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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Vermessungsvorrichtungen und -verfahren, mittels deren die Gestalt von Festkörpern mehrdimensional erfasst werden kann.
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Ein Anwendungsgebiet eines solchen Verfahrens ist die industrielle Qualitätskontrolle an Prüflingen, beispielsweise bei der Gussteilefertigung, bei der die Form und Maßhaltigkeit von Gussteilen durch dreidimensionale Vermessung überprüft und mit Vorgaben verglichen werden muss. Bei diesem Schritt wird außer der äußeren Formgenauigkeit auch das Vorhandensein von Lunkern bzw. Materialverwerfungen überprüft. Insgesamt sind die tatsächlichen Geometriedaten mit Soll-Daten, beispielsweise aus einem CAD-System, zu vergleichen.
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Insbesondere in dem Fall, dass auch interne Strukturen der zu prüfenden Körper, wie z. B. Hohlräume oder ein geschichteter Aufbau, mit erfasst werden sollen, ist es notwendig, auch ein durchstrahlendes Verfahren, beispielsweise ein röntgencomputertomographisches Verfahren, zu verwenden. Bei einem derartigen Verfahren wird ein zu vermessender Festkörper nacheinander aus mehreren verschiedenen Richtungen durchstrahlt, wobei meistens die Röntgenquelle feststehend angeordnet ist und der Festkörper um eine feststehende Achse gedreht wird. Von der Röntgenquelle aus gesehen hinter dem Festkörper liegt ein Detektor, beispielsweise als zweidimensional auflösender Detektor in Form einer CCD-Matrix, der die Röntgenstrahlung nach Passieren des Festkörpers nachweist. Je nach Lage des Festkörpers ergeben sich verschiedene Grauwerte, die in bekannter Weise durch Berechnung unter Berücksichtigung der zwischen den einzelnen Messungen zurückgelegten Drehwinkel weiterverarbeitet werden können.
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Dadurch sind einzelnen Volumenelementen, in die der Festkörper zur Berechnung aufgeteilt wird, sog. Voxeln, Intensitätswerte zuordenbar, die dem Absorptionsgrad der Röntgenstrahlung in dem jeweiligen Voxel entsprechen.
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Aus dem Intensitätsgrad kann auf die Konsistenz des Festkörpers in der jeweiligen Volumeneinheit geschlossen werden. Hierdurch können Konsistenzgrenzen des Festkörpers, also beispielsweise Material- oder Dichtegrenzen oder Außenkonturen sowie Grenzen von Hohlräumen bestimmt werden.
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Die Erfahrung zeigt, dass derartige Messungen unter Verwendung der Röntgencomputertomographie noch nicht die gewünschte Genauigkeit erreichen. Dies liegt einerseits daran, dass die verwendeten Röntgenröhren polychromatische Strahlung emittieren, und daran, dass die Wechselwirkung der Röntgenstrahlung beim Durchgang durch die Materie nicht nur von den Absorptionseigenschaften der jeweiligen Materie, sondern auch von der Wellenlänge der Röntgenstrahlung abhängt. Zudem ergeben sich Streustrahlungseffekte, Störungen durch Strahlaufhärtung und Nichtlinearitäten des Detektors, wodurch sich Artefakte, Verzeichnungen und sog. Cupping-Effekte einstellen, die die Bildqualität verschlechtern.
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Es ist wünschenswert, eine neue, verbesserte Vermessungsvorrichtung zu schaffen und dabei die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Vermessung von Festkörpern zu erhöhen.
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Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich Vermessungsverfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt, bei denen verschiedene Messverfahren und entsprechende Vorrichtungen kombiniert werden. So ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 026 357 A1 die Kombination einer optischen Sensorik mit einer Röntgensensorik bekannt. Durch die Kombination der Messungen soll ein Messobjekt geometrisch vermessen werden. Das Messobjekt befindet sich auf einer drehbar antreibbar Halterung und wird mit beiden zur Verfügung stehenden Sensoriken erfasst. Danach wird eine 3D-Rekonstruktion ermittelt, wobei die Messergebnisse des Tomographieverfahrens unter Berücksichtigung der Messergebnisse des anderen Messverfahrens ermittelt werden. Die Messergebnisse der optischen Sensorik und der Röntgensensorik werden in einem gemeinsamen Koordinatensystem ausgewertet.
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Gemäß dem
Patent Abstract of Japan 2002071345 A werden zwei Messverfahren mit entsprechenden Messeinrichtungen derart kombiniert, dass mittels einer der Messeinrichtungen ein Messpfad ermittelt wird, entlang dem die zweite Messeinrichtung darauf folgend eine Messung durchführt.
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Aus der
DE 103 31 419 A1 , ist die Kombination eines Computertomographen mit einem taktilen oder optischen Koordinatenmessgerät bekannt, bei dem zunächst mittels des taktilen oder optischen Messgeräts die Lage des zu vermessenden Objekts untersucht und dieses mittels einer Manipulationseinrichtung danach in den optimalen Erfassungsbereich der Computertomographiemesseinrichtung gebracht wird.
