DE3712639A1

DE3712639A1 - Verfahren und einrichtung zum abbilden von volumendaten

Info

Publication number: DE3712639A1
Application number: DE19873712639
Authority: DE
Inventors: Robert Drebin; Loren C Carpenter
Original assignee: PIXAR FA
Current assignee: PIXAR FA
Priority date: 1986-04-14
Filing date: 1987-04-14
Publication date: 1987-10-22
Also published as: JPS6324478A; GB2190570A; GB2190570B; GB8708832D0; CA1258923A; FR2597227B1; US5381518A; JPH0727576B2; FR2597227A1

Description

In zahlreichen modernen Anwendungsfällen ist es erwünscht, die dreidimensionale Kohärenz eines interessierenden Volumens oder Objekts zu beobachten. Im Falle der Abbildung realer dreidimensionaler ("3D") Festkörper ist es gewöhnlich nur möglich, diskrete ebene Querschnitte des 3D-Volumens und dessen Inhalt zu betrachten. Es ist typischerweise nicht möglich, 3D-Volumina so zu betrachten, daß Innen- und Objektflächen, Grenzen, Grenzflächen und räumliche Beziehungen innerhalb des Volumens getrennt und visuell identifiziert werden können.

Beispielsweise ist es bei der medizinischen Abbildung sehr erwünscht, anatomische Strukturen durch dreidimensionale Dar stellungen auf Computer-Bildschirmsystemen sichtbar machen zu können. Die Fähigkeit, genaue, volumetrische, anatomische Modelle aus computerisierten tomographischen (CT) Abtastungen zu erzeugen, ist als chirurgische Hilfe extrem wertvoll (z. B. zum Anzeigen von Strukturen für die Planung chirurgischer Eingriffe oder zum Anzeigen von Details der anatomischen Struktur ohne die Notwendigkeit zu untersuchenden Eingriffen). Daher liefert die dreidimensionale Abbildung die Form, Größe und relative Position von pathologischen Strukturen und damit wertvolle Daten für die chirurgische Planung, Diagnose und Behandlung.

Die Computersimulation von realen 3D-Volumina hängt von der Möglichkeit zur Rekonstruktion von 3D-Strukturen aus planaren Ausschnittsdaten, z. B. CT-Abtastungen, ab. Diese und andere Abtastungen liefern Daten, aus denen ein 3D-Dichte-Bildvolumen, bestehend aus Volumenelementen (Voxels) als Eingangsdaten für die Bildverarbeitung gewonnen wird. Unglücklicherweise sind solche Eingabe-Bildvolumina typischerweise von geringer Auflösung im Vergleich zu der Detailqualität, die zur genauen Darstellung des abgetasteten Volumens erwünscht ist.

Beispielsweise stellen bestimmte Voxel in einigen CT-Abtast- Bildvolumen die Röntgenstrahldämpfung oder andere Bildvolumen daten über das Volumen, einschließlich über die Oberflächen grenzdaten dar. Obwohl ein Voxel nur einem einzigen "homogenen" Wert zugeordnet ist, existiert tatsächlich eine Grenze, und es gibt diskrete Materialien auf jeder Seite der Grenze innerhalb des unter Betrachtung stehenden Objekts. Daher ist ein Voxel entlang eines Randes oder einer Kante eine Probe, die sich über beide Seiten der Kante erstreckt. Wenn außerdem ein Material (z. B. ein Knochen) kleiner als die Breite eines Voxels ist, hat das die Grenzinformation über diesen Knochen liefernde Voxel eine sehr geringe Auflösung. Daher ist die Grenzform innerhalb eines Voxels nicht genügend genau be stimmt.

Verschiedene Ansätze wurden angewandt in dem Bemühen, Ober flächengrenzen in Volumen anzunähern. Eine bekannte Methode ist die "Schwellwertbildung" ("thersholding"). Bei der Schwellwertbildung werden Voxel, welche eine Grenze kreuzen, als zusammengesetzt aus einem oder dem anderen Materialtyp auf jeder Seite der Grenze klassifiziert. Die projizierte sichtbare Grenze wird so die binär klassifizierte Voxelgrenze.

Je größer die Voxel sind, umso größer ist der Fehler, der durch Schwellwertbildung eingeführt wird. Außerdem liefert die Schwellwertmethode für grobe Bilder oder Bilder mit hohen Dichten und eng benachbarten Oberflächengrenzen ein noch schlechteres Ergebnis, so daß die resultierenden Abbildungen immer weniger genau werden. Nachfolgende Annäherungsmethoden werden manchmal in dem Versuch angewendet, eine genauere Annäherung aus dem Schwellwertergebnis zu erhalten. Versuche zur Annäherung der unbekannten Oberfläche geben jedoch Anlaß zu einem weitgehend ungenauen Ergebnis, da diese Annäherungen auf der anfänglichen binären Klassifikation der Voxel beruhen.

Es ist auch sehr erwünscht, alle Daten innerhalb des Volumens gleichzeitig aus ausgewählten stationären oder rotierenden Ansichten sichtbar zu machen. Dies bedeutet, daß man in das Zentrum eines Volumens blickt und Objekte und versteckte Flächen innerhalb des Volumens (und damit innere Grenzen und Flächen) bestimmt. Dafür ist es notwendig, gegebenenfalls durch störende Objekte teilweise durchsehen zu können (z. B. bei einem von Muskeln umgebenen Knochen sowohl den Knochen als auch den den Knochen umgebenden Muskel zu beobachten). Bekannte Methoden zwingen bei der Erzeugung von Volumenelementen zur Durchführung einer binären Entscheidung dahingehend, ob ein Pixel aus einem vorgegebenen Material besteht oder nicht. Eine binäre Klassifikation führt Phantom- (oder Abtast-)Fehler ein, da die kontinuierliche Abbildungsfunktion nicht erhalten wird. Der durch binäre Klassifikation eingeführte Fehler wird bei jedem Versuch zur Rekonstruktion eines ursprünglichen Bildvolumens aus dem klassifizierten Volumen miteingebracht. Da das rekonstruierte Bild nur so viele Intensitätsniveaus haben kann, wie Materialien vorhanden sind, werden die Material grenzschichten ausgefranst bzw. gezackt, und die Intensitäten stellen nicht die ursprüngliche Bildfunktion dar.

Das Abbildungssystem nach der Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Einrichtung zum Projizieren einer zweidimensionalen (2D)-Darstellung von dreidimensionalen (3D)-Volumina, wobei Oberflächengrenzen und im Inneren der Volumina gelegene Objekte geeignet gezeigt werden und versteckte Flächen und die Flächengrenzen selbst genau vermittelt werden. Außerdem kann das erzeugte zweidimensionale Bild die gleiche Auflösung wie die Abtastauflösung des interessierenden Eingabe-Bildvolumens haben. Dies wird erreicht durch Implementierungsmethoden zur Bestimmung von "Teilvolumen" von Voxeln. Eine Teilvolumenbildung ordnet ausgewählten Farben und Undurchsichtigkeitsgraden (Opazitäten) unterschiedlichen Materialien (oder Datenkomponenten) zu, die in einem Bilddatenvolumen auf der Basis der prozentualen Zusammensetzung von in jedem Voxel des Bildvolumens dargestellten Materialien dargestellt werden. Anders als bei bekannten Systemen, wie die eine Schwellwertbildung benutzenden Methoden, besitzt das Abbildungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung ein hohes Maß an Präzision und Definiertheit, das vom Bildvolumen auf einer Pro-Voxel-Basis unabhängig ist.

