JPH036786A - Method and device for drawing volume body to computer graphic display unit - Google Patents
Method and device for drawing volume body to computer graphic display unitInfo
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- JPH036786A JPH036786A JP2127053A JP12705390A JPH036786A JP H036786 A JPH036786 A JP H036786A JP 2127053 A JP2127053 A JP 2127053A JP 12705390 A JP12705390 A JP 12705390A JP H036786 A JPH036786 A JP H036786A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明はコンピュータグラフィックスの分野に関するも
のであシ、更に詳しくいえば、コンピュータ表示装置に
ボリューム物体を表示することに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to the field of computer graphics, and more particularly to displaying volume objects on a computer display.
ボリュームデータは「ボクセル(マox* 1 )Jと
呼ばれるボリューム素子の三次元アレイにょシ表される
。各ボクセルには、ボリューム空間内のそれの場所を表
す3つの整数座標と、その場所におけるある特性、たと
えば温度または組成、これは描写属性には直接には関係
しない、を表す、それの密度と呼ばれる少くとも1つの
整数値とが組合わされる。他方、幾何学的データはχ、
y、z座標位置と、色のような描写属性とによって表さ
れる。Volume data is represented by a three-dimensional array of volume elements called voxels (ox*1). Each voxel has three integer coordinates representing its location in volume space and a certain It is combined with at least one integer value, called the density, representing a property, such as temperature or composition, which is not directly related to the descriptive attribute. Geometric data, on the other hand, are
It is represented by a y, z coordinate position and a descriptive attribute such as color.
ボリュームデータとは異な夛、幾何学的データは表示の
ために容易に描写される。その理由は、幾何学的データ
は幾何学的技術を表示するために必要な描写情報を供給
するからである。ボリュームデータはボリューム物体自
体に関連する情報を含む。Unlike volumetric data, geometric data is easily rendered for display purposes. The reason is that geometric data provides the necessary descriptive information to display geometric techniques. Volume data includes information related to the volume object itself.
したがって、ボリュームデータを表示するためには、ボ
リュームデータをボリューム空間から、費示装置の空間
に適合するフォーマットへ翻訳せねばならない。コンピ
ュータグラフィックス表示装置上にボリュームを描写す
るために幾何学的技術とボリューム的技術の2つの技術
が基本的にある。幾何学的技術においては、ボリューム
データは幾何学的素構成要素に適合させられる。その幾
何学的素構成要素はそれらの素構成要素を含むモデルを
生ずる。ボリューム的技術においては、再投射技術また
は光投写技術を用いてボリュームが直接に描写される。Therefore, in order to display volume data, the volume data must be translated from the volume space into a format that is compatible with the space of the display device. There are basically two techniques for representing volumes on computer graphics display devices: geometric techniques and volumetric techniques. In geometric techniques, volume data is fitted to geometric elementary components. The geometric elementary components yield a model that includes those elementary components. In volumetric techniques, volumes are directly depicted using reprojection or optical projection techniques.
7ツクス(Fuchs)著「オブチマル・サーフェイス
・レコンストラクション・フォー管フレーナー・コンタ
ワース(Optimal 5urfaca Rseon
struetfon for Planar Cont
ours) J CACM 20(1977)には、ボ
リュームを通る直列スライス上にひかれた1組の輪郭か
ら三次元表面を再構成することによシ、ボリュームデー
タに含まれている表面を描写するための幾何学的アルゴ
リズムが記載されている。それらの輪郭はルーチンに従
う半自動縁部を用いて一般的に得られる。次に、三角形
、多角形または二重立方体(bi −cubie)のバ
ッチのような幾何学的な素構成要素を用いて輪郭が埋め
られる。それらの幾何学的な素構成要素は三次元多角形
模型を形成する。それらの模型は通常の技術を用いて描
写できる。表面再構成のための類似の技術が米国特許第
4 、729 、098号明細書に記載されている。し
かし、表面輪郭の抽出にはオペレータが介在することを
しばしば必要とする。``Optimal Surface Reconstruction Four Tube Flaner Contours'' by Fuchs
struet for Planar Cont.
ours) J CACM 20 (1977) describes a method for describing surfaces contained in volume data by reconstructing a three-dimensional surface from a set of contours drawn on serial slices through the volume. A geometric algorithm is described. Their contours are generally obtained using semi-automatic edging following routines. The contours are then filled in using geometric elementary elements such as batches of triangles, polygons or bi-cubies. Those geometric elementary components form a three-dimensional polygonal model. These models can be drawn using conventional techniques. A similar technique for surface reconstruction is described in US Pat. No. 4,729,098. However, extraction of surface contours often requires operator intervention.
細部を保持するためには多数の多角形を必要とする。ま
九、ボリュームデータはいまはボリュームの表面データ
によってだけ表されているから、生のボリュームデータ
は失われ、部分的表面または部分的物体は表示できない
。Requires a large number of polygons to preserve detail. Ninth, since the volume data is now represented only by the volume's surface data, the raw volume data is lost and partial surfaces or objects cannot be displayed.
