JP2000348202A - ボクセルを有するボリューム・データ・セットのずらし−ワープ・レンダリング方法、ボリューム・データ・セットのレンダリング装置 - Google Patents

ボクセルを有するボリューム・データ・セットのずらし−ワープ・レンダリング方法、ボリューム・データ・セットのレンダリング装置

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JP2000348202A
JP2000348202A JP2000148389A JP2000148389A JP2000348202A JP 2000348202 A JP2000348202 A JP 2000348202A JP 2000148389 A JP2000148389 A JP 2000148389A JP 2000148389 A JP2000148389 A JP 2000148389A JP 2000348202 A JP2000348202 A JP 2000348202A
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voxels
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Tiecheng Zhao
ティーチェン・ツァオ
Vishal C Bhatia
ヴィシャル・シー・バティア
Jan C Hardenbergh
ジャン・シー・ハーデンバーグ
James M Knittel
ジェームズ・エム・ニッテル
Hugh C Lauer
ヒュー・シー・ラウアー
Hanspeter Pfister
ハンスピーター・フィスター
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Mitsubishi Electric Information Technology Corp
Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Original Assignee
Mitsubishi Electric Information Technology Corp
Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
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    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のレンダリング・エンジンとその関連す
るメモリとにわたってボリューム分割を配分することに
より1つのボリュームを描画して、データの再分割を行
わずに任意のビュー角の処理を行うことができるレンダ
リング方法が望まれていた。 【解決手段】 オブジェクト座標系111に従ってボリ
ューム・データ・セットを複数の軸整列セットのボクセ
ルに分割することにより、オブジェクト座標系に従って
設けられたボクセルを有するボリューム・データ・セッ
トのずらし−ワープ・レンダリングが行われる。選択さ
れた軸整列セットのボクセルは中間基準平面で画素とし
て描画される。各々の選択された軸整列ボクセルのセッ
トについて1つの中間基準平面が存在する。これらの中
間基準平面が合成およびワープされて1つの画像を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はボリューム・グラフ
ィックスの分野に関連し、特にずらし−ワープ・ボリュ
ーム・データ・セットの画像のレンダリングに係る、ボ
クセルを有するボリューム・データ・セットのずらし−
ワープ・レンダリング方法およびボリューム・データ・
セットのレンダリング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ボリューム・データ・セットがボクセル
配列として定義される。これらのボクセルはある現実の
オブジェクトあるいは架空のオブジェクトを表す値を有
する。したがって、これらのボクセルは通常、オブジェ
クト座標に従ってメモリ中に設けられる。ボリューム・
レンダリングによって画像座標に従って設けられる画素
が生成される。
【0003】ボリューム・データ・セットのサイズが大
きすぎるか、複雑すぎるかのいずれかに起因して、単一
レンダリング・エンジンによって単一レンダリング・パ
スでこのボリューム・データ・セットの処理を行えない
場合が時としてある。すなわち、処理対象のボクセル数
がメモリまたは処理制限を超えている場合である。この
ような場合、ボリュームをボクセルのセットに分割する
ことが必要となる。そうすることにより、逐次的方法あ
るいは並列的方法のいずれかによってこれらのセットを
別個に描画することが可能となる。最終的に、この別個
のレンダリング結果の合成を行い、シングルパス・レン
ダリングで生成された場合の画像と同じ最終画像の生成
が可能となる。
【0004】従来技術には、直接ボリューム・レンダリ
ングと共に行うボリューム・データ分割の利用方法が多
数ある。これらの方法は画像分割法とオブジェクト分割
法にほぼ二分することができる。画像分割法では各レン
ダリング・タスクにより画像の特定部分の計算が行われ
る。ビューイング(viewing)変換が変化するにつれて少
なくとも1つのレンダリング・エンジンへボリューム・
データの移動を行うことにより複数セットの画素の計算
が行われる。オブジェクト分割法では、各レンダリング
・エンジンによって描画対象のボリューム・データの特
定サブセットが割り当てられる。次いで各レンダリング
からの部分的結果を一緒に合成して画像形成を行う必要
がある。
【0005】「ずらし−ワープ(shear-warp)分解を用い
る共有メモリ・マルチプロセッサにおけるリアルタイム
・ボリューム・レンダリング」(並列レンダリング・シ
ンポジウム、pp.15-22、1995)の中で、Lacrouteは、効
率的オペレーションを行うための共有メモリ・アーキテ
クチャを必要とする並列ずらし−ワープ・レンダリング
法を提示している。この方法では、ボリューム・オブジ
ェクトの分割と関連して基準平面の画像分割が利用され
る。ボリュームは、ビューイング光線に対して垂直に整
列したスライス上に在るボクセル・セットに分割され
る。ビューイング・パラメータに従ってこのスライスを
ずらすことによりボクセルの分割セットの整列が行わ
れ、その後、最終画像に対してこれらの中間結果のワー
プが行われる。
【0006】Lacrouteの方法の1つの欠点として、光線
の多くがスライスのすべての中を通ることに起因して、
各レンダリング・エンジンがボリューム・データ・セッ
ト全体に対してアクセスを行う必要があるということが
ある。この欠点のために、必要な記憶容量を増やすか、
共有メモリ・コンピュータのような特殊なハードウェア
を必要とするかのいずれかを行わなければならない。さ
らに、あらゆる異なる視角について分割とシアリング
(ずらし)を行う必要がある。
【0007】Amim他の「ずらし−ワープアルゴリズムの