Ein Bildvolumen, das ein Volumenobjekt oder eine Datenstruktur darstellt, wird in einen Bildspeicher geschrieben. Eine Farbe oder eine Opazität wird jedem Voxel innerhalb des Volumens zugeordnet und als ein dreidimensionales Rot (R)-, Grün (G)-, Blau (B)- und Opazitäts (A)-Komponenten-Datenvolumen gespeichert. Die RGBA-Zuordnung für jedes Voxel wird auf der Basis einer prozentualen Komponentenzusammensetzung der das Volumen darstellenden Materialien und damit dem Prozentsatz der Farbe und Transparenz (auf der Basis von 100% Bezugsmaterialfarbe und Transparenzwerten) für solche Materialien bestimmt. Solche in dem Bildspeicher für das Komponentenvolumen gespeicherte Voxel werden im folgenden teilweise RGBA-Voxel bezeich net.

Als nächstes werden die Voxel im RGBA-Volumen als mathematische "Gele" oder Filter derart verwendet, daß jedes der aufein anderfolgenden Voxelfilter über einen vorhergehenden Hintergrund- Voxelfilter gelegt wird. Durch die lineare Interpolation wird ein neues Hintergrundfilter bestimmt und erzeugt. Die Interpolation wird aufeinanderfolgend für alle Voxel (oder Gruppen von Voxeln, z. B. Voxel-Abtastlinien bzw. -zeilen) bis zu dem vordersten Voxel der Sichtebene durchgeführt. Das Verfahren wird solange wiederholt, bis alle Anzeigevoxel für die Bildebene bestimmt sind.

Die Rekonstruktion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sorgt für die 2D-Projektion von Volumina, wobei Objektoberflächen innerhalb eines diskreten Datenvolumens selbst dann detailliert und zur Anzeige gebracht werden können, wenn Oberflächen zuvor wegen grober Bildvolumendaten oder einer niedrigen Abtast geschwindigkeit nicht gefunden werden konnten. Die Erfindung erreicht eine Sichtbarmachung von verborgenen Flächen innerhalb des Volumens, so daß alle Oberflächengrenzen deutlich und genau definiert sind.

Daher ist es durch Vorgeben eines diskreten Probendatenvolumens eines komplexen Volumendatensatzes oder Objekts und durch Finden des Prozentsatzes der Zusammensetzung von Komponenten materialien für jedes Voxel möglich, komplexe Abbildungen zu schaffen, ohne anfänglich über besondere Informationen zur Grenzlage innerhalb jedes Voxels zu verfügen. Die Erfindung ermöglicht daher das Betrachten von Volumina, ohne ein geometrisches Modell (sondern stattdessen nur ein 3D-Rastervolumen) zu haben, so daß es möglich ist, eine komplexe Projektion des 3D-Volumens unter Verwendung von teilweiser Transparenz und Farben zu erzeugen, die die Charakteristika eines mathematischen "geometrisch-körperlichen Modells" haben kann. Objekte können betrachtet werden, die andere Objekte teilweise abschatten, und räumliche Beziehungen zwischen Objekten können genau vermittelt werden.

Andere Möglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden genaueren Beschreibung der beigefügten Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Architektur der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Aufteilung des bei der Erfindung verwendeten Bildspeichers;

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das die Architektur des bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten Kanalprozessors veranschaulicht;

Fig. 4a eine Kurve, welche ein typisches Eingangsdaten histogramm veranschaulicht;

Fig. 4b eine Kurve, welche die Klassifizierung eines CT-Eingangsdatenhistogramms veranschaulicht;

Fig. 5 mehrere Voxel, die zur Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes bzw. Displays verwendet werden;

Fig. 6 eine Bildrekonstruktion für aufeinanderfolgende Voxel-Abtastzeilen und Schritte; und

Fig. 7 die Berechnung einer projizierten Pixelausgabe auf der Basis der verketteten Filterung.

Die nachfolgende detaillierte Beschreibung wird weitgehend anhand von Algorithmen und symbolischen Darstellungen von Operationen an Datenbits innerhalb eines Computerspeichers durchgeführt. Die algorithmischen Beschreibungen und Dar stellungen sind die vom Fachmann auf dem Gebiet der Datenver arbeitung angewandten Mittel, um möglichst effektiv die Substanz ihrer Arbeit anderen einschlägigen Fachleuten zu vermitteln.

Ein Algorithmus wird hier wie allgemein als selbstkonsistente Folge von Schritten entwickelt, die zu einem gewünschten Ergebnis führt. Diese Schritte erfordern physikalische Manipulation von physikalischen Größen. Gewöhnlich - wenn auch nicht notwendigerweise - nehmen diese Größen die Form von elektrischen oder magnetischen Signalen an, die gespeichert, übertragen, kombiniert, verglichen oder auf andere Weise verarbeitet werden können. Es erweist sich manchmal als zweckmäßig, und zwar prinzipiell aus Gründen üblicher Praxis, auf diese Signale als Bits, Werte, Elemente, Symbole, Zeichen, Ausdrücke, Zahlen o. dgl. hinzuweisen. Zu beachten ist jedoch, daß alle diese oder ähnliche Ausdrücke geeigneten physikalischen Größen zugeordnet und daher nur zweckmäßige Bezeichnungen für diese Größen sind.

Obwohl Voxel aus Zweckmäßigkeitsgründen noch häufig als drei dimensionale Elemente mit einem dreidimensionalen Volumen bezeichnet werden, sollte beachtet werden, daß Voxel Punkte in einem dreidimensionalen Raum definieren.

In der folgenden Beschreibung werden außerdem zahlreiche Einzel heiten, wie algorithmische Konventionen, spezielle Bitanzahlen usw. angegeben, um die Erfindung besser verständlich zu machen. Es ist für den Fachmann jedoch klar, daß die Erfindung ohne diese speziellen Einzelheiten realisiert werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Schaltungen und Strukturen nicht im einzelnen beschrieben, um die Erfindung nicht mit unnötigen Einzelheiten zu belasten,

Systemarchitektur

Die erfindungsgemäße Systemarchitektur ist in Fig. 1 dargestellt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das Abbildungssystem einen Host- bzw. Verarbeitungscomputer 10, der mit einem Bit-Abbildungsterminal (bit map terminal) 12 und einem Systembus 14 gekoppelt ist. Der Systembus 14 ist mit einem Kanalprozessor 16, einem Speichersteuergerät 18 und einem Videosteuergerät 20 gekoppelt. Das Speichersteuergerät 18 ist mit dem Kanalprozessor 16 und dem Videosteuergerät 20 sowie mit einem Bildspeicher 26 gekoppelt. Das Videosteuergerät 20 ist mit dem Speicher 26 über einen Videobus 28 gekoppelt. Der Kanalprozessor 16 ist über einen Bildbus 24 mit dem Bildspeicher 26 gekoppelt. Ein Farbmonitor 22 oder eine andere Ausgabevorrichtung ist mit dem Videosteuergerät 20 gekoppelt.