ボクセルレベルで表面の細部を保持しようとする努力の
結果としてキューベリル(Cuberlll@)法が開
発された(ゴートン(Gordon )、イメージ・ス
ペース・シェーディング・オブ・3−デイメンジョナル
・オブシェクツ、コンピュータ壷ビジョン・グラフィッ
クス・アンド拳イメージ会プロセツ’/7グ(rmag
e 5pace Shading of 3−D1m@
n51onal Dbjset+ Compatar
Vlalon Graphlc@and Image
Processing ) 29 + 377−393
(1985) ’)。この技術は、表面境界を表す効率
を描写するために圧縮される2進ボリユームを構成する
。ボクセルの面は陰影をつけられた多角形として描写さ
れる。この技術では半透明または部分的な表面は描写で
きない。マーチング・キューブス(Marching
Cubes)として知られている別の幾何学的アルゴリ
ズムが表面とボクセル立方体の交差を計算し、非常に詳
細な表面近似を行う三角形を生ずる。シックラフ198
7グロシーデイングス(Slggraph ) 198
7 (Proceedings) (1987年7月)
、163〜169ページ所載の「マーチング−キューブ
ス:ア・ハイ−レゾリュージョン・3−D?−フェイス
番コンストラクション瞭アルゴリズム、コンピュータ・
グラフィックス(M&rehjng Cubes :
A HlIrh Re5olution 3−DSur
face Con5truction A1gorlt
hm+ Computsr Graphicm)Jと題
するローレンソン(Lawreneon)他の論文を参
照されたい。よ)−層の詳細が分割立方体アルゴリズム
により供給される。そのアルゴリズムは境界を1組の点
として表す。メゾイカA/11フィジックス(Medi
cal Physles )1988年6月号所載の「
ツー・アルゴリズムス争フォー・ザ・レコ/ストラクシ
ョ/・オブeサーフェイス・フロム会トモグラム(Tw
o Algorithmg For Th@Raeon
gtruetlon of SurfaeeFrom
Tomograms ) Jと題するクライン(CIi
ns)他ρ論文と、米国特許第4,719,585号参
照。The Cuberll method was developed as a result of efforts to preserve surface detail at the voxel level (Gordon, Image Space Shading of 3-Dimensional Objects, Computer Urn Vision Graphics). Su & Ken Image Society Prosets'/7g (rmag
e 5pace Shading of 3-D1m@
n51onal Dbjset+ Compatar
Vlalon Graphlc@and Image
Processing ) 29 + 377-393
(1985)'). This technique constructs a binary volume that is compressed to efficiently delineate surface boundaries. Voxel faces are depicted as shaded polygons. This technique cannot depict translucent or partial surfaces. Marching Cubes
Another geometric algorithm known as Voxel Cubes calculates the intersection of a surface and a voxel cube, yielding triangles that provide a very detailed surface approximation. sick rough 198
7 Glossy Deings (Slggraph) 198
7 (Proceedings) (July 1987)
, pp. 163-169, "Marching Cubes: A High-Resolution 3-D?-Face Number Construction Clear Algorithm, Computer
Graphics (M&rehjng Cubes:
A HlIrh Re5solution 3-DSur
face construction A1gorlt
See the article by Lawreneon et al. entitled hm+ Computsr Graphics) J. ) - layer details are provided by the split cube algorithm. The algorithm represents the boundary as a set of points. Mezoica A/11 Physics (Medi
cal Physles) June 1988 issue.
Two Algorithms Battle for the Record/Structural/Of e-Surface from Society Tomogram (Tw
o Algorithm For Th@Raeon
gtruetlon of SurfaeeFrom
Tomograms) Klein (CIi) entitled J.
ns) et al. and U.S. Pat. No. 4,719,585.
それらの方法はボリュームの表面抽出を行うが、生のボ
リュームデータは維持されない。したがって、ボリュー
ム表面情報だけが維持されるから、生のボリュームデー
タとのそれ以上の相互作用は可能ではない。よって、部
分ボリューム、透明さ、のような関数、およびピッキン
グ(すなわち、ボリュームからのデータ値の読出し、ま
たはボリュームからのデータ値の書込み)のようなボリ
ュームとの相互作用、およびボリューム上への幾何学的
物体の押しつけは実行できない。Those methods perform surface extraction of the volume, but the raw volume data is not maintained. Therefore, no further interaction with the raw volume data is possible since only volume surface information is maintained. Thus, functions such as partial volumes, transparency, and interactions with the volume such as picking (i.e. reading data values from or writing data values from the volume), and geometry onto the volume. Imposition of scientific objects cannot be carried out.
合成技術においては、色、不透明さ、およびきめのよう
4種々の描写属性に従って各ボクセルを分類することに
よシボリュームデータが予め処理され、それにより多数
のボリューム表現を作成する。それから種々のボリュー
ム表現を組合わせて、表示装置上に描写する1つのボリ
ューム表現を形成する。ドレビン(Drebin)他著
、[ボリューム・レンダリング、コンピュータ・グラフ
ィックス・シラグラフ・プロシーデインゲス(Volu
m@Randerlng、 Computer Gra
phlcs Siggraph Pr。In compositing techniques, volume data is preprocessed by classifying each voxel according to four different descriptive attributes, such as color, opacity, and texture, thereby creating multiple volume representations. The various volume representations are then combined to form a single volume representation for rendering on the display device. Drebin et al., [Volume Rendering, Computer Graphics Syllagraph Procedures (Vol.
m@Randerlng, Computer Gra
phlcs Siggraph Pr.
cesdings)、(1988年8月)、65〜74
ページと、アイイーイーイー会コンピューターグラフィ
ックス・アンド・アプリケーションズ(IEEBCom
putsr Graphlcs and Applic
ations (1988年5月)所載の「デイスプレ
イーオブ・サー7エイシズ・フロムeボリュームeデー
タ(Dlsplay Of 5urfaces Fro
m Volum@Data)と題する論文、および米国
特許第4.737,921号を参照され九い。しかし、
この技術は連続マツピング機能は持たない。したがって
、描写すべき出力映像が元のボリュームデータよシ非常
に大きいものとすると、大きなエイリアシング(all
aslng ) i(起る。(August 1988), 65-74
Page and IEEE-Kai Computer Graphics and Applications (IEEEBCom)
putsr Graphics and Applic
ations (May 1988), ``Display of 5 surfaces from e-data'' (May 1988).
mVolum@Data) and US Pat. No. 4,737,921. but,
This technology does not have a continuous mapping function. Therefore, if the output image to be rendered is much larger than the original volume data, large aliasing (all
aslng ) i (happen.
光投射は直接ボクセル描写を行う簡単な方法である。ロ
ス(Roth )著[レイキャースティング・フォー・
モデリング・ソリツズ、コンピュータ番グラフィックス
・アンド・イメージ・プロセッシング(Rayaamt
ing For Modelling 5olltj。Light projection is a simple method for direct voxel delineation. Written by Roth [Raycasting for
Modeling Solutions, Computer Graphics and Image Processing (Rayaamt)
ing For Modeling 5olltj.
