(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを表示するボリューム可視化装置であって、
３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを格納するボリューム・メモリと、
前記ボリューム・メモリからのボリューム・データによりレイキャスティング法によって視点が位置する方向からの所定数の平行光線がボリュームを通過した状況において視点から見た前記３次元格子の所定のベースプレーンに２次元歪み投影映像を発生させる歪映像発生部と、
前記歪映像発生部で発生した２次元歪み投影映像を格納する映像メモリと、
前記映像メモリの歪み投影映像を視線に垂直な仮定するスクリーン上に投影するように補正する歪補正部と、
前記仮定するスクリーン上に投影する映像の表示態様を対話的に選択して指定する表示態様指定手段と、
前記表示態様指定手段により選択された映像を単眼表示による２次元画像又は複眼表示による立体視を表示する画像表示手段とを有することを特徴とするボリューム可視化装置。
【請求項２】
３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを表示するボリューム可視化装置であって、
３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを格納するボリューム・メモリと、
前記ボリューム・メモリからのボリューム・データによりレイキャスティング法によって視点が位置する方向からの所定数の平行光線がボリュームを通過した状況において視点から見た前記３次元格子の所定のベースプレーンに２次元歪み投影映像を発生させる歪映像発生部と、
前記歪映像発生部で発生した２次元歪み投影映像を格納する映像メモリと、
前記映像メモリの歪み投影映像を視線に垂直な仮定するスクリーン上に投影するように補正する歪補正部と、
前記仮定するスクリーン上に投影する映像の表示範囲を対話的に選択して指定する表示態様指定手段と、
前記表示態様指定手段により選択された映像を単眼表示による２次元画像又は複眼表示による立体視を表示する画像表示手段と、
ボリューム・データをネットワーク経由で前記ボリューム・メモリにダウンロード可能とする通信制御手段とを有することを特徴とするボリューム可視化装置。
【請求項３】
歪映像発生部と歪補正部とが、左目用映像と右目用映像とを所定の時間の周期で交互に発生することを特徴とする請求項１又は２のいずれに記載のボリューム可視化装置。
【請求項４】
仮定するスクリーン上に投影する映像の表示範囲が、拡大又は切り取り又は対象種類の選択的表示であることを特徴とする請求項１又は２又は３のいずれに記載のボリューム可視化装置。
【請求項５】
仮定するスクリーン上に投影する映像の表示範囲が、拡大又は切り取り又は対象種類の選択的表示であるとともに、表示態様指定手段による対象範囲の指定を立体映像を用いて３次元的に指定することを特徴とする請求項３記載のボリューム可視化装置。
【請求項６】
表示対象物の透過性及び色を対話的に変更可能としたことを特徴とする請求項５記載のボリューム可視化装置。
【請求項７】
ボリューム・メモリと、歪映像発生部と、映像メモリと、歪補正部と、画像表示手段と、通信制御手段とを一体化して薄型の平板状とすることを特徴とする請求項２記載のボリューム可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ＣＴ、ＭＲＩ等の計測装置あるいは超音波、レーダ等のセンサーを用いて生成した３次元格子点上に情報を持つボリューム・データ、又は計算機シミュレーションにより発生したボリューム・データを高速に表示するボリューム可視化装置に関するものである。また、インターネットを用いて内部を見ることが必要な技術情報の配布にも用いられる。さらに、Ｘ線を用いた非破壊検査にも用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、従来の映像発生装置の構成を説明するブロック図である。図２において、２１は装置全体を制御するＣＰＵ、２２はボリューム・データを記憶する主記憶装置、２３はＣＰＵ２１で計算された映像をＤＡ変換するＤＡ変換装置、２４は前記ＤＡ変換装置２３で変換した映像を表示する表示装置を構成するＣＲＴ、２５はバスである。図３は映像発生装置の外観図であり、図３において、３１は装置本体、３２は表示装置、３３はキーボード、３４はマウス、３５はＬＡＮケーブルである。