効率的、スケーラブルな並列構成を用いる高速ボリュー
ム・レンダリング」(並列レンダリング・シンポジウ
ム、pp.7-14、1995)の中に、Lacrouteのずらし−ワープ
法の拡張についての記載がある。Amim他の論文では、ボ
リュームとはビューイング光線に平行なスライスに従っ
て分割されたオブジェクトである。この視点依存性のた
めにレンダリング・エンジン間でのボクセルの通信が必
要となるためこの方法はLacrouteの画像分割法よりさら
に非効率的なものになる。Amimの方法によって、レンダ
リング・エンジンの数に応じたボリューム分割が可能に
なるとはいえ、Lacrouteの方法のように、Amimの方法で
も依然として視点への依存という欠点から免れていな
い。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】したがって従来、複数
のレンダリング・エンジンとその関連するメモリとにわ
たって、ボリューム分割を配分することにより1つのボ
リュームを描画して、データの再分割を行わずに任意の
ビュー角(viewing angle)の処理が扱えるようにするこ
とが望まれていた。
【0009】さらに、レンダリングは以下の要件を満た
さなければならない。最終画像品質は、そのボリューム
のシングルパス・レンダリングで生成された場合の最終
画像品質と比較可能なものでなければならない。多数の
レンダリング・パスからの部分的結果の合成に起因する
目障りになるようなアーチファクト(artifacts)あるい
は加工物になるようではいけない。クロッピング、カッ
ト・プレーン(cut-plane)及びカーソルのような、分割
の境界を横切って伸びたり作用したりすることがある特
殊効果レンダリング要件を含めて、レンダリング・エン
ジンによって分割ボリュームのレンダリングを透過的に
処理しなければならない。また、個々のレンダリングの
中間結果を得ることも可能でなければならない。
【0010】本発明はいくつかのより小さな部分に分割
されたボリューム・データ・セットにずらし−ワープ・
レンダリングを行うための方法と装置を供するものであ
る。これらのより小さな部分はその後、並列的方法ある
いは逐次的方法のいずれかによってを別個に処理できる
ので、空間的あるいは時間的制約を克服できる。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記の目的に鑑み、この
発明は、オブジェクト座標に従って設けられたボクセル
を有するボリューム・データ・セットにずらし−ワープ
・レンダリングを行う方法であって、オブジェクト座標
に従って複数の軸整列セットのボクセルにボリューム・
データ・セットを分割するステップと、中間基準平面に
画素として選択された軸整列セットのボクセルをレンダ
リングするステップであって、各々選択されたセットの
軸整列ボクセルについて1つの中間基準平面が存在する
前記ステップと、前記中間基準平面を1つの画像に合成
およびワープするステップと、を備えたことを特徴とす
るボクセルを有するボリューム・データ・セットのずら
し−ワープ・レンダリング方法にある。
【0012】また、分割後、任意のビュー方向を選択
し、分割されたボリューム・データ・セットを該選択さ
れたビュー方向に従ってレンダリングするステップを更
に有することを特徴とする請求項1に記載のボクセルを
有するボリューム・データ・セットのずらし−ワープ・
レンダリング方法にある。
【0013】また、中間基準平面のすべてが描画された
後、前記合成とワープが行われることを特徴とする請求
項1に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セ
ットのずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0014】また、各々の中間基準平面が描画された
後、前記合成とワープが行われることを特徴とする請求
項1に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セ
ットのずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0015】また、任意のビュー方向に従って正しい可
視度の順序で前記中間基準平面が合成されることを特徴
とする請求項3または4に記載のボクセルを有するボリ
ューム・データ・セットのずらし−ワープ・レンダリン
グ方法にある。
【0016】また、任意の大きさを持つ軸整列セットの
ボクセルに分割するために、ボリューム・データ・セッ
トの中で任意の数のボクセルを選択するステップを更に
有することを特徴とする請求項1に記載のボクセルを有
するボリューム・データ・セットのずらし−ワープ・レ
ンダリング方法にある。
【0017】また、前記選択がビューイング・パラメー
タとは独立に行われることを特徴とする請求項6に記載
のボクセルを有するボリューム・データ・セットのずら
し−ワープ・レンダリング方法にある。
【0018】また、前記選択された軸整列セットのボク
セルが並列に描画されることを特徴とする請求項1に記
載のボクセルを有するボリューム・データ・セットのず
らし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0019】また、前記選択された軸整列セットのボク
セルが逐次的に描画されることを特徴とする請求項1に
記載のボクセルを有するボリューム・データ・セットの
ずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0020】また、単一の半導体チップ上に製造される
複数の並列ハードウェア・パイプラインにより前記レン
ダリングが行われることを特徴とする請求項1に記載の
ボクセルを有するボリューム・データ・セットのずらし
−ワープ・レンダリング方法にある。
【0021】また、隣接する軸整列セットのボクセル中
のボクセルがオーバーラップすることを特徴とする請求
項1に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セ
ットのずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0022】また、前記オーバーラップの量がレンダリ
ングの間の軸整列セットのボクセルに適用される最大の
畳み込みカーネルに依存することを特徴とする請求項1
1に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セッ
トのずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0023】また、選択され軸整列した各セットのボク
セルが、他の軸整列セットのボクセルとは独立して描画
されることを特徴とする請求項1に記載のボクセルを有
するボリューム・データ・セットのずらし−ワープ・レ
ンダリング方法にある。
【0024】また、特定の軸整列したセットのボクセル
が1次元であることを特徴とする請求項1に記載のボク
セルを有するボリューム・データ・セットのずらし−ワ
