ボリュームレンダリング

ボリュームレンダリングとは

コンピュータグラフィックスにおけるボリュームレンダリングは、3次元空間に広がりを持つデータを、2次元の画面上に直接描画する技術です。これは、半透明な物体や発光体を光学的に正しくレンダリングしたり、CTスキャンなどで得られた3次元画像を、目的に応じて見やすく表示したりするために用いられます。

データソース

ボリュームレンダリングの基礎となるデータは、CTやMRIなどの医療画像診断装置によって取得された2次元のスライス画像から構成されます。これらのスライス画像は、一定間隔（例えば1ミリメートルごと）で撮影され、規則的なピクセルデータを持っています。これらのボクセル（3次元のピクセル）をサンプリングすることで、内部構造が透けて見えるような画像を生成することができます。

レンダリングの基本

ボリュームレンダリングを行うには、まず3次元空間内でのカメラの位置を設定する必要があります。さらに、各ボクセルの透明度と色を設定します。一般的には、すべてのボクセル値に対してRGBA値（赤、緑、青、アルファ）を伝達関数を用いて決定します。

レンダリング手法には、ボリュームからアイソサーフェス（等値面）を抽出し、ポリゴンメッシュとしてレンダリングする方法と、ボリュームデータを直接データブロックとしてレンダリングする方法があります。

レンダリング方式の詳細

ボリュームレイキャスティング

この手法は、高品質な画像を生成できることで知られています。ボリュームレイキャスティングでは、入力されたボリュームデータではなく、出力される画像に基づいて計算が行われるため、画像ベースのボリュームレンダリング技術と分類されます。

スプラット

スプラットは、画質を多少犠牲にする代わりに、高速なレンダリングを優先する手法です。

シアーワープ

シアーワープは、テクスチャベースのボリュームレンダリング技術です。

ハードウェアアクセラレーション

ボリュームレンダリングは並列処理に適した性質を持つため、高速な処理能力を持つハードウェアが必要です。特にレイキャスティングのような高度なアルゴリズムは、従来のコンピュータでは処理が困難なため、NVIDIAやAMDなどの最新のハイエンドグラフィックカードが利用されます。

近年では、グラフィックス処理ユニット（GPU）上で、プログラム可能なピクセルシェーダを用いた並列処理が行われるようになりました。ピクセルシェーダは、ビデオメモリからデータをランダムに読み書きし、数学的・論理的な演算を高速に行うことができます。初期のGPUではSIMDプロセッサとして機能していましたが、現在ではMIMDプロセッサとして動作し、最大1GBのテクスチャメモリを浮動小数点数形式で使用することも可能です。

これらの技術革新によって、ボリュームレイキャスティングや断層撮影再構成といったアルゴリズムを高速に処理することが可能になりました。また、プログラマブルピクセルシェーダを用いて、照明、影、反射、放射色などの視覚効果をシミュレーションすることもできます。

ソフトウェア

オープンソース

3D Slicer: 医療画像解析プラットフォーム。
ClearVolume: 大規模なボリュームデータを扱うためのソフトウェア。
ImageVis3D: 可視化ツール。
ParaView: 大規模データ可視化ソフトウェア。
Vaa3D: 3D画像可視化・分析ツール。
VisIt: 科学データ可視化ツール。
Volume cartography: ボリュームデータのマッピングツール。
Voreen: ボリュームレンダリングのためのフレームワーク。

商業向け

Ambivu 3D Workstation: OpenGLに対応し、ボリュームレンダリング機能を備えた医療用ソフトウェア。
Amira: 医療および生物研究者向けの解析ソフトウェア。
Avizo: エンジニア向けの解析ソフトウェア。
Imaris: 3D、4D顕微鏡データの管理、視覚化、解析を行うソフトウェア。
MeVisLab: 医療用画像処理を行うためのクロスプラットフォームソフトウェア。
Open Inventor: 3Dグラフィックスツールキット。
ScanIP: 3D画像処理とモデル作成ツール。
tomviz: トモグラフィーデータ可視化ツール。
VoluMedic: ボリュームスライシングとレンダリングに対応するソフトウェア。

関連事項

医用画像処理

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