CZ2017777A3 - Způsob nedestruktivního zobrazování vnitřní struktury a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká nedestruktivního zobrazování vnitřní struktury pro bezpečnou a intuitivní práci operátora. V rámci vynalezeného způsobu se nejprve elektronickým snímáním vytvoří virtuální zobrazení povrchu objektu (5), jehož vnitřní struktura, je předmětem bádání. Část povrchu objektu (5) a úhel snímání je nastaven hlasem nebo pohybem těla operátora (9). Následně se promítá virtuální zobrazení povrchu objektu (5) ve stereoskopických brýlích (7), načež se vytvoří virtuální zobrazení vnitřní struktury objektu (5) pro stejný úhel snímání. Virtuální zobrazení vnitřní struktury se promítá do virtuálního zobrazení povrchu objektu (5), nebo virtuální zobrazení objektu (5) nahrazuje.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká nedestruktivního zobrazování vnitřní struktury alespoň části objektu v reálném čase za pomoci virtuálního zobrazení.

Dosavadní stav techniky

Vnitřní struktura objektů, které jsou pouhým zrakem neprůhledné, se v současné době zjišťuje pomocí záření pronikavé formy energie, jako je například ultrazvukové vlnění, nebo ionizující záření. Toto záření pronikne pro viditelné světlo neproniknutelnou vnitřní strukturou, a pokud se toto záření vystupující ze zkoumané struktury detekuje, je získán obraz s informací o vnitřní struktuře objektu.

Je známo radiografické zobrazování, při kterém se zobrazovaný objekt umístí mezi zdroj ionizujícího záření a stínítko nebo zobrazovací detektor. V průmyslu se k tomuto účelu používá například gama záření, či rentgenové záření, které se využívá i v lékařství. Výhodou radiografie je nedestruktivní zobrazení struktury zobrazovaného objektu.

Nejrozšířeněji se při provádění radiografie pořizují obrazy vnitřní struktury objektu staticky. To znamená, že se při pořizování obrazu, ani zdroj ionizujícího záření, ani objekt, ani detektor, nepohybují. Následně je snímek vnitřní struktury objektu reprodukován k prostudování. Pokud není jeden snímek průkazný, anebo se očekává, že nebude průkazný, je buď změněna poloha objektu vůči zdroji ionizujícího záření, nebo je změněna poloha zdroje a stínítka vůči objektu, načež je pořízen další snímek. Nevýhody tohoto řešení spočívají vtom, že je tento způsob zobrazování časově náročný, protože bývá mezi měřením a analýzou dlouhá prodleva, a nelze tedy okamžitě upravovat zobrazení s ohledem na zjištěné skutečnosti, a protože je změna polohy mnohdy limitována pouze na některé ze směrů: nahoru a dolů, vpřed a vzad, či do stran.

Dalším rozšířeným způsobem radiografie je výpočetní tomografie, mezi odborníky známa pod zavedeným pojmem CT skenování. Při CT skenování je vytvořen soubor snímků objektu, které byly pořízeny buď otáčením objektu ve svazku ionizujícího záření, či rotací zdroje ionizujícího záření a detektoru okolo objektu. Následně je soubor snímků výpočetně zpracován do trojrozměrného modelu vnitřní struktury objektu. Nevýhody CT skenování spočívají v tom, že je potřeba pro přesné vymodelování trojrozměrného modelu vnitřní struktury velký soubor snímků. CT systémy, ať už s rotujícím párem detektor-rentgenka, nebo systémy, kde se otáčí vzorkem, neumožňují kontrolu vybraných částí větších celků, např. nelze kontrolovat vztlakovou klapku bez jejího odmontování z křídla letadla. Ne všechny objekty jsou velikostí a tvarem vhodné pro CT skenování.

Mezi omezení současného nedestruktivního zobrazování patří nebezpečnost záření pronikavé formy energie na zdraví člověka, která vyžaduje, aby operátor provádějící takové zobrazování operoval vzdáleně, což znesnadňuje práci, protože to omezuje manipulaci s objektem, či se zdrojem záření a detektorem. Současně nutnost vzdáleného operování znesnadňuje zobrazování v reálném čase a je pro operátora nepřirozeným úkolem, zejména při prostorovém zobrazování, neboť je standardním postupem pořízení souboru snímků, a jejich následovně vyhodnocení. V neposlední řadě je omezením, zejména u heterogenních kompozitních materiálů, že některé vady jsou viditelné pouze pod některým zobrazovacím úhlem, který nemusí být v souboru snímků zahrnut.