ープ・レンダリング方法にある。
【0025】また、特定の軸整列したセットのボクセル
が2次元であることを特徴とする請求項1に記載のボク
セルを有するボリューム・データ・セットのずらし−ワ
ープ・レンダリング方法にある。
【0026】また、特定の軸整列したセットのボクセル
が3次元であることを特徴とする請求項1に記載のボク
セルを有するボリューム・データ・セットのずらし−ワ
ープ・レンダリング方法にある。
【0027】また、前記中間基準平面が合成されて基準
平面になり、前記基準平面が画像にワープされる請求項
1に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セッ
トのずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0028】また、前記中間基準平面が中間画像にワー
プされ、前記中間画像が合成されて画像になることを特
徴とする請求項1に記載のボクセルを有するボリューム
・データ・セットのずらし−ワープ・レンダリング方法
にある。
【0029】また、軸整列セットのボクセルをレンダリ
ングしている間、3次元軸整列したカーソルをレンダリ
ングするステップを更に有することを特徴とする請求項
1に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セッ
トのずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0030】また、軸整列セットのボクセルのレンダリ
ングに先行して、2つの軸整列したカット・プレーンを
指定するステップを更に有することを特徴とする請求項
1に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セッ
トのずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0031】また、カット・プレーン間の軸整列セット
のボクセルが描画されることを特徴とする請求項20に
記載のボクセルを有するボリューム・データ・セットの
ずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0032】また、カット・プレーンの外側にある軸整
列セットのボクセルが描画されることを特徴とする請求
項20に記載のボクセルを有するボリューム・データ・
セットのずらし−ワープ・レンダリング方法にある。
【0033】また、オーバーラップするボクセルが2つ
の同一サンプルを生成し、前記2つのサンプルのうちの
1つを除外するステップを更に備えたことを特徴とする
請求項11に記載のボクセルを有するボリューム・デー
タ・セットのずらし−ワープ・レンダリング方法にあ
る。
【0034】また、オブジェクト座標に従って設けられ
たボクセルを有するボリューム・データ・セットのレン
ダリングを行う装置であって、オブジェクト座標に従っ
て複数の軸整列セットのボクセルに分割されたボリュー
ム・データ・セットを記憶するボクセル・メモリと、中
間基準平面に画素として選択された軸整列セットのボク
セルをレンダリングするためのレンダリング・エンジン
であって、各々の選択されたブロックについて中間基準
平面が存在する前記レンダリング・エンジンと、前記中
間基準平面を記憶する基準平面メモリと、前記中間基準
平面を1つの画像に合成およびワープするための手段
と、を備えたことを特徴とするボリューム・データ・セ
ットのレンダリング装置にある。
【0035】また、レンダリング・エンジンが、前記選
択された軸整列セットのボクセルのレンダリングを同時
に行う複数の処理用パイプラインを有することを特徴と
する請求項24に記載のボリューム・データ・セットの
レンダリング装置にある。
【0036】また、複数のレンダリング・エンジンが、
多数の軸整列セットのボクセルに対して並列に動作する
ことを特徴とする請求項24に記載のボリューム・デー
タ・セットのレンダリング装置にある。
【0037】また、セクション・メモリに記憶された中
間データが、隣接する軸整列セットのボクセルの部分的
結果とオーバーラップするレンダリング計算の部分的結
果を含むことを特徴とする請求項24に記載のボリュー
ム・データ・セットのレンダリング装置にある。
【0038】ボリューム・データ・セットは、オブジェ
クト座標系を用いたボクセルからなる構成としてメモリ
に記憶される。ボリューム・データ・セットのボクセル
は、オブジェクト座標系に従って複数の軸整列セットの
ボクセルに分割されたオブジェクトである。これらの軸
整列セットのボクセルは任意の大きさ、次元を持つこと
ができる。
【0039】この軸整列セットのボクセルの中で選択さ
れたボクセルは中間基準平面の画素として個々に描画さ
れる。各々の選択されたセットの軸整列ボクセルについ
て1つの中間基準平面が存在する。次いでこれらの中間
基準平面は1つの画像へ合成およびワープ(warp)され
る。
【0040】本発明の1つの利点として、画像やオブジ
ェクトの再分割を行わずに任意のビュー方向の選択が可
能である。別の局面では、中間基準平面のすべてが描画
された後に合成とワープが行われるか、個々の各中間基
準平面が描画されてしまった後、徐々に合成とワープが
行われるかのいずれかになる。
【0041】ビュー方向の独立性をサポートするため
に、レンダリング・サンプルの複製はボリューム分割の
エッジにおて回避される。
【0042】
【発明の実施の形態】図1は本発明による分割されたボ
リュームのレンダリング中様々な座標系を示し、図2は
図1の様々な座標系の間での変換を図示する。
【0043】座標系図1に図示のように、本発明による
分割されたボリューム100の基準平面102を介して画像面
101上へのレンダリングでは、4つの座標系、オブジェ
クト座標(u,v,w)111、置換座標(x,y,z)112、基準
平面座標(xb,yb,zb)113及び画像座標(xi,yi,zi)1
14が用いられる。オブジェクト座標と画像座標は一般に
右手座標系として表現される。置換座標系はビュー方向
に依存して右手か左手かのいずれかにすることができ
る。基準平面座標系は置換座標と同じ左手か右手のいず
れかを有する。
【0044】ボリュームは軸u、v、wを持つオブジェク
ト座標を用いて定義される。原点はボリュームの1つの
隅(一般にボリューム自身の視点からの重要な開始点を
表す隅)に配置される。ボリューム中のボクセルに対す
る任意のアクセスがu、v、wに関して表現される。これ
らのオブジェクト座標を用いてオフセットが得られる。
各軸に沿う単位距離はその軸に沿う隣接ボクセル間の間
隔に等しい。
【0045】図1では、立方体により表されるボリュー
ム100はその原点が上部右手後部隅に存在するように方
向づけられる。すなわち、ボリューム・データ・セット
100によって表されるオブジェクトはある角度で後から
視たものである。置換座標(x,y,z)に関して、画像面
101に最も近いボリュームの頂点となるように原点は再
配置され、z軸はビュー方向にほとんど平行なボリュー
ムのエッジとなる。x軸及びy軸はボクセルのトラバー