Camputar Grapblcm and
Immgo Procesglng)18」、109
〜144ページ、コンピュータ・グラフィックス・シラ
グラフ1988プロシーデイング(Comput@r
Graphies Slggraph 198B Pr
oceedings ) (1988年8月)51〜5
5ページ所載の「ア・レンダリング拳アルゴリズム・7
オー〇ビジュアライジング、3−D、スケーラ−・フィ
ールズ(A Randerlng Algorithm
For Vfgualfzlng3−D 5eale
r Fleldg)Jと題するサベラ(Smbellm
)の論文、上記コンピュータ[相]グラフィックス・シ
ラグラム1988プロシーデイング59〜64ページ所
載の[ブイ−バッファ・ビジプル・ボリューム・レンダ
リング(V−Buff・r Visible Volu
me Rand@rlng)と題するアツプソ7 (U
pson)他の論文を参照されたい。光投射技術におい
ては、視ベクトルに沿って光線がボリュームを透過して
各画素へ放射される。光線に沿って決定された値は1つ
の値に組合わされて表示装置で表示される。光線によ少
描写される出力を決定する九めに多くのアルゴリズムが
開発されている。たとえば、加法的再投対アルゴリズム
が、光線に沿うボリューム点の輝度を平均化することに
よシX線に似た映像を生ずる。別の再投射技術は色と下
透明度を密度範囲へ割当てて、ボリュームが透明なゲル
の合成物として見えるようにする(フロシーデインゲス
Φオブ・ザΦエヌシージーA (Proceeding
s of th@NCGA ) 1986年3月号所載
の「3−デイメンジョナル・デイスプレィ・オブ・メデ
ィカル・イメージ・ボリューム点(3−Dimensl
onal Display of Medicml I
mage Volumes)Jと題するシュルツセルバ
ーグ(Schluasslberg)他による論文を参
照されたい)。Campar Grapblcm and
18'', 109
~144 pages, Computer Graphics Silagraph 1988 Proceedings (Comput@r
Graphies Slggraph 198B Pr
oceedings ) (August 1988) 51-5
“A Rendering Fist Algorithm 7” on page 5
Visualizing, 3-D, Scaler Fields (A Randerlng Algorithm)
For Vfgualfzlng3-D 5eale
r Fleldg) J.
V-Buff Visible Volume Rendering (V-Buff.r Visible Volume Rendering), published in the Computer Graphics Silagram 1988 Proceedings, pp. 59-64.
me Rand@rlng)
pson) Please refer to other papers. In light projection techniques, light rays are transmitted through a volume and emitted to each pixel along a visual vector. The values determined along the rays are combined into one value and displayed on a display device. Numerous algorithms have been developed to determine the output rendered by a beam of light. For example, an additive recast algorithm produces an x-ray-like image by averaging the brightness of volume points along the ray. Another reprojection technique assigns color and transparency to density ranges so that the volume appears as a composite of transparent gel (Proceeding
s of th@NCGA) March 1986 issue, ``3-Dimensional Display of Medical Image Volume Points''
onal Display of Medicml I
(See the paper by Schluasslberg et al. entitled "Mage Volumes" J).
前掲誌コンピュータ・グラフィックス・シラグラフ19
84プロシーデインゲス、165〜173ページ所載の
「レイトレーシング−ボリューム・デンシテイズ(Ra
ytraefng Volume Densities
)Jと題するクジャ(Kjlya)他の論文には、表面
間反射特性を計算するために、付加光線が表面境界に多
数発生されるような真の光線追跡が記述されている。し
かし、実際には、光線追跡を行うためにはぼり大な計算
と多額の費用を要するから、光線追跡は用いられていな
い。長平面長投写技術においては、1つまたは複数の平
面がボリュームを通って動かされて、ある着色関数へマ
ップされ比密度値を表示する。しかし、この技術は、光
線投射と同様に、面倒であって、多くの計算を要し、糧
々の透視図のために付加描写を要する。Previously published computer graphics syllabus 19
84 Proceedings, pp. 165-173, “Ray Tracing - Volume Densities (Ra
ytraefng Volume Densities
The paper by Kjlya et al., entitled ) J, describes true ray tracing in which a large number of additional rays are generated at surface boundaries in order to calculate surface-to-surface reflection properties. However, in practice, ray tracing is not used because it requires extensive calculations and a large amount of cost. In long plane projection techniques, one or more planes are moved through the volume and mapped to a coloring function to display specific density values. However, this technique, like ray projection, is cumbersome, requires a lot of calculations, and requires additional rendering for each perspective.
し九がって、本発明の目的は、ボリュームの原始的な構
成要素を用いてボリュームを描写するための方法と装置
を得ることである。It is therefore an object of the invention to obtain a method and a device for representing a volume using its primitive components.
本発明の別の目的は、ボリュームをマツプされた幾何学
的な素構成要素を含むボリュームを描写する方法と装置
を得ることである。Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for depicting a volume that includes geometric elementary components mapped to the volume.
本発明の更に別の目的は、ボリュームを幾何学的物体と
相互作用させることができる、ボリュームを描写する方
法と装置を得ることである。Yet another object of the invention is to obtain a method and apparatus for depicting a volume that allows the volume to interact with geometric objects.
本発明の方法と装置においては、ボリュームデータから
ボリュームを直接描写することによシ、ボリュームの解
像力が失われず、ボリュームデータが幾何学的データと
完全に相互作用するような手段が得られる。In the method and apparatus of the present invention, direct depiction of the volume from the volume data provides a means by which volume resolution is not lost and the volume data fully interacts with the geometric data.
描写するボリュームまたはそれの一部が幾何学的な素構
成要素に整列させられ、幾何学的な素構成要素をボリュ
ームまたはボリューム部分に関連づけるマツピング関数
が発生される。マツピング関数は、ボリューム空間中の
各ボクセルを素構成要素の素子すなわち点に関連づける
。このようにして、ボリュームを九はボリューム部分が
マツプされる幾何学的な構成要素の関数としてボリュー
ムが表示される。The volume to be described, or a portion thereof, is aligned to the geometrical elements and a mapping function is generated that associates the geometrical elements to the volumes or volume portions. The mapping function relates each voxel in the volume space to an elementary component element or point. In this way, the volume is displayed as a function of the geometric component to which the volume portion is mapped.
好適な実施例においては、描写すべきボリュームまたは
ボリューム部分は1つま九は複数の幾何学的な素構成要
素により限られ、三次元多角形のような幾何学的な素構
成要素をボリュームに関連づけるマツピングが発生され
る。その後で、ボリュームに対して行われる任意の幾何
学的演算が、幾何学的な素構成要素に対して演算を行い
、かつマツピング関数を用いて行われてボリュームを幾
何学的空間へ翻訳することによシボリュームデータが表
示される。ボリュームを囲む多角形は、頂点が−1から
+1の範囲である正規化され九立方体のような立方体で
あることが好ましい。In a preferred embodiment, the volume or volume portion to be depicted is limited by one or more geometrical elements, and the geometrical elements, such as three-dimensional polygons, are associated with the volume. Matuping occurs. Then, any geometric operations performed on the volume operate on the geometric elementary components and are performed using a mapping function to translate the volume into geometric space. The volume data will be displayed. Preferably, the polygon surrounding the volume is a cube, such as a normalized nine cube, with vertices ranging from -1 to +1.
