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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur
farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten eines Objekts mit einer
Rendering-Technik, insbesondere von Bilddaten der tomographischen
Bildgebung, bei denen Bildpunkte des Objekts unter Anwendung einer
Transferfunktion, über
die den 3D-Bilddaten Farbwerte zugeordnet werden, aus den 3D-Bilddaten berechnet
und mit dunklem Hintergrund an einer Anzeigefläche dargestellt werden.
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Es
handelt sich hierbei um eine Technik der Volumenvisualisierung,
bei der Volumendaten, wie sie bspw. durch Computertomographie (CT)
oder Magnetresonanztomographie (MRT) erhalten werden, an einer Anzeigefläche darstellbar
sind. Bekannte Beispiele derartiger Visualisierungstechniken sind
unter den Begriffen Volumen-Rendering (VRT: Volume Rendering Technique)
oder Gradientenmagnituden-Rendering bekannt. Den 3D-Bilddaten, die als
eine Matrix von Skalarwerten vorliegen, müssen bei diesen Rendering-Techniken
optische Eigenschaften zugeordnet werden. Dies erfolgt durch geeignete
Wahl einer Transferfunktion, die die optische Absorption und Emission
in dem darzustellenden Volumen berücksichtigt. Durch diese Transferfunktion kann
auch festgelegt werden, welche Teile des darzustellenden Volumens
im Bild opak, semitransparent oder transparent dargestellt werden.
Weiterhin werden den einzelnen Volumenelementen (Voxel) über diese
Transferfunktion bei einer farbigen Darstellung bestimmte Farben
zugeordnet. Dies erfolgt in der Regel bei einer Darstellung im RGB-Farbraum durch die
bekannten Wertetripel (R, B, G).
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Bei
der Berechnung der darzustellenden Bildpunkte aus den 3D-Bilddaten kann der
sog. Ray-Casting-Algorithmus genutzt werden, bei dem jeder Bildpunkt
des Bildes durch Integration oder Summation entlang eines Sehstrahls
vom Auge des Betrach ters durch das von den 3D-Bilddaten umfasste
Volumen berechnet wird. In der Summe bzw. dem Integral steckt dabei
die entsprechende Transferfunktion, so dass damit die Transparenzen
und Farben der einzelnen Voxel entlang des Sehstrahls aufaddiert
werden.
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Die
gerenderte Darstellung der 3D-Bilddaten erfolgt dabei häufig in
einem Bild mit hellem Bildhintergrund. Von zahlreichen Anwendern
wird jedoch ein dunkler Bildhintergrund bevorzugt, insbesondere wenn
die Bildbetrachtung in einem dunklen Raum erfolgen soll. Zu diesem
Zweck lässt
sich bei einigen Anwendungen die Hintergrundbeleuchtung des Bildes
abschalten, so dass die gerenderten 3D-Bilddaten des Objektes nun
vor schwarzem Bildhintergrund erscheinen. Dies hat jedoch bei vielen
Bildern, vor allem im Bereich der medizinischen Bildgebung, einen schlechten
Kontrast zur Folge.
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Die
US 2007/0236496 A1 beschreibt
ein Verfahren zur künstlerischen
Darstellung von CT-Bildern, bei denen Techniken wie Duplizierung,
Symmetrieinversion, Kontrastinversion, Überlagerung mehrerer Bilder
oder Verformung des Bildinhalts, ggf. in Verbindung mit einer Farbgebung,
angewendet werden, um ein künstlerisches
Ergebnis der Bilddarstellung zu erhalten. Die Druckschrift offenbart
jedoch keine Vorgehensweise, mit der eine verbesserte Bilddarstellung
vor dunklem Bildhintergrund erhalten wird.
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Die
US 2006/0007244 A1 befasst
sich mit Bildverarbeitung, wobei auch eine Volume-Rendering-Technik
sowie die Zuordnung von Farben zu einzelnen Bildpunkten mittels
einer Farbtabelle eingesetzt werden. Auch in dieser Druckschrift
findet sich jedoch kein Hinweis auf eine Verbesserung der Bilddarstellung
vor dunklem Bildhintergrund. Das Gleiche gilt für die Veröffentlichung von E. K. Fishman
et al.: "Volume
Rendering versus Maximum Intensity Projection in CT Angiography:
What Works Best, When und Why",
Radio Graphics, May-June 2006, Vol. 26, No. 3, Seiten 905–923. In
dieser Veröffentlichung
werden unterschiedliche Rendering-Techniken miteinander verglichen, ohne
jedoch auf die Problematik der Bilddarstellung vor dunklem Bildhintergrund
einzugehen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten
eines Objekts mit einer Rendering-Technik anzugeben, mit der sich
eine verbesserte Bilddarstellung vor dunklem Bildhintergrund erreichen
lässt.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und
4 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren zur farbigen Visualisierung von 3D-Bilddaten
eines Objekts mit einer Rendering-Technik werden Bildpunkte des Objekts
in bekannter Weise unter Anwendung einer Transferfunktion, über die
den 3D-Bilddaten Farbwerte zugeordnet werden, aus den 3D-Bilddaten
berechnet und als 2D-Bild mit hellem Hintergrund bereitgestellt.