Der Kanalprozessor 16 enthält ein parallel-verarbeitendes Computersystem. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden vier 16-Bit-Parallelprozessoren im Kanalprozessor verwendet. Obwohl es sich als zweckmäßig erwiesen hat, vier parallele Prozessoren bei der Erfindung zu verwenden, ist es klar, daß eine beliebige Anzahl von Prozessoren ohne Entfernung von dem vorliegenden Erfindungsgedanken verwendet werden kann.

Der Verarbeitungscomputer 10 ist mit einem Bit-Abbildungsterminal 12 verbunden, das eine Vielzahl von dem Benutzer zur Verfügung stehenden Menüs anzeigt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient der Verarbeitungscomputer 10 zum Manipu lieren des von den im Bildspeicher 26 gespeicherten Bilddaten erzeugten Histogramms. Im Verarbeitungscomputer 10 kann eine Nachschlagetabelle gespeichert werden, die zuvor zugeordnete Farb- und Opazitätswerte für jeden Spitzenintensitätsplatz in einem Histogramm enthält. Zusätzlich kann der Verarbeitungs computer 10 zur Anzeige des Histogramms auf dem Bit-Abbildungs terminal 12 verwendet werden, so daß der Benutzer definierte Farb- und Opazitätswerte bestimmen kann.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Systembus 14 ein 16-Bit-Bus, der den Verarbeitungscomputer 10 mit anderen Komponenten des Bildverarbeitungssystems koppelt. Obwohl 16-Bit-Parallelprozessoren bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet werden, können ebensogut 8-Bit, 32-Bit oder andere Prozessoren zum Einsatz kommen. Daher können anderen Bitgrößen-Systembusse bei Bedarf eingesetzt werden.

Das Videosteuergerät 20 liefert die vertikale und horizontale Synchronisation für die Farbmonitor 22 und weist auch einen Pufferspeicher zur Anzeige von Bildschirmdaten auf. Das Videosteuergerät 20 greift auf den Videobus 28 während der vertikalen Austastperioden zu, um aktualisierte Informationen an den Pufferspeicher zu liefern. Das Videosteuergerät weist einen Digital/Analog-(d/a)-Umsetzer zum Umsetzen von Digitalsignalen in ein für die Anzeige auf dem Monitor 22 geeignetes Videosignal auf. Zusätzlich weist das Steuergerät 20 Nachschlagetabellen für jeden der RGB-Kanäle auf. Das 12-Bit-Digitalwort des roten (R) Kanals wird beispielsweise durch eine Nach schlagetabelle ausgegeben, und ein spezieller roter Farbwert wird ausgegeben und auf dem Farbmonitor 22 zur Anzeige gebracht. Wie gesagt, sind Nachschlagetabellen für jeden der Kanäle R, G und B vorgesehen. Das Videosteuergerät 20 wirkt als ein Drei-Wert-Ein/Drei-Wert-Aus-Umsetzer, der Gammakorrek turen zuläßt. Der Videobus 28 ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein in 12-Bit-Einheiten unterteilbarer Bus, der bei bis zu 420 Megabytes pro Sekunde arbeitet. Der Bildbus 24 arbeitet bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bei 240 Megabytes pro Sekunde.

Der Farbmonitor 22 kann bei der Erfindung irgendein kommerzieller Farbmonitor mit 480 bis 1125 Abtastzeilen sein. Das erfindungsgemäß verwendete System hat die zur Bedienung von Monitoren mit hoher Auflösung und hoher Abtastzeilenzahl bzw. -dichte erforderliche Geschwindigkeit und Befähigung.

Der Bildspeicher 26 ist ein Direktzugriffsspeicher (RAM), der zum Speichern der ursprünglichen Bilddaten ebenso wie von Klassifizierungsdaten, Farb- und Opazitätsdaten und den zusammen gesetzten RGBA-Volumendaten benutzt wird. Der Bildspeicher 26 ist im einzelnen in Fig. 2 gezeigt. Wie oben erwähnt, wird jedes Voxel durch vier 12-Bit-Digitalworte dargestellt. Ein Teil des Speichers, der Ursprungsvolumenspeicher 26 a, speichert die Daten in ihrer ursprünglichen Form. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind angenähert 40 Millionen Bits zum Speichern von Ursprungsdaten vorgesehen. Die Ursprungs bildvolumendaten werden als Folge von 12-Bit-Worten gespeichert, wobei jedes Wort den Intensitätspegel eines Wortes des ursprünglichen Voxelvolumens darstellt. Die RGBA-Volumen werden nach ihrer Erzeugung im RGBA-Volumenspeicher 26 b gespeichert. Jeder Farbwert wird durch ein 12-Bit-Wort dargestellt, und der Opazitätswert A wird ebenfalls durch ein 12-Bit-Wort dargestellt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind dem RGBA-Volumenspeicher 26 b 160 Millionen Speicherbits zugeordnet. Die zusammengesetzten Voxel werden in dem zweidimensionalen Projektionsspeicher 26 d gespeichert. Wie zuvor erwähnt, werden die Kombinationsvoxel aus einer Verkettung von verschiedenen Abtastzeilen der RGBA-Volumendaten erzeugt. Der Bildspeicher 26 weist auch einen temporären Arbeits raumspeicher 26 c auf. Obwohl die Anzahl von Bits in den verschiedenen Teilen des Bildspeichers 26 für das beschriebene Ausführungsbeispiel angegeben wurde, ist es für den Fachmann klar, daß jede geeignete Anzahl von Speicherbits bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

Im folgenden wird wiederum auf Fig. 1 Bezug genommen. Das Speichersteuergerät 18 dient zur Bestimmung aller Zugriffe zum Bildspeicher 26. Das Speichersteuergerät 18 ermöglicht das Schreiben von Daten über den Bildbus 24 in den Bildspeicher 26.

Ein Kanalprozessor 16 dient zur Erzeugung des Histogramms, aus dem Klassifikationen der Voxel gemacht werden. Der Kanalprozessor 16 ist im einzelnen in Fig. 3 gezeigt und weist einen Zwischenspeicher 17 und vier Multiplizierer/arithmetische Logikeinheiten (ALU) 15 a bis 15 d auf. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Zwischenspeicher 17 64K 16-Bit-Wortspeicherplätze. Der Kanalprozessor 16 benutzt den Zwischenspeicher 17 zur Zwischenspeicherung von Daten für die Verarbeitung durch die Multiplizierer/ALU-Paare. Jedes der Multiplizierer/ALU-Paare 15 a bis 15 d ist einem der vier Co-Prozessoren zugeordnet, die den Kanalprozessor bilden. Diese Parallellösung ermöglicht es, daß der gleiche Befehl an verschiedenen Daten ausgeführt wird. Ein solches System ist bekannt als Einzelbefehl-Mehrfachdatenstrom (SIMD)-System. Ein solches System ist genauer in der DE-OS 36 20 982 beschrieben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Kanal für die R (rot)-Werte der Voxel, ein Kanal für die G (grün)-Werte, einer für B (blau) und einer für A (Opazitäts)-Werte ver wendet.