【０００３】
図２、図３に示す装置による映像発生は、ＣＰＵ２１及びバス２５、主記憶装置２２ワークステーション上で稼働するソフトウェアを用いて、映像表示するものである。すなわち、主記憶装置２２にあるボリューム・データを用いて、同主記憶装置２２上にあるレイキャスティングプログラムにより、ＣＰＵ２１上で模擬計算を行ない、その結果をＤＡ変換して、ＣＲＴ２４への電気信号に変換し、映像表示する。
【０００４】
図４は、レイキャスティング法をレイキャスティングプログラムで実行する方法を説明するものであり、同図（ａ）は３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを模式的に表示し、同図（ｂ）は代表的に一部が示されたボリューム・データが主記憶装置２２に格納される状態と、キャッシュメモリの容量を表示している。４１は３次元上に配置された状態を模式的に表現したボリューム・データであり、予め、平面の所定個所例えば正方形の各頂点毎にデータを採り、そのような平面を所定間隔例えば前記正方形の各間隔で所定数だけデータを採ることにより、立方体の各頂点上に配置される。図４（ｂ）において、主記憶の所定の位置には第ｉ層第ｊ行第ｋ列のボクセルｖ１が格納され、その隣の位置に同層同行第ｋ＋１列のボクセルｖ２が格納される。さらに隣の位置に同層同行第ｋ＋２列のボクセル（図示しない）が格納され、順次このようにして第ｉ層第ｊ行についてＶ個のボクセルが格納される。同層で次ぎの第ｊ＋１行第１列から順次ボクセルが格納され、第ｉ層第ｊ＋１行第ｋ列のボクセルｖ３が格納され、その隣の位置に同層同行第ｋ＋１列のボクセルｖ４が格納される。さらに隣の位置に同層同行第ｋ＋２列のボクセル（図示しない）が格納され、順次このようにして第ｉ層第ｊ＋１行についてＶ個のボクセルが格納される。このようにして、第ｉ層についてボクセルが格納される。１つの層にはｖ２個のボクセルが格納される。第ｉ＋１層について同様に順次ボクセルが格納されていって、第ｊ行第ｋ列のボクセルｖ５が格納され、さらに同様にボクセルｖ６，ｖ７，ｖ８が格納される。これらのデータは例えば、身体の内部をＣＴ、又はＭＲＩ等により計測されたものである。４２は仮定する視点が位置する方向からの所定数の平行光線（レイ）である。図４は、この一本のレイ４２が視点からボリュームを通過していく状況を示している。ここで、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…は、レイ４２上に一定の間隔で設定した補間点である。ある補間点が位置する立方体の各頂点（８個）のデータ（ボクセル（ｖｏｘｅｌ）という）を用いて、補間によりその補間点のボクセル値を求め、これにより計測対象による光の減衰を求める。
【０００５】
このとき、補間には上述のように８個の目盛りを読みだし指定点でのボクセル値を求める。ところが通常の計算機では処理スピードを増加させるために用いられているキャッシュ内に、この８個のデータを同時に保持できない。すなわち、図４のキャッシュに示すように、その容量Ｍは、Ｍ＜ｖ２であり、キャッシュの先頭にボクセルｖ１を保持させたとしても、ボクセルｖ５を保持することはできない。このため、常にスピードの遅い主記憶からキャッシュメモリへのデータの読み出しが発生して、スピードが著しく低下する。大容量のデータ（５１２×５１２×２５６程度の格子点数）を用いた場合、映像発生が数１０秒かかるなどの問題があり、事実上会話的な可視化表示ができていなかった。特に、頻繁に見る方向を変えたり、選択的表示対象を変えて（表示対象の内構成種類別、例えば「骨」と「筋肉」と、を区別して）結果を確認する等の対話的操作が事実上行なえず、高分解能の映像に含まれる情報を十分に評価することが困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年高分解能画像データが容易に収集できるようになったが、２次元画像のままでは、その全体像や軸方向の構造の解析が困難であるといった問題点があった。また、従来の方法は、前記のようにソフトウェアで映像発生を行なうため、映像発生にかかる時間が数十秒程度を要するため、視点を変更して映像を評価後、次の対応をするためのターンアランド時間が、操作者の許容できる範囲、数秒程度を大きく超え、実質上対話的操作が行なえず、映像をもとにした各種判断が困難であるといった問題もあった。
