A 33MHz 16 .. Bit Gradient Calculator for Real-Time Volume Imaging Martin Margala, Nelson G. Durdle. Scott Juskiw, 1  V. James Raso, and Doug L. Hill 2  L Electrical Engineering Department, The University of Alberta   Edmonton, Alberta, Canada T6G 2G7   2. Rehabilitaion Engineering Department, Glenrose Rehabilitation Hospital   Edmonton, Alberta, Canada T5G OB7   Abstract  second image update rate. Jackel and Strasser [5) described the  P ARCUM n system. which is used for handling solids  This paper describes a gradient calculator which forms an reconstructed from CT scans. An emulation of this system  important part of a shading processor being developed for a  generated medical images in 38-110 seconds from data sets  high resolution high performance real-time general purpose  with 256 3  elements. Two projects have been proposed from  volume imaging system. The proposed architecture overcomes  Keio University in Japan. One is a prototype system SCOPE  cunent image resolution and frame-rate limitations through the  (solid and colored object projection environment) [6] and the  use of custom high-speed processors. The gradient calculator  other system-which is very similar to GODPA-is the 3Dp4  evaluates three arithmetic operations: a square and add  architecture [7}. 3Dp4 bas been simulated in software, and a  operation, square-root, and three division operations. Input- 256 3  hardware implementation is estimated to have a output delay time is 30 os with an accuracy of ±O.78%. The  throughput of up to 10 frames per second. A commercial image  algorithms and implementation in silicon are described in  system, the Insight system of Phoenix Data Systems [8], detail.  combines hardware and software. It can display complex  objects at a "near real-time" rate of about one frame per second.  1. Introduction  Kaufman and Bakalash [9] developed the CUBE architecture and  constructed a prototype 16 3  system. All of these systems  A Volume Imaging System (VIS) is a powerful tool in real- exhibit either low frame rates or low resolution.  time manipulation of complex 3D data sets. Applications that  Our objective is to design a system which overcomes these  require such service are increasing. The data can be of medical.  limitations with a high performance architecture which will  geophysical, aerospace or other origins. Medical treatment  render and display high resolution volume images from 256 3  planning sytems using high speed graphics workstations can  and 512 3  data sets in real-time, that is at least 30 frames per provide powerful clinical tools for diagnostic evaluation of  second. radiation therapy, for control in computer assisted surgery, for  The objective of this paper is to present algorithms that  laser surgery simulations, dental diagnostics or for facial  yield an efficient, fast architecture for computing the reconstructions [l,2J. Geophysical imaging systems use  normalized gradient magnitude and the normalized gradient  rendering and displaying capabilities to visualize oil and gas  direction. deposits. Imaging systems are used in the airline industry to  localize possible leaks and defects in metal structures. Such  2. Gradient Calculation facilities would achieve maximum information extraction  through high resolution reconstructions of examined  This paper describes a gradient calculator which forms a structures. An interactive user interface requires real-time image  subunit of the imaging system. The volume data received from  update and continuous feedback to operator actions. This  computed tomographs or magnetic resonance scans must be  necessitates updates at the rate of 30 frames per second. The  shaded and composited to produce a 3D image of the observed  majority of existing 3D imaging systems employ general  structure. The shading processor performs several arithmetic  purpose workstations to manipulate complex data sets  and logic operations. The flISt and most complex operation is  compiled from computed tomography, magnetic resonance  the calculation of a normalized gradient direction and images, or other scanned images. The processed data are three- normalized gradient magnitude. The gradient parameters defme  dimensional density volumes of 256 3  or 512 3  generated as a  the surface information of a single 3D volumetric element  stack of slices. This amount of data creates major problems for  called a voxeL software-oriented 3D reconstruction techniques. Software based  In a volumetric data set, each voxel has 6 face-connected  systems are too slow to provide real-time user feedback.   Development of reconstruction methods using high speed  neighbours. 12 edge-connected neighbours, and 8 corner-   hardware has been actively pursued [3-9]. Traditional computer   connected neighbours. Gradients can be calculated using any  graphics software approaches, even those using hardware  subset of these neighbours. The simplest case uses the face- assist. cannot convey the detailed information contained in  connected neighbours. For example. the gradient of point (i, j. k) : . volume data sets in real-time. A voxel-based architecture  GODPA (generalized object display process architecture), a  in the X direction, is given by  derivative of the Voxel Processor [3.4] has been implemented  as a prototype system of 64 3  voxels. with a 16-frames-per- 80