(57)【要約】本発明は、情報データサンプルの３Ｄ配列に適用される光モデルに基づく直接ボリュームレンダリングに関する。まず個々のサンプルについて勾配が推定され、低勾配のサンプルすなわち均一領域に対しては単純な陰影付けが行われる。
2008511365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報データサンプルの三次元配列に、階調値パラメータおよび勾配パラメータの数学的関数によって表される光モデルを適用して前記三次元配列の直接ボリュームレンダリングへの個々の寄与を決定する方法であって：
サンプルの勾配の大きさを表す勾配推定値を計算し、
前記勾配推定値をある閾値と比較し、
前記勾配推定値が前記閾値に満たない場合には、その光モデルに基づくそのサンプルの直接ボリュームレンダリングへの寄与を一様な寄与値に設定する、方法。
【請求項２】
前記一様な寄与値が、前記数学的関数をあらゆる勾配方向にわたって積分することによって得られることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記勾配推定値が前記サンプルの厳密な勾配計算から得られる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記勾配推定値が前記サンプルの勾配の近似計算から得られる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記勾配推定値をある第二の閾値とさらに比較し、
前記勾配推定値が前記第一と第二の閾値の間にある場合には、前記サンプルの光モデルへの寄与が、厳密なサンプルの勾配値に基づいて計算された数学的関数と前記一様な寄与値との組み合わせから決定される、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
情報データサンプルの三次元配列を記憶する記憶手段と、
階調値パラメータおよび勾配パラメータの数学的関数によって表される光モデルに基づいて前記データサンプルの直接ボリュームレンダリングへの個々の寄与を計算するための処理装置とを有しており、
前記処理装置が、サンプルの勾配の大きさを表す勾配推定値を計算し、前記勾配推定値とある閾値との比較ののちに、前記勾配推定値が前記閾値に満たない場合には、その光モデルに基づくそのサンプルの直接ボリュームレンダリングへの寄与を一様な値に設定するよう構成されていることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法を実行するためのコンピュータ実行可能命令を記憶する記録担体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデータ処理に関する。本発明は特に医学分野における直接ボリュームレンダリングおよび３Ｄ画像の可視化に関連をもつ。
【背景技術】
【０００２】
直接ボリュームレンダリング（DVR:  Direct  Volume  Rendering）は三次元データセットの二次元画像を得る直接的な方法である。２Ｄ画像を生成するためにはその他の技法も存在している。たとえば、最大強度投影（maximum  intensity  projection）、スライシング（slicing）、等密度面可視化（iso-surface  visualization）がある。しかし、これら既知の技法は、３Ｄデータの一部しか最終的な２Ｄ結果に寄与しないという限界がある。直接ボリュームレンダリングではデータのセット全体が２Ｄ出力画像に寄与する潜在性がある。よって直接ボリュームレンダリングは体積の表示ウィンドウへの投影を提供し、可視化の一部の領域の奥行きについては曖昧さがあるかもしれないが、対話性によってユーザーは視点および視角を操作し、閲覧しているオブジェクトおよびその体積についてのよりよい感覚を得ることができる。他の画像処理アルゴリズムがピクセルに基づいているのに対し、ＤＶＲはボクセルという、２Ｄのピクセルの３Ｄでの相当物を扱う。直接ボリュームレンダリングには多様な方法が存在しているが、すべて、ボクセルに色および透明度マスクが割り当てられるという発想の周辺に基づいている。この透明度パラメータは、ぼんやりした（obscured）ボクセルでもより少ない度合いで最終画像に貢献しうるということを意味する。この機構により、３Ｄデータセット全体を表示するための直接ボリュームレンダリングが可能になり、内部構造については体の殻および体の表面に割り当てられた不透明度の値の変動によって閲覧される。
【０００３】