多角形のような幾何学的な素構成要素の関数としてボリ
ューム金定義することによシ、クリッピングまたは回転
のような幾何学的演算を素構成要素に対して容易に行う
ことができ、マツピング関数を調べて、表示すべき対応
するボリュームデータを決定するためにデータが用いら
れる。更に、生のボリュームデータは幾何学的空間内に
直接描写されるから、幾何学的データを生のボリューム
データと容易に相互作用できる。By defining a volume as a function of a geometric elementary component such as a polygon, geometric operations such as clipping or rotation can be easily performed on the elementary components, and mapping functions can be used. The data is used to determine the corresponding volume data to be displayed. Furthermore, because the raw volumetric data is directly depicted in geometric space, geometric data can be easily interacted with the raw volumetric data.
表記法と用語
以下に行う詳細な説明は、アルゴリズムと、コンピュー
タメモリ内のデータビットについてのオペレーションの
記号的表現とで主として行う。それらのアルゴリズム記
述と表現は、当業者が自己の業績を他の当業者へ最も効
果的に伝えるために、前者の当業者が用いる手段である
。Notation and Terminology The detailed description that follows is primarily of algorithms and symbolic representations of operations on data bits within a computer memory. These algorithmic descriptions and representations are the means used by those skilled in the art to most effectively convey the substance of their work to others skilled in the art.
ここでは、アルゴリズムを、希望の結果へ導く自己矛盾
のない一連のステップとする。それらのステップは物理
量の物理的に処理することを要する。通常は、それらの
量は、格納、転送、組合わせ、比較およびその他の処理
を行うことができる電気信号または磁気信号の形をとる
が、必ずしもそうする必要はない。主として一般的に使
用するという理由から、それらの信号をビット、値、素
子、記号、文字、項、数等と呼ぶ方が時には便利である
ことが判明している。しかし、それらの用語および類似
の用語の全ては適切な物理学に関係づけるべきであシ、
かつそれらの用語はそれらの量につけられる便利なレッ
テルであるにすぎないことを記憶しておくべきである。Here, an algorithm is defined as a self-consistent sequence of steps leading to a desired result. The steps require physical manipulations of physical quantities. Usually, but not necessarily, these quantities take the form of electrical or magnetic signals capable of being stored, transferred, combined, compared, and otherwise processed. It has proven convenient at times, principally for reasons of common usage, to refer to these signals as bits, values, elements, symbols, characters, terms, numbers, or the like. However, all such terms and similar terms should be related to appropriate physics;
And it should be remembered that these terms are only convenient labels applied to these quantities.
更に、行われる処理は、加算または比較のような用語で
しばしば呼ばれる。それらの処理はオペレータによシ行
われる精神的な作業に一般的に関連させられる。はとん
どの場合にはオペレータのそのような能力は、本発明の
部分を構成する、ここで説明するどのようなオペレーシ
ョンにおいても、不l!teは望ましくない。オペレー
ションは機械のオペレーションである。本発明のオペレ
ーションを行う有用な装置は汎用デジタルコンピュータ
または他の類似の装置を含む。全ての場合に、コンピュ
ータを動作させる方法のオペレーションと、計算方法自
体との違いを記憶しておくべきである。本発明は、他の
希望の物理的信号を発生するために、電気信号その他の
(たとえば、機械的、化学的)物理的信号の処理におい
てコンピュータを動作させる方法に関するものである。Furthermore, the operations performed are often referred to with terms such as addition or comparison. Their processing is generally associated with mental work performed by the operator. In most cases, such capabilities of the operator are not required in any of the operations described herein, which form part of the present invention! te is undesirable. The operation is the operation of the machine. Useful devices for carrying out the operations of the present invention include general purpose digital computers or other similar devices. In all cases, one should remember the difference between the operation of the method of operating the computer and the calculation method itself. The present invention relates to a method for operating a computer in the processing of electrical and other (eg, mechanical, chemical) physical signals to generate other desired physical signals.
本発明はそれらのオペレーションを実施する装置にも関
するものである。この装置は求められている目的のため
にとくに製作でき、あるいは、コンピュータに格納され
ているコンピュータプログラムによシ選択的に起動また
は再構成される汎用コンピュータを含むことができる。The invention also relates to apparatus for performing those operations. The apparatus may be specially constructed for the purpose sought or may include a general purpose computer that can be selectively activated or reconfigured by a computer program stored on the computer.
ここで示すアルゴリズムは特定のコンピュータその他の
装置に本質的に関連するものではない。とぐに、この明
細書の記載に従って書かれたプログラムに各種の汎用機
を使用でき、あるいは求められている方法を実施するた
めに一層専用化された装置を製作することが更に便利で
あることが判明している。The algorithms presented herein are not inherently related to any particular computer or other apparatus. It will soon become apparent that a variety of general-purpose machines can be used with programs written in accordance with the teachings of this specification, or it may be more convenient to construct more specialized equipment to carry out the required method. It's clear.
装置の全体的な構成
第1図は、本発明に従ってコンビュー11表yr、装置
にボリュームデータを表示する念めの、コンピュータを
基にした典型的な装置を示す。この図には、3つの主な
部品を有するコンピュータ1が示されている。まず、情
報を適切に構成されたフオームでコンピュータ1の他の
部分と通信するために用いられる入力/出力(Ilo)
回路2がある。General Structure of the Apparatus FIG. 1 shows a typical computer-based apparatus for displaying volume data on a Conview 11 display apparatus in accordance with the present invention. In this figure, a computer 1 is shown having three main parts. First, the inputs/outputs (Ilo) used to communicate information in an appropriately configured form with other parts of the computer 1.
There is circuit 2.
t+、第4図にはコンピュータ1の部品として中央処理
装置(CPU)3とメモリ4も示されている。Also shown in FIG. 4 as components of the computer 1 are a central processing unit (CPU) 3 and a memory 4.