サル(traversal)が常に正方向に生じるように選択され
る。
【0046】図1で、置換座標系の原点はオブジェクト
の原点から反対側の隅である。基準平面座標(xb,yb,
b)は1つの系であり、この系ではzb=0平面は置換さ
れたオブジェクト座標で表現されたボリュームのxy面
を持つ同一平面上にある。基準平面自体は、基準平面の
原点からボリュームのサイズ及びビュー方向の双方に依
存する最大点104へ延伸する有限平面である。
【0047】この最大点から端X(endX)と端Y(endY)の
値が導き出される。これらの値によって画像出力を行う
ための画素メモリ上へ基準平面がマップされる。図1で
わかるように、置換座標のxとyの最大値がそれぞれ基
準平面座標の端Xと端Yと整列するように、基準平面が
配置される。基準平面座標系の原点は、置換座標のボリ
ューム・データ・セットの上部、左手、後部隅の中を通
る、あるいは非常に近くを通る光線から結果として生じ
る画素である。特に、この光線はボリュームに当たる上
部最左側の光線である。
【0048】基準平面の大きさはボリューム・データ・
セットと見る角度双方の大きさの関数である。最大サイ
ズの基準平面はすべての面に対してビュー方向が45°の
ときに生じる。最小サイズの基準平面はボリュームの面
のサイズ、すなわちビュー方向が基準平面に対して垂直
な場合のオブジェクトSizeX−オブジェクトSizeYであ
る。
【0049】画像座標(xi,yi,zi)はボリュームのレ
ンダリングから結果として生じる最終画像の座標であ
る。そのzi=0平面は、コンピュータ・スクリーン、印
刷されたページあるいはボリュームが表示される他の媒
体の平面である。この平面は、生成される画像の平面軸
iとyi(画像面とも呼ばれる)及びこの画像面に対する
法線である軸ziとから成る。xi軸は左から右へ増加
し、yi軸は底部から上部へ増加し、zi軸は観察者の方
向に増加する。zi軸に沿う測定値は、画像面からオブ
ジェクトまでの距離を示す。一般に、画像面の画素はx
ii−平面における整数座標で配置される。
【0050】アイ・ベクトル(eye vector)と呼ばれるこ
ともあるビューイング・ベクトル103は、zi軸に対して
平行で、負方向すなわち観察者から離れる方向を指す。
図1は簡略化されているので、誤って解釈することがあ
るので注意されたい。ビュー方向に依存して、ボリュー
ム・データ・セットの8つの頂点の中のいずれか1つを
置換座標の原点にしてもよい。さらに、いずれの原点に
ついても、3つの可能な右回り及び左回りの軸の置換が
存在する。したがって、基準平面に関してボリューム・
データ・セットの有効な24の方向が存在する。
【0051】変換行列 ちょうど4つの重要な座標系111〜114が存在するよう
に、図2に図示のように4つの重要な変換11〜14も存在
する。各変換は行列として表現される。11はビュー行列
(M)、12は置換行列(P)、13はずらし行列(S)、14はワ
ープ行列(W)である。図2は変換関係を図示するもので
ある。
【0052】ビュー行列Mはアプリケーションにより与
えられる。この行列は、ボリューム・データ・セットに
より示されたオブジェクトを画像空間において、すなわ
ちスクリーン上や何らかの他の出力装置における画像に
関して、配置する方法を指定するものである。一般に、
ビュー行列はオブジェクトを変換し、回転し、スケール
し、クリップする変換の継ぎ目であり、それによってオ
ブジェクト座標におけるその表示を画像座標の対応する
表示へ変換するものである。
【0053】置換行列Pは、ボリューム・データ・セッ
トの範囲内でボリューム・データ・セットの軸と原点の
変換を示す行列である。この置換行列Pは、上述のよう
にその自然な位置から画像面の最も近い位置へ原点を
“移動させる”。
【0054】ずらし行列Sはレンダリング・オペレーシ
ョン自体の数学的表現である。厳密に言えば、レンダリ
ング・オペレーションとは、基準平面の点上へのボリュ
ーム・データ・セット中の点の投影である。ワープ行列
Wを導き出す行列Sを利用するためには、まず逆行列S-1
を得る必要がある。しかし残念ながら投影変換には逆行
列は含まれていない。したがって、対応する点(xb,
b,zb)に対して各点(x,y,z)をマップする3次元ず
らし変換としてSを定義し、それによって各点のz座標
を保存する。
【0055】最終的に、ワープ行列Wは、基準平面画像
中の固有の歪みの除去に必要なポスト・レンダリング・
ステップの数学的表現である。この行列は図2の唯一の
未知行列であり、他の3つの行列と以下のように関連す
る。
【0056】M=WラSラP
【0057】すなわち、Pを利用して置換座標に合わせ
てオブジェクトをまず置換、次いでSを利用して基準平
面へこのオブジェクトを投影し、最終的にWを利用して
画像面へその結果のワープを行うと、(Mを利用する)画
像空間中へのボリュームの投影により同じ結果が生成さ
れる。
【0058】Mはアプリケーションにより与えられ、P
とSは簡単に導き出されるので、Wは次式により得るこ
とができる:
【0059】MラP-1×S-1=W
【0060】基準平面画像を画像面で視ることが可能な
画像に変換するのに必要な、ストレッチング(stretchin
g)、シュリンキング(shrinking)、フリッピング(flippi
ng)、回転及び/又は変換が、上記の結果生じる行列Wに
よって具現化される。
【0061】行列M、S、Pはすべて4ラ4の逆行列であ
り、したがってWも逆行列であることに留意されたい。
しかし、実際にはWは、2次元画像面中へ2次元基準平
面をマップするために利用される。
【0062】システムについての説明 軸整列ボクセル・セットへのボリューム分割 図3は本発明によるレンダリング・システム200の流れ
図を図示する。まず、ボリューム100の関心領域がレン
ダリングを行うために選択される(S1)。この領域はボリ
ューム全体またはそのうちのある一部分を含むことがで
きる。選択された領域のボクセルは軸整列セットのボク
セル210に分割される201。本発明では分割は図2のオブ
ジェクト座標111に従うものである。図示のようにこの
分割によって単一ボクセル(ゼロ次元セット)、ボクセル
列(1次元セット)、1スライスのボクセル(2次元セッ
ト)及び平行六面体(3次元セット)の各ボクセル210の生
成を行うことができる。
【0063】描画202を行うために分割された複数セッ
トのボクセルを選択することができる(S2)。通常すべて
のセットが選択されるが、すべてのセットの選択は本発
明が機能するために必要なものではない。視点215に応
じて、各セットのボクセル値が、レンダリングによって
対応する中間基準平面220の画素上へ投影される。有意
に、また、従来技術とは対照的に、分割201後に視点215
の選択を行うことができる。この選択には、ボリューム
の再分割を行う必要なく異なるビュー方向を描画できる
という利点がある。
【0064】レンダリング 推奨される本実施の形態では、米国特許出願SN.09/191,
865"ボリューム・データ・セット用2レベル・ミニブロ