Die Initiierung des Verarbeitungssystems erfolgt, wenn die ursprünglichen Bildvolumendaten in den Verarbeitungscomputer 10 eingelesen werden. Die ursprünglichen Bilddaten können in einer komprimierten Form übertragen werden und erfordern ein Dekodieren und Expandieren. Außerdem kann in Abhängigkeit von der Datenquelle der Fall eintreten, daß die Bits/Pixel-Auflösung der Rohdaten nicht zu der bevorzugten 12-Bit-Pixel-Auflösung der Erfindung paßt. Daher kann der Verarbeitungscomputer oder der Kanalprozessor, wenn erforderlich, die ursprünglichen Bilddaten auf eine akzeptable Auflösung künstlich anreichern.

Der Verarbeitungscomputer 10 gibt dann ein Anforderungssignal an den Systembus 14 und fordert den Kanalprozessor 18 auf, das Schreiben der ursprünglichen Bilddaten in den Bildspeicher zuzulassen. Der Verarbeitungscomputer 10 gibt danach die ursprünglichen Bilddaten auf den Systembus 14 in den Kanal prozessor 16 aus. Der Kanalprozessor 16 gibt danach die ursprünglichen Bilddaten auf den Bildbus 24 aus, wo sie in den Ursprungs bildvolumenspeicher 26 a des Bildspeichers 26 geschrieben werden.

Wenn erwünscht oder notwendig wird danach das ursprüngliche Bildvolumen von dem Kanalprozessor 16 klassifiziert. Eine Abtastzeile aus dem Ursprungsvolumenspeicher 26 a wird dann auf den Bildbus 24 gegeben und in den Kanalprozessor 16 eingegeben. Der Kanalprozessor 16 zählt die Anzahl von Voxeln bei jedem der 2049 definierbaren Intensitätspegel zur Erzeugung eines Histogramms. Der Kanalprozessor 16 kann danach die Spitzen entsprechend den zuvor definierten Nachschlagetabellen oder einer Programmnhierarchie klassifizieren. Zusätzlich kann das Histogramm von dem Verarbeitungscomputer 10 auf dem Bit-Abbildungsterminal 12 zur Anzeige gebracht werden, so daß die Klassifizierung von einem Benutzer manuell durchgeführt werden kann.

Nach dem Klassifizieren werden die Klassifizierungsdaten über den Systembus 14 zum Kanalprozessor 16 und insbesondere zum Zwischenspeicher 17 übertragen. Der Kanalprozessor berechnet eine Vielzahl von Nachschlagetabellen auf der Basis von Klassifizierungs daten aus dem Verarbeitungscomputer. Der Zwischenspeicher 17 enthält eine Vielzahl von Nachschlagetabellen, so daß RGB- und Opazitätswerte den klassifizierten Voxeln zugeordnet werden können. Der Kanalprozessor 16 fordert eine Abtastzeile (ein eindimensionales Voxel-Feld) gleichzeitig aus dem Speichersteuergerät an und verarbeitet die Abtastzeilen durch die gespeicherten Nachschlagetabellen. Der Eingang zu den Kanalprozessor-Nachschlagetabellen ist eine monochrome Abtastzeile, und der Ausgang ist eine RGBA-klassifizierte Abtastzeile. Der Zwischenspeicher 17 des Kanalprozessors 16 weist wenigstens drei Puffer, nämlich einen Abtastzeilenpuffer, eine Nachschlagetabelle und einen Ausgangspuffer für die Ausgangsklassifikation auf. Wenn auch die Beschreibung in Verbindung mit Nachschlagetabellen durchgeführt wurde, kann irgendeine geeignete Methode zur Zuordnung oder Erzeugung von Farbwerten bei der Erfindung zum Einsatz kommen.

Der Ausgang aus dem Ausgangspuffer wird über einen Bitbus 24 zum RGBA-Volumenspeicher 26 b des Bildspeichers 26 übertragen. Jede Scheibe des ursprünglichen Bildvolumens wird als ein Feld oder eine Matrix in dem RGBA-Volumenspeicher 26 b gespeichert. Die "verkettete Filterung" nach der Erfindung wird von dem Kanalprozessor 16 durchgeführt. Ein Hintergrundbildvolumen wird anfangs in den Zwischenspeicher des Kanalprozessors jeweils zeilenweise eingelesen. Während jedes aufeinanderfolgende Bildvolumen in den Kanalprozessor 16 eingelesen wird, werden die RGBA-Werte von den Multiplizierer/ALU-Einheiten 15 a-d verkettet. Das sich ergebende zusammengesetzte Bildvolumen wird im Projektionsspeicher 26 d des Bildspeichers 26 gespeichert.

Zur Anzeige des zusammengesetzten Bildes werden die Inhalte des Speichers 26 d auf den Videobus 28 in das Videosteuergerät 20 ausgegeben. Die im Projektionsspeicher 26 d gespeicherten digitalen Daten werden von dem Steuergerät 20 in analoge Video daten umgesetzt und an den Farbmonitor 22 ausgegeben, wo sie mit einer Rasterabtastung zur Anzeige gebracht werden.

Teilvolumen Klassifizierung

Ein Bildvolumen, d. h. ein Volumen von Bildelementen (Voxeln), das ein dreidimensionales Bild darstellt, wird in den Verarbeitungs computer 10 eingelesen und nach einer erforderlichen Dekodierung oder Entkomprimierung in den Ursprungsbildspeicher 26 b des Bildspeichers 26 eingelesen. Daher können die betrachteten Objekte, Felder von zweidimensionalen Matrizen, als dreidimensionale geordnete Felder gedacht und im Bildspeicher mathematisch dargestellt werden. Das Bildvolumen kann ein unverarbeitetes Bildfeld sein, welches nach verschiedenen bekannten Methoden gewonnen werden kann.

Wenn auch die Erfindung ein weites Feld von Anwendungs möglichkeiten hat, wird sie als Beispiel in Verbindung mit einer dreidimensionalen Widergabe von berechneten tomographischen (CT)-Bildern beschrieben. Eingangsbildvolumendaten, die in diesem Zusammenhang als geordnetes CT-Bildvolumenfeld dargestellt werden, können aus zahlreichen tomographischen Abbildungs methoden, z. B. Röntgenstrahl-Computertomographie, Ultraschall- Sektorabtastung, kernmagnetischer Resonanz usw. gewonnen werden. In anderem Zusammenhang können die Bildvolumen- Eingangsdaten unter Verwendung anderer Abbildungsmethoden, z. B. seismischer Abbildung oder des Ergebnisses von Modellrechnungen oder Computersimulation (z. B. Strömungssimulator) gewonnen werden. Das Bildvolumen wird bei dem beschriebenen Beispiel als ein geordnetes Feld von 2D-Bildern gespeichert, wobei jedes Bild eine 2D-geordnete Matrix von 12-Bit-Zahlen ist.

