッジのそれぞれの始点となる頂点ＡのＸ，Ｙ，Ｚ座標と、頂点Ａに対応するボリューム平面から分割された三角形の頂点ＭａのＸｂ，Ｙｂ，Ｚｂ座標が、左エッジ補間回路４１と右エッジ補間回路４２のそれぞれの補間回路５１，５２，５３，５４，５５，５６のそれぞれの始点レジスタ６１に入力される。各エッジの端点間のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂの変化量をΔＸ，ΔＹ，ΔＺ，ΔＸｂ，ΔＹｂ，ΔＺｂ、補間値をｄＸ，ｄＹ，ｄＺ，ｄＸｂ，ｄＹｂ，ｄＺｂとすると、補間値はパラメータ設定手段１１で、次のように計算され、ｄＸ＝ΔＸ／ΔＹ，ｄＹ＝１，ｄＺ＝ΔＺ／ΔＹ，ｄＸｂ＝ΔＸｂ／ΔＹ，ｄＹｂ＝ΔＹｂ／ΔＹ，ｄＺｂ＝ΔＺｂ／ΔＹとなる。これらの補間値は、エッジ補間回路５１，５２，５３，５４，５５，５６の補間レジスタ６２に入力される。補間に必要なデータがレジスタに設定されると、各補間回路の始点レジスタ６１のデータが保持レジスタ６３に入力され、保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータが加算器６４において加算され、加算されたデータは保持レジスタに保持される。保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータの加算の繰り返しにより、右エッジの場合は、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｂを生成し、左エッジの場合は、Ｌ１，Ｌ２，Ｃを生成する。
【００３３】このエッジ補間処理において、両エッジの始点のＹ座標は同一であり、ｄＹ＝１とするために左右のエッジ補間回路４１，４２が同期動作を行うと、各エッジ補間回路４１，４２の出力データである左右エッジ上の点は、画像メモリ内の同一スキャンライン上の点となる。左エッジ補間回路４１の出力データであるＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂは、ピクセル補間回路４３のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂのそれぞれの補間回路５１，５２，５３，５４，５５，５６の始点レジスタ６１に入力される。また、パラメータ設定手段１１は、左エッジ補間回路４１と右エッジ補間回路４２から出力される点のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂデータを一旦読み込み、これら２頂点のデータから２頂点の補間値を計算して、ピクセル補間回路の補間レジスタ６２に設定する。左エッジ補間回路４１から出力される左エッジ上の点と、右エッジ補間回路４２から出力される右エッジ上の点を結ぶ直線のＸ，Ｙ，Ｚ，Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂの変化量を、ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ，ΔＸｂ，ΔＹｂ，ΔＺｂ、補間値をｄＸ，ｄＹ，ｄＺ，ｄＸｂ，ｄＹｂ，ｄＺｂとすると、補間値はパラメータ設定手段１１で、次のように計算され、ｄＸ＝１，ｄＹ＝０，ｄＺ＝ΔＺ／ΔＸ，ｄＸｂ＝ΔＸｂ／ΔＸ，ｄＹｂ＝ΔＹｂ／ΔＸ，ｄＺｂ＝ΔＺｂ／ΔＸと補間値が計算される。ピクセル補間回路４３内の補間回路５１，５２，５３，５４，５５，５６の動作は、エッジ補間回路の場合と同じであり、補間に必要なデータがレジスタに設定されると、補間回路の始点レジスタ６１のデータが保持レジスタ６３に入力され、保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータが加算器６４において加算される。加算されたデータは保持レジスタ６３に入力され保持される。保持レジスタ６３のデータと補間レジスタ６２のデータの繰り返しにより、ライン上のアドレスを生成する。以上の処理によって、アドレス生成手段からボリューム平面が構成するボクセルメモリ・アドレスと、マッピング平面が構成する画像メモリ・アドレスが生成され、ボリューム・レンダリングを実現する。
【００３４】実施の形態４．この発明の実施の形態４の装置を図１０を用いて説明する。図１０は、画像メモリ１４ｂをフレームメモリと兼ねて、画像メモリとしてまるめこんだ整数データを記憶する整数型画像メモリとしたボリューム・レンダリング装置の構成図である。動作は実施の形態１の装置と同様である。ブレンディングする際に、書き込む値を整数型にすることで、画像メモリ以外にフレームメモリを持つ必要がなく、コストダウンを図れる。