後の2つの部品はほとんどの汎用コンピュータと、はと
んど全ての専用コンピュータとにおいて典型的に見られ
るものである。実際に、コンピュータ1に含まれている
いくつかの部品はこの広い部類のデータ処理器を表すこ
とを意図するものである。The latter two components are typically found in most general-purpose computers and almost all special-purpose computers. Indeed, several of the components included in computer 1 are intended to represent this broad category of data processors.
コンピュータ1の役割を果す適当なデータ処理装置の特
定の例には、アメリカ合衆国カリフォルニア州マウンテ
ン骨ビュー(Mountain View)所在のサン
・マイクロシステムズ社(Sun Mlerosyst
emm+ Inc 、 )によル製造される装置が含ま
れる。類似の性能を持つ他のコンピュータも、以下に説
明する諸機能を実行するために直線的なやり方でもちろ
ん使用できる。Particular examples of suitable data processing equipment to serve as computer 1 include the Sun Mlerosyst, Mountain View, California, USA.
emm+ Inc.). Other computers with similar capabilities could of course be used in a linear fashion to perform the functions described below.
第1図には入力装置5も示されている。この図には入力
装置5はキーボードとして示されている。An input device 5 is also shown in FIG. In this figure, the input device 5 is shown as a keyboard.
しかし、入力装置5は実際にはカード読取器、磁気テー
プ′1次は紙テープの読取機、その他類似の周知の入力
装置(もちろん、別のコンピュータ、またはコンピュー
タトモグラフィー装置のようなコンピユータ化したデー
タ収集装置が含まれる)。However, the input device 5 may actually be a card reader, a magnetic tape reader, a paper tape reader, or other similar well-known input devices (of course, a separate computer, or a computerized data acquisition device such as a computerized tomography device). equipment included).
大容量記憶装置6がI10回路2へ結合され、コンピュ
ータ1のために付加記憶性能を持九せる。この大容量記
憶装置は他のプログラム等を含むことができ、磁気テー
プ、紙テープまたは他の周知の態様をとることができる
。大容量記憶装置6に保持されるデータは、適切々場合
には、メモリ4の一部としてコンピュータ1に標準的な
やり方で含ませることができることがわかるであろう。A mass storage device 6 is coupled to the I10 circuit 2 to provide additional storage capacity for the computer 1. This mass storage device may contain other programs, etc., and may take the form of magnetic tape, paper tape, or other well-known forms. It will be appreciated that the data held in the mass storage device 6 may be included in the computer 1 in a standard manner as part of the memory 4, if appropriate.
tた、ユーザーへメツセージその他の通信を表示するた
めに表示モニタ7が示されている。その表示モニタはい
くつかの周知のCRT表示装置のうちの任意の態様をと
ることができる。表示モニタTは、本発明の方法に従っ
て描写されるボリューム映像を表示できる高解像力のコ
ンピユータラスフ表示装置である。指令モードを選択し
、たとえば書体の寸法のような入力データを編集するた
めにカーソル制御器8が用いられる。このカーソル制御
器は情報をコンピュータへ入力させるためのより便利な
手段を提供するものである。A display monitor 7 is also shown for displaying messages and other communications to the user. The display monitor can take the form of any of several well-known CRT displays. The display monitor T is a high-resolution computer screen display capable of displaying volumetric images rendered according to the method of the invention. A cursor control 8 is used to select command modes and edit input data, such as font dimensions. This cursor control provides a more convenient means of entering information into the computer.
方法の概観
本発明の方法と装置においては、ボリューム物体または
ボリューム物体の一部が1つまたは複数の幾何学的な素
構成要素に整列させられ、幾何学空間内の幾何学的な素
構成要素とボリューム空間内のボリューム物体の間のマ
ツピング関数が発生される。マツピング関数の使用、変
換、視察およびその他の幾何学的演算は、ボリュームが
マツプされる幾何学的な素構成要素に対して幾何学的な
演算を行い、対応するボリュームデータを訓訳するだけ
で、ボリュームに対して実行できる。Overview of the Method In the method and apparatus of the present invention, a volume object or a portion of a volume object is aligned with one or more geometric elementary elements, and the geometric element in a geometric space is aligned with one or more geometric elementary elements. A mapping function between the volume object and the volume object in the volume space is generated. The use of mapping functions, transformations, inspections, and other geometric operations is as simple as performing geometric operations on the geometric constituents to which the volume is mapped and interpreting the corresponding volume data. , can be executed against a volume.
ボリュームデータ、すなわち、ボリューム空間内の特定
の場所におけるボリュームの属性を含んでいるボリュー
ム物体を表すボクセル、が、ボリューム物体を表すボク
セルの三次元プレイ内の各ボクセルの位置に従ってメモ
リに格納される。ボリューム物体を表示するために、少
くとも1つの幾何学的な素構成要素たとえば立方体に関
してボリューム物体は記述される。使用する幾何学的な
素構成要素は、描写すべきボリュームま九はボリューム
の一部をその素構成要素へマツプできるような寸法にし
、かつそのようにマツプできるようにして整列させるべ
きである。使用する幾何学的な素構成要素は、映倫の拡
大、移動または回転のような、実行できる以後の操作を
簡単にするために、正規化することが好ましい。Volumetric data, ie, voxels representing a volumetric object containing attributes of the volume at a particular location within the volumetric space, is stored in memory according to the position of each voxel within a three-dimensional play of voxels representing the volumetrical object. In order to represent a volumetric object, the volumetric object is described in terms of at least one geometric element, such as a cube. The geometrical elements used should be sized and aligned such that the volume to be described can be mapped to a portion of the volume to the elemental element. The geometrical elements used are preferably normalized to simplify subsequent operations that can be performed, such as scaling, moving or rotating the image.
たとえば、第2図を参照して、ボリュームベクトル80
を表すボリュームの一部を幾何学的ベクトルへマップし
、スクリーン空間に表示できる。For example, with reference to FIG.
A portion of the volume representing the can be mapped into a geometric vector and displayed in screen space.
ひとたびマツプされたそのベクトルは、ボリュームベク
トルがマツプされ九幾何学的ベクトルに対して回転/移
動操作を行い、かつマツピング関数を用いて対応するボ
リューム要素を探すことだけで、幾何学的空間内で容易
に回転および移動できる。Once the vector is mapped, the volume vector can be mapped and moved in the geometric space simply by performing rotation/translation operations on the geometric vector and using the mapping function to find the corresponding volume element. Can be easily rotated and moved.