Die Berechnung der Bildpunkte aus den 3D-Bilddaten kann dabei über bekannte
Algorithmen, insbesondere über
den bekannten Ray-Casting-Algorithmus,
erfolgen. Das Bild steht dann als zweidimensionale Matrix von Bildpunkten
zur Verfügung. Das
vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Visualisierung
vor dunklem Hintergrund das Bild mit hellem Hintergrund invertiert und
die den 3D-Bilddaten des Objekts zugeordneten Farbwerte gemäß einer
weiter unten angegebenen Regel geändert werden. Die Änderung
der Farben erfolgt bereits bei der Berechnung der Bildpunkte des Objekts
aus den 3D-Bilddaten,
indem die einzelnen RGB-Farbwerte (R, G, B) der Transferfunktion
gemäß der angegebenen
Regel geändert
werden. Die Berechnung der Bildpunkte aus den 3D-Bilddaten muss
bei der erstmaligen Darstellung und jeder interaktiven Drehung der
Bildansicht sowieso erfolgen, so dass durch das vorgeschlagene Verfahren
keine zusätzliche
Neuberechnung erforderlich ist. Diese Regel ist derart gewählt, dass
die Farbgebung des durch die Invertierung erhaltenen Bildes mit
dunklem Hintergrund zumindest subjektiv annähernd der Farbgebung entspricht,
die das nicht invertierte Bild mit den ursprünglichen Farbwerten aufweisen
würde. Das
mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugte Bild mit dunklem Hintergrund
wird dann an einer Anzeigefläche
dargestellt. Durch die vorgeschlagene Invertierung des hintergrundbeleuchteten
Positivbildes (Bild mit hellem Bildhintergrund) bei gleichzeitiger Änderung
der Farbwerte in der angegebenen Weise, im Folgenden auch als Pseudoinvertierung
der Farben bezeichnet, wird ein visuell höherwertiges Bild mit dunklem
Bildhintergrund erzeugt, das einen besseren Kontrast als bei reiner
Abschaltung der Hintergrundbeleuchtung aufweist.
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Für die Pseudo-Invertierung
auf Basis des Farbeintrags in der Transferfunktion wird die folgende
Regel zur Veränderung
der Farbwerte angewandt. Sei (R, G, B) der Farbeintrag in der Transferfunktion, dann
ist die pseudo-invertierte Farbe (R', G',
B') wie folgt definiert:
R' = max(max(G – R, B – R), 0)
G' = max(max(R – G, B – G), 0)
B' = max(max(R – B, G – B), 0).
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Diese
Vorschrift wird auf alle Einträge
der Transferfunktion angewandt und bewirkt die Farbkorrektur des
invertierten Bildes, so dass das erzeugte doppelt invertierte Bild
(Invertierung + Pseudoinvertierung) wieder annähernd die subjektiv selbe Farbgebung
aufweist, wie das nicht invertierte Bild.
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Die
für die
Durchführung
des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung weist zumindest einen Speicher
für die
3D-Bilddaten und eine Recheneinheit auf, die entsprechend zur Durchführung des
Verfahrens eingerichtet ist. Das Verfahren lässt sich mit unterschiedlichen
Rendering-Techniken einsetzen, die eine Bildberechnung auf Basis
einer Transferfunktion verwenden, bspw. Techniken mit einem Strahlintegral
wie die Volumen-Rendering Technik oder die Gradientenmagnituden-Rendering
Technik. Be sonders vorteilhaft lässt
sich das Verfahren bei der tomographischen Bildgebung in der Medizintechnik einsetzen,
insbesondere für
die Visualisierung von 3D-Bilddaten der Computertomographie oder
der Magnetresonanztomographie. Ein weiteres Anwendungsgebiet betrifft
die Durchleuchtung von Gepäck, bspw.
auf Flughäfen.
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Das
vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 schematisch
ein Beispiel für
den Verfahrensablauf gemäß dem Stand
der Technik;
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2 schematisch
ein Beispiel für
den Verfahrensablauf beim vorgeschlagenen Verfahren; und
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3 verschiedene Visualisierungen zur Veranschaulichung
des vorgeschlagenen Verfahrens.