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Aus dem Sonderdruck „Quality Engineering 6, Juni 2005 (www.qe-online.de)” ist ebenfalls die Kombination aus einer Multisensorik und der Computertomographie bekannt, wobei nach Erfassung eines Werkstücks mit mehreren Sensoren die gelieferten Messergebnisse aufeinander abgeglichen werden. Insbesondere die ungenauere Messung mittels der Computertomographie kann durch Aufnahme von Kontrollpunkten mit einem anderen hochgenauen Sensor korrigiert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun gegenüber dem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines Festkörpers zu schaffen, die eine schnelle Auswertung mit hoher Messgenauigkeit und der Möglichkeit verbindet, auch die im Inneren des Festkörpers vorhandene Struktur zu vermessen.
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Dabei bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines Festkörpers mit einer ersten Vermessungseinrichtung in Form eines Durchstrahlungscomputertomographen und mit einer zweiten Vermessungseinrichtung zur Erfassung der äußeren Kontur des Festkörpers, wobei die zweite Vermessungseinrichtung wenigstens stellenweise genauere Messergebnisse ermöglicht als die erste Vermessungseinrichtung und wobei die erste und die zweite Vermessungseinrichtung erste und zweite Daten liefern, die in einem gemeinsamen Koordinatensystem darstellbar sind.
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Erfindungsgemäß wird ausgehend von einer Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung eines Festkörpers, die eine erste und eine zweite Vermessungseinrichtung aufweist, diese Vorrichtung so weitergebildet, dass die erste Vermessungseinrichtung einen Durchstrahlungscomputertomographen aufweist und die zweite Vermessungseinrichtung eine oberflächenvermessende bzw. flächig auflösende Vermessungseinrichtung ist. Als zweite Vermessungseinrichtung kann besonders vorteilhaft eine Streifenprojektionseinrichtung verwendet werden, mit der, bei Auswertung beispielsweise mittels eine Triangulationsverfahrens, die äußere Oberfläche eines Gegenstandes dreidimensional auf einer ganzen Fläche aufgelöst werden kann.
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Diese Vorrichtung kann insbesondere eingesetzt werden, um ein Verfahren durchzuführen, wie es in der taggleich mit dieser Anmeldung von derselben Anmelderin eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel „Verfahren zur Vermessung eines Festkörpers” beschrieben ist. Hierzu kann dann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Recheneinrichtung zur Ermittlung von lokal geltenden Schwellwerten aufweisen zur Ermittlung von lokal geltenden Schwellwerten für die Segmentierung der durch die erste Vermessungseinrichtung gewonnenen ersten Daten durch Vergleich von den ersten Daten mit durch die zweite Vermessungseinrichtung gewonnenen zweiten Daten. Dabei bedeutet Segmentierung die Ermittlung von Konsistenzgrenzen des Festkörpers aus den in der Computertomographie ermittelten Daten.
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Eine derartige Recheneinrichtung ist aus dem Stand der Technik bisher nicht bekannt. Üblicherweise werden zunächst die mittels der Durchstrahlung mit Hilfe des Tomographen gewonnen zweidimensionalen Daten durch Berücksichtigung der Winkelposition des Festkörpers bei den jeweiligen Aufnahmen in eine dreidimensionale Voxelmatrix umgerechnet, in der jeder dreidimensionalen Volumeneinheit ein Grauwert bzw. Intensitätswert zugeordnet wird. Die entsprechenden Intensitätswerte korrelieren mit Absorptionswerten des zu vermessenden Festkörpers an der jeweiligen Stelle.
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Danach wird gemäß dem Stand der Technik ein globaler Schwellwert festgelegt, bei dessen Überschreiten durch die entsprechenden Intensitätswerte in der Matrix vom Vorliegen einer Konsistenzgrenze des Festkörpers ausgegangen wird, d. h. beispielsweise von einer Oberfläche des Festkörpers oder einer Materialgrenzfläche. Auf diese Weise kann in der Matrix die Gestalt des Festkörpers sowohl bezüglich der äußeren Konturen als auch bezüglich innerer Hohlräume ermittelt werden. Diese Auswertung ist jedoch mit den oben genannten vielfältigen Unsicherheiten behaftet und wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessert.
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Hierzu wird jedoch nicht, wie beim Stand der Technik, die schon extrahierte Punktewolke mit den durch die zweite Vermessungseinrichtung gewonnen Daten abgeglichen, sondern es wird in einem früheren Stadium der Auswertung der Tomographiedaten bereits auf die Messdaten der zweiten Vermessungsvorrichtung zurückgegriffen, indem aus diesen lokale Schwellwerte für die Auswertung der Tomographiewerte gewonnen werden. An den Stellen, an denen die genaueren Messwerte der zweiten Vermessungseinrichtung vorliegen, ist nämlich bekannt, an welchem Punkt innerhalb der Matrix der Computertomographiedaten eine entsprechende Konsistenzgrenze liegt. Daraus kann der lokal geltende Schwellwert bestimmt werden und die hierdurch ermittelten lokalen Schwellwerte können durch Interpolation, Extrapolation oder einfach Übertragung auf die unmittelbare geometrische Umgebung soweit erweitert werden, dass für die gesamte Matrix des Festkörpers entsprechende lokale Schwellwerte gewonnen werden. Danach kann die entsprechende Intensitätsmatrix mit den lokalen Schwellwerten ausgewertet werden.