- 1 CZ 2017 - 777 A3

Aktuálním trendem je nasazení robotických ramen, které vykazují lepší ovladatelnost, než mají doposud používaná lineární vedení podél základních prostorových os. Je například známo tzv. „C“ robotické rameno, které je zakončeno nosnou konzolí ve tvaru písmene „C“, kde zdroj záření a detektor jsou upevněny k volným koncům „C“ konzole proti sobě. To je výhodné, že tento skenovací pár lze natáčet okolo zkoumaného objektu. Na druhou stranu nevýhody tohoto řešení spočívají v tom, že vzdálenost mezi zdrojem záření a detektorem je neměnná, takže pořízení obrazů detailů vnitřní struktury je problematické. Zároveň kombinace detektoru a zdroje záření na jednom nosníku výrazně zvyšuje hmotnost a vede k potřebě použití velkých průmyslových robotů.

Rovněž jsou známa řešení, která využívají vlastní robotické rameno pro zdroj záření a vlastní robotické rameno pro detektor. Toto řešení odstraňuje výše uvedené nedostatky „C“ robotického ramene, neboť lze skenovací pár přibližovat a oddalovat podle potřeby. Navíc lze umísťovat obě ramena nezávisle například z obou stran velkého vzorku (např. křídla letadla). Takovéto řešení není rozšířené v praxi a je používáno čistě jako náhrada lineárního a rotačního pohybu tak, jako je to používáno v obvyklých CT systémech. Nevýhody takového řešení jsou podobné, jako nevýhody klasického CT vycházející hlavně ze zpracování dat. Online ovládání systému se používá pro navedení na místo zájmu. Pro kontrolu pohybu se využívají pouze limitované nástroje a skenovací pohyb je nutno předem naprogramovat. Naměřená data se analyzují „offline“ stejným způsobem jako u klasického CT a systémy neumožňují interaktivní kontrolu vzorku operátorem.

Při současném stavu techniky je tedy obtížné provádět kontrolu pro operátora přirozeným způsobem tak, jak je zvyklý při vizuální kontrole. Zároveň není jednoduše možné využít schopností lidského mozku, který dokáže velmi rychle a efektivně vyhodnocovat informaci o 3D strukturách zkoumaného objektu za podmínky, že můžeme s objektem volně otáčet nebo se na něj dívat z různých úhlů.

Úkolem vynálezu je vytvoření způsobu a zařízení pro nedestruktivní zobrazování vnitřní struktury, který by poskytoval operátorovi studujícímu strukturu vzorku možnosti a flexibilitu stejné, jako při vizuální kontrole zrakem, ale za pomoci pronikavého záření, které zobrazí vnitřní strukturu objektu. To vše při zachování bezpečnosti operátora i při použití například ionizujícího záření. Vynález by umožňoval nahlížet na vnitřní struktury v reálném čase, dále by umožňoval intuitivně ovládat robotická ramena, a tím nahlížet na vnitřní struktury obdobně, jako by byl operátor fyzicky přítomen a držel objekt ve svých rukách, nebo se pohyboval kolem něj. Vynález by umožňoval, aby operátor byl schopen měnit úhly pohledu přirozeně tak, jako při vizuální inspekci, a tak, jak uzná za vhodné na základě sledované struktury.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen pomocí způsobu nedestruktivního zobrazování vnitřní struktury podle níže uvedeného vynálezu.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že vynalezený způsob zahrnuje následující postupové kroky:

a) alespoň část objektu se umístí do skenovací oblasti, pokud je objekt větší, než je skenovací oblast, tak je nezbytné zobrazovat jeho vnitřní strukturu po jednotlivých částech. Vzhledem ktomu, že operátor nemůže s objektem ve skutečnosti manipulovat, aby si jej prostudoval, je nutné virtuální zobrazení;

b) alespoň část povrchu objektu umístěného ve skenovací oblasti se elektronicky snímá pro vytvoření virtuálního zobrazení povrchu, přičemž směr úhlu snímání povrchu objektu a aktuálně snímaná část povrchu objektu jsou nastaveny hlasem, nebo pohybem alespoň části těla operátora. Optické, laserové, a další metody snímání pro virtuální zobrazení, jako např. pro pořizování

-2CZ 2017 - 777 A3 obrazu optickou kamerou ve viditelném spektru světla, jsou běžně dostupné a získávají potřebná data velice rychle.

c) současně se virtuální zobrazení povrchu promítá do vizualizačního prostředku pro zviditelnění virtuálního zobrazení operátorovi. Operátor si virtuální zobrazení povrchu objektu prohlíží stejně, jako by jej studoval ve skutečnosti, přičemž může virtuálně s objektem hýbat, otáčet jej, zvedat, pokládat, atp., dokud se s objektem dostatečně neseznámí. Pohyb těla a hlas operátora je přenášen k ovládání virtuálního zobrazení. Je-li objekt výrazně větší, může jej zkoumat tím, že jeho virtuální zobrazení obchází, dívá se na něj z různých úhlů pohledu, atp.