【０００７】
さらに、対話的操作においても、従来は立体映像を用いないため、奥行きを含む３次元的範囲の指定が困難であり、対象部分の拡大、縮小などの３次元的範囲の対話的指定に難点があった。従って、従来のシステムでは対象物内部構造の観察を詳細に行なう作業の効率が悪く、情報抽出に限界があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ボリューム・データにより立体可視化を行なうことにより全体像や軸方向の構造の解析を容易にするとともに、上記表示時間を実時間程度に行なうことにより、対話的操作性を高め、さらに可視化条件を与える関数を実時間で可変することにより、形態の特徴抽出を可能にする装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に係るボリューム可視化装置は、３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを表示するものであって、３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを格納するボリューム・メモリと、前記ボリューム・メモリからのボリューム・データによりレイキャスティング法によって視点が位置する方向からの所定数の平行光線がボリュームを通過した状況において視点から見た前記３次元格子の所定のベースプレーンに２次元歪み投影映像を発生させる歪映像発生部と、前記歪映像発生部で発生した２次元歪み投影映像を格納する映像メモリと、前記映像メモリの歪み投影映像を視線に垂直な仮定するスクリーン上に投影するように補正する歪補正部と、前記仮定するスクリーン上に投影する映像の表示態様を対話的に選択して指定する表示態様指定手段と、前記表示態様指定手段により選択された映像を単眼表示による２次元画像又は複眼表示による立体視を表示する画像表示手段とを有するものである。
【００１０】
請求項２のボリューム可視化装置は、上記請求項１の構成に追加して、ボリューム・データをネットワーク経由で前記ボリューム・メモリにダウンロード可能とする通信制御手段を有するようにしてもよい。
【００１１】
請求項３のボリューム可視化装置は、請求項１又は２のいずれに記載のものにおいて、歪映像発生部と歪補正部とが、左目用映像と右目用映像とを所定の時間の周期で交互に発生するようにする。
【００１２】
請求項４のボリューム可視化装置は、請求項１又は２又は３のいずれに記載のものにおいて、仮定するスクリーン上に投影する映像の表示範囲が、拡大又は切り取り又は対象種類の選択的表示であるようにすることができる。
【００１３】
請求項５のボリューム可視化装置は、請求項３に記載のものにおいて、仮定するスクリーン上に投影する映像の表示範囲が、拡大又は切り取り又は対象種類の選択的表示であるとともに、表示態様指定手段による対象範囲の指定を立体映像を用いて３次元的に指定するものである。
【００１４】
請求項６のボリューム可視化装置は、請求項５に記載のものにおいて、表示対象物の透過性及び色を対話的に変更可能としたものである。
【００１５】
請求項７のボリューム可視化装置は、請求項２に記載のものにおいて、ボリューム・メモリと、歪映像発生部と、映像メモリと、歪補正部と、画像表示手段と、通信制御手段とを一体化して薄型の平板状とするものである。
【００１６】
【作用】
ボリューム可視化装置は、次のように作用する。ボリューム・メモリには予め３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを格納しておく。このボリューム・データの格納は、通信制御装置を備える場合は、通信回線を介してダウン・ロードされる。歪映像発生部は、前記ボリューム・メモリからのボリューム・データによりレイキャスティング法によって視点が位置する方向からの所定数の平行光線がボリュームを通過した状況において視点から見た前記３次元格子の所定のベースプレーンに２次元歪み投影映像を発生させる。これを一旦映像メモリに格納する。歪補正部は前記映像メモリの歪み投影映像を視線に垂直な仮定するスクリーン上に投影するようマッピングする。このとき、表示態様指定手段により、操作者との対話的選択して、仮定するスクリーン上に投影する映像の表示態様を拡大／切り取り等になるように指定することができる。画像表示手段は、前記表示態様指定手段により選択された映像を単眼表示による２次元画像又は複眼表示による立体視を表示する。