【００３５】実施の形態５．この発明の実施の形態５の装置を図１１を用いて説明する。図１１は、図１のボリューム・レンダリング装置の構成に９６のフレームメモリ、９７のホストＣＰＵ、９８のディスプレイ、９９のバスを追加したものである。基本的動作は、実施の形態１の装置と同じであり、ホスト９７は描画するボリューム・データをボクセル・メモリに登録し、視点や注視点を設定し、パラメータ設定手段１３へ指示を出す。画像メモリ１４は、浮動小数点型のＲＧＢデータを持つ。画像メモリが浮動小数点型のデータを持つので、複数枚のボリューム平面を重ね合わせた場合でも、整数型を持つ画像メモリの場合よりも精度良くボリューム・データのマッピングができる。複数枚のボリューム平面を重ね終えた後、ホスト９７は画像メモリ１４のデータを整数型に変換した後、フレームメモリ９６に転送し、ディスプレイ９８でボリューム・レンダリングされたイメージを表示する。
【００３６】実施の形態６．動作を簡単にするため、実施の形態１の装置のボクセル補間器において、アドレス補間で示されたアドレスに最も近いボクセルからデータを読み出して、それをボクセルのデータとすることでボリューム・レンダリングを行う。図１２は、この方法の概念を説明する図である。図１２（ａ）で示されるボリューム空間におけるボリューム平面上のアドレスが、図１R>１（ｂ）（指定されたアドレスの付近の拡大図）のように、ボクセルを示さない場合、最も近いボクセルＤを選び、このボクセルＤのデータを指定されたアドレスのデータとして用いることで、簡単にデータを読み出せる。図１３は、その動作フローを示した図である。
【００３７】実施の形態７．正確にデータ補間するため、実施の形態１の装置のボクセル補間器において、アドレス補間の際に、指定されたアドレス付近の８個のボクセルからｂｉｌｉｎｅａｒ補間して、それをボクセル・データとすることで、ボリューム・レンダリングをする。図１４は、ｂｉｌｉｎｅａｒ補間の概念を説明する図である。図１４の（ａ）で示されるボリューム空間におけるボリューム平面上のアドレスが、図１４（ｂ）（指定されたアドレスの付近の拡大図）のように、ボクセルを示さない場合、周辺のボクセルによるｂｉｌｉｎｅａｒ補間を行う。ｂｉｌｉｎｅａｒ補間は、ボクセルＡＢＥＧのデータ補間よりＵＰにおけるデータを求め、ボクセルＣＤＦＨのデータ補間より、ＤＯＷＮにおけるデータを求める。このＵＰとＤＯＷＮ間のデータを補間することで、アドレスで示される位置のデータを求める。この補間処理により補間を行わない場合より計算量は多くなるが、高品質なボリューム・レンダリングが可能となる。図１５（ａ）は、その動作フローを示す図である。図１５（ｂ）は、動作フローの各ステップでの補間計算の論理を示す論理式を示す図である。
【００３８】
【発明の効果】この発明は、以上のように構成されているので、下記のような効果がある。３次元のボリューム・データをスライスした多数の２次元画像を、ブレンディングしながらマッピング処理するので、従来のマッピング装置を応用でき、簡単にボリューム・レンダリングが可能となる。また、深さ方向の距離計算が簡単になる。また、ボリューム・データを読み出す際に、補間処理を行うことで、ボリューム・データを拡大縮小した場合でも、正確に表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のボリューム・レンダリング装置の構成と概念を示す図である。
【図２】 図１のボリューム・レンダリング装置の処理内容を説明する図である。
【図３】 図１の装置の動作を示すフローチャート図である。
【図４】 この発明の実施の形態２のボリューム・レンダリング装置の三角形分割動作を説明する図である。
【図５】 実施の形態２の装置の動作を示すフローチャート図である。
【図６】 実施の形態３のボリューム・レンダリング装置のアドレス生成手段の構成図である。
【図７】 図６のアドレス生成手段内のエッジ補間回路とピクセル補間回路を示す図である。
【図８】 図７のの補間回路の詳細構成図である。
【図９】 ボリューム・レンダリング装置の三角形のエッジ分割と画像メモリ内の画素生成の対応を説明する図である。
【図１０】 実施の形態４の画像メモリをフレームメモリと共用したボリューム・レンダリング装置の構成図である。
【図１１】 実施の形態５の画像メモリとは別にフレームメモリを持つボリューム・レンダリング装置の構成図である。
【図１２】 実施の形態６のボリューム・レンダリング装置で隣接ボクセルの選択動作を説明する図である。
【図１３】 図１２の選択動作を示すフローチャート図である。
【図１４】 実施の形態７のボリューム・レンダリング装置でｂｉｌｉｎｅａｒ補間動作を説明する図である。
【図１５】 図１４の補間動作を示すフローチャート図である。
【図１６】 従来のシェーディング法によるボリューム・レンダリング装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】 従来例の図１６の装置の動作を示すフローチャート図である。
【図１８】 従来例の補間シェーディングによるピクセルの精度を示す図である。
【図１９】 従来のテクスチャ・マッピング装置の構成を示す図である。
【図２０】 従来のテクスチャ・マッピング装置のエッジ補間回路とピクセル補間回路の構成図である。
【図２１】 従来のテクスチャ・マッピング装置におけるエッジ分割動作を説明する図である。
【図２２】 従来のテクスチャ・マッピング装置で透視変換を行うボリューム・レンダリングを説明する図である。