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Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch ausgestaltet sein, dass die erste Vermessungseinrichtung eine Röntgentomographieeinrichtung ist, vorzugsweise mit einer Mikrofokusröntgenröhre.
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Vorteilhaft kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die zweite Vermessungseinrichtung eine Streifenprojektionseinrichtung verwendet. Bei einer solchen Projektionseinrichtung wird ein bekanntes Muster, beispielsweise gerade Streifen oder Gitterlinien, auf den zu vermessenden Festkörper projiziert und diese aus einer von der Aufstrahlrichtung unterschiedlichen Blickrichtung aus vermessen. Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenform des Festkörpers zeigen sich durch Verzerrungen der Streifen und durch die Verzerrungen kann durch Triangulationsverfahren auf die Form des Festkörpers an seiner Oberfläche rückgeschlossen werden. Entsprechende Berechnungsalgorithmen erlauben die Berechnung der dreidimensionalen Form der Oberfläche.
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Um eine optimale Kombination bei der Auswertung der Messdaten der ersten und der zweiten Vermessungseinrichtung zu erlauben, müssen diese Daten in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen oder zumindest in einem gemeinsamen System darstellbar sein. Hierzu sind vorteilhaft die beiden Vermessungseinrichtungen fest zueinander positioniert oder zumindest in genau definierter Weise gegeneinander bewegbar.
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Dabei kann der zu vermessende Festkörper in einem gemeinsamen Erfassungsbereich der ersten und der zweiten Vermessungseinrichtung positioniert und dort schrittweise drehbar sein, er kann jedoch auch nachneinander in den Erfassungsbereich der ersten Vermessungseinrichtung und danach in den Erfassungsbereich der zweiten Vermessungseinrichtung bringbar sein.
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Die entsprechende Positionierungseinrichtung weist einen Drehantrieb zur schrittweisen Drehung des Festkörpers um eine fest stehende Achse oder um mehrere fest stehende Achsen um jeweils feste Winkelschritte auf.
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Zur Veränderung des Abbildungsmaßstabes bei der Computertomographieeinrichtung kann der Festkörper auf der Achse zwischen der ersten Strahlquelle der ersten Vermessungseinrichtung und dem Sensorschirm bewegbar sein. Dabei kann die zweite Vermessungseinrichtung, d. h. die Streifenprojektionseinrichtung, oder auch nur die zweite Strahlquelle der zweiten Vermessungseinrichtung, entweder fest gegenüber der ersten Vermessungseinrichtung positioniert sein oder auch mit dem Festkörper in fester Relation zu diesem bewegbar sein.
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Wichtig ist, dass auch bei einer Vergrößerung des Abbildungsmaßstabes der Computertomographieeinrichtung dieser Maßstab genau kontrolliert und bei der Verrechnung der gemeinsamen gewonnen Daten berücksichtigt wird, um die durch die zweite Vermessungseinrichtung gewonnen Daten entsprechend umrechnen zu können.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung liegt in der Korrektur von Nichtlinearitäten eines Abbildungssystems durch ein a-priori-Wissen bei Durchstrahlungsaufnahmen.
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Ein solches Verfahren weist die folgenden Verfahrensstufen auf:
- • Initialisierung: Die Orientierung des Prüflings wird mit einer ersten schnellen Registrierung grob bestimmt.
- • Registrierung: Ausgehend von der groben Positionierung wird eine auf Merkmale und/oder auf Intensitäten gestützte Registrierung durchgeführt. Dies ist eine genauere Registrierung.
- • Bewegung: Nach erfolgreich durchgeführter Registrierung an einigen Projektionen kann die Lage des Prüflings, z. B. relativ zur Drehachse für weitere Projektionen berechnet werden.
- • Simulation: Mit Hilfe dieses Wissens kann eine virtuelle CT simuliert werden, welche die benötigten Eingangsdaten für die Korrekturverfahren der CT-Rekonstruktion liefert.
- • Korrektur: Die Korrekturparameter werden während der Datenaufnahme bestimmt. Eine Korrektur erfolgt; entweder hier oder später.
- • Rekonstruktion: Am Ende des Aufnahmeprozesses liegen korrigierte Projektionsdaten für eine verbesserte CT-Rekonstruktion des Prüflings vor.