【００１７】
このとき、立体視は、歪映像発生部と歪補正部とが、左目用映像と右目用映像とを所定の時間の周期で交互に発生させ、複眼表示を見ることにより体感できる。
【００１８】
操作者は、画像表示手段に表示された映像を見ながら、表示対象を拡大又は切り取り又は表示対象を構成する対象種類例えば骨あるいは肉組織等を選択して指定することができる。歪補正部は、指定された表示範囲を仮定するスクリーン上に投影させてマッピングし、これを画像表示手段に表示する。
【００１９】
立体視させるとき、表示範囲の指定は、カーソルの表示も立体映像を用いて、立体表示合わせて指定することができるようにする。そのとき、指定された範囲の対象物の透過性および色を変えて観察することができる。
【００２０】
また、ボリューム・メモリと、歪映像発生部と、映像メモリと、歪補正部と、画像表示手段と、通信制御手段とを一体化して薄型の平板状として、取り扱いに便利なものとすることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について図を参照して説明する。図１は一実施例を説明する機能ブロック図である。図１において、１０１は装置全体を制御する映像制御部、１０２はバス、１０３は３次元的格子点上に情報を持つボリューム・データを格納するボリューム・メモリ、１０４は歪映像発生部であり、前記ボリューム・メモリ１０３からのボリューム・データによりレイキャスティング法によって視点が位置する方向からの所定数の平行光線がボリュームを通過した状況において視点から見た前記３次元格子の所定のベースプレーンに２次元歪み投影映像を発生させる。１０５は前記歪映像発生部１０４で発生させた２次元歪み投影映像を一旦格納する映像メモリ、１０６は歪補正部であり、前記歪映像発生部１０４で発生され、映像メモリ１０５に格納されている歪み投影映像を視線に垂直な仮定するスクリーン上に投影するように補正する。１０７は入力装置であり、前記仮定するスクリーン上に投影する映像の表示態様を対話的に選択して指定する表示態様指定手段として機能し、操作キー及びマウスにより構成される。１０８は前記入力装置１０７とバス１０２とを接続して信号の授受を制御する入力制御部、１０９は表示部であり、前記入力装置１０７により選択された映像を単眼表示による２次元画像又は複眼表示による立体視を表示する画像表示手段として機能し、例えばＣＲＴ、液晶装置等により構成される。１１０はボリューム・データをネットワーク経由で前記ボリューム・メモリ１０３にダウンロード可能とする通信制御手段としての通信制御部である。
【００２２】
まず、事前に通信制御部１１０の制御により、ネットワークに接続してボリューム・データをダウンロードし、ボリューム・メモリ１０３に格納する。歪映像発生部１０４は、ボリューム・メモリ１０３からのボリューム・データを元に、一旦、歪んだ映像を発生させ、その結果を映像メモリ１０５に出力する。この歪み映像発生を図５に示す。映像メモリ１０５に格納される映像は、以下のような面（ベースプレーンＡ）に発生する。このベースプレーンＡは、格子上配列されたボリューム・データをある方向の光線Ｂにより見たとき、格子により構成される立方体の面の外側に向く法線と光線Ｂとがなす角度が最大になる面である。
【００２３】
図６により、これを説明する。スクリーンＤ１の位置にあるとき、その法線ｎＤ１はボリューム・データを構成する立方体の面の法線うちｎ１とのなす角が最大であり（図６（ｂ））、この面ａ１がベースプレーンとなる。スクリーンＤ２の位置にあるとき、その法線ｎＤ２はボリューム・データを構成する立方体の面の法線うちｎ２とのなす角が最大であり（図６（ｃ））、この面ａ２がベースプレーンとなる。
【００２４】
図５に戻る。平行な各光線Ｂ上の所定の間隔に補間点（または「サンプル点」とも言う）Ｃがある。この補間点Ｃが位置する立方体の各頂点（８個）のボクセルを用いて、補間によりその補間点のボクセル値を求め、これにより計測対象による光の減衰を求める。この求めたボクセル値がベースプレーンＡ上に発生する映像となり、図１の映像メモリ１０５に格納される。ところで、この画像は仮定するスクリーンＤ（ベースプレーン上に光線Ｂにより投影された画像を見ることになる）に投影される映像と異なり、歪んだものとなる。そこで、歪補正部１０６は、映像メモリ１０５の画像（ｉ，ｊ）を、所定の表示範囲について、マッピング関数ｆ（ｉ，ｊ）により視線方向から見た正しい映像に補正して、スクリーンＤ上に投影した映像を表示部１０９に出力する。