d) pro promítané virtuální zobrazení povrchu se pod stejným úhlem snímání vytvoří nedestruktivním zobrazováním virtuální zobrazení alespoň části vnitřní struktury objektu. Podle instrukce operátora se spustí nedestruktivní zobrazování vnitřní struktury alespoň části objektu umístěné ve skenovací oblasti, přičemž se vytvoří virtuální zobrazení vnitřní struktury.

e) virtuální zobrazení vnitřní struktury se při promítání ve vizualizačním prostředku zkombinuje s promítaným virtuálním zobrazením povrchu, nebo virtuální zobrazení vnitřní struktury nahradí při promítání ve vizualizačním prostředku virtuální zobrazení povrchu. Virtuální zobrazení vnitřní struktury objektu se kombinuje v reálném čase s virtuálním zobrazením povrchu, nebo jej virtuální zobrazení vnitřní struktury nahrazuje. Současně úhel snímání nedestruktivního zobrazování vnitřní struktury kopíruje domnělý úhel pohledu operátora na povrch, či vnitřní strukturu virtuálního zobrazení. Toto virtuální zobrazení může být pouze dvourozměrné nebo stereoskopické, tak aby operátor přímo z pohledu získal i hloubkovou informaci. Zkombinováním virtuálního zobrazení povrchu a virtuálního zobrazení vnitřní struktury se vlastně operátorovi ve virtuálním světě objekt „zprůhlední“.

Přínosem vynalezeného způsobuje to, že umožňuje okamžité zkoumání objektu a jeho vnitřní struktury tak, jak je na to lidský mozek nastaven, tj. bez nutnosti provádět 3D tomografické měření celého vzorku. Při zkoumání objektu se lidský mozek instinktivně nejprve zaměří na tvar objektu, dokud si jej nezmapuje. Následně přijde na řadu zkoumání detailů, jako jsou různé praskliny, případně vnitřní struktura, pokud je objekt průhledný. Vynalezený způsob s výhodou využívá tohoto chování. Operátor se ve virtuálním zobrazení obeznámí s objektem z hlediska tvaru, načež je mu promítáno virtuální zobrazení vnitřní struktury tak, jak kdyby do vnitřní struktury nahlížel vlastním pohledem. Každá změna úhlu pohledu operátora se promítne analogickou změnou obrazu vnitřní struktury. K vytvoření trojrozměrného modelu dospěje operátor sám, takže je schopen vnitřní strukturu vyhodnotit, případně lokalizovat ve vnitřní struktuře oblasti zájmu. Nespornou výhodou je, že je ovládání intuitivní a že operátor pracuje přirozeně, jako by se na zkoumaný objekt díval vlastníma očima, ačkoliv je zobrazení prováděno zářením pronikavé formy energie, která neumožňuje přítomnost v blízkosti objektu. S nadsázkou lze uvést, že se jedná o „rentgenové brýle“.

S výhodou je možné při provádění vynalezeného způsobu v rámci snímání povrchu objektu pro jeho virtuální zobrazení snímat povrch objektu trojrozměrně. Je výhodné při provádění vynalezeného způsobu, pokud se snímá tvar povrchu objektu a textura povrchu objektu pro virtuální zobrazení povrchu. Neboť i vzhled neprůhledného povrchu může být v přímé souvislosti s vnitřní strukturou objektu, takže je výhodné, aby se operátor s povrchem objektu seznámil stejně, jako by si prohlížel originální objekt.

S výhodou je možné při provádění vynalezeného způsobu mezi virtuálním zobrazením viditelného povrchu objektu a virtuálním zobrazením vnitřní struktury objektu dle potřeby přepínat. Pokud se operátor potřebuje vrátit k pohledu na povrch objektu bez zobrazované struktury objektu, jednoduše přepne zobrazení, a poté se opět vrátí zpět do virtuálního zobrazení vnitřní struktury.

-3 CZ 2017 - 777 A3

S výhodou může být virtuální realita a práce v ní ovládána hlasem a/nebo pohybem těla operátora. Například je velice výhodné, pokud může operátor ovládat virtuální realitu intuitivním pohybem rukou, nohou, hlavy a celkovým pohybem těla.

Ve výhodném provedení vynálezu se ke snímání povrchu pro vytvoření virtuálního zobrazení povrchu používá alespoň jedna kamera viditelného světla. Ta může být dvourozměrná nebo stereoskopická. Výhoda tohoto přístupu je jeho jednoduchost nevyžadující optické, laserové nebo jiné skenery 3D povrchu objektu. Nevýhodou je pak omezený rozsah zorného pole kamery. Pro zobrazení všech stran velkého objektu je pak nutno osazení kamer alespoň ze dvou stran zkoumaného objektu.