Die CT-Abtastung oder ein anderes Bildvolumen liefert monochrome graue Skaleneingangsdaten an das Bildverarbeitungssystem nach der Erfindung. Diese CT-Eingangsbildvolumendaten werden in dem Anfangsvolumenspeicher 26 (a) des Bildspeichers 26 als geordnetes Feld von 12-Bit-Binärzahlen gespeichert, von denen jede eine vorgegebene CT-Abtastung oder andere Bild volumendaten (Voxel) darstellt. Bei dem beschriebenen Beispiel stellt die von dem CT-Abtasteingang gelieferte Bildvolumeninformation Informationen über vier diskrete Materialien in der zu betrachtenden Anatomie dar, nämlich Luft, Fett, Weichgewebe und Knochen.

Bei dem beschriebenen Beispiel hängt die Intensität der Grauskalendaten von der Röntgenstrahldichte des Materials ab, wie sie mit der ursprünglichen Bildgebungsmethode dargestellt wurde. Im folgenden wird auf Fig. 4a Bezug genommen. Grauskalen- Intensitätsdaten für jedes Voxel sind in einem Histogramm 30 aufgetragen, das eine Verteilung der Zahl von Voxeln in dem Bildvolumen über der Intensität veranschaulicht. Das Histogramm 30 wird vom Kanalprozessor 16 aus den Bildvolumen-Eingangsdaten erzeugt und wird auf den Verarbeitungscomputer 10 über den Systembus 14 übertragen.

Der Grauskalenpegel-Histogramm 30 ist eine Funktion, welche für jeden Grauskalenpegel die Anzahl von Voxeln im Bildvolumen zeigt, welche einen besonderen Graupegel haben. Die Abszisse 32 ist die Graupegelintensität, die in dem dargestellten Fall von 0 bis 2048 reicht. Die Ordinate 34 ist die Häufigkeit (z. B. die Anzahl von Voxeln des Bildvolumens bei jeder Intensität). Daher stellt die Fläche unter der Histogrammkurve 36 die gesamte Anzahl von Voxeln in dem Bildvolumen dar.

Das Histogramm 30 wird von einem besonderen Bild abgeleitet, das bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel einer 12-Bit Pixelinformation der CT-Abtastung entspricht. Das resultierende Histogramm wird dann von dem Verarbeitungscomputer 10 gefiltert, um Geräusche zu entfernen (d. h. um Hochfrequenz änderungen zu unterdrücken, während die Form der Eingangsfunktion erhalten wird), wobei im Stande der Technik weitgehend bekannte Tiefpaß-Filtermethoden Verwendung finden. Es ergibt sich eine geglättete Histogrammkurve, wie sie in Fig. 4a gezeigt ist.

Bei bekannten Abbildungssystemen sind alle Voxel so klassifiziert, daß sie jeweils 100% eines einzigen Materials darstellen. Daher wird bei der Verwendung bekannter Methoden eine binäre Klassifizierung für jedes Voxel durchgeführt, wobei alle Voxel innerhalb eines speziellen Intensitätsbereichs als das eine oder andere dieser von den Eingangsvolumen-Bilddaten dargestellten Materialien klassifiziert werden. Unter Verwendung bekannter Methoden für das vorliegende CT-Abtastbeispiel würden die Voxel entweder als Knochen, Fett, Gewebe oder Luft klassifiziert. Beim Stande der Technik wird ein Grau-Schwellwertpegel als Grenze (cutoff) an einem Punkt zwischen zwei Histogrammspitzen gewählt. Alle Voxel innerhalb eines vorgegebenen Intensitätsbereichs werden dadurch kategorisiert entweder als 100% Luft, Weichgewebe, Knochen oder Fett. Diese Information wird danach im Speicher als 2-Bit- oder 1-Bit-Wert gespeichert.

Bei CT-Umsetzungen ist diese binäre Klassifikation geeignet für Spitzenregionen des Histogramms, wo ein Voxelinhalt eindeutig in die eine oder andere konkrete Materialklasse fällt. Jedoch bedingt eine solche "harte" Klassifikation, daß eine diskrete binäre Bestimmung betreffend die Material klassifikation aller Voxel innerhalb des Bildvolumens durchgeführt wird.

So wird beispielsweise im Stande der Technik an den Oberflächen grenzen (z. B. an den Grenzflächen zwischen Muskelgewebe und Knochen) ein einen Randplatz schneidendes Voxel entweder als Knochen oder als Gewebe klassifiziert. Wenn daher Voxel Oberflächen oder Ränder schneiden, oder wenn das örtliche Material dünner ist als die Breite von einem Voxel, geht der Rand oder die Oberflächengrenze verloren, und es ergibt sich eine unpräzise Umsetzung und Wiedergabe. Eine solche Binär wertzuordnung führt daher beträchtliche Unschärfe- bzw. Phantomfehler (aliasing error) ein mit der Folge einer ungenauen Oberflächenzeichnung.

Bei der Erfindung werden Voxel entsprechend den ihnen zugeordneten Intensitäten in einer Zusammensetzung zwischen 0% und 100% jedes im Bildvolumen dargestellten Materialtyps klassi fiziert.

Im folgenden wird auf Fig. 4b Bezug genommen, in der ausgeprägte Spitzen P und Täler T im Histogramm 30 identifiziert sind. Ein Intensitätsbereich 40, charakterisiert als 100% eines Materials, wird für alle Voxel bestimmt, die in einen ausgewählten Intensitätsbereich zur Linken und Rechten der ausgeprägten Histogrammspitzen P fallen. Bei dem beschriebenen Beispiel wird dieser Bereich für eine CT-Abtastung durch eine lineare Approximation bestimmt. Der 100% Materialbereich wird angesetzt, wenn alle Voxel P in das als (p-t)/4 definierte Intensitätsband fallen, wobei p die einer ausgeprägten Spitze P zugehörige Intensität und t eine einem benachbarten ausgeprägten Tal T zugeordnete Intensität ist. Alle Voxel innerhalb des Bereichs auf jeder Seite einer vorgegebenen ausgeprägten Spitze P werden als 100% "reiner" Materialwert klassifiziert. Daher sind bei dem beschriebenen Beispiel alle Voxel innerhalb dieser Zonen kategorisiert als 100% Fett, Luft, Weichgewebe bzw. Knochen. Voxel außerhalb dieser Intensitätsbereichswerte werden so kategorisiert, daß sie Bildinformationen mit einem gewissen Prozentsatz des "reinen" Materials auf der linken und auf der rechten Seite der Voxel darstellen. Daher sind sie Kombinationsmaterialvoxel, von denen jedes eine prozentuale Zusammensetzung dieser Materialien enthält.