【００２５】
視点の方向を連続的に変えることにより、スクリーンＤの位置が連続的に変化し、歪補正部１０６は、映像メモリ１０５の画像を位置変化後のスクリーン上に正しい映像になるように補正する。このようにして、対象物体を回転させて見ることができ、全体像の把握が容易になる。
【００２６】
歪映像発生部１０４と歪補正部１０６とが、左目用映像と右目用映像とを所定の時間の周期で交互に発生することにより、立体画像を発生し、これを表示部１０９に表示させることができ、操作者は両眼により立体視することができる。なお、操作者は入力装置１０７の操作により、立体映像による立体視又は立体でなく平面視を選択し指定することにより、いずれかを見ることができる。
【００２７】
マッピングのとき、スクリーンＤ上に投影する映像の表示範囲を拡大又は縮小するときは、入力装置１０７により、拡大又は縮小を選択することにより、入力制御部１０８から映像制御部１０１にその選択内容が指定される。映像制御部１０１は指定された拡大又は縮小倍率に従った映像を生成するように歪補正部１０６を制御し、表示部１０９に拡大又は縮小映像を表示する。所望する範囲を切り取った断面を表示範囲として表示するときは、例えばスクリーンＤ（すなわち表示部１０９の表示面）に対して所望の角度をなす平面を設定し、その平面をその平面の法線方向に移動させることにより、平面が対象物体を切る断面を観察することができる。
【００２８】
例えば、３軸に直行した短い線分の組をカーソルとして立体表示し、これを入力装置１０７の一部を構成するマウスを操作することにより立体画像内を移動させるようにし、対象物体内の所望する個所又は断面を表示範囲として指定することができる。断面を表わす面を指定するときは、上記した立体表示のカーソルで行なうことができ、指定した断面を軸方向に移動させることにより、軸方向の構造を容易にすることが出来る。また、表示対象物の範囲を指定して、その範囲について透過性を変化させ対象物内部を観察でき、表示対象物の種類毎（例えば、骨と筋肉）に分けて色を変えて表示させることができる。
【００２９】
図７は、本発明によるボリューム可視化装置の映像制御部１０１と、ボリューム・メモリ１０３（図示しない）と、歪映像発生部１０４と、映像メモリ１０５（図示しない）と、歪補正部１０６と、入力制御部１０８と、画像表示手段として液晶パネル１０９ａと、通信制御部１１０（図示しない）とを一体化して薄型の平板状とした外観図であり、入力装置１０７が接続されていて、ネットワーク６０１に接続されている。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、大容量の３次元ボリューム・データと、映像メモリとを、分離し、歪映像発生部と歪補正部とを分離することにより、高速に映像表示を行なえ、従来困難であった対話的な操作に基づき映像表示を繰り返し高度な探索及び判断を行なえる。また、視点位置を左目及び右目と交互に発生することにより、立体映像発生も可能なことから距離感を容易に得ることができる。これにより、３次元的に対象範囲指定が精度よく行なえ、対象物の構造上の特徴やその相互的な位置関係などが容易に把握できる等の特徴がある。さらに、歪映像発生部と分離される歪補正部により、可視化条件を与えるマッピング関数を実時間で可変することができ、形態の特徴抽出を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する機能ブロック図である。
【図２】従来の映像発生装置の構成を説明するブロック図である。
【図３】従来の映像発生装置の外観図である。
【図４】レイキャスティング法を説明する図である。
【図５】歪み映像発生を説明する図である。
【図６】ベースプレーンを説明する図である。
【図７】本発明による映像発生装置の外観図である。
【符号の説明】
１０１…映像制御部、１０２…バス、１０３…ボリューム・メモリ、１０４…歪映像発生部、１０５…映像メモリ、１０６…歪補正部、１０７…入力装置（表示態様指定手段）、１０８…入力制御部、１０９…表示部（画像表示手段）、１１０…通信制御部（通信制御手段）。
【図１】
0004300251.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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