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Mit der Initialisierung ist eine grob gerasterte Registrierung des Prüflings gemeint. Eine grobe Rasterung ist also eine Registrierung, deren Genauigkeit
- • bezüglich der Rotation wenige Grad, insbesondere oberhalb eines Winkelfehlers von etwa einem Grad; und/oder
- • bezüglich der Translation von etwa 1 mm bis 2 mm oder in einem Bereich von 1% einer typischen Prüflingsabmessung
beträgt. Damit bildet sich ein Startwert, der für eine im folgenden ablaufende genauere Registrierung benutzt wird. Dazu werden bspw. Merkmalspunkte verwendet. Diese sind bestimmte Paare.
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Die genaue Registrierung erfolgt in Abhängigkeit vom Prüfling merkmals- und/oder intensitäts”basiert” im Sinne einer Auswertung dieser Messwerte.
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Merkmalsbasierte Registrierung:
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Nach erfolgter grober Registrierung, beispielsweise ein Festlegen eines grob gerasterten Winkelwerts eines drehbar gelagerten Prüflings, ggf. auch mit einer zugehörigen Translation, werden singuläre Punktepaare gesucht, wobei ein singulärer Punkt ein solcher ist, der sich messbar von seiner Umgebung hervorhebt. Diese singulären Punkte können einmal solche sein, die ein Maximum oder ein Minimum besitzen, sowohl zweidimensional wie auch eindimensional. Messbar ist der sich von seiner Umgebung hervorhebende singuläre Punkt. Andere Möglichkeiten von zu verstehenden singulären Punkten sind solche, die Randpunkte des Objektschattens sind oder Schnittpunkte von Kanten darstellen.
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Ein Punkt eines digitalen Modell eines Prüflings (meist eines CAD-Modells) wird bei Projektion auf dem Detektor abgebildet. Der singuläre Punkt des Modells und der singuläre Punkt der Abbildung bilden ein Punktepaar, das als ”Merkmalspunkt” bezeichnet wird.
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Ist das Modell grob registriert, können Projektionen simuliert werden. Durch diese Simulation ergeben sich – entsprechend der groben Registrierung – ungefähre Positionen von Projektionen von Modell-Merkmalspunkten. Diese sind der Berechnung bekannt. Eine solche Kenntnis kann aber erst durch die grobe Registrierung des CAD-Modells erfolgen, welche in Folge die Simulation zur ungefähren Position der Projektion bringt.
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Aus den Messungen lassen sich ebenfalls Merkmalspunkte extrahieren. Diese Extraktion von den genannten singulären Punkten (im Sinne möglichst eindeutiger Merkmalspunkte) erfolgt mit Suchalgorithmen aus den Messungen. Die Suchalgorithmen sind an die simulierte Projektion des digitalen Modells angepasst.
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Bestehen nunmehr Merkmalspunkte (als Punktepaare), kann die Position zu Beginn der CT-Aufnahme registriert werden. Diese Registrierung erfolgt aus einer Projektion. Mögliche verwendbare Algorithmen, um diese Registrierung vorzunehmen, sind der Prozess Soft-POSIT, vgl. DeMenthon et al., SoftPOSIT, Simultaneous Pose and Correspondence Determination, International Journal of Computer Vision, 59 (3), 2004, Seiten 259 bis 284. Diese Möglichkeit der Registrierung der Startposition ist bei Anwendung des bekannten Prozesses SoftPOSIT relativ unempfindlich gegen falsch zugeordnete Merkmalspunkte(paare), wenn diese nicht zu sehr überhand nehmen.
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Intensitätsbasierte Registrierung:
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Das Vorgehen bei intensitätsbasierter Registrierungen ist es, die Ähnlichkeit zwischen Referenz- und Schablonenbild zu bestimmen. Hierbei werden Ähnlichkeiten mit statistischen Methoden gewonnen, als Grundlage dienen alle Pixelinformationen, vgl. Penney et al., ”A Comparison of Similarity Measures for Use in 2-D-3-D Medical Image Registration”, IEEE Transactions on Medical Imaging, 17(4), 1998, Seiten 586 bis 595.
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Intensitätsbasierte 2D oder 3D-Registrierungsalgorithmen optimieren, ausgehend von einem hinreichend guten Startwert, die Ähnlichkeit von Referenz und transformierter Schablone, vgl. Pluim, IEEE Transactions on Medical Imaging, 22(8), 2003, Seiten 986 bis 1004.
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So kann ein A-priori Wissen ausgenutzt werden, eine Registrierung erfolgreich durchzuführen. Das CT-Modell als Soll-Daten des Prüflings und das dadurch eingesetzte A-priori Wissen können an mehreren Projektionen in unterschiedlichen Lagen des Prüflings eingesetzt werden. Jede Lage ist durch einen anderen Drehwinkel charakterisiert, den der Prüfling relativ zu einer Drehachse einnimmt. Die Registrierung als 2D-Registrierung oder 3D-Registrierung erfolgt alternativ und veranlasst vom Anwendungsfall. Aus einer 2D-Fächerstrahl-CT kann problemlos auf eine 3D-Konusstrahl-CT generalisiert werden. Jeweils nachgeführt wird die Art und Weise des Detektors, der entweder als Zeilendetektor. bei einer 2D-CT ausgebildet ist, oder als Flächendetektor bei einer 3D-CT. In beiden Annahmefällen werden durch das Objekt und durch die Durchstrahlung mit der Messstrahlung von der punktförmigen Quelle aus abgeschwächte Intensitäten auf dem Detektor abgebildet, jeweils als eine Projektion bei jeweils einem Drehwinkel des Prüflings.