V jiném výhodném provedení vynálezu se pro vytvoření virtuálního zobrazení povrchu využije alespoň jeden skener povrchu objektu. Výhodou oproti použití kamer je, že může být s vysokým rozlišením naskenován objekt výrazně větší, než je oblast dosahu robotických ramen. Operátorovi se pak nabízí lepší přehled o umístění oblasti zkoumané pronikavým zářením vzhledem k celému objektu. 3D model celého objektu také nabízí lepší flexibilitu ve výběru úhlů pohledu a umožňuje „pohyb“ pozorovatele po površích objektu. Výhodou je také vetší rozsah výběru zorného pole a měřítka zobrazení. Nevýhodou tohoto provedení je nutnost provedení skenování povrchu objektu před započetím inspekce pronikavou formou energie.

Ve výhodném provedení vynalezeného způsobu se při promítání virtuálního zobrazení může měnit měřítko zobrazení. Oproti skutečnosti umožňuje virtuální realita přibližování a oddalování objektu, kterého není lidský zrak schopen. Pokud operátora zaujme nějaký drobný detail, nemusí použít zvětšovacích prostředků, jako jsou různé objektivy, či lupy, ale jednoduše si promítané virtuální zobrazení zvětší tak, aby mu postačil jeho vlastní zrak. V tomto případě se vlastně změní měřítko objektu vůči pozorovateli, tj. pozorovatel je menším, než by byl v realitě. Může se tedy virtuálně pohybovat po povrchu objektu a změnou úhlu pohledu prohlížet vnitřní strukturu oblasti, po které se pohybuje. Jinými slovy se tedy může „procházet“ např. po spodní straně křídla letounu, a vyhledávat defekty vlastním pohledem. V případě nalezení podezřelého místa může přiblížit svůj zrak ve virtuální realitě. V reálu to vyvolá pohyb robotických ramen, která změní svojí pozici tak, aby získaly větší geometrické zvětšení obrazu, jak bude dále rozepsáno níže u zařízení.

Je výhodné při provádění vynalezeného způsobu, pokud virtuální zobrazení povrchu a vnitřní struktury archivují. Virtuální zobrazení povrchu a vnitřní struktury lze opakovaně zobrazovat, jak ve virtuální realitě, tak na obrazovkách počítače. Rovněž lze z archivovaných virtuálních zobrazení analyzovat data pro další práci.

Dalším výhodným provedením vynalezeného způsobuje, pokud se v rámci prohlížení virtuálního zobrazení vnitřní struktury vyznačí alespoň jedna oblast zájmu pro následné automatizované uskutečnění laminografie nebo výpočetní tomografie. Po ukončení relace operátora se automaticky pro dané oblasti zájmu získají data pro zpracování laminografie, nebo výpočetní tomografie.

Součástí vynálezu je také zařízení k provádění vynalezeného způsobu. Zařízení zahrnuje alespoň jeden zdroj záření pronikavé formy energie připojený k řídicí jednotce pro řízení chodu zdroje záření. Dále zařízení zahrnuje alespoň jeden detektor pronikavé formy energie připojený k řídicí jednotce pro uložení obrazu detekovaného záření. Pronikavé záření vystupující z objektu je ovlivněno vnitřní strukturou, takže pokud je detekováno, lze získat obraz vnitřní struktury. Součástí zařízení jsou polohovatelná robotická ramena pro nesení zdroje záření a detektoru, která jsou připojená k řídicí jednotce pro ovládání jejich chodu. Robotická ramena umožňují velice přesný a svobodný pohyb v prostoru, přičemž mezi zdrojem záření a detektorem leží skenovací oblast pro vložení objektu.

-4CZ 2017 - 777 A3

Podstata vynálezu spočívá vtom, že řídicí jednotka je tvořena počítačem s alespoň jedním datovým úložištěm s uloženým alespoň jedním softwarovým modulem pro virtuální zobrazení nasnímaného povrchu objektu a alespoň jedním softwarovým modulem pro virtuální zobrazení nasnímané vnitřní struktury objektu. Řídicí jednotka je nezbytnou součástí vynálezu, protože mimo jiné vytváří virtuální prostředí. Dále je k řídicí jednotce připojen alespoň jeden prostředek pro nasnímání alespoň části povrchu objektu, jehož nasnímaná kopie se řídicí jednotkou promítá virtuální zobrazení povrchu. K řídicí jednotce je dále připojen vizualizačním prostředek pro zviditelnění virtuálního zobrazení operátorovi a alespoň jeden ovládací prostředek pro přenos instrukcí od operátora do řídicí jednotky.