ック記憶システム”に記載されているような、単一の半
導体チップ上に製造された複数のレンダリング・パイプ
ラインを含むレンダリング・エンジンによりレンダリン
グが行われる。複数のレンダリング・エンジンにより並
列に、あるいは、単一レンダリング・エンジンにより逐
次的に上記選択されたセットのボクセルの描画を行うこ
とができる。
【0065】合成とワープ この時点で、次の合成とワープの2つのステップは順番
が入れ替わっても行うことができる。この合成とワープ
はハードウェアのソフトウェアにより行うことができ
る。第1の順序では、中間基準平面220が基準平面102に
合成され203、次いで基準平面のワープ204が行われて、
ボリューム100を表す画像(結像101)の生成が行われる。
第2の順序では、中間基準平面のワープが行われて中間
画像240が生成され、次いでこの中間画像の合成を行っ
て最終画像全体(結像101)を生成することができる。
【0066】前から後ろあるいは後ろから前の順序で軸
整列した各セットのボクセルを描画することができる。
中間基準平面と画像のいずれかの合成の際にも両方の合
成順序が同様に有効である。
【0067】合成とワープを行う2つの方法が存在す
る。1つの方法は、すべてのセットが描画されるまです
べての中間結果を記憶することである。次いで、後ろか
ら前または前から後ろの順序で中間結果から画像102と1
01(基準平面102および画像面101の画像)の生成を行う。
もう1つの方法は、描画を行いながら画像102または101
を組み立てるものである。第1のアプローチの利点は、
都合の良いまたは好適な任意の順序で描画を行うことが
できるという点である。第2のアプローチの利点は、た
とえ画像が単なる部分的画像にすぎないものであっても
常にエラーのない画像が存在するという点である。
【0068】オーバーラップ 図4に示すように、ボリューム101の分割によって軸整
列セットのボクセルのエッジに沿う若干量のオーバーラ
ップ300を持つ軸整列セットのボクセル301が生成され
る。このオーバーラップは、1グループの隣接ボクセル
から得られる勾配のような値の適切な決定を保証するも
のである。例えば、勾配推定は、3ラ3ラ3のグループの隣
接ボクセル320に対して畳み込みカーネル(convolution
kernel)310を適用することができる。畳み込みカーネル
とは、そのグループのボクセルを掛けて単数の導出(勾
配)値を得るための重みづけ値からなる行列(例えば3ラ3ラ
3)である。他のサイズのカーネル(例えば2ラ2ラ2や4ラ4ラ4)
を用いることもできる。したがって、オーバーラップ30
0の量は最大畳み込みカーネルを収容できるほど大きな
ものでなければならない。
【0069】最初の光線位置 しかし、図5に示すように、分割に起因して、オーバー
ラップ400のための追加調整を行わなければならない。
この場合、光線401は点402でセットk−1を出るが、点4
03でセットkに入る。したがってセットkの最初の光線
のオフセットを決定する時に、点403におけるオフセッ
トをオフセット402の代わりに使用したほうがよい。一
般に、Nzのz方向の長さを有する各セットのボクセルに
ついて、光線位置に影響を与えるボクセル数は、(Nz)−
(オーバーラップ領域のボクセル数)である。もう1つの
方法は、上記の点について考えることは第2のセットの
共通ボクセル数をカウントすることにすぎないとするも
のである。
【0070】特に、z=k(但しk=0,...,n−1)で軸整列
したセットについて、xy平面での最初の光線位置のオ
フセットは以下のように決定される:
【0071】 OffsetX=StepX * k * Nz−int(StepX * k * Nz) OffsetY=StepY * k * Nz−int(StepY * k * Nz)
【0072】ここで、Stepは光線に沿ったサンプル・ポ
イント間のz距離である。
【0073】したがって一般にオーバーラップ補償に関
して光線位置は次のように決定される:
【0074】 OffsetX=fraction(StepX * (Nz−overlap) * k) OffsetY=fraction(StepY * (Nz−overlap) * k)
【0075】このセットが異なる次元を持っている場
合、Nz*kは、k番目のセットまでのすべてのz次元にわ
たる和によって交換される。
【0076】オーバーラップ領域の整数ボクセル位置に
在る特別な場合のサンプルについて処理を行う必要があ
る。そうしないとサンプルを2度カウントする可能性が
ある。このようなサンプルについては第2のサンプルが
除外される。
【0077】トラバーサル(Traversal) 図6に示すように、例えば、ボリューム100は27個の軸
整列セットのボクセルに分割されている。このボリュー
ムは置換座標112を用いてビューベクトル103のすべての
成分が正になるように示されている。後ろから前への合
成という制約は、現在描画されているセットを出てその
後描画対象となる別のセットに入る光線が存在しないか
もしれないということである。以上の事実によってトラ
バーサル順序が定義される。前から後ろへの合成は逆の
トラバーサル順序で行うこともできる。したがってレン
ダリングと合成は、最大のx、y、z座標を持つセット
26から開始される。次に、同じz値を持つ隣接セットす
なわちセット23と25が調べられる。これら2つのセット
を出る光線はセット26に入るかボリュームを出るかのい
ずれかを行う。これらのセットが次に処理されなければ
ならない。
【0078】次に、描画されたばかりのセットに隣接
し、最大のx軸あるいはy軸(この場合セット24と20)を
持つセットが調べられる。セット22を出た光線はセット
23、25、26に入ることしかできないので次の中間基準平
面はセット22から生じる。
【0079】同じパターンに従って、セット19、21及び
最終的にセット18が選択されボリュームの頂面が完成さ
れる。次に、次の低いzが動かされ、はるか後部すなわ
ちセット17から処理が開始され、頂面と同じように処理
が続けられる。
【0080】別のトラバーサル順序では、その他の2つ
の次元を現在の最大値に保持したままでz次元をもっと
も外側のループにして1つの方向に反復が行われる。
【0081】 for (z=zmax−1 ;z >=0; z−−) for (x=xmax−1 ;x >=0; x−−) for (y=ymax−1 ;y >=0; y−−) 描画、選択的な合成およびワープ()
【0082】このトラバーサル順序については、頂面の
順序は26、23、20、25、22、19、24、21、18に設定され
る。
【0083】基準平面のサイズ 基準平面は合成中、一時記憶のバッファとして機能す
る。したがって基準平面は、後ろから前へトラバーサル
を行う場合には背景色を用いて初期化され、前から後ろ
へトラバーサルを行う場合には前景色に合わせて初期化
される。基準平面のサイズは、最上部左後部を(0,0)と
して以下のように決定される:
【0084】 EndX=floor(StepX * NumberOfSteps+SizeX−1) EndY=floor(StepY * NumberOfSteps+SizeY−1)
【0085】中間基準平面 各次元でNXSubV、NYSubV、NZSubVセットのボクセルを持
つボリュームについて、(NXSubV−1、NYSubV−1、NZSub
V−1)におけるセット(すなわち第1描画セットのボクセ
ル)によって基準平面と同じ原点を持つ中間基準平面が
生成される。この場合、セット(i,j,k)(但し、i=0、NX
SubV-1など)について、中間基準平面の所在位置は、
【0086】 StartX(i, j, k)=i * (Nx−overlap)+StepX * k * (N
z−overlap) StartY(i, j, k)=j * (Ny−overlap)+StepY * k * (N
z−overlap)
【0087】但し、Nx、Ny、Nzはセットの大きさを示
す。ボクセル・セットが異なるサイズのものである場
合、i*Nxなどの項を和で置き換えなければならない。中
間基準平面の端点は以下のようになる。
【0088】 IntEndX=StartX+(Nx−1)+StepX * (Nz−1) IntEndY=StartY+(Nz−1)+StepY * (Nz−1)
【0089】その他のレンダリング演算 さらに、各成分がそのセットに正確に適用されるよう
に、全体としてボリュームに作用するいずれのレンダリ
ング演算も変換または分割を行う必要がある。このよう
な演算には、クロッピング、カーソル操作、カットプレ
ーン、ビュー方向及びライティングが含まれる。
【0090】クロッピングとクリッピング(cropping,cl
ipping) クロッピング及び/又はクリッピングによって、アプリ
ケーションによる描画対象ボリューム中の関心領域の選
択/非選択が可能になる。米国特許出願SN.09/190、64
5"リアルタイムのボリューム・データ・セット操作のた
めのパイプライン化クロッピング”に単一ボリュームの
ためのクロッピング法についての記載がある。
【0091】図7は選択可能な関心領域600の6つの例
を図示するものである。クロッピングはボリュームに従
ってオブジェクト座標により指定され、立体での“スラ
ブ(slab)"の厚さのクロッピング、並びに、和セット、
交わり及びその類のいくつかの論理演算を特徴とする。
さらに、分割されたボリュームに対するクロッピングは
常に軸整列している。クロッピングを行うために、クロ
ップされているスラブ(slab)の所在位置は軸整列ボクセ
ル・セットに従って変換される。各次元を個々に決定す
るために立体での変換は減結合される。インデックス
(i,j,k)を持っているサブボリュームについて、スラブ
(slab)の所在位置は以下のように変換される。この場
合、xとx'とはそれぞれ、スーパーボリュームとサブ
ボリューム(i,j,k)の原点を基準とするスラブ(slab)の
位置である。
【0092】 x'=x−(Nx−overlap)* i y'=y−(Ny−overlap)* j z'=z−(Nz−Overlap)* k
【0093】カーソル カーソルは、描画された画像に配置できるインジケータ
の1つの形である。3Dカーソルについて記載しているも
のとして、米国特許出願SN.09/190,332"リアルタイム・
レンダリング・システムのための3次元カーソル”があ
る。分割されたボリューム・データ・セットにおける3D
カーソルの操作に関して、カーソルがオブジェクト座標
の中に指定されるという点でクロッピングと多少類似し
た問題点があり、カーソルの動きが1セットの数とある
論理によって特徴づけられており、カーソルは常に軸整
列している。カーソルの幅と長さは分割されたボリュー
ムに関して不変である。
【0094】カーソルの中心 カーソルの中心C( x , y , z )はボリュームの原点を基準と
するオブジェクト座標系を用いて指定される。セット
(i,j,k)を基準とするように中心位置を移す必要のある
変換は単なる移動にすぎない:
【0095】 cx=x−i * (Nx−Overlap) cy=y−j * (Ny−Overlap) cz=z−k * (Nz−Overlap)
【0096】但し、(x,y,z)は、スーパーボリューム
の原点を基準とするカーソルの中心位置である。
【0097】カット・プレーン カット・プレーンによって、アプリケーションはボリュ
ームの中を通ってスライスする2つの任意に整列した平
行な平面を指定し、どの部分が可視であるかの定義を行
うことが可能になる。図8の(a)と(b)に図示のよう
に、これらの平行なカット・プレーン用としてサポート
される2つのレンダリング・モード、包含的モード801
と排他的モード802とがあり得る。包含的モードでは、
2つのカット・プレーン間の全てが可視である。排他的
モードでは、2つのカット・プレーンの外側にある全て
が可視である。図示のように、完全な可視状態から不可
視状態までの範囲及びその逆の範囲で可視度遷移が生じ
る距離を画定する“fallOff"領域が指定される。
【0098】カット・プレーンは、法線(N)、原点から
の距離(D)、厚さ(T)及び減退(fall-off)距離(F)を特徴
とする。カット・プレーンはオブジェクト座標を用いて
指定される。Knittelは、米国特許出願SN.09/190,303"
リアルタイムでボリューム・データ・セットの1部分を
視るための増分計算されたカット・プレーン領域”の中
でレンダリング・パイプライン用カット・プレーン装置
について記載している。
【0099】軸整列したセットへのボリューム分割は、
カット・プレーンの法線方向を変更するものではなく、
またその厚さと減退を変更するものでもない。なぜな
ら、この変換は各セットに従った単なる移動にすぎない
からである。変換を必要とする唯一のパラメータは距離
ベクトルである。セット(i,j,k)について、その距離は
以下のようになる:
【0100】 Dsubj=(D−Originsub)dot N、 但し、Originsub=(i(Nx−overlap),j(Ny−overlap),k
(Nz−overlap))
【0101】さらに、この距離は正又はゼロに設定され
る。すなわち、距離+厚さ+fall-off(D+T+F)は(nx,n
y,nz)の範囲内に入るように設定される。さらに、(D+T
+F)が負の場合あるいはこの距離が(nx,ny,nz)より大き
い場合、このセットのためにカット・プレーンを止めた
(turn off)ほうがよい。
【0102】ビュー及びライティング 本発明の利点として、ボリュームを分割することはビュ
ー行列に少しも影響を与えず、また指向性光線にも影響
を与えないということがある。したがって、ボリューム
の再分割を行う必要なくライティングとビュー方向の変
更を行うことができる。
【0103】本発明では、オブジェクト座標系に従って
ボリューム・データ・セットを複数の軸整列セットのボ
クセルに分割することにより、オブジェクト座標系に従
って設けられたボクセルを有するボリューム・データ・
セットのずらし−ワープ・レンダリングが行われる。