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Der Idealfall ist ein perfekt justiertes CT-Abbildungssystem. Hier braucht lediglich noch die Lage der Drehachse bekannt zu sein, um den der Prüfling in Winkelinkrementen verdreht wird.
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Diese Winkelinkremente zwischen den Aufnahmepositionen des Prüflings sind hinreichend genau bekannt. Die Registrierung ebenfalls. Mit einem registrierten digitalen Modell des Prüflings ist es jetzt möglich, eine CT-Simulation vorzunehmen. Diese kann für beliebige Detektorpixel auf dem Detektor bei einer beliebigen Drehlage des Prüflings die zugehörig eine von einem von der punktförmigen Quelle jeweils gedacht ausgehenden Messstrahl durchstrahlte Länge liefert.
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Die Registrierung an einigen Projektionen erlaubt es, an verbliebenen Projektionen die CT so einzusetzen, dass die Lage des Prüflings für weitere Projektionen berechenbar wird.
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Eine Simulation in Form einer virtuellen CT kann auf Grund des vorstehenden Wissens erfolgen. Sie liefert die benötigten Eingangsdaten für Korrekturverfahren bei der Rekonstruktion.
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Eine Korrektur, zumindest eine Bereitstellung von Korrekturparametern, erfolgt während der Datenaufnahme. Bei der virtuellen CT entstehen für beliebige Detektorstellen (Pixel) bei jeder angenommenen inkrementellen Drehlage des Prüflings zugehörig durchstrahlte Längen. Eine jeweils durchstrahlte Länge und eine zugehörig gemessene Intensität am Detektor werden zu Wertepaaren kombiniert. Um die Korrekturdaten bei der Datenaufnahme zu bestimmen, sind nicht Daten von allen Projektionen notwendig.
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Einige Projektionen reichen, beispielsweise eine repräsentative Auswahl, die einen Winkelbereich von unter 360° abdeckt, insbesondere deutlich darunter. Nachdem die Korrekturdaten schon während der Datenaufnahme bestimmt werden und nicht alle Projektionen als Eingangsgröße notwendig sind, die Korrekturparameter zu bestimmen, kann mit der Bestimmung der Korrekturdaten bereits begonnen werden, wenn diese repräsentative Auswahl von Projektionen aufgenommen wurde. So läuft zumindest ein Teil der Berechnung der Korrekturparameter und der weitere Aufnahmeprozess parallel. Bevorzugt kann die Berechnung der Korrekturparameter abgeschlossen sein, oder abgeschlossen werden im Wesentlichen mit dem Ende des Aufnahmeprozesses, also auch derjenigen Projektionen, die für die repräsentative Auswahl nicht benötigt werden. Die Rekonstruktion kann im zeitlichen Bereich nach/bei Abschluss der Aufnahme erfolgen, erlaubt also eine geringere Verzögerung bis zum Vorliegen des Ergebnisses.
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Als Korrekturverfahren können solche Verfahren angewendet werden, die in ”Quality Improvements for Conebeam CT using Beam Hardening and Scattering Correction”, Third World Congress on Industrial Process Tomography, Banff, Canada, 2002, Seiten 90 s bis 95 herangezogen werden. Für die Rekonstruktion liegen bereits korrigierte Projektionsdaten vor, so dass die erste Rekonstruktion bereits mit Korrekturdaten arbeiten kann. Eine Rekonstruktion kann bereits auf korrigierte Messdaten zurückgreifen. Bereits die erste Rekonstruktion liefert ein vollständig korrigiertes Volumen des rekonstruierten Prüflings. Es ergibt sich eine verbesserte CT-Rekonstruktion.
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Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, das zeitaufwendige iterative Nachverarbeitungsschritte entfallen können, wenn die Solldaten des Prüflings als a-priori-Wissen verwendet werden können. Dies schlägt sich in einer besseren Rekonstruktion des Prüflings in den Computertomographiedaten nieder.
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(Zitatende)
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet bei diesem Verfahren dann besonders effektiv, wenn die erste Vermessungseinrichtung und die zweite Vermessungseinrichtung gleichzeitig betrieben werden oder zumindest zeitlich überlappend, da bei der Auswertung der ersten Daten bereits teilweise zweite, durch die zweite Vermessungseinrichtung gewonnene Daten, herangezogen werden können. Auf diese Weise muss nicht der Abschluss einer Vermessung abgewartet werden, bis die zweite Vermessung beginnen kann und die Dauer der gesamten Vermessung wird insgesamt verkürzt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in den 1 bis 5 gezeigt und nachfolgend beschrieben.