【符号の説明】
１１ ボクセル・メモリ、１２ パラメータ設定手段、１３ アドレス生成手段、１４ 画像メモリ、１５ ブレンディング手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 原ボリューム・データを記憶するボクセル・メモリと、上記ボリューム・データが表すボリューム・オブジェクトを視点から見た平面にスライスするボリューム平面のパラメータを計算し、また上記ボリューム・オブジェクトをマッピングするマッピング・オブジェクトを視点座標系に設定して上記ボリューム平面に対応する上記マッピング・オブジェクトをスライスする３次元マッピング平面のパラメータも計算し、更に上記３次元マッピング平面にグラフィックス処理をして２次元マッピング平面に変換するパラメータ設定手段と、上記ボリューム平面を示すボクセルメモリ・アドレスと、上記３次元に拡張したマッピング平面を示す画像メモリ・アドレスを必要に応じて補間して生成するアドレス生成手段と、上記ボリューム平面を上記マッピング平面にマッピングした内容を記憶し、また後述のブレンディング手段出力の画像を書き戻す画像メモリと、上記ボクセル・メモリからのデータを画像メモリからのマッピング平面にマッピングして半透明のブレンディングされたボリュームレンダリング・データを得るブレンディング手段を備えたボリューム・レンダリング装置。
【請求項２】 パラメータ設定手段は、ボリューム・オブジェクトをボリューム平面で切り出して得られる多角形を三角形に分割し、またマッピング・オブジェクトを３次元マッピング平面で切り出して得られた多角形も対応して三角形に分割し、該得られた対応三角形にグラフィックス処理をして２次元のマッピング平面上の三角形に変換するパラメータ設定手段とし、またアドレス生成手段は、上記ボリューム・オブジェクトをボリューム平面で切り出して得られる分割三角形に含まれるボクセルを示すボクセルメモリ・アドレスと、上記マッピング・オブジェクトを３次元マッピング平面で切り出して得られた対応三角形に含まれる画像を示す画像メモリ・アドレスを生成するアドレス生成手段であることを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項３】 アドレス生成手段は、パラメータ設定手段でマッピング平面から分割された三角形と、ボリューム平面から分割された対応する三角形を各左エッジと右エッジに分け、内部データは上記左エッジと右エッジを補間して生成するアドレス生成手段であることを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項４】 画像メモリは、記憶する画像の色データを整数の値で保持する整数型の画像メモリとし、更に表示用のフレームメモリを兼ねるようにしたことを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項５】 画像メモリは、記憶する画像の色データを浮動小数点データとして保持する画像メモリとし、更に表示用のフレームメモリとは独立に設けたことを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項６】 また更に、マッピングに際してボクセル・メモリから読み出すボクセル・データとして、指定されたアドレスに最も近いボクセルを選択することを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項７】 また更に、マッピングに際してボクセル・メモリから読み出すボクセル・データに対して指定されたアドレスを中に含む８座標のボクセルを選択してｂｉｌｉｎｅａｒ補間でデータを得ることを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項８】 原ボリューム・データが表すボリューム・オブジェクトに対応するマッピング・オブジェクトを設定するステップと、視点方向から見た平面にボリューム平面を設定するステップと、ボリューム・オブジェクトに対応するマッピング平面を設定するステップと、上記ボリューム平面上のデータをテクスチャ・データとしてマッピング平面上のデータとでテクスチャ・マッピング処理をするステップと、マッピング平面上のデータを半透明描画のためのブレンディングをしながら表示メモリに書き戻すステップを備えたボリューム・レンダリング方法。
【請求項１】 原ボリューム・データを記憶するボクセル・メモリと、上記ボリューム・データが表すボリューム・オブジェクトを視点から見た平面にスライスするボリューム平面のパラメータを計算し、また上記ボリューム・オブジェクトをマッピングするマッピング・オブジェクトを視点座標系に設定して上記ボリューム平面に対応する上記マッピング・オブジェクトをスライスする３次元マッピング平面のパラメータも計算し、更に上記３次元マッピング平面にグラフィックス処理をして２次元マッピング平面に変換するパラメータ設定手段と、上記ボリューム平面を示すボクセルメモリ・アドレスと、上記３次元に拡張したマッピング平面を示す画像メモリ・アドレスを必要に応じて補間して生成するアドレス生成手段と、上記ボリューム平面を上記マッピング平面にマッピングした内容を記憶し、また後述のブレンディング手段出力の画像を書き戻す画像メモリと、上記ボクセル・メモリからのデータを画像メモリからのマッピング平面にマッピングして半透明のブレンディングされたボリュームレンダリング・データを得るブレンディング手段を備えたボリューム・レンダリング装置。