【0104】選択された軸整列セットのボクセルは中間
基準平面で画素として描画される。各々の選択された軸
整列ボクセルのセットについて1つの中間基準平面が存
在する。これらの中間基準平面が1つの画像に合成され
ワープされる。
【0105】本発明の精神と範囲内で様々な他の適合化
及び改変を行うことができることは理解されよう。した
がって、すべてのそのような変更例及び改変例を本発明
の真の精神と範囲の中に含まれるものとしてカバーする
ことが添付の請求項の目的である。
【0106】
【発明の効果】上記のようにこの発明によれば、オブジ
ェクト座標に従って設けられたボクセルを有するボリュ
ーム・データ・セットにずらし−ワープ・レンダリング
を行う方法および装置において、オブジェクト座標に従
って複数の軸整列セットのボクセルにボリューム・デー
タ・セットを分割するステップと、中間基準平面に画素
として選択された軸整列セットのボクセルをレンダリン
グするステップであって、各々選択されたセットの軸整
列ボクセルについて1つの中間基準平面が存在する前記
ステップと、前記中間基準平面の合成とワープを行い1
つの画像にするステップと、を備え、いくつかのより小
さな部分に分割されたボリューム・データ・セットにず
らし−ワープ・レンダリングを行うようにしたので、こ
れらのより小さな部分は、並列的方法あるいは逐次的方
法のいずれかによってを別個に処理できるので、空間的
あるいは時間的制約を克服できる。また、ボリュームを
分割することはビュー行列に少しも影響を与えず、また
指向性光線にも影響を与えず、したがって、ボリューム
の再分割を行う必要なくライティングとビュー方向の変
更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によって用いられる座標系を示すブロ
ック図である。
【図2】 本発明によって用いられる座標変換を示すブ
ロック図である。
【図3】 本発明による分割されたボリューム・レンダ
リングのブロック図である。
【図4】 本発明によるオーバーラップする軸整列セッ
トのボクセルのブロック図である。
【図5】 本発明によるオーバーラップするセットのボ
クセルの中を通る光線を示すブロック図である。
【図6】 本発明によるトラバーサル順序を示す分割さ
れたボリュームのブロック図である。
【図7】 本発明によるボリューム・クロッピングのブ
ロック図である。
【図8】 本発明によるボリューム・カット・プレーン
に隣接するところの可視度を示す図である。
【符号の説明】
11 ビュー行列、12 置換行列、13 ずらし行列、14
ワープ行列、 100ボリューム、101 画像面、102
基準平面、103 ビューイング・ベクトル、111オブジェ
クト座標、112 置換座標、113 基準平面座標、114
画像座標、200レンダリング・システム、201 分割、20
2 描画、203 合成、204 ワープ、210 ボクセル、21
5 視点、220 中間基準平面、240 中間画像、300 オ
ーバーラップ、301 ボクセル、310 畳み込みカーネ
ル、320 隣接ボクセル、400オーバーラップ、401 光
線、801 包含的モード、802 排他的モード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597067574 201 BROADWAY, CAMBRI DGE, MASSACHUSETTS 02139, U.S.A. (72)発明者 ティーチェン・ツァオ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ノ ーウッド、エンガモア・レーン 200、ナ ンバー 206 (72)発明者 ヴィシャル・シー・バティア アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ア ーリントン、サマー・ストリート 478 (72)発明者 ジャン・シー・ハーデンバーグ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、サ ドベリー、ティプリング・ロック・ロード 7 (72)発明者 ジェームズ・エム・ニッテル アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、グ ラトン、ヒル・ロード 241 (72)発明者 ヒュー・シー・ラウアー アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、コ ンコルド、ボーダー・ロード 69 (72)発明者 ハンスピーター・フィスター アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、サ マービル、パーク・ストリート 60

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 オブジェクト座標に従って設けられたボ
    クセルを有するボリューム・データ・セットにずらし−
    ワープ・レンダリングを行う方法であって、 オブジェクト座標に従って複数の軸整列セットのボクセ
    ルにボリューム・データ・セットを分割するステップ
    と、 中間基準平面に画素として選択された軸整列セットのボ
    クセルをレンダリングするステップであって、各々選択
    されたセットの軸整列ボクセルについて1つの中間基準
    平面が存在する前記ステップと、 前記中間基準平面を1つの画像に合成およびワープする
    ステップと、 を備えたことを特徴とするボクセルを有するボリューム
    ・データ・セットのずらし−ワープ・レンダリング方
    法。
  2. 【請求項2】 分割後、任意のビュー方向を選択し、分
    割されたボリューム・データ・セットを該選択されたビ
    ュー方向に従ってレンダリングするステップを更に有す
    ることを特徴とする請求項1に記載のボクセルを有する
    ボリューム・データ・セットのずらし−ワープ・レンダ
    リング方法。
  3. 【請求項3】 中間基準平面のすべてが描画された後、
    前記合成とワープが行われることを特徴とする請求項1
    に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セット
    のずらし−ワープ・レンダリング方法。
  4. 【請求項4】 各々の中間基準平面が描画された後、前
    記合成とワープが行われることを特徴とする請求項1に
    記載のボクセルを有するボリューム・データ・セットの
    ずらし−ワープ・レンダリング方法。
  5. 【請求項5】 任意のビュー方向に従って正しい可視度
    の順序で前記中間基準平面が合成されることを特徴とす
    る請求項3または4に記載のボクセルを有するボリュー
    ム・データ・セットのずらし−ワープ・レンダリング方
    法。
  6. 【請求項6】 任意の大きさを持つ軸整列セットのボク
    セルに分割するために、ボリューム・データ・セットの
    中で任意の数のボクセルを選択するステップを更に有す