Hlavní výhodou vynalezeného zařízení je to, že operátor vytváří instrukce pro řídicí jednotku intuitivně, svým pohybem, anebo hlasovými příkazy, na základě promítaného virtuálního zobrazení. Instrukce jsou přeneseny do řídicí jednotky, která kontroluje činnost prostředku pro nasnímání povrchu objektu, robotických ramen a zdroje záření s detektorem. Je výhodné, pokud je ovládací prostředek tvořen pohybovým snímačem, nebo zvukovým snímačem. Proces zkoumání vnitřní struktury je urychlen ze dvou důvodů, a to za prvé kvůli snadnějšímu ovládání pomocí intuitivního ovládání při prohlížení virtuálního zobrazení, a za druhé proto, že propojení informace o tvaru objektu a informace o vnitřní struktuře objektu je zpracováno v lidském mozku, který dokáže odhalit anomálie ve vnitřní struktuře lépe, než výpočetní algoritmus. To hlavně v případech, kdy není možné nebo praktické tomograficky, laminografií, anebo jinou 3D metodou skenovat vnitřní strukturu celého vzorku, a pak ji analyzovat off-line.

Ve výhodném provedení zařízení podle vynálezu je zdroj záření uzpůsoben pro emisi ultrazvukových vln, nebo rentgenového záření, nebo gama záření, nebo neutronového záření. Tyto formy záření jsou běžně používané při nedestruktivní analýze vnitřních struktur, takže jejich použití ve vynálezu je proveditelné bez větších překážek.

S výhodou je ovládací prostředek tvořen pohybovým snímačem, nebo zvukovým snímačem. Pohybový snímač může být například tzv. 3D myš, která snímá pohyby v prostoru. Současně jsou dnešní počítače schopné zpracovat hlas k přijímání pokynů.

Provedení vynálezu je dále výhodné, pokud je prostředek pro nasnímání povrchu objektu pro virtuální zobrazení tvořen kamerou pracující ve viditelném spektru světla, či skenerem pro naskenování trojrozměrné kopie povrchu. Dále je výhodné, pokud je vizualizační prostředek tvořen displejem, nebo ještě lépe stereoskopickými brýlemi, které umožní téměř dokonalé nahlížení do virtuální reality.

S výhodou je prostředek pro nasnímání povrchu objektu upevněn k robotickému rameni. Ovládání robotického ramena umožňuje měnit úhel snímání, neboli úhel pohledu operátora, dle jeho libosti.

Je výhodné provedení zařízení podle vynálezu, pokud je na datovém úložišti uložen alespoň jeden softwarový modul pro přepočítání měřítka virtuálního zobrazení. Změna měřítka při virtuálním zobrazování přináší nové možnosti, jak zkoumat model daného objektu. Operátor může měnit měřítko virtuálního zobrazení povrchu a vnitřní struktury ve virtuální realitě vzhledem k měřítku pozorovatele (operátora). Operátor se tedy může pohybovat po povrchu i relativně malého objektu, a to z libovolného směru a po libovolném, i spodním, povrchu. Tyto nástroje jsou opět v systémech virtuální reality běžné.

S výhodou je datové úložiště opatřeno alespoň jednou databází pro archivaci virtuálního zobrazení povrchu a vnitřní struktury. Informace archivované v databázi je možné použít k získání dalších dat, čije možné je z databáze opakovaně zobrazovat.

Provedení vynálezu je výhodné, pokud je na datovém úložišti uložen alespoň jeden softwarový modul s programem ovládání robotických ramen a zdroje záření s detektorem pro provádění

-5 CZ 2017 - 777 A3 laminografie, nebo výpočetní tomografie. Jakmile jsou stanoveny oblasti zájmu při virtuálním zobrazování vnitřní struktury objektu, může po ukončení relace operátora zařízení provést automatizovaně laminografii nebo výpočetní tomografii v těchto oblastech zájmu.

Mezi výhody vynálezu patří umožnění zkoumání objektu ve virtuální realitě tak, jako by byl operátor u zkoumaného objektu přímo přítomen, a na objekt nahlížel vlastníma očima, aniž by došlo k ohrožení zdraví od záření pronikavé formy energie, jako je třeba rentgenové záření. Rovněž je výhodné, že objekt může být zkoumán expertem, který nemusí být u zkoumaného zařízení přítomen fyzicky. Objekt může být takto zkoumán i na velkou vzdálenost. Např. v případě uměleckého díla, které je uloženo na bezpečném místě, a restaurátor nebo jiný odborník provádí inspekci díla stejně, jako by u něj byl přítomen. Současně ovládání nedestruktivního zobrazování je velice snadné. Místo, aby operátor vše pracně přepočítával a zadával do ovládacího panelu robotických ramen, tak operátor pracuje s pohledem na povrch objektu a pohyby objektu nebo pozorovatele jsou převáděny na instrukce pro pohyb robotických ramen.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje schématické vyobrazení zařízení podle vynálezu.