Aus Konventionsgründen werden Voxel, die nach der Klassifikation aus weniger als 100% eines Einzelmaterials bestehen, bei der Erfindung als Teil- oder Partialvolumen bezeichnet. Außerdem werden als 100% eines Materials klassifizierte Voxel im folgenden als solche bezeichnet. Zur allgemeinen Definition basiert die erfindungsgemäße Klassifikation jedoch auf einer Partialvolumenbestimmung. Daher werden in einer generelleren Konvention alle klassifizierten Voxel als "Teil- bzw. Partialvolumen" klassifiziert, wobei Voxel, die aus einem einzigen homogenen Material bestehen, als "Teilvolumen" mit 100% eines Materials und 0% anderer Materialkomponenten klassifiziert werden.

Bei der Bestimmung der Teilvolumenklassifikation wird der Prozentsatz jedes Materials in Voxeln außerhalb der 100%-Material intensitätsbereiche ermittelt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der prozentuale Voxelmaterialanteil durch eine lineare Interpolation für Voxel mit Intensitäten zwischen den Grenzen benachbarter 100% Materialintensitätswerte bestimmt. Ein Verhältnis wird dann gefunden von:

(1) den Intensitätsunterschieden einer 100%-Wert-Grenze zu der be trachteten Voxelintensität (Zähler) gegenüber
(2) dem Intensitätswert zwischen umgebenden 100% Materialwertgrenzen (Nenner).

Dieses Verhältnis liefert die prozentuale Voxelzusammensetzung für jedes benachbarte Material bei einem speziellen Intensitätswert zwischen 100%-Wertebereichen.

Im folgenden wird auf Fig. 4b Bezug genommen. Teilvolumen prozentsätze werden durch Kanalprozessorberechnung bestimmt, die für alle Teilvolumenvoxel durch eine lineare Interpolation für jede Intensität zwischen benachbarten 100% Materialintensitäts wertgrenzen durchgeführt wird. Alternativ kann die Klassifikation entsprechend solchen Werten durchgeführt werden, die in einer Nachschlagetabelle vorhanden sind, oder entsprechend einer nach Inspektion vom Benutzer bestimmten Werten. Bei dem beschriebenen bevorzugten Beispiel ist die prozentuale Zusammensetzung bei einem vorgegebenen Voxel mit einer Teilvolumen intensität I _(pv) wie folgt:

wobei

PV _ab = das oder die betrachteten Teilvolumenvoxel sind; I(PV) _ab = Intensität der betrachteten Teilvolumenvoxel zwischen 100% Materialintensitätsbereichen a und b; I(Pb) _a = Intensität an einem Spitzengrenzwert a für 100% Materialtyp; und I(Pb) _b = Intensität am Grenzwert b für 100% Materialtyp.

Bei der Berechnung der der Grenze a zugeordneten Materialfraktion wird I(Pb) _a verwendet; bei der Grenze b wird I(Pb) _b verwendet. Daher wird jedes Voxel klassifiziert entweder als

(1) ein Teilvolumen aus einem Prozentsatz von mehr als einem Bildvolumen-Materialtyp oder
(2) ein "reines" Volumen aus 100% eines Bildvolumen-Materialtyps

Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Klassifikation von Grauskalendaten für ein Muskel-Skelett-CT- Abtastmodell durchgeführt. Bei diesem Modell ist, wie in Fig. 4b gezeigt, die Beziehung zwischen Material-Grauskalenintensitäten so, daß Fett 40 stets an weiches Gewebe (Muskelgewebe) 44 angrenzt; weiches Gewebe 44 stets Fett 40 umgibt und außerdem stets Knochen 46 umgibt. Es ist jedoch klar, daß andere Klassifikationsschemata zur Bestimmung der prozentualen Voxel materialzusammensetzung für andere Eingangsdaten, beispielsweise für seismische Bildvolumen-Eingangsdaten verwendet werden können. Auch kann eine solche Klassifikation für Anwendungen verwendet werden, bei denen Eingangsdaten Materialnachbarschaften enthalten, bei denen mehrere Materialien (und/oder ihre zugehörigen Histogrammintensitäten) gleichzeitig einander benachbart sind und so durch Bildvolumen-Eingangsdaten dargestellt werden. Obwohl geradlinige Interpolationsmethoden bei diesem Beispiel beschrieben werden, können alternativ andere Methoden (beispielsweise quadratische oder kubische Methoden) zur Berechnung von Voxel-Partialvolumenprozentsätzen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel und in den anderen Ausführungs beispielen verwendet werden.

Farb- und Opazitätszuordnung

Bei der Erfindung wird ein 2D-Farbbild von einem 3D-Volumen konstruiert, und zwar auf der Basis einer Farbdarstellung eines Bildvolumens unter Verwendung einer "verketteten Filterung", wie sie nachfolgend im Abschnitt über Rekonstruktion beschrieben werden wird. Um solche Filter zu konstruieren, werden Farbwerte (RGB) und ein Opazitätswert (A) zunächst jedem Voxel des Bildvolumens zugeordnet. Nach der Klassifika tion aller Voxel im Volumen und Kenntnis ihrer prozentualen Materialzusammensetzung kann eine (RGB) und Opazität (A) zugeordnet werden. Bei dem vorliegenden Beispiel eines Farbmodellschemas für CT-Bildvolumendaten sind Knochen undurchsichtig weiß; weiches Gewebe ist halbtransparent-rot; Fett ist sehr transparent grün; und Luft ist vollständig transparent. Ein Wert mit roten (R), blauen (B) und grünen (G) Komponenten wird zugeordnet, der den Farbwert jedes dieser vier Materialien darstellt. Außerdem wird ein Opazitäts- (oder Transparenz-)Wert (A) für die gewählte Transparenz jedes 100% reinen Materials zugeordnet.

Wenn das zugeordnete RGBA für jeden Materialtyp bekannt ist, kann ein RGBA für jedes Voxel im Bildvolumen auf der Basis seiner prozentualen Zusammensetzung ermittelt werden. Wenn beispielsweise ein Voxel klassifiziert wurde mit 30% Luft und 70% Fett, kann ein "kombiniertes" RGBA für dieses Voxel durch den Kanalprozessor 16 ermittelt werden, in dem das RGBA jeder Materialkomponente im Voxel mit dem zugehörigen prozentualen Materialbeitrag multipliziert und die Ergebnisse danach summiert werden. Das resultierende RGBA wird das RGBA des betrachteten Voxels und wird in den RGBA-Volumenspeicher 26 b gelesen. Es gilt:

mit

W = Beitrag des Materials i im Voxel; und C = Farbe und Opazität des Materials i; und

Die Operationen der RGBA-Voxelzuordnung wird für jedes Voxel im betrachteten Bildvolumen durchgeführt, und diese Werte werden in den RGBA-Volumen-Bildspeicher 26 (b) geschrieben und für eine spätere Verarbeitung gespeichert. Jedes RGBA-Voxel wird als ein geordnetes kubisches Feld von speziellen Zahlen im RGBA-Bildspeicher 26 b dargestellt, jeweils für ein zugehöriges Voxel des Bildvolumens.