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Dabei zeigt
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1 ein Flussdiagramm, mittels dessen die Auswertung der Daten verdeutlicht wird,
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2 schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 an einem zweidimensionalen Beispiel von Pixeln die Funktion der Erfindung,
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4 in einer detaillierten Darstellung die Gestaltung der Auswerteinrichtung.
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1 zeigt exemplarisch und schematisch vereinfacht drei zweidimensionale Durchleuchtungsbilder 1, 2, 3, die mittels eines Röntgentomographieverfahrens unter unterschiedlichen Durchleuchtungswinkeln bzgl. Des durchleuchteten Gegenstands als Durchleuchtungsbilder auf einem Röntgenschirm aufgenommen und gespeichert sind. Mittels des bekannten Computertomographie-Rechenverfahrens können diese Durchleuchtungsbilder, die den zu vermessenden Festkörper aus unterschiedlichen Winkeln durchleuchtet darstellen, in eine dreidimensionale Abbildung des Gegenstandes umgerechnet werden. Dabei ist es selbstverständlich möglich, auch weitaus mehr als drei Aufnahmen zur Berechnung heranzuziehen.
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Die dreidimensionale Abbildung liegt in Form von Grauwerten bzw. Intensitätswerten in einer dreidimensionalen Voxelmatrix 4 vor. Jedem Teilvolumenwürfel dieser Matrix 4 ist ein gesonderter Intensitätswert zugeordnet.
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Auf der rechten Seite der 1 ist beispielhaft eine Abbildung einer Pyramide 5 dargestellt, die mit einem Oberflächen-Vermessungsverfahren erzeugt worden ist. Diese Messung kann beispielsweise weniger Messpunkte enthalten als die Messung, die durch das erste Vermessungsverfahren gewonnen ist, jedoch sind die einzelnen Messpunkte gegenüber dem Computertomographieverfahren genauer.
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Die Messergebnisse 5 des durch das zweite Vermessungsverfahren gewonnen Abbildes werden in die Matrix eingerechnet, indem anhand der durch das zweite Vermessungsverfahren festliegenden Körpergrenzen an den Punkten, an denen diese festgelegt sind, Schwellwerte für die Auswertung der Computertomographiedaten festgelegt werden, und zwar als lokale, gegebenenfalls lokal unterschiedliche Schwellwerte.
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Dort wo nicht mittels des zweiten Vermessungsverfahrens entsprechende Informationen vorliegen, werden die lokalen Schwellwerte durch Interpolation der übrigen, vorliegenden Schwellwerte ermittelt.
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Damit liegen für die gesamte Matrix 4 mit gleicher Dichte wie die Intensitätswerte auch entsprechende lokale Schwellwerte vor, die in Form der Matrix 6 dargestellt sind.
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Durch Anwendung der in der Matrix 6 gespeicherten Schwellwerte auf die in der Matrix 4 gespeicherten Intensitätswerte der Computertomographie können die Körpergrenzen des zu vermessenden Festkörpers genau berechnet werden. Das entsprechende Berechnungsergebnis ist symbolisch in der Matrix 7 dargestellt und anschaulicher in der Pyramide 8. Der Vorteil des endgültigen Messergebnisses 8 liegt nun darin, dass einerseits teilweise Messwerte mit der hohen Messgenauigkeit des zweiten Messverfahrens vorliegen, dass andererseits aber auch dort, wo diese Messwerte nicht vorliegen, mittels des ersten Vermessungsverfahrens verlässliche Werte gewonnen werden können, deren Genauigkeit durch Heranziehung des zweiten Vermessungsverfahrens erhöht worden ist. Dadurch können beispielsweise auch Hohlräume in dem Festkörper, die mittels des zweiten Vermessungsverfahrens, soweit dieses eine Oberflächenmessung erfasst, nicht nachgewiesen werden, mittels eines Durchstrahlungsverfahrens genau erfasst werden. Dies ist insbesondere beim Einsatz im Qualitätssicherungsverfahren bei der Überprüfung von Gussteilen oder ähnlichem wichtig.
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Die 2 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die einzelnen Elemente nur schematisch dargestellt sind. Auf einer Grundplatte 9 ist eine Bewegungsvorrichtung 10 für den zu vermessenden Festkörper 11 angeordnet, mit einer antreibbaren Welle 12, einem Motor 13 und einem Getriebe 14 sowie einem Drehteller 15. Der Festkörper ist auf dem Drehteller 15 fest positioniert und kann durch den Antrieb um die senkrechte Achse 16 in kleinen Schritten, beispielsweise von 0,9°, gedreht und dazwischen angehalten werden.
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Auf der Grundplatte 9 sind außerdem zwei Strahlquellen fest montiert, eine Röntgenquelle 17, beispielsweise in Form einer Mikrofokusröntgenröhre, die den Festkörper 16 zu einem Röntgenschirm 18 hin durchstrahlt sowie eine Streifenprojektionsvorrichtung 19, die ein geometrisches Muster auf den Festkörper 11 strahlt und die Verzerrungen, die sich durch die Formgebung des Festkörpers 11 ergeben, detektiert.