このことは、ボリュームベクトル素構成要素を用いるわ
ん曲面抽出技術においてとくに有用である。九とえは第
3諷図乃至第3C図を参照して、ボリューム物体が人の
組織と器官の少なくとも一方を我すことができる。この
場合には、そのボリュームはボリューム全体に配置され
ている毛細血管100を含む。ボリュームを表す組織と
器官の少なくとも一方を通っている毛細血管の正確な経
路または正確な形を抽出することが望ましいことがある
。これは、わん曲している表面、たとえば毛細血管、に
沿う点120においてボリュームベクトル110を幾何
学的ベクトルヘマップすることによ9行われる。マツピ
ングが行われると、幾何学的ベクトルを回転でき、対応
するボリュームデータがマツプされることにより、攬々
の透視位置から、たとえば第3c図に示されている透視
図、毛細血管を示す表示を描写する。This is particularly useful in curved surface extraction techniques that use volume vector elementary components. In the ninth parable, referring to Figures 3 to 3C, the volume object can represent at least one of human tissue and organs. In this case, the volume includes capillaries 100 located throughout the volume. It may be desirable to extract the exact path or exact shape of a capillary through a tissue and/or organ representing a volume. This is done 9 by mapping the volume vector 110 to a geometric vector at a point 120 along a curved surface, e.g. a capillary. Once mapping is done, the geometric vectors can be rotated and the corresponding volumetric data mapped so that from various perspective positions, for example, the perspective view shown in Figure 3c, a display showing capillaries can be created. Depict.
立方体のような三次元物体を形成する1つまたは複数の
幾何学的な素構成要素へボリュームがマツプされる。立
方体がそのボリュームを囲むようにその立方体は並べら
れる。第4z図に示すように、ボリューム物体150は
立方体160によシ囲まれる。ボリュームと、立方体の
(X 17 r 1 )座標を含むボクセルの間にマツ
ピング関数が発生される。そのマツピング関数が発生さ
れると、その立方体に対して行われる操作を通じて、ボ
リューム物体に各種の幾何学的操作を加えることができ
る。The volume is mapped into one or more elementary geometric components that form a three-dimensional object, such as a cube. The cubes are arranged so that the cube encloses the volume. As shown in FIG. 4z, the volume object 150 is surrounded by a cube 160. A mapping function is generated between the volume and the voxel containing the (X 17 r 1 ) coordinate of the cube. Once the mapping function is generated, various geometric operations can be applied to the volume object through operations performed on the cube.
たとえば、立方体160にクリップ操作を加えることに
よシボリューム170の一部175を除去、その結果と
して現われたボリュームの映像を第4b図に示すように
容易に表示できる。For example, by clipping cube 160, a portion 175 of volume 170 can be removed and an image of the resulting volume easily displayed as shown in Figure 4b.
マツピング関数は、ボリューム空間−(U、V+W)空
間とも呼ばれる一部のボリューム物体の各ボクセルと、
(X、7.g)空間(幾何学的空間)内の幾何学的な素
構成要素の頂点すなわち格子点との間の数学的な対応性
を与える。ボリュームの境界が幾何学的な素構成要素の
境界ヘマップされるように、ボリューム物体が幾何学的
な素構成要素に「適合される」ということができる。The mapping function is based on each voxel of some volume object, also called volume space - (U, V + W) space,
(X, 7.g) Gives the mathematical correspondence between the vertices, or lattice points, of geometric elementary constituents in the space (geometric space). A volume object can be said to be "fitted" to a geometric elementary component such that the boundaries of the volume are mapped to the boundaries of the geometric elementary component.
このように、マツピング関数は、メモリに格納されてい
るボクセルの場所を、ボリュームf−pがマツプされた
幾何学的な素構成要素の特定のX。In this way, the mapping function maps the voxel locations stored in memory to a particular
y、z座標位置へ結合する。用いられるマツピング関数
は任意の次数の関数とすることができる。Connect to the y, z coordinate position. The mapping function used can be of any order.
各ボクセルが幾何学的な空間内の最も近い頂点へマツプ
されるような、零次関数とマツピング関数はすることが
できる。たとえば、ボリュームの寸法が(10x20x
30)で、−1と1の間に頂点を有する正規化された立
方体へマップされたとすると、プレイ(1,1,1)内
の位置にあるボクセルは座標位置(0,0,0)にある
立方体の頂点へマップされ、アレイ(10,20,30
)内の位置におけるボクセルは座標位置(1,1,1)
にある頂点へマップされる。ボリューム空間内の位置(
1゜1.1)と(10,20,30)の間の頂点は最も
近い頂点へマップされて、ボリューム空間と幾何学的空
間の間の寸法比例計算を用いて計算された値になる。こ
の例においては、Uにおける頂点の数は10に等しく、
Xにおける頂点の数は2(−1から1)に等しいから、
U対Xの比FilO対2に等しい。Zero-order and mapping functions can be used such that each voxel is mapped to the nearest vertex in geometric space. For example, if the dimensions of the volume are (10x20x
30) and is mapped to a normalized cube with vertices between -1 and 1, a voxel at position in play (1,1,1) will be mapped to coordinate position (0,0,0). mapped to the vertices of a cube, array (10, 20, 30
) The voxel at the position is the coordinate position (1, 1, 1)
mapped to a vertex in . Position in volume space (
Vertices between 1°1.1) and (10,20,30) are mapped to the nearest vertex, resulting in a value calculated using dimensional proportionality calculations between volume space and geometric space. In this example, the number of vertices in U is equal to 10,
Since the number of vertices in X is equal to 2 (-1 to 1),
The ratio of U to X is equal to FilO to 2.
したがって、マツピング関数に対してはzvxuy15
−1とすることができる。Therefore, for the mapping function zvxuy15
-1.