Příklad uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

Na obr. 1 je vyobrazen zdroj záření 1 upevněný k robotickému rameni 4. Zdrojem 1 záření může být v tomto konkrétním uskutečnění vynálezu elektricky napájená rentgenka, ale v jiných příkladech uskutečnění vynálezu může být zdrojem 1 záření např. radioaktivní izotop, generátor ultrazvuku, atp. Odborník na formy pronikavé energie bude schopen za zdroj 1 záření zvolit i další alternativy, které lze využít k zobrazování vnitřní struktury objektu 5. Ve směru šíření záření je za skenovací oblastí uspořádán zobrazovací detektor 3. Detektor 3 může být tvořen polem bez okrajových pixelových polovodičových detektorových jednotek, které dopadající záření převádějí na elektrický náboj, který je následně čtecím čipem převeden na elektrický signál pro řídicí jednotku 2. Detektor 3 je rovněž unášen robotickým ramenem 4.

V jiném nevyobrazeném uskutečnění vynálezu může být využito pouze jednoho robotického ramene 4, které nese zároveň zdroj 1 i detektor 3 pronikavého záření, nebo dvou a více robotických ramen 4, které jsou umístěny na jedné straně zkoumaného objektu 5. Může se jednat o ultrazvuk, rentgen, gama záření nebo jiný druh pronikavého záření. V tomto případě se detekují odrazy nebo rozptyly záření v objektu 5 nebo se detekuje sekundární záření (např. rentgenové fluorescence).

Robotická ramena 4 mají pevnou základnu a jsou rozdělena na pohyblivě propojené segmenty, přičemž jejich vzájemná pohyblivost zajišťuje stupně volnosti pohybu v prostoru. Základní poloha robotických ramen 4 je volitelná. Robotická ramena 4 jsou pro odborníka katalogovou položkou a odborník bude schopen rutinní prací zvolit vhodná robotická ramena 4.

Objekt 5 se nachází ve skenovací oblasti. Pokud je velikost objektu 5 menší, než je velikost skenovací oblasti, tak se objekt 5 umístí celý do skenovací oblasti, v jiném nevyobrazeném

-6CZ 2017 - 777 A3 uskutečnění příkladu vynálezu může být objektem 5 například lopatka větrné elektrárny, čí křídlo letounu, které se vkládají do skenovací oblasti jen částečně. Objekt 5 může být samonosný, například volný konec lopatky vrtule větrné elektrárny, nebo může být umístěn na vhodném stolku pro jeho držení ve skenovací oblasti.

Zařízení je opatřeno prostředkem 6 pro nasnímání povrchu objektu 5. Prostředek 6 může být skenerem pro nasnímání tvaru objektu 5. Skener odesílá nasnímaná data do řídicí jednotky 2, ve které se posléze vytvoří trojrozměrný virtuální zobrazení objektu 5 pro virtuální realitu. Skener může být např. manuální, případně může být skenovací oblast opatřena stacionárními skenery, nebo může být skener upevněn krobotickému ramenu 4. Skenery získávají informaci o 3D povrchu např. pomocí laserového paprsku. V jiné variantě je místo skeneru jako prostředku 6 pro nasnímání povrchu objektu 5 využito optických kamer umístěných na robotických ramenou 4. V případě využití kamery pro viditelné světlo umístěné na robotickém skenovacím rameni 4 nebo ramenech 4 se nevyužije trojrozměrné virtuální zobrazení, ale operátorovi je do promítacích brýlí 7 přenesen přímo obraz kamer, přičemž měřítko pohledu lze měnit změnou fokální vzdálenosti objektivu.

Obraz objektu 5 získaný, ať už vizualizací 3D povrchu, nebo z kamer(y), lze promítat i na klasický display. Úhel pohledu operátor 9 řídí buď pomocí změny svojí polohy ve virtuálním světě, nebo pomocí jiného vhodného 3D ovládacího prostředku 8, např. 3D myši.

Řídicí jednotka 2 je tvořena klasickým počítačem, jehož součástmi jsou procesory pro zpracovávání úkolů podle softwarových modulů, dále operační paměti, grafické karty pro generování virtuální reality, datová úložiště, základová deska s konektory, atd. Odborník bude schopen definovat nezbytné součásti počítače. Na datovém úložišti je uložen alespoň jeden softwarový modul pro zpracování vstupních dat a pro virtuální zobrazení povrchu a vnitřní struktury objektu 5 ve virtuální realitě.

Virtuální znamená zdánlivý, takže virtuální zobrazení je zdánlivé zobrazení generované elektronicky, které je promítané jako obraz pro oči operátora 9 displejem, nebo brýlemi 7. Virtuální zobrazení skutečného objektu 5 kopíruje vše, jako by se jednalo o sledování skutečného objektu 5, přičemž virtuální realita umožňuje operace, které nejsou ve skutečném světě reálné, např. zmenšení pozorovatele, teleportace pozorovatele. I snímané obrazy z klasické kamery jsou vlastně virtuální kopií skutečného stavu věcí.