直接ボリュームレンダリングの諸方法は、画像ボクセルに不透明度の値を割り当てるために、画像の階調値についての探索表を使用する。不透明度探索表およびサンプル位置において導出された勾配情報を使って、光モデルまたは陰影モデルを使って最終的なレンダリングへの寄与が計算される。フォン（Phong）陰影モデルがコンピュータグラフィックデザインにおいて広く使われている標準的な反射モデルである。フォンモデルはサンプル点での光と表面との相互作用を表現する。フォンモデルはサンプル点の寄与を乱反射成分および正反射成分に環境光（ambient）項を合わせたものにより定義する。表面上のある点の強度はこれら三つの成分の線形結合である。実際上は、視点に対する奥行きも考慮に入れられ、サンプル点の寄与は奥行き成分、環境成分、乱反射成分および正反射成分の重み付き和でありうる。
【０００４】
全体的な寄与の計算は大きな３Ｄデータセットについてはかなり重いことがあり、均一な領域のために多くの処理能力が無駄にされることがある。そうした領域は最終的な映像において主要な役割を演じるものではなく、オブジェクト境界をもつ映像の領域に関しては、より少ない処理が費やされるのが理想である。さらに、均一領域におけるノイズは望ましくない目障りなパターンを引き起こしうる。これは画像のぼけにつながりうる。この観察に従って、業界は画像品質と表示速度の兼ね合いを提供する計算上の解決策を開発してきた。
【０００５】
一つの実現可能な解決策は、次の論文“Direct  Volume  Rendering  with  Shading  via  Three-Dimensional  Textures”  Allen  van  Gelder,  Kwansik  Kim,  1996,  IEEEにおいて記載されており、該文献はここに参照により組み込まれる。この論文は、３Ｄテクスチャーマップを使い、方向性照明を組み込む直接ボリュームレンダリングを記載している。それは、勾配の大きさがフィールドデータ値と材料分類パラメータのコンテキストにおいて解釈される勾配ベースの陰影基準を開発している。まず、体積中の各ボクセルの量子化された勾配指数および材料分類が計算される。ボクセルは、クライアントが供給する勾配大きさ閾値に依存して、反射性または環境（ambient）として分類される。こうして、各ボクセルについて探索表で指数が決定される。各ボクセルの事前に割り当てられた探索表の指数を用いて、３Ｄテクスチャーマップが事前に計算された色の値で埋められる。各テクスチャーマップ項目は一つのボクセルに対応する。その色は環境光成分と反射成分の和である。反射成分は方向性の光に応答する表面に基づいており、異なる材料の間の境界面を表していると判断された体積部分にのみ適用される。こうして、勾配ベースの陰影付け（shading）法は、低勾配領域すなわち境界でない領域についての反射成分を取り払う。しかし、これによりこのような領域の光学的な見え方が変わってき、そのようなレンダリングを実行するためには体積データセット中のあらゆるサンプル位置について勾配を計算しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はなかでも、直接ボリュームレンダリングを画質への影響を最小にして高速化することをねらいとする。さらに、本発明の一つまたは複数の実施形態では、提案される方法は全体的な画像レンダリングを改善する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的のため、情報データサンプルの三次元配列に光モデルを適用する方法が呈示される。光モデルは、階調値パラメータおよび勾配パラメータの数学的関数によって表現される。本方法はまず、サンプルの勾配の大きさを表す勾配推定値を計算することを規定する。次いで得られた推定値が閾値と比較される。勾配推定値が閾値に達しなければ、本光モデルに基づく直接ボリュームレンダリングの最終結果へのそのサンプルの寄与は一様な寄与値に設定される。
【０００８】
直接ボリュームレンダリングは光モデルを使って、情報データサンプルの最終的な映像への寄与を計算する。上に開示されたように、寄与はしばしば二つまたは三つの成分の和である。最終的な計算において使われる成分の選択は光モデルごとに、そして実装ごとに変わりうる。従来技術の解決策は、光モデルが、勾配ベースの基準および結果として得られるボクセルの分類（反射性か否か）に依存して計算の間に切り換えされることを示唆する。本発明は異なる解決策を提案する。本発明では、計算は、映像全体について同じ光モデルおよび同じ光モデル成分に基づく。一つの特徴は、いくつかの映像領域にある陰影が適用されるということである。
【０００９】
サンプルの寄与は、勾配推定値に基づいて決定される。ある実施例では、勾配推定値はその情報データサンプルについて計算された実際の勾配である。あるいはまた、勾配推定値は勾配の近似でもよい。これは実際の勾配値の迅速でおおまかな推定を与える。よってサンプル分類に時間が無駄にされることがない。各サンプルの最終結果への寄与は、計算された勾配推定値に依存して変わる。推定値がある閾値に満たなければ、勾配はある一様な値に設定される。一つまたは複数の実施形態では、その一様な値は光モデルの数学的関数を全勾配方向にわたって積分することによって決定される。これは低勾配値の領域のなめらかな陰影付けに対応する。サンプルという用語は通常、体積要素を表すボクセルまたは離散的なボクセル位置の間での補間された強度値を指す。