この関数はトリリニヤ関数とも呼ばれる一次関数とする
こともできる。トリリニヤ関数においては、幾何学的空
間内のボリュームの頂点の位置を決定するために、幾何
学的空間内で最も近い8個の頂点に対して重みづけ平均
計算が行われる。−次関数を用いると平滑にする効果が
生じ、それにより、ボリュームデータがマツプされる時
に起るエイリアシングの量が最少にされる。次に第5図
を参照する。頂点a、b、e+d+e+f+g+Ilで
示されている幾何学的空間内の最も近い8個の頂点を決
定することによシ、頂点200が囲んでいる立方体へマ
ップされる。それから、ボクセルの座標位置が次式に従
って決定される。This function can also be a linear function, also called a trilinear function. In a trilinear function, a weighted average calculation is performed on the eight closest vertices in geometric space to determine the position of the vertex of the volume in geometric space. The use of the -order function has a smoothing effect, thereby minimizing the amount of aliasing that occurs when volumetric data is mapped. Refer now to FIG. Vertex 200 is mapped to the enclosing cube by determining the closest eight vertices in the geometric space, denoted vertices a, b, e+d+e+f+g+Il. Then, the coordinate position of the voxel is determined according to the following equation.
X= (CCa *FRACT(u)+ (1−FRA
CT($ b )☆FRACT(v)−1−(c☆FR
AC穴u)+−(1−FRACT(u)−&d )聞(
1−+′RACT(c))☆FRACT←狂(・☆FR
ACT(u)) +(1−FRACT(u))☆p)☆
FRACT(v)−+−(g☆FRACT(u))+(
1−mc′r(u))☆n)☆(1−F′RAC′r(
c))☆(1−+″RACT←))ここに、Xはボリュ
ーム空間内の場所(u、マ、v)Kおけるボクセル20
0の幾何学的位置、& + b + e +d 、 @
+ f r g + bは決定すべきボリューム座標
を囲んでいる立方体の隅の8個の(X + 7 + Z
)座標位置、FRACT U座標の小数部分を示す関
数である。X= (CCa *FRACT(u)+ (1-FRA
CT($b)☆FRACT(v)-1-(c☆FR
AC hole u)+-(1-FRACT(u)-&d) (
1-+'RACT(c))☆FRACT←Crazy(・☆FR
ACT(u)) +(1-FRACT(u))☆p)☆
FRACT(v)−+−(g☆FRACT(u))+(
1-mc'r(u))☆n)☆(1-F'RAC'r(
c))☆(1-+″RACT←)) Here, X is the voxel 20 at location (u, ma, v) K in the volume space.
Geometric position of 0, & + b + e + d, @
+ f r g + b is the 8 corners of the cube surrounding the volume coordinates to be determined (X + 7 + Z
) coordinate position, FRACT This is a function that indicates the decimal part of the U coordinate.
マツピング関数がひとたび決定されると、幾何学的物体
に対して行われる幾何学的操作の修正すなわち処理を、
ボリュームがマツプされる幾何学的な素構成要素を介し
てボリューム物体に対して行うことができる。種々の見
る寸法と、縦横比またはボリュームデータの透視を達成
するために、変換マ) IJラックス幾何学的な素構成
要素へ乗じられる。したがって、その変換マ) IJラ
ックス、幾何学的な素構成要素へマツプされたボリュー
ムデータを修正する。Once the mapping function is determined, the modification or processing of the geometric operations performed on the geometric object can be
This can be done for volumetric objects via the geometric elementary components to which the volume is mapped. To achieve various viewing dimensions and aspect ratios or perspective of volumetric data, transformations are multiplied to the IJ lux geometric element. Therefore, the transformation map) IJ lux modifies the volume data mapped to the geometric elementary components.
また、ボリュームの素構成要素が定められる。Also, the elementary constituent elements of the volume are defined.
ボリュームの素構成要素は、点ベクトル、多角形または
光線のように、ボリューム空間内で、したtlつて、行
われ之マツピングに従って幾何学的空間内で定義を持つ
。したがって、たとえば、点は{x、y、z)空間と(
u、v、w)空間内に1つの場所を有し、ベクトルは(
X + 7 + Z )空間と(u。The elementary components of a volume, such as point vectors, polygons or rays, have definitions in the volume space and in the geometric space according to the mapping performed. So, for example, a point is in {x, y, z) space and (
u, v, w) has one location in space and the vector is (
X + 7 + Z) space and (u.
マ、v)空間内に、そのベクトルの始点と終点を定める
2個の点を有する。同様に、多角形は、その多角形の境
界を定める複数の点を(X + 7 + ” )空間内
と(u、マ、 w )空間内に有する。光線は、(U、
マ、 v )空間内の複数の点をマツプする1つの点を
(X + 7 + ’L )空間内に有する。それらの
素構成要素は、ボリュームとデータに加え、ボリューム
データから引き、またはボリュームデータとその他の相
互作用を行うために用いることができる。m, v) have two points in space that define the starting and ending points of the vector. Similarly, a polygon has points in (X + 7 + ”) space and in (u, ma, w) space that bound the polygon. A ray has points in (U,
We have one point in the (X + 7 + 'L) space that maps multiple points in the (X + 7 + 'L) space. These elementary components can be used to add to volumes and data, and to draw from or otherwise interact with volume data.
たとえば、ボリュームの内部表面を露出させるために、
ボリュームの一部を薄く切取るために素構成要素を用い
ることができる。これが第4&図と第4b図に示されて
いる。それらの図において、ボリュームの内面を露出さ
せるためにボリュームの一部を薄く切取るために多角形
が用いられている。ボリューム空間内でボリュームと相
互作用させる幾何学的映像を発生させるためにも素構成
要素を使用できる。この場合には効果を表示できる。For example, to expose the internal surface of a volume,
Elementary components can be used to slice a portion of a volume. This is shown in Figures 4& and 4b. In those figures, polygons are used to slice away portions of the volume to expose the inner surface of the volume. Elementary components can also be used to generate geometric images that interact with volumes within volumetric space. In this case, the effect can be displayed.
このことは、医学的放射治療においてとくに有用で、ボ
リューム空間内で発生された素構成要素を用いて形成さ
れたバーチカルビームまたはレーザビームと人体組織と
の相互作用を医師は観察できる。幾何学的映像は生のボ
リュームデータと相互作用して、ボリュームの表面抽出
データとは相互作用しないから、より現実的な映像が得
られる。This is particularly useful in medical radiation therapy, where a physician can observe the interaction of a vertical or laser beam formed using elementary components generated within a volumetric space with human tissue. A more realistic image is obtained because the geometric image interacts with the raw volume data and not with the volume's surface extraction data.