Operátor 9 je vybaven brýlemi 7 pro produkci stereoskopického obrazu virtuální reality přímo do jeho zorného pole, dále je opatřen ovládacími prostředky 8, které operátor 9 drží nebo je má upevněny např. v rukavicích, či k botám, pro záznam pohybu jeho těla. Současně může být ovládací prostředek 8 tvořen mikrofonem pro snímání hlasových povelů zabudovaným v brýlích 7 nebo jinde v dosahu zvuku.

Vynález pracuje tak, že se nejprve vytvoří virtuální zobrazení povrchu objektu 5, které je zhotoveno ze souboru dat získaného snímání pomocí prostředku 6 pro snímání povrchu. Následně si operátor 9 nasadí brýle 7 pro nahlížení do virtuální reality a např. rukavice s ovládacími prostředky 8. Operátor 9 si prohlíží zobrazený model, a současně s ním může manipulovat pomocí snímání pohybu rukou a prstů ovládacími prostředky 8 nebo se může kolem objektu 5 pohybovat v případě, že je měřítko objektu 5 zvoleno větší, než je měřítko pozorovatele ve virtuální realitě. K prozkoumání objektu 5 může být, místo trojrozměrného modelu, použito i optických kamer umístěných na robotických ramenou 4.

Jakmile je operátor 9 s virtuálním zobrazením povrchu objektu 5 dostatečně seznámen, může spustit zdroj 1 záření a detektor 3, které začnou generovat data pro vytvoření virtuálního zobrazení vnitřní struktury objektu 5. Prostorový úhel a pohledu oka operátora na virtuální zobrazení je stejný, jako úhel a snímání detektoru 3 proti objektu 5. Aktuální virtuální zobrazení vnitřní struktury se promítá do virtuálního zobrazení povrchu, takže iluze je taková, jako kdyby

-7 CZ 2017 - 777 A3 se operátor 9 díval zrakem na ve skutečnosti průsvitný objekt 5. Jakékoliv natočení virtuálního zobrazení, úhlu pohledu pozorovatele nebo jeho vzdálenosti od objektu 5 ve virtuální realitě je souběžně kopírováno pohybem robotických ramen 4 s detektorem 3 a zdrojem 1 záření. Operátor 9 může u zobrazení ve virtuální realitě měnit měřítko do podrobnějšího pro zkoumání detailů, nebo virtuální zobrazení objektu 5 oddalovat pro získání celkového pohledu.

Ve virtuálním prostředí lze využívat další, ve virtuálním světě běžné, nástroje, jako je například teleportace z jednoho místa zobrazovaného objektu 5 na jiné, atp.

Virtuální zobrazení s vnitřní strukturou jsou v průběhu relace archivovány na datovém úložišti řídicí jednotky 2 pro jejich opakované zobrazení, nebo další zpracování dat.

Dalším nástrojem virtuální reality může být značení oblastí zájmu, které jsou po skončení relace automaticky vyšetřeny pomocí např. známé laminografie, či známé výpočetní tomografie.

Průmyslová využitelnost

Způsob nedestruktivního zobrazování vnitřní struktury ve virtuální realitě a zařízení k provádění tohoto způsobu podle vynálezu naleznou uplatnění v průmyslu a ve výzkumu. Například při nedestruktivní kontrole nově vyrobených dílů nebo dílů, které vyžadují opakovanou kontrolu jejich vnitřní struktury.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (18)

1. Způsob nedestruktivního zobrazování vnitřní struktury pro bezpečnou a intuitivní práci operátora, vyznačující se tím, že zahrnuje následující kroky:

a) alespoň část objektu se umístí do skenovací oblasti,

b) alespoň část povrchu objektu umístěného ve skenovací oblasti se elektronicky snímá pro vytvoření virtuálního zobrazení povrchu, přičemž směr úhlu snímání povrchu objektu a aktuálně snímaná část povrchu objektu jsou nastaveny hlasem, nebo pohybem alespoň části těla operátora,

c) současně se virtuální zobrazení povrchu promítá do vizualizačního prostředku pro zviditelnění virtuálního zobrazení operátorovi,

d) pro promítané virtuální zobrazení povrchu se pod stejným úhlem snímání vytvoří nedestruktivním zobrazováním virtuální zobrazení alespoň části vnitřní struktury objektu,

e) virtuální zobrazení vnitřní struktury se při promítání ve vizualizačním prostředku zkombinuje s promítaným virtuálním zobrazením povrchu, nebo virtuální zobrazení vnitřní struktury nahradí při promítání ve vizualizačním prostředku virtuální zobrazení povrchu.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se v rámci postupového kroku (b) povrch objektu snímá trojrozměrně.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že v rámci postupového kroku (b) se snímá tvar povrchu objektu a textura povrchu objektu.