Bei bekannten Abbildungssystemen wird typischerweise jedem Voxel nur ein einziger Materialtyp und/oder Farbwert zugeordnet. Alle Voxel im Volumen wurden auf diese Weise als einheitlich zusammengesetzt aus dem einen oder dem anderen Bildvolumen- Materialtyp angesehen. Im Gegensatz dazu werden bei der Erfindung Farben und Opazitäten in weiten Bereichen bestimmt und zugeordnet auf der Basis eines Farb- und Opazitätsgemisches, das einen zugehörigen prozentualen Materialanteil für jedes Voxel darstellt. Die RGBA-Zuordnungen werden bei der Erfindung durch Verarbeitung der klassifizierten Voxel über R-, G-, B-, A-Nachschlagetabellen im Zwischenspeicher 17 des Kanalprozessors 16 hergestellt.

Bildrekonstruktion

Nach der Erzeugung eines RGBA-Volumens, das im RGBA-Bildspeicher 26 gespeichert wird, kann eine 2D-Projektion für jede gewählte Ansicht des 3D-Volumens konstruiert werden, wobei Objekte, welche nicht als mathematische Körper oder Oberflächen des 3D-Volumens dargestellt werden, die sichtbaren Charakteristiken der 2D-Projektionen, erzeugt aus mathematischen Oberflächen- oder Körpermodellen, schaffen. Dies geschieht unter Verwendung von verketteten Filtern, wie sie die Erfindung vorsieht.

Im folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen, in der eine lokal geordnete 3 × 3-Matrix von Displaypixeln 60 gezeigt ist. Die 3 × 3-Anzeige und das 3 × 3 × 5-Volumen 62, das in Fig. 6 gezeigt ist, dienen bei dem beschriebenen Beispiel nur zum Zwecke der Erläuterung. In der Praxis kann das Display ein 1024 mal 768 oder ein anderes geeignetes Abtastrasterdisplay sein. Außerdem ist das RGBA-Volumen ein 3-Raum-Datenfeld, das ein (x, y, z) Bildvolumen darstellt, welches nur durch die Eingangsdaten und die Speichergröße begrenzt ist. Jedes RGBA-Voxel arbeitet als Farbfilter und erzeugt einen zusammengesetzten 2D-Ausgang, wie er in Fig. 5 in Zuordnung zu einem Videodisplaypixel (2, 1) gezeigt ist.

Die RGBA-Voxel können als Filter wie Voxel angesehen werden, die entlang der z-Achse (d. h. der zur Blickrichtung parallelen Achse) zusammengeklappt sind und eine mathematische Filterschichtung erzeugen. Jedes Filter hat eine Farbe und Opazität, wobei die Farbe durch drei Komponenten, rot (R), grün (G) und blau (B) dargestellt ist. Opazität ist dargestellt durch eine Filterkomponente (A). Die Opazität A eines Filters bestimmt, wieviel von den Voxeln hinter dem Filter "durchscheint" (d. h. zum neuen, kombinierten Hintergrundelement beiträgt).

Um ein zweidimensionales Pixel (x, y) zu projizieren und ein Bild rechtwinklig zur XY-Ebene entsprechend Darstellung in den Fig. 5 und 6 zu erzeugen (wodurch eine ausgewählte Ansicht des 3D-Volumens an jedem örtlichen Displaypixel (x, y) entsteht), wird aufeinanderfolgend das RGBA jedes Fordergrundvoxels FG (z. B. 72) mathematische dem RGBA jedes Hintergrundvoxels BG (z. B. 70) überlagert, um ein neues Hintergrund RGBA-Voxel BG′ zu erzeugen. Die dem Voxel BG zugeordneten RGBA-Werte werden aus dem Bildspeicher gelesen und in dem als BG-Filterpuffer wirksamen Zwischenspeicher zeitweilig gespeichert. In ähnlicher Weise werden RGBA-Werte, die dem Voxel BG zugeordnet sind, aus dem Bildspeicher gelesen und im Zwischenspeicher gespeichert, wobei ein Teil des letzteren als FG-Puffer arbeitet.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die durch eine Spalte oder einen Stapel von zwei oder mehreren verketteten Filtern projizierte Farbe bestimmt durch die folgende Gleichung:

BG′ = FG + (1 - (FG) × (A _FG )) (BG)

wobei

A _FG = die Opazität des Vordergrundfilters;

wobei FG(A) die Opazität des Vordergrundfilters, d. h. den Opazitätsbeitrag des Vordergrundfilters zum neuen Hintergrundfilter BG darstellt. Der resultierende neue Hintergrundwert BG′ wird im Zwischenspeicher für die nachfolgenden Berechnungen des Kanalprozessors ge speichert.

Auf diese Weise wird ein neues RGBA-Hintergrundfilter BG bestimmt. Die obige Berechnung wird danach aufeinanderfolgend für jedes aufeinanderfolgende Vordergrundfilter FG und dessen zugehörigen neuen Hintergrund BG solange durchgeführt, bis alle Filter, die sich bis zur ausgewählten Projektionsebene der Ansicht 64 erstrecken, berücksichtigt sind, und ein endgültiger RGBA-Projektionspixelwert für die Anzeige 60 bestimmt ist. Diese Folge wird durchgeführt, um alle Displaypixel in bezug auf die ausgewählte 2D-Sichtebene 64 des betrachteten Bildvolumens 62 zu bestimmen.

Die beschriebene Rekonstruktionsmethode ist nicht auf eine besondere Verarbeitungsfolge, beispielsweise auf die zuvor beschriebene Pixel-für-Pixel-Verarbeitung, beschränkt. Beispielsweise wird bei dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 6 die Bildrekonstruktionsverarbeitung für aufeinanderfolgende Voxel-Abtastlinien bzw. -zeilen des im Bildspeicher 26 b gespeicherten RGBA-Volumens durchgeführt (d. h. Voxelstreifen, die rechtwinklig zur 2D-Bildebene 16 entlang horizontaler Scheiben 66 des RGBA-Volumens 62 verlaufen). Daher wird aufeinanderfolgend das RGBA jeder Vordergrund-Abtastlinien bzw. -zeile FG mathematisch "überlagert" einem RGBA jeder Hintergrund-Abtastzeile oder -linie BG, um eine neue Hintergrund-Abtastzeile oder -linie BG′ zu erzeugen. Die der Abtastlinie bzw. -zeile FG zugeordneten RGBA-Werte werden aus dem Bildspeicher gelesen und im Zwischenspeicher zwischengespeichert. In ähnlicher Weise werden die der Abtastlinie bzw. -zeile BG zugeordneten RGBA-Werte aus dem Bildspeicher gelesen und zeitweilig im Zwischenspeicher gespeichert. Die Filterlagen-Berechnungsfolge wird von dem Kanalprozessor durchgeführt, der aus dem Zwischenspeicher für aufeinanderfolgende zugehörige BG- und FG-Filter liest, um eine zusammengesetzte RGBA-Abtastzeile bzw. -linie 68 zu schaffen, die danach in dem Video-Display-Ausgang 64 geschrie ben wird. Außerdem werden diese Operationen durchgeführt, um alle zusammengesetzten Pixelprojektions-Display-Abtastzeilen oder -linien für die ausgewählte 2D-Ansicht des betrachteten 3D-Volumens zu bestimmen.