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Anstelle der Streifenprojektionsvorrichtung 19 kann auch eine andere Oberflächenabbildungsvorrichtung, beispielsweise eine Tastvorrichtung oder eine Abstandsmessvorrichtung, unter Verwendung von Laufzeitmessungen sowie eine interferometrische Vermessungseinrichtung vorgesehen sein.
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Wichtig ist, dass die beiden Einrichtungen 17, 19 fest zueinander positioniert sind bzw., wenn sie gegeneinander bewegt werden, diese Bewegung in dem gemeinsamen Koordinatensystem genau definiert ist.
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Die Daten, die durch den Röntgenschirm 18 aufgenommen werden, werden an eine Recheneinrichtung 20 geleitet, die auch Daten von der Antriebseinrichtung 12, 13, 14 über die Winkelstellung des Festkörpers 11 erhält. Die Recheneinrichtung 20 erhält zusätzlich auch die Messergebnisse der Streifenprojektionseinrichtung 19. Somit kann die Recheneinrichtung die anhand der 1 dargestellten Rechnungen durchführen und die erwähnten dreidimensionalen Matrizen speichern und verarbeiten.
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Im Ergebnis ermittelt die Recheneinrichtung 20 eine Repräsentation des Festkörpers 11 in drei Dimensionen, die beispielsweise in verschiedenen Ansichten auf dem Bildschirm 21 darstellbar ist.
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Anhand der 3 soll in einem vereinfachten schematischen zweidimensionalen Beispiel dargestellt werden, wie die Ergebnisse der beiden Vermessungsverfahren rechnerisch kombiniert werden.
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Zunächst ist in der Matrix 22 eine Menge von Pixeln dargestellt, denen Intensitätswerte in Form von Zahlen zugeordnet sind. Diese stellen ein Messergebnis der Computertomographie dar.
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Außerdem sind an zwei Stellen Messungen der Körpergrenze des zu vermessenden Festkörpers eingezeichnet, in Form von Strichen 23, 24. Diese Daten wurden mit Hilfe der Streifenprojektionseinrichtung gewonnen.
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Würde nun bei der Auswertung der Tomographiedaten das Ergebnis des zweiten Vermessungsverfahrens nicht berücksichtigt, so könnte beispielsweise ein globaler Schwellwert zur Ermittelung der Formen des Festkörpers zwischen der Intensität 1 und der Intensität 2 festgelegt werden. Entsprechend würde rechnerisch überprüft, an welchen Stellen in der zweidimensionalen Matrix (in Wirklichkeit in einer dreidimensionalen Matrix) dieser Schwellwert überschritten wird. Es ergäbe sich eine Festkörpergrenze, die in der 3 im rechten Teil in der Matrix 25 strichliniert dargestellt ist und die zwischen den Pixeln, die die Intensität 1 darstellen und den jeweiligen benachbarten Pixeln, die die Intensität 2 darstellen, verläuft.
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Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung genutzt, so werden lokale Schwellwerte anstelle eines einzigen globalen Schwellwertes ermittelt, dadurch dass alle vorliegenden Messergebnisse des zweiten Vermessungsverfahrens, dargestellt durch die beiden Striche 23, 24 in der Matrix 22, berücksichtigt werden. Dies führt zu dem Ergebnis, dass im linken Teil der Matrix der lokale Schwellwert zwischen 1 und 2 liegt, während dieser im rechten Teil der Matrix, d. h. in einem anderen Bereich des Festkörpers, zwischen 2 und 3 liegt. Es wird nun näherungsweise dieser lokale Schwellwert auf Nachbarbereiche ausgeweitet und erst danach mittels der nun für die gesamte Matrix bekannten Schwellwerte die entsprechende Festkörpergrenze ermittelt. Diese stellt sich im Ergebnis in der Matrix 26 dar. Es ergibt sich deutlich ein Unterschied zu dem Ergebnis aus der Matrix 25, das unter Anwendung eines einzigen globalen Schwellwertes entstanden ist.
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Somit können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Ergebnisse beider Vermessungsverfahren derart optimiert miteinander kombiniert werden, dass Messfehler bei der Computertomographiemessung ausgeglichen werden können.
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In 4 ist in einer Übersicht die Recheneinrichtung 20 detailliert dargestellt. Dabei ist eine erste Auswerteinrichtung 27 beispielsweise in Form eines Mikro-Controllers oder Mikroprozessors vorgesehen, dem über eine Datenleitung 28 die zweidimensionalen Bilddaten vom Sensorschirm 18 des Computertomographen zugeleitet werden. Gleichzeitig kommuniziert die erste Auswerteinrichtung 27 über die Datenleitungen 29 mit dem Antrieb 13 der Vorrichtung und kann die Antriebsvorrichtung zum schrittweisen Zurücklegen von Drehwinkelschritten ansteuern. Auf umgekehrtem Weg erhält die Auswerteinrichtung 27 von der Antriebseinrichtung Informationen über die Drehwinkelstellung des zu vermessenden Objekts 11.