    ることを特徴とする請求項1に記載のボクセルを有する
    ボリューム・データ・セットのずらし−ワープ・レンダ
    リング方法。
  7. 【請求項7】 前記選択がビューイング・パラメータと
    は独立に行われることを特徴とする請求項6に記載のボ
    クセルを有するボリューム・データ・セットのずらし−
    ワープ・レンダリング方法。
  8. 【請求項8】 前記選択された軸整列セットのボクセル
    が並列に描画されることを特徴とする請求項1に記載の
    ボクセルを有するボリューム・データ・セットのずらし
    −ワープ・レンダリング方法。
  9. 【請求項9】 前記選択された軸整列セットのボクセル
    が逐次的に描画されることを特徴とする請求項1に記載
    のボクセルを有するボリューム・データ・セットのずら
    し−ワープ・レンダリング方法。
  10. 【請求項10】 単一の半導体チップ上に製造される複
    数の並列ハードウェア・パイプラインにより前記レンダ
    リングが行われることを特徴とする請求項1に記載のボ
    クセルを有するボリューム・データ・セットのずらし−
    ワープ・レンダリング方法。
  11. 【請求項11】 隣接する軸整列セットのボクセル中の
    ボクセルがオーバーラップすることを特徴とする請求項
    1に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セッ
    トのずらし−ワープ・レンダリング方法。
  12. 【請求項12】 前記オーバーラップの量がレンダリン
    グの間の軸整列セットのボクセルに適用される最大の畳
    み込みカーネルに依存することを特徴とする請求項11
    に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セット
    のずらし−ワープ・レンダリング方法。
  13. 【請求項13】 選択され軸整列した各セットのボクセ
    ルが、他の軸整列セットのボクセルとは独立して描画さ
    れることを特徴とする請求項1に記載のボクセルを有す
    るボリューム・データ・セットのずらし−ワープ・レン
    ダリング方法。
  14. 【請求項14】 特定の軸整列したセットのボクセルが
    1次元であることを特徴とする請求項1に記載のボクセ
    ルを有するボリューム・データ・セットのずらし−ワー
    プ・レンダリング方法。
  15. 【請求項15】 特定の軸整列したセットのボクセルが
    2次元であることを特徴とする請求項1に記載のボクセ
    ルを有するボリューム・データ・セットのずらし−ワー
    プ・レンダリング方法。
  16. 【請求項16】 特定の軸整列したセットのボクセルが
    3次元であることを特徴とする請求項1に記載のボクセ
    ルを有するボリューム・データ・セットのずらし−ワー
    プ・レンダリング方法。
  17. 【請求項17】 前記中間基準平面が合成されて基準平
    面になり、前記基準平面が画像にワープされる請求項1
    に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セット
    のずらし−ワープ・レンダリング方法。
  18. 【請求項18】 前記中間基準平面が中間画像にワープ
    され、前記中間画像が合成されて画像になることを特徴
    とする請求項1に記載のボクセルを有するボリューム・
    データ・セットのずらし−ワープ・レンダリング方法。
  19. 【請求項19】 軸整列セットのボクセルをレンダリン
    グしている間、3次元軸整列したカーソルをレンダリン
    グするステップを更に有することを特徴とする請求項1
    に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セット
    のずらし−ワープ・レンダリング方法。
  20. 【請求項20】 軸整列セットのボクセルのレンダリン
    グに先行して、2つの軸整列したカット・プレーンを指
    定するステップを更に有することを特徴とする請求項1
    に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セット
    のずらし−ワープ・レンダリング方法。
  21. 【請求項21】 カット・プレーン間の軸整列セットの
    ボクセルが描画されることを特徴とする請求項20に記
    載のボクセルを有するボリューム・データ・セットのず
    らし−ワープ・レンダリング方法。
  22. 【請求項22】 カット・プレーンの外側にある軸整列
    セットのボクセルが描画されることを特徴とする請求項
    20に記載のボクセルを有するボリューム・データ・セ
    ットのずらし−ワープ・レンダリング方法。
  23. 【請求項23】 オーバーラップするボクセルが2つの
    同一サンプルを生成し、前記2つのサンプルのうちの1
    つを除外するステップを更に備えたことを特徴とする請
    求項11に記載のボクセルを有するボリューム・データ
    ・セットのずらし−ワープ・レンダリング方法。
  24. 【請求項24】 オブジェクト座標に従って設けられた
    ボクセルを有するボリューム・データ・セットのレンダ
    リングを行う装置であって、 オブジェクト座標に従って複数の軸整列セットのボクセ
    ルに分割されたボリューム・データ・セットを記憶する
    ボクセル・メモリと、 中間基準平面に画素として選択された軸整列セットのボ
    クセルをレンダリングするためのレンダリング・エンジ
    ンであって、各々の選択されたブロックについて中間基
    準平面が存在する前記レンダリング・エンジンと、 前記中間基準平面を記憶する基準平面メモリと、 前記中間基準平面を1つの画像に合成およびワープする
    ための手段と、 を備えたことを特徴とするボリューム・データ・セット
    のレンダリング装置。
  25. 【請求項25】 レンダリング・エンジンが、前記選択
    された軸整列セットのボクセルのレンダリングを同時に
    行う複数の処理用パイプラインを有することを特徴とす
    る請求項24に記載のボリューム・データ・セットのレ
    ンダリング装置。
  26. 【請求項26】 複数のレンダリング・エンジンが、多
    数の軸整列セットのボクセルに対して並列に動作するこ
    とを特徴とする請求項24に記載のボリューム・データ
    ・セットのレンダリング装置。
  27. 【請求項27】 セクション・メモリに記憶された中間
    データが、隣接する軸整列セットのボクセルの部分的結
    果とオーバーラップするレンダリング計算の部分的結果
    を含むことを特徴とする請求項24に記載のボリューム
    ・データ・セットのレンダリング装置。
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