Die Filterung wird implementiert durch Kombination aufein anderfolgender Bildvolumenteile (jeweils eine Abtastzeile) durch die Multiplizierer/ALU-Einheiten 15 a-15 d des Kanalprozessors. Ein Kanal (Multiplizierer/ALU) wird zum Filtern der R-Werte und jeweils einer für die G, B und A-Werte verwendet, usw. für die RGB Werte jedes Voxels. Die Filterung kann von der Rückseite aus zur Frontseite oder alternativ von der Frontseite zur Rückseite bezüglich der Ansichts- bzw. Bildebene durchgeführt werden.

Beispielsweise zeigt Fig. 7 eine Farbtafel für die Fig. RGBA-Voxel 70 bis 78, die als aufeinanderfolgende verkettete Filter zur Erzeugung eines zusammengesetzten Projektionsdisplay-Pixels 2, 1 in Fig. 5, auch in Fig. 6 gezeigt, wirken. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, werden die RGBA-Komponenten jedes Werts jedes Filters zur Berechnung eines neuen BG′-Filters (das danach der BG-Wert des nachfolgenden FG-Voxels wird) verwendet, um eine endgültige Pixelfarbe bei (2, 1) zu erzeugen. Daher werden aufeinanderfolgende Berechnungen entsprechend der verketteten Filtergleichung durchgeführt, um die aufeinanderfolgenden neuen Hintergrundfilterwerte zu berechnen, welche danach entsprechend der obigen Gleichung zur Berechnung der nachfolgenden Werte bezüglich jedes neuen Vordergrunds solange kombiniert werden, bis ein endgültiger Pixelfarbwert bestimmt ist. Dieser Wert wird dann angezeigt (in diesem Falle mit dem zugehörigen Displaypixel (2, 1)).

Die zusammengesetzte 2D-Projektion wird dann im Displaypuffer 26 d gespeichert und zum Rasterabtast-Displaymonitor 22 ausge geben. Es versteht sich natürlich, daß die zusammengesetzte 2D-Projektion alternativ an einen Drucker oder ein anderes Ausgabegerät ausgegeben werden kann.

Es wird also eine zweidimensionale Farbprojektion eines 3D-Eingangsbildvolumens erzeugt. Eine andere Bildverarbeitung kann auch an den resultierenden Projektionen oder Zwischenvolumendaten, z. B. eine Rotation, Translation, Schattierung, Streckung, Schrumpfung o. dgl. durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung kann in einem weiten Bereich von Bildverarbeitungszusammenhängen eingesetzt werden. Sie kann beispielsweise zur Schaffung von in 3D-modellierbaren Datensätzen, wie Daten aus Voxel-abgetasteten Volumen (z. B. CT-Abtastungen) verwendet werden und für besondere oder generelle Lösungssätze oder Rechenergebnisse aus Gleichungssätzen oder anderen Datensätzen, welche wegen ihrer Komplexität nicht ohne weiteres modellierbar sind. Außerdem kann die Erfindung auf Farbdatensätze angewendet werden, wenn die Farbe der Komponenten materialien im Volumen bekannt ist. Dabei kann die Teilvolumen bestimmung nach der Erfindung unter Verwendung eines alternativen Mittels zum Klassifizieren der Daten nach prozentualem Materialanteil durchgeführt werden.

Die Erfindung ist daher nicht auf Grauskalen-Datensätze, CT-Abtastungen, reale Abbildungen o. dgl. beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung für jeden Kontext angewandt werden, bei dem diskrete Volumenabtastungen bzw. -proben bestimmbar sind, wobei für jede Probe (oder Voxel) Materialtypen innerhalb des Datensatzes (oder differenzierbare Daten zur Darstellung oder Zuordnung eines Materialtyps) bekannt sind oder gefunden werden können, so daß der prozentuale Beitrag für jedes Voxel im Datenvolumen ermittelt werden kann. Die Klassifizierung nach dem Teilvolumenprozentsatz kann, obwohl sie bei dem beschrie benen Beispiel für CT-Abtastungen unter Verwendung einer Histogramm verteilung durchgeführt wurde, auf verschiedenen Wegen für andere Anwendungen erfolgen, beispielsweise ohne ein Histogramm (d. h. räumlich anstatt statistisch).

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines zweidimensionalen Displays eines dreidimensionalen Datensatzes, dadurch gekennzeichnet, daß ein den dreidimensionalen Datensatz darstellendes erstes Bildvolumen erzeugt wird, daß das erste Bildvolumen in einem ersten Bildspeicher in Form mehrerer homogener Speicherfelder gespeichert wird, wobei jedes Feld mehrere Abtastlinien bzw. -zeilen mit mehreren Volumenelementen (Voxeln) enthält, daß ein zweites Bildvolumen dadurch erzeugt wird, daß man jedem Voxel einen Farbwert und einen Opazitätswert zuordnet, daß durch Kombination einer der Abtastlinien bzw. -zeilen mit der nächstfolgenden der Abtastlinien bzw. -zeilen ein Kombinations bildvolumen erzeugt wird, daß der vorhergehende Schritt für jede nachfolgende der Abtastlinien bzw. -zeilen mit jedem erzeugten Kombinationsbildvolumen bis zur n'ten Abtastlinie bzw. -zeile wiederholt wird, wobei n die Gesamtzahl von Ab tastlinien bzw. -zeilen darstellt und das Kombinationsbildvolumen Voxel hat, deren Farb- und Opazitätswerte auf der prozentualen Zusammensetzung der Farb- und Opazitätswerte von Voxeln in kombinierten Abtastlinien bzw. -zeilen basieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bildvolumen in eine Vielzahl von Digitalsignalen umgesetzt und in einem Digitalspeicher gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbwerte eine Rot-, eine Grün- und eine Blaukomponente enthalten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kombinationsbildvolumen in einem Kanalprozessor erzeugt wird, wobei die Rot-, Blau- und Grünkomponenten und der Opazitäts wert in ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Kanälen kombiniert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Farb- und Opazitätswert jedes Voxels eines Kombinationsbildvolumens gegeben ist durch FG + (1 - (FG) (A)) (BG),wobeiFG= die Farb- und Opazitätskomponenten eines Voxels einer der Abtastlinien bzw. -zeilen;A= die Opazität des Voxels einer der Abtastlinien oder -zeilen;BG= die zusammengesetzte Farb- und Opazitätskomponenten des korrespondierenden Voxels in zuvor kombinierten Abtastlinien bzw. -zeilen.