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Aus mehreren auf diese Weise gewonnen zweidimensionalen Röntgenaufnahmen, die jeweils eine zweidimensionale Bildmatrix bilden, kann mittels bekannter Auswertverfahren eine dreidimensionale Voxelmatrix als Computertomographieabbild des zu vermessenden Objekts gewonnen werden. Dieses wird in der ersten Speichereinrichtung 30 als dreidimensionale Matrix gespeichert. Es ist dies die erste Auswertung der Röntgencomputertomographieaufnahme mit den ihr naturgemäß anhaftenden Ungenauigkeiten und Fehlern.
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Gleichzeitig wird über ein Streifenprojektionsmesssystem, beispielsweise das von der Fraunhofer-Gesellschaft unter dem Namen Kolibri, entwickelte System (vgl. http://www.iof.fraunhofer.de/departments/optical-systems/3d-shape-measurement/index-d.html) die äußere Kontur des Messobjekts erfasst.
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Die Streifenprojektionseinrichtung ist in 2 mit 19 bezeichnet und schematisch dargestellt. Grundsätzlich ist ein Projektor vorgesehen, der ein Muster aus parallelen abwechselnd hellen und dunklen Streifen und gegebenenfalls ein zweites Muster aus senkrecht dazu angeordneten Streifen auf den Festkörper das Messobjekt projiziert. Es ist außerdem mindestens ein Bildsensor, beispielsweise in Form einer digitalen Kamera, vorgesehen, der winkelmäßig gegenüber dem Projektor versetzt ist und über ein Triangulationsverfahren die Projektion der Streifen auf der Festkörperoberfläche aufnimmt. Durch die Registrierung verschiedener Bilder in unterschiedlichen Drehwinkeln des Körpers kann in grundsätzlich bekannter Weise die Oberfläche des Körpers berechnet werden.
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Das Streifenprojektionssystem ist schematisch in der 5 dargestellt.
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Die durch das Streifenprojektionssystem gewonnen Daten werden der zweiten Auswerteinrichtung 31 über die Leitung 32 zugeführt und dort wie beschrieben ausgewertet. Zusätzlich kommuniziert die zweite Auswerteinrichtung 31 über die Leitungen 33 mit dem Antrieb 12, 13, 14 der Vorrichtung.
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Die mittels der zweiten Auswerteinrichtung 31 gewonnenen dreidimensionalen Daten über die Oberflächenkontur des Messobjektes werden mittels der Datenleitung 34 der ersten Auswerteinrichtung 27 zugeleitet und mit den in der ersten Speichereinrichtung 30 vorhandenen Daten derart verrechnet, dass lokale Schwellwerte für die verschiedenen Volumenbereiche des Messobjektes bestimmt werden. Diese lokalen Schwellwerte werden in der zweiten Speichereinrichtung 35 gespeichert, wobei grundsätzlich ebenso viele lokale Schwellwert bestimmt werden, wie Volumeneinheiten (Voxel) in der ersten Speichereinrichtung vorliegen. Es können jedoch auch weniger Schwellwerte berechnet werden, wenn diese schematisch für größere Bereiche des Messobjektes verwendet werden.
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In der Subtraktionseinrichtung 36 werden nun die jeweils geltenden lokalen Schwellwerte aus der zweiten Speichereinrichtung 35 von den in der Speichereinrichtung 30 gespeicherten Intensitätswerten voxelweise subtrahiert und das Ergebnis wird in der dritten Speichereinrichtung 37 gespeichert.
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Auf die in dieser dritten Speichereinrichtung 37 gespeicherten, gewissermaßen korrigierten Intensitätswerte kann nun ein globaler Schwellwert angewendet werden, um die Konturen bzw. Konsistenzgrenzen des Messobjektes/zu vermessenden Festkörpers zu berechnen. Die entsprechenden Messergebnisse können dann in einem Anzeigesystem, beispielsweise mit einem Monitor 21, dargestellt werden.
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Grundsätzlich ist zu festzustellen, dass die verschiedenen Speichereinrichtungen 30, 35, 37 physikalisch in einem einzigen Speicher zusammengefasst sein können, beispielsweise durch eine mehrdimensionale Organisation des Speichers.
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In der 5 ist schematisch das Streifenprojektionssystem dargestellt, mit einem Projektor 38, der ein Streifenmuster 39 auf das Messobjekt 11 projiziert. Das Streifenmuster wird durch eine Kamera 40 aus einem von der Projektionsrichtung abweichenden Winkel aufgenommen. Über ein Triangulationsverfahren kann, wenn der Abstand 41 zwischen dem Projektor und der Kamera sowie die Winkel und die übrigen Abstände bekannt sind, die Oberflächenkontur des Festkörpers bestimmt werden. Dieses Streifenprojektionssystem ist, obwohl es komplexer als hier dargestellt aufgebaut ist, in der 2 lediglich sehr schematisch in Form einer einzigen Box dargestellt, um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu erhalten.