(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボクセル値に関するしきい値および半透明幅を入力する手段と、該入力されたしきい値および半透明幅によって表される直線を変換特性としてボクセル値から不透明度への変換を行う手段と、ボリュームデータから法線ベクトル、法線ベクトルの絶対値である境界面強度、単位法線ベクトル、および上記の入力された半透明幅で上記の境界面強度を正規化した正規化境界面強度を求める手段と、このボクセルごとの正規化境界面強度と上記の不透明度とを用いてボリュームレンダリング処理を行うボリュームレンダリング手段とを備えることを特徴とする３次元画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置（核磁気共鳴イメージング装置）などで得た３次元のボリュームデータからレンダリングを行って３次元画像を作成する３次元画像生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療の分野では、Ｘ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置を用いて人間を診断するための画像が撮影されている。この画像は平面的なものであるが、その平面に直角な方向に何枚もの画像を得ることなどにより、３次元に配列されたデジタルデータを得ることができ、これは人体の立体的なボリュームを表す。
【０００３】
このようなボリュームデータから立体的な画像を生成して表示する技術として、従来より、面を生成・表示するサーフェスレンダリングが知られている。これは、ボクセル値をしきい値によって分けて領域抽出し、その領域の界面に陰影付けを行うものである。さらに、しきい値による２値化を行わず、ボリュームデータからボクセルの材質含有率に応じた半透明表示を行うことにより、サーフェスレンダリングで見られたエリアジングや量子化による不自然さを解消するものとしてボリュームレンダリングも知られている（Ｒ．Ａ．Ｄｒｅｂｉｎ  Ｌ．Ｈａｎｒａｈａｎ，”Ｖｏｌｕｍｅ  Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ”，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ（Ｐｒｏｃ．ＳＩＧＧＲＡＰＨ），Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３（Ａｕｇ．１９８８）ｐｐ．６５−７４）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サーフェスレンダリングでは、しきい値によってボクセルのある所とない所とを１００％と０％とに切り分けるため、濃淡の小さい対象物では細部を表現しようとしてしきい値を小さくすると粒状のノイズが出たり、細い血管などでは途切れて点線状になってしまうという問題がある。
【０００５】
また、ボリュームレンダリングによれば、このようなサーフェスレンダリングの不都合は解消されるものの、不透明度などの設定すべきパラメータが多く、かつ複雑で、パラメータとしてどのような値を与えればどのような画像が得られるかが不明確であるという問題がある。そのため、実際には、何回ものカットアンドトライを要し、経験と勘が必要となる。
【０００６】
この発明は、上記に鑑み、パラメータ設定が容易で、意図した画像が簡単に得られるように改善した、３次元画像生成装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明による３次元画像生成装置においては、ボクセル値に関するしきい値および半透明幅を入力する手段と、該入力されたしきい値および半透明幅によって表される直線を変換特性としてボクセル値から不透明度への変換を行う手段と、ボリュームデータから法線ベクトル、法線ベクトルの絶対値である境界面強度、単位法線ベクトル、および上記の入力された半透明幅で上記の境界面強度を正規化した正規化境界面強度を求める手段と、このボクセルごとの正規化境界面強度と上記の不透明度とを用いてボリュームレンダリング処理を行うボリュームレンダリング手段とが備えられることが特徴となっている。
【０００８】
ボクセル値に関するしきい値および半透明幅が入力され、これらによって表される直線が、ボクセル値から不透明度への変換特性とされ、この変換特性にしたがってボクセル値から不透明度への変換が行われる。一方、ボリュームデータから法線ベクトル、法線ベクトルの絶対値である境界面強度、単位法線ベクトルが求められ、さらに、上記の入力された半透明幅で境界面強度を正規化することにより正規化境界面強度が求められる。そして、この各ボクセルごとに求められた正規化境界面強度と上記の不透明度とを用いてボリュームレンダリング処理が行われる。この場合、ボクセル値の勾配（境界面強度）を半透明幅で正規化しているので、半透明幅を変更して半透明とすべきボクセル値範囲を変えたとき、画像の変化は抽出する領域のあいまいさのみとなり、しきい値はその半透明範囲の中間付近で変わらない。そのため、設定したしきい値を正しく反映した画像が得られ、しきい値と半透明幅の設定だけで適切な不透明度の設定が行えることになる。このことは、サーフェスレンダリング並みの容易さで、ボリュームレンダリングのためのパラメータ設定を行うことができることを意味する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この発明にかかる３次元画像生成装置は、図１に示すように、ボリュームレンダリング装置１と、入力装置２と、画像表示装置３とからなる。ボリュームレンダリング装置１は、オンラインであるいはオフラインでＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置から受け取ったボリュームデータを画像処理する、コンピュータ利用の画像処理装置であり、専用のハードウェアとしてもあるいはソフトウェア的にも構成可能である。入力装置２は、キーボードやマウスなどからなる。画像表示装置３は、入力アシスト画像や、生成した画像を表示する。これらはＸ線ＣＴ装置やＭＲＩ装置に一体化された装置として、あるいは別個の装置として構成可能である。