【請求項２】 パラメータ設定手段は、ボリューム・オブジェクトをボリューム平面で切り出して得られる多角形を三角形に分割し、またマッピング・オブジェクトを３次元マッピング平面で切り出して得られた多角形も対応して三角形に分割し、該得られた対応三角形にグラフィックス処理をして２次元のマッピング平面上の三角形に変換するパラメータ設定手段とし、またアドレス生成手段は、上記ボリューム・オブジェクトをボリューム平面で切り出して得られる分割三角形に含まれるボクセルを示すボクセルメモリ・アドレスと、上記マッピング・オブジェクトを３次元マッピング平面で切り出して得られた対応三角形に含まれる画像を示す画像メモリ・アドレスを生成するアドレス生成手段であることを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項３】 アドレス生成手段は、パラメータ設定手段でマッピング平面から分割された三角形と、ボリューム平面から分割された対応する三角形を各左エッジと右エッジに分け、内部データは上記左エッジと右エッジを補間して生成するアドレス生成手段であることを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項４】 画像メモリは、記憶する画像の色データを整数の値で保持する整数型の画像メモリとし、更に表示用のフレームメモリを兼ねるようにしたことを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項５】 画像メモリは、記憶する画像の色データを浮動小数点データとして保持する画像メモリとし、更に表示用のフレームメモリとは独立に設けたことを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項６】 また更に、マッピングに際してボクセル・メモリから読み出すボクセル・データとして、指定されたアドレスに最も近いボクセルを選択することを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項７】 また更に、マッピングに際してボクセル・メモリから読み出すボクセル・データに対して指定されたアドレスを中に含む８座標のボクセルを選択してｂｉｌｉｎｅａｒ補間でデータを得ることを特徴とする請求項１記載のボリューム・レンダリング装置。
【請求項８】 原ボリューム・データが表すボリューム・オブジェクトに対応するマッピング・オブジェクトを設定するステップと、視点方向から見た平面にボリューム平面を設定するステップと、ボリューム・オブジェクトに対応するマッピング平面を設定するステップと、上記ボリューム平面上のデータをテクスチャ・データとしてマッピング平面上のデータとでテクスチャ・マッピング処理をするステップと、マッピング平面上のデータを半透明描画のためのブレンディングをしながら表示メモリに書き戻すステップを備えたボリューム・レンダリング方法。
【図１】
【図６】
【図１８】
【図２】
【図４】
【図８】
【図２０】
【図３】
【図５】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図２２】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図１９】
【図２１】
【図１５】
【図１７】
【図６】
【図１８】
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【図４】
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【図１２】
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【図１４】
【図１６】
【図１９】
【図２１】
【図１５】
【図１７】
【公開番号】特開平９−５０５３７
【公開日】平成９年（１９９７）２月１８日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−２０３１９１
【出願日】平成７年（１９９５）８月９日
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成９年（１９９７）２月１８日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）８月９日
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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