-8CZ 2017 - 777 A3

4. Způsob podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že se při promítání ve vizualizačním prostředku může libovolně přepínat mezi virtuálními zobrazeními z postupových kroků (c, d).

5. Způsob podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že povrch objektu se elektronicky snímá pro virtuální zobrazení alespoň jednou kamerou pracující na principu snímání světla viditelného spektra.

6. Způsob podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že povrch objektu se elektronicky snímá pro virtuální zobrazení alespoň jedním skenerem pro vytvoření trojrozměrného modelu povrchu.

7. Způsob podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že se snímá pohyb rukou, nohou, hlavou a nebo celkový pohyb těla operátora.

8. Způsob podle některého z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že se při promítání virtuálního zobrazení ve vizualizačním prostředku v rámci postupových kroků (c, e) nastaví měřítko virtuálního zobrazení.

9. Způsob podle některého z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že se virtuální zobrazení vnitřní struktury z postupového kroku (d) archivují.

10. Způsob podle některého z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že se při promítání virtuálního zobrazení ve vizualizačním prostředku vyznačí hlasem nebo pohybem části těla alespoň jedna oblast zájmu pro následné automatizované uskutečnění laminografie nebo výpočetní tomografie.

11. Zařízení k provádění způsobu podle alespoň jednoho z nároků 1 až 10, zahrnující alespoň jeden zdroj (1) záření pronikavé formy energie připojený k řídicí jednotce (2) pro řízení chodu zdroje (1) záření, alespoň jeden detektor (3) pronikavé formy energie připojený k řídicí jednotce (2) pro uložení obrazu detekovaného záření, alespoň jedno poloho vatě lné robotické rameno (4) pro nesení zdroje (1) záření a detektoru (3), které je připojeno k řídicí jednotce (2) pro ovládání jeho chodu, přičemž mezi zdrojem (1) záření a detektorem (3) leží skenovací oblast pro vložení objektu (5), vyznačující se tím, že řídicí jednotka (2) je tvořena počítačem s alespoň jedním datovým úložištěm s uloženým alespoň jedním softwarovým modulem pro virtuální zobrazení nasnímaného povrchu objektu (5) a alespoň jedním softwarovým modulem pro virtuální zobrazení nasnímané vnitřní struktury objektu (5), přičemž je k řídicí jednotce (2) připojen alespoň jeden prostředek (6) pro nasnímání alespoň části povrchu objektu (5), dále je k řídicí jednotce (2) připojen vizualizační

-9CZ 2017 - 777 A3 prostředek pro promítání virtuálního zobrazení a alespoň jeden ovládací prostředek (8) pro přenos hlasových nebo pohybových instrukcí operátora (9) do řídicí jednotky (2).

12. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že zdroj (1) záření pronikavé formy energie je uzpůsoben pro emisi ultrazvukových vln, nebo rentgenového záření, nebo gama záření, nebo neutronového záření.

13. Zařízení podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že ovládací prostředek (8) je tvořen pohybovým snímačem, zvukovým snímačem.

14. Zařízení podle některého z nároků 10 až 13, vyznačující se tím, že prostředek (6) pro nasnímání alespoň části povrchu objektu (5) je tvořen kamerou, nebo skenerem, a že vizualizační prostředek je tvořen displejem nebo stereoskopickými brýlemi (7).

15. Zařízení podle některého z nároků 10 až 14, vyznačující se tím, že je prostředek (6) pro nasnímání alespoň části povrchu objektu (5) uspořádán k robotickému ramenu.

16. Zařízení podle některého z nároků 10 až 15, vyznačující se tím, že je na datovém úložišti uložen alespoň jeden softwarový modul pro přepočítání měřítka virtuálního zobrazení při promítání ve stereoskopických brýlích (7).

17. Zařízení podle některého z nároků 10 až 16, vyznačující se tím, že je datové úložiště opatřeno alespoň jednou databází pro archivaci virtuálních zobrazení.

18. Zařízení podle některého z nároků 10 až 17, vyznačující se tím, že je na datovém úložišti uložen alespoň jeden softwarový modul s programem ovládání pohybu robotických ramen (4) a zdroje (1) záření s detektorem (3) pro provádění laminografie, nebo výpočetní tomografie.

1 výkres

Seznam vztahových značek

1 zdroj záření

2 řídicí jednotka

3 detektor

4 robotické rameno

5 objekt

6 prostředek pro elektronické snímání povrchu objektu

7 brýle

8 ovládací prostředek

9 operátor a úhel pohledu