【００１０】
ボリュームデータは、図３に示すようなボクセル値の３次元配列である。入力装置２は、このボクセル値に関して、図２の（ａ）で示すようなしきい値Ｔと半透明幅Ｗとを入力するものである。すなわち、半透明幅Ｗとは、半透明（不透明度０％〜１００％の範囲）に表示したいボクセル値の範囲であり、しきい値Ｔは不透明度５０％のボクセル値を表す。入力されたＴ、Ｗによって、図２の（ａ）で示すような、ボクセル値から不透明度への変換テーブルが形成される。通常であれば、図２の（ｂ）で示すように変換特性を自由に設定するのであるが、そうすると複雑となり、結果が不明確になるため、上記のようにＴ、Ｗで規定される直線的な変換特性とする。
【００１１】
ボリュームレンダリング装置１は、通常のボリュームレンダリング処理に加えて、上記の直線的な変換特性にしたがった、ボクセル値から不透明度への変換を行う。さらに、不透明度が０より大きいボクセルについて、法線ベクトルＮと、境界面強度｜Ｎ｜と、単位法線ベクトルＮ／｜Ｎ｜と、Ｗで正規化した境界面強度｜Ｎ｜／Ｗを算出する。
【００１２】
ここで、図３のように視線に沿って並ぶボクセルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，…、の値が０、５０、１００、１５０、…、であるとすると、Ｔ＝１５０、Ｗ＝２００の設定ではボクセルＢから右側が不透明度が０より大きくなる。各ボクセルの法線ベクトルＮは、ボクセル値の勾配とその傾き方向を近傍のボクセル値より求めたものである。境界面強度｜Ｎ｜は、法線ベクトルＮの絶対値、つまり勾配の絶対値である。単位法線ベクトルは、Ｎ／｜Ｎ｜により求められる。この図３の例では、どのボクセルも、境界面強度は、距離１（サンプリング間隔）当たり５０となる。
【００１３】
この境界面強度｜Ｎ｜を設定した半透明幅Ｗで割ることにより、半透明幅で正規化した境界面強度｜Ｎ｜／Ｗを得る。こうして各ボクセルごとに求めた正規化境界面強度と不透明度を用いて通常のボリュームレンダリングが行われる。その際、正規化境界面強度には不透明度データが乗算されるので、正規化境界面強度はボクセルの存在確率（不透明度で表される材質含有率）に対応したものとなる。シェーディングには上記の単位法線ベクトルを用いることによりＰｈｏｎｇの方法などによることができる（Ｐｈｏｎｇ，Ｂｕｉｔｈｏｎｇ，”Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｉｍａｇｅｓ”，ＣＡＣＭ  １８（６）（Ｊｕｎｅ  １９７５）ｐｐ．３１１−３１７）。
【００１４】
この場合、しきい値Ｔを固定して、半透明幅Ｗを増減すると、視線に沿って積分するボクセル数が増減することになるが、その増減に逆比例して正規化境界面強度が小さくなったり大きくなったりする。そのため、Ｗの操作による画像の変化は、抽出する領域のあいまいさのみとなり、しきい値Ｔが半透明幅Ｗの中心付近にあるということは変わらない（厳密には、光源モデルにおける視線に沿った積分は各ボクセルでの不透明度に対応した光の減衰を伴うのでちょうど５０％の不透明度のところにしきい値Ｔがくるわけではないが）。そのため、設定したしきい値Ｔを正しく反映した画像が得られ、しきい値Ｔと半透明幅Ｗの設定だけで適切な不透明度の設定が行えることになる。
【００１５】
実際には、まず、原画像を画像表示装置３に表示してこれを観察しながら、しきい値Ｔを設定する。この場合のしきい値Ｔはサーフェスレンダリングの場合と同様の感覚で指定することができる。つぎに、原画像中に含まれる抽出したい対象物のコントラスト、Ｓ／Ｎ比などに応じて半透明幅Ｗを調整する。抽出したい部分のＳ／Ｎ比が悪い場合は、Ｗがノイズの振幅よりも大きくなるように設定・調整する。このように、原画像を観察することにより、おおむね適切なしきい値Ｔ、半透明幅Ｗが分かり、不透明度の設定が容易になる。しかも、境界面強度は半透明幅Ｗで正規化されるので、得られる画像は、Ｗを変更しても、設定したしきい値Ｔを正しく反映したものとなるため、カットアンドトライを繰り返す必要がなくなる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の３次元画像生成装置によれば、サーフェスレンダリング並みの容易さで、ボリュームレンダリングのためのパラメータ設定を行うことができ、意図通りの３次元画像を簡単に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示すブロック図。
【図２】ボクセル値から不透明度への変換特性を示すグラフ。
【図３】ボクセルの配列を模式的に示す図。
【符号の説明】
１            ボリュームレンダリング装置
２            入力装置
３            画像表示装置
【図１】
0003814932.tif 000002
【図２】
0003814932.tif 000003
【図３】
0003814932.tif 000004