【００１０】
本発明の一つの利点は、情報が同様でその変化がゆるやかな低勾配の映像領域において計算を単純化することである。均一領域はしばしば最終的なレンダリングに最も関与が少ない領域であり、こうした領域内のデータは変化がゆるやかなので厳密な計算結果を一様値で置き換えても最終結果およびその表示に対するユーザーの全体的な知覚を変えないことがありうる。逆に、ユーザーの知覚が改善されることもありうる。本発明の単純化された寄与計算はより複雑なフル計算よりもノイズによって受ける影響が少ないであろうからである。本発明は、表示の全体的なユーザー知覚を改良し、同時に計算量を減らし、それにより表示速度を上げる。
【００１１】
別の実施形態では、均一領域と称される領域と高勾配値の領域との間で、そこに位置されているサンプルの間の遷移をなめらかにするよう、追加的な勾配ベースの基準が導入される。高勾配のサンプルはしばしばオブジェクト間または異なる材料間の境界面の近傍に見出される。勾配推定値は第二の閾値と比較され、推定値が第一および第二の閾値の間にあれば、寄与は、厳密な勾配値について導出された光モデル関数と以前の寄与の一様値との組み合わせ（a  combination）に設定される。
【００１２】
本発明は、対応する装置およびそれを実行するための命令を保存している対応する記録担体にも関する。
【００１３】
これらのことを含む本発明のさまざまな側面は以下に記載される実施形態から明らかになり、それを参照することで明快にされるであろう。
【００１４】
本発明についてこれから例として、付属の図面を参照しつつより詳細に述べる。
【００１５】
図面を通じて、同じ参照符号は同じ要素、あるいは実質的に同じ機能を実行する要素を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は医学的画像のコンテキストで述べるが、本発明の範囲を医学用途に限定するべきではない。本発明が、遠い技術分野であってもデータの３Ｄ配列が使われるところでは、本発明の特徴を使ういかなる種類の用途をも包含することは明らかである。たとえば、本発明はビデオゲーム、気象学、航空学など…のような他の分野にも有益であろう。
【００１７】
図１および図２は人間の手の内部の骨の構造の表示を表している。二つの表示は指の骨の骨格を示しており、手の組織は暗い均一領域として現れている。均一領域と呼ぶのは、体の構造の変化がある領域（たとえば骨の表面境界）との対比である。いずれの画像も、たとえばその人物の手のＸ線放射によって得られた、同じもとになったデータのセットに基づいているが、このもとになったデータのセットが二つの異なる仕方で処理されており、その結果、両表示は品質が異なっている。図１の表示は、従来技術のデータ処理アルゴリズムが適用されたときに得られるもので、一方、図２の表示は本発明のアルゴリズムがもとになったデータのセットに適用されるときに得られるものである。両表示の間の明らかな違いは均一領域の全体的な見かけである。図１の画像では、暗い領域における明るめの雲の形を取る顕著なノイズがこれらの部分をぼかしている。このぼけはノイズに起因する。本発明のアルゴリズムがもとになったデータのセットに適用されるときには、なめらかで一様な結果が得られ、体の材質の間の界面、たとえば血液／骨境界が図２に見られるようにより明瞭に印される。
【００１８】
図３は、本発明の例示的なアルゴリズムのステップを与えるフローチャートである。初期のデータのセットが受け取られ、処理される。この初期セットは情報データサンプルの三次元配列である。各データサンプルは、３Ｄオブジェクトを含む３Ｄ環境を表す３Ｄ画像の体積要素すなわちボクセルと関連付けられうる。サンプルあるいはボクセルの用語は、データの３Ｄ配列の個々の要素を指すのに区別なく使われうる。ただし、ボクセルは典型的には離散的な位置を指すのに対し、サンプルは潜在的には非整数座標をもつ任意の位置を指す補間された値であってもよい。サンプルは色の値、物理的な測定値、たとえば放射吸収レベル、空間内のいくつかの点で観察されるグローバル放射レベル、温度の値などであってもよい。本発明は、直接ボリュームレンダリングにおける光モデルの計算に対する３Ｄデータサンプルの個々の寄与Ｃを決定する仕方を提供する。３Ｄ配列の各情報データサンプルが最終的な２Ｄ画像に寄与し、これら個々の寄与Ｃを決定するために既知の光モデルが使用される。本発明では、光モデルは、サンプル勾配および階調値という二つの主たるパラメータに基づく数学的関数である。
【００１９】