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1 zeigt
schematisch den bekannten Verfahrensablauf zur gerenderten Darstellung
der 3D-Bilddaten eines Objekts vor dunklem Hintergrund. Zunächst werden
hierbei 3D-Bilddaten des darzustellenden Objektes sowie eine Transferfunktion
bereitgestellt, mit der die 3D-Bilddaten in eine gewünschte farbige
Visualisierung umgesetzt werden können. Die Bildpunkte des Objekts
werden hierbei ohne Hintergrundbeleuchtung in bekannter Weise mit einer
VRT-Technik aus der Transferfunktion berechnet. Das auf diese Weise
erhaltene 2D-Bild mit dunklem Hintergrund wird am Monitor dargestellt,
weist jedoch in vielen Fällen
einen nur geringen Kontrast auf.
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In 2 ist
ein Beispiel für
den Verfahrensablauf des vorgeschlagenen Verfahrens schematisch dargestellt.
Zunächst
werden hierbei in gleicher Weise 3D-Bilddaten des darzustellenden
Objektes sowie eine Transferfunktion bereitgestellt, mit der die 3D-Bilddaten
mit einer Rendering-Technik in eine gewünschte farbige Visualisierung
umgesetzt werden können.
Bei den 3D-Bilddaten kann es sich bspw. um CT-Aufnahmen eines Körperbereichs
einer Person handeln. Zur Visualisierung der gerenderten Bilddaten
vor einem dunklen Hintergrund an einem Monitor werden zunächst die
den einzelnen 3D-Bilddaten in der Transferfunktion zugeordneten
Farbwerte (R, G, B) in neue Farbwerte (R', G',
B') nach folgender
Regel geändert:
R' = max(max(G – R, B – R), 0)
G' = max(max(R – G, B – G), 0)
B' = max(max(R – B, G – B), 0).
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Nach
dieser Pseudo-Invertierung der Transferfunktion werden mit einer
VRT-Technik die Bildpunkte des Objekts in bekannter Weise aus der Pseudo-invertierten
Transferfunktion berechnet. Aus diesen Bildpunkten des Objekts wird
ein 2D-Bild mit hellem Hintergrund erzeugt.
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Im
nächsten
Schritt werden die Bilddaten dieses Bildes mit hellem Hintergrund
invertiert, aus dem Positivbild wird somit ein Negativbild erzeugt. Dieses
invertierte Bild wird dann am Monitor dargestellt.
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Durch
die Invertierung des Bildes mit hellem Hintergrund wird das gewünschte Bild
mit dunklem Hintergrund erzeugt. Die vorangegangene Pseudo-Invertierung
der Transferfunktion sorgt dafür,
dass trotz des dunklen Hintergrundes die Details des Objektes mit
besserem Kontrastdargestellt werden als dies bei einfacher Abschaltung
der Hintergrundbeleuchtung wie bei dem Verfahrensablauf der 1 der
Fall wäre.
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3 zeigt hierzu in der Abfolge von a) bis
d) unterschiedliche Visualisierungen zur Veranschaulichung des vorgeschlagenen
Verfahrens. In 3a sind hierbei die
Bildpunkte der auf Basis der ursprünglichen Transferfunktion gerenderten
3D-Bilddaten des Objektes vor dunklem Hintergrund zu erkennen, wie
sie mit dem Verfahren der 1 erhalten
werden. Der Kontrast ist hierbei gerade in dunklen Bereichen des gerenderten
Objekts relativ niedrig. 3b zeigt
das Bild dieses mit der ursprünglichen
Transferfunktion gerenderten Objekts vor hellem Hintergrund. Durch
die Hintergrundbeleuchtung sind deutlich mehr Details sichtbar wie
in dem Ausgangsbild der 3a.
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3c zeigt schließlich das invertierte Bild mit
hellem Hintergrund der 3b. Die Farbdarstellung
ist hier allerdings durch die Invertierung in für den Betrachter ungewohnter
Weise verändert.
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Schließlich zeigt 3d das gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren
erzeugte Bild, das nach Pseudo-Inversion der Transferfunktion und
Invertierung des daraus erhaltenen Bildes mit hellem Hintergrund
erhalten wird. Die Pseudo-Invertierung der Transferfunktion sorgt
dafür,
dass die Farben des Bildes wieder so aussehen wie im Ausgangsbild
der 3a, jedoch bei gleichem dunklem
Hintergrund deutlich mehr Details sichtbar sind.