第1図はコンピュータ表示装置上にボリュームデータを
描写する九めのコンピュータ装置のブロック図、第2図
は幾何学的空間内の素子へのボリューム空間内のボリュ
ーム素子のマツピングを示し、第3a図、第3b図、第
3c図は本発明の好適な実施例の応用を示し、第4a図
と第4b図は幾何学的立方体で囲まれているボリューム
のマツピングと表示を示し、第5図はトリリニヤマツピ
ング関数を示す。
16・・・コンピュータ、2−・・・工」回路、3φ・
・・CPU、 4 @・・−メモIJ、5・―・拳入力
装置、6・・・・大容量記憶装置、γ・・・−表示モニ
タ。FIG. 1 is a block diagram of a ninth computer device for rendering volumetric data on a computer display; FIG. 2 illustrates the mapping of volumetric elements in volumetric space to elements in geometric space; and FIG. 3a. , 3b and 3c illustrate the application of a preferred embodiment of the present invention, 4a and 4b illustrate the mapping and display of a volume enclosed by a geometric cube, and 5. A trilinear mapping function is shown. 16...computer, 2-...engineering circuit, 3φ・
...CPU, 4 @...-Memo IJ, 5...Fist input device, 6...Mass storage device, γ...-Display monitor.
Claims (4)
、w)ボリューム空間内で表されるボリュームデータを
メモリに格納する過程と、 コンピユータグラフィックス表示装置上の画素を表す少
くとも1つの幾何学的座標を備え、かつ{x、y、z}
座標空間内に表される少くとも1つの幾何学的グラフィ
ックス素構成要素をボリューム物体に一致するように構
成する過程と、 ボリユームデータを幾何学的グラフィックス素構成要素
へ整列させる過程と、 各ボリュームデータを幾何学的グラフィックス素構成要
素の幾何学的座標へマップするマッピング関数を発生す
る過程と、 を備え、それによりボリュームデータがマップされる幾
何学的グラフィックス素構成要素の幾何学的座標位置に
ボリュームデータを表示することを特徴とするコンピュ
ータグラフィックス表示装置にボリューム物体を描写す
る方法。(1) represents at least a part of a volumetric object, (u, v
, w) storing in memory volume data represented in volume space; and at least one geometric coordinate representing a pixel on a computer graphics display device;
configuring at least one geometric graphics elementary component represented in a coordinate space to correspond to the volume object; aligning the volume data to the geometric graphics elementary components; generating a mapping function that maps the volume data to the geometric coordinates of the geometric graphics element to which the volume data is mapped; A method of depicting a volumetric object on a computer graphics display device, the method comprising displaying volumetric data at coordinate locations.
、w)ボリューム空間内で表されるボリュームデータを
メモリに格納する過程と、 コンピュータグラフィックス表示装置上のスクリーン空
間内の画素に対応する(x、y、z)幾何学的座標に従
つて幾何学的空間内に表され、三次元内のボリューム物
体を制限する少くとも1つの幾何学的グラフィックス素
構成要素を構成する過程と、各ボリュームデータをボリ
ューム物体を囲む幾何学的グラフィックス素構成要素の
幾何学的座標へマップするマッピング関数を発生する過
程と、を備え、それによりボリュームデータがマップさ
れる幾何学的グラフィックス素構成要素の幾何学的座標
位置にボリユームデータを表示することを特徴とするコ
ンピユータグラフィックス表示装置にボリューム物体を
描写する方法。(2) represents at least a part of the volume object, (u, v
, w) storing in memory volumetric data represented in volumetric space; and the process of configuring at least one geometric graphics elementary component that is represented in a geometric space and that limits a volumetric object in three dimensions; generating a mapping function that maps to the geometric coordinates of the element, thereby displaying the volume data at the geometric coordinate position of the geometric graphics element to which the volume data is mapped. A method for representing volumetric objects on a computer graphics display device featuring features.
、w)ボリューム空間内で表されるボリュームデータを
メモリに格納する手段と、 コンピュータグラフィックス表示装置上の画素を表す少
くとも1つの幾何学的座標を備え、かつ(x、y、z)
座標空間内に表される少くとも1つの幾何学的グラフィ
ックス素構成要素をボリューム物体に一致するように構
成する手段と、 ボリュームデータを幾何学的グラフィックス素構成要素
へ整列させる手段と、 各ボリュームデータを幾何学的グラフィックス素構成要
素の幾何学的座標へマップするマッピング関数を発生す
る手段と、 を備え、それによりボリュームデータがマップされる幾
何学的グラフィックス素構成要素の幾何学的座標位置に
ボリユームデータが表示されることを特徴とするコンピ
ュータグラフィックス表示装置にボリユーム物体を描写
する装置。(3) represents at least a part of the volume object, (u, v
, w) means for storing volumetric data represented in a volumetric space in a memory; and at least one geometric coordinate representing a pixel on a computer graphics display;
means for configuring at least one geometric graphics element represented in a coordinate space to correspond to a volumetric object; and means for aligning the volumetric data to the geometric graphics element; means for generating a mapping function that maps the volume data to the geometric coordinates of the geometric graphics element, whereby the volume data is mapped to the geometric coordinates of the geometric graphics element; A device for depicting a volume object on a computer graphics display device, characterized in that volume data is displayed at coordinate positions.
、w)ボリューム空間内で表されるボリュームデータを
メモリに格納する手段と、 コンピュータグラフィックス表示装置上のスクリーン空
間内の画素に対応する(x、y、z)幾何学的座標に従
つて幾何学的空間内に表され、三次元内のボリューム物
体を囲む少くとも1つの幾何学的グラフィックス素構成
要素を構成する手段と、各ボリュームデータをボリュー
ム物体を制限する幾何学的グラフイツクス素構成要素の
幾何学的座標へマツプするマッピング関数を発生する手
段と、 を備え、それによりボリュームデータがマップされる幾
何学的グラフィックス素構成要素の幾何学的座標位置に
ボリュームデータが表示されることを特徴とするコンピ
ュータグラフィックス表示装置にボリューム物体を描写
する装置。(4) represents at least a part of the volume object, (u, v
, w) means for storing in memory volume data represented in volume space; and means for configuring at least one geometrical graphics elementary component represented in a geometrical space and surrounding a volumetric object in three dimensions; and a geometrical graphics elementary component confining each volumetric data to the volumetric object. means for generating a mapping function that maps the volume data to the geometric coordinates of the geometric coordinates of the geometric element, whereby the volume data is displayed at the geometric coordinate position of the geometric graphics element to which the volume data is mapped. A device for depicting a volumetric object on a computer graphics display device.
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