第一のステップ３１０において、サンプルのうちの少なくとも一つについて勾配推定値が決定される。推定は厳密な勾配計算または厳密な勾配値の近似のいずれかである。近似計算を選ぶ場合、のちに見るように、大まかな勾配計算により結果的に精密な厳密な勾配計算に費やす時間の節約が許容される。得られた勾配推定値は次いで二つの閾値Ｇ１およびＧ２と比較される。閾値Ｇ１およびＧ２は表示装置の設計者によってあらかじめ設定されていてもよいし、あるいはユーザーの選択に任されてもよい。後者の場合、ユーザーはリアルタイムで表示を視覚的に微調整する可能性をもつ。勾配推定値はまずステップ３２０において小さいほうの閾値Ｇ１と比較される。勾配推定値が閾値Ｇ１より小さければ、寄与Ｃはステップ３３０において一様な値Ｃrandomに設定される。たとえば、一様な勾配値は次の式から導かれてもよい：
【数１】
2008511365.tif 000003
値Ｃrandomは、寄与関数を、均一領域に制限されたあらゆる体積方向にわたって積分することによって得られる。よって、低勾配領域、すなわち均一領域はノイズの多くない一様領域として見えることになる。
【００２０】
勾配推定値が閾値Ｇ１より大きい場合、勾配推定値はステップ３４０で第二の閾値Ｇ２と比較される。比較により勾配推定値がＧ２より大きい値をもつ、すなわちそのサンプルが高い勾配をもつことが示される場合、情報データサンプルは、骨の表面または器官の表面といった物理的な境界の近い近傍にある可能性が高い。よって、直接ボリュームレンダリングへの寄与は、ステップ３６０において、上述した光モデルの数学的関数から決定される。関数は、そのサンプルの勾配推定値または厳密な勾配のいずれに基づいて使われてもよい。高勾配領域では関数からのごくわずかな偏差も許容されない。境界では精密さが強く必要とされ、勾配の粗い近似の使用や選ばれた光モデルの単純化は、境界におけるぼかし効果または陰影付け効果を導入するだろうからである。
【００２１】
勾配が［Ｇ１；Ｇ２］の範囲内であれば、直接ボリュームレンダリングへの寄与は、ステップ３５０に見られるように、光モデルのもともとの数学的関数を用いて計算された寄与と、一様な寄与Ｃrandomとの組み合わせである。寄与は次のように導出できる：
【数２】
2008511365.tif 000004
Iのナブラに‖‖を付けたものは、問題のサンプルの勾配の大きさである。この第三の計算公式は、均一領域（低勾配）と境界との間のなめらかな遷移を提供し、よってよりよい画像の見かけにつながる。
【００２２】
本発明の他の実施形態は、閾値Ｇ２との比較を含まず、よってステップ３４０および３５０を含まない。
【００２３】
図４は３Ｄデータセットの２Ｄスライスであり、図２の手について、本発明のアルゴリズムが適用された直接ボリュームレンダリングを使った別の実験表示結果を表している。指の内部、骨自身および外部といった均一領域が、これらの領域におけるノイズに起因する望ましくないパターンなしに一様に表示されていることが観察できる。
【００２４】
以上は単に本発明の原理を解説するものである。よって、当業者はここに明示的に記載されたり示されたりしていないものの、本発明の原理を具現し、よって付属の請求項の精神および範囲内であるさまざまな構成を考案できるであろうことは理解されるであろう。
【００２５】
本発明は、上述したさまざまなパラメータ、たとえば閾値の値についていかなる制約も課さない。また、それらのパラメータは必要であればリアルタイムに変更されてもよい。たとえば、閾値Ｇ１およびＧ２が全体的な映像の表現を改善するために修正できる実施形態を考えることもできる。
【００２６】
請求項を解釈する際には、以下のことを理解しておくべきである：
ａ）「有する」の語は所与の請求項に挙げられている以外の要素または動作の存在を排除しない。
ｂ）要素の単数形の表現はそのような要素の複数の存在を排除しない。
ｃ）請求項に参照符号があったとしてもそれは特許請求の範囲を限定するものではない。
ｄ）いくつかの「手段」は同一の項目、すなわちハードウェアまたはソフトウェアで実装される構造または機能によって表現されていてもよい。
ｅ）開示される要素のそれぞれは、ハードウェア部分（たとえば別個の電子回路および統合された電子回路を含む）、ソフトウェア部分（たとえばコンピュータプログラミング）およびその任意の組み合わせから構成されうる。
ｆ）ハードウェア部分はアナログ部分およびデジタル部分の一方または両方から構成されうる。
ｇ）特別に断りのない限り、開示される装置またはその部分のいずれも、一緒に組み合わせたり、あるいはさらなる部分に分割したりされてもよい。
ｈ）特に示さない限り、動作のいかなる特定の序列も必要であるとは意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】３Ｄオブジェクトの画面画像の図である。
【図２】本発明の３Ｄオブジェクトの画面画像の図である。
【図３】本発明の方法を解説するフローチャートである。
【図４】本発明の３Ｄオブジェクトの２Ｄスライスの画面表示である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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