JP2003345839A - 三次元モデル作成方法及びシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実物を元にした設計とＣＡＤシステムにおけ
る設計を統一的に扱うことができる三次元モデル作成方
法を提供する。 【解決手段】 切削加工等により作成された被加工物の
形状を三次元形状測定装置等により測定し、対象物の表
面の点群データを取り込む。点群データから被加工物の
表面を表現するサーフェスデータを作成し、続いてサー
フェスデータを接続して連続面を表現するフェースデー
タを作成する。さらに、隣接するフェースデータ間にあ
る開いた空間を接続し、接続されたフェースデータによ
って閉じられた空間から理論演算が可能なソリッドデー
タを作成する。これによって、三次元ＣＡＤの操作技術
を習得していない者でも、実物の形状を三次元モデルと
して扱うことが可能となる。また、従来大変な時間と手
間を必要としたソリッドモデルの構築を略自動で行うこ
とができ、開発設計期間の短縮につながる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元ＣＡＤシス
テム上に三次元モデルを作成する方法に関し、より詳細
には三次元形状測定装置を用いて取得した対象物の表面
点群データを用いて三次元モデルを作成する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータの普及と発達により、機械
設計は二次元ＣＡＤ（Computer AidedDesign）から三次
元ＣＡＤに移行しつつある。三次元ＣＡＤにおいて問題
となる点の１つに、形状を入力する方法が挙げられる。
一般に、三次元モデルをＣＡＤシステム上に構築するに
は専門的な技能が必要となり、またこの作業には大変時
間がかかる。このような入力の問題を解決するために、
リバース・エンジニアリングの手法が注目され始めてい
る。具体的には、三次元モデルを構築したい対象物の表
面形状のデータをＣＡＤに入力することによって、ＣＡ
Ｄシステムにモデルを構築する。

【０００３】物体の表面形状データを作成するものとし
て、従来より三次元形状測定装置が知られている。三次
元形状測定装置は、例えば非接触レーザー方式で対象物
の表面を走査し、三次元点群データを作成する。この点
群データをＣＡＤシステムに取り込み、点群データにマ
ッチする曲面を形成することで、ＣＡＤシステム上に三
次元モデルを構築することができる。

【０００４】このような三次元測定を設計と組み合わせ
ることで、試作・製造工程の短縮化を図ることも行われ
ている。例えば、特開平１０−６２７号公報では、ＣＡ
Ｄによる三次元データを元にデザインモデルを製作し、
このデザインモデルを評価して新たな三次元データを得
る工程を含む、製品の生産方法が開示されている。この
方法によれば、製品を製作するための簡易金型を製作す
るまでにデザイン評価及び機能評価を行うことが出来る
ために、デザイン開発から製作に至るまでの研究開発期
間を短縮することが出来るとしている。また、特許３０
５７９６０号では、被測定物である三次元加工物の形状
を測定することで得られた形状測定データを使用して、
三次元加工物を評価する三次元形状加工物の評価装置が
開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上に述べた種々の方法
では、表面形状を三次元モデル化しているにすぎない。
例えば金型形状の確認であれば、金型の表面形状のみが
三次元モデル化されていれば足りるが、部品の応力解析
やモーダル解析を実行するに当たっては、これら表面形
状モデルをいわば「中身の詰まった」立体（ソリッドモ
デル）にする必要がある。従来、部品のソリッドモデル
は、平面図等を元にして、ＣＡＤ技術者がワイヤーフレ
ームモデルを作成したりプリミティブを組み合わせたり
するソリッドモデリングにより作成されていたが、この
作業には操作の習熟が必要である。

【０００６】また技術者の中には、ＣＡＤ技術は習得し
ていないが加工方法や材料物性等に詳しく、粘土による
模型を作成したり実際に加工を行って設計を進めていく
者も存在する。これら技術者の設計した模型をソリッド
モデル化するには、かなりの手間がかかり、また曲面表
現等の制約から技術者の意図をソリッドモデルに反映さ
せることが困難な場合もあった。

【０００７】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、対象物の表面点群データを用いて三次元モデルを
作成することによって、実物を元にした設計とＣＡＤシ
ステムにおける設計を統一的に扱うことができる三次元
モデル作成方法及びシステムを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、粘土等で成型
されたクレイモデルや、鋳造、溶接、切削加工等により
作成された被加工物の形状を三次元形状測定装置等によ
り測定し、三次元ＣＡＤ上にソリッドモデル化すること
を特徴とする。

【０００９】本発明の一実施形態はＣＡＤシステム上に
対象物の三次元モデルを作成する方法であって、対象物
の表面の点群データを取り込み、点群データから前記対
象物の表面を表現するサーフェスデータを作成し、サー
フェスデータを接続して連続面を表現するフェースデー
タを作成し、隣接するフェースデータ間にある開いた空
間を接続し、接続されたフェースデータによって閉じら
れた空間から理論演算が可能なソリッドデータを作成す
ることを含む。

【００１０】これによって、三次元ＣＡＤの操作技術を
習得していない者でも、クレイモデル等により設計した
形状を三次元モデルとして扱うことが可能となる。ま
た、従来大変な時間と手間を必要としたソリッドモデル
の構築を略自動で行うことができ、開発設計期間の短縮
につながる。

【００１１】本発明の別の一面は、ソリッドデータと種
々のプリミティブとのブール演算を行うことによって、
対象物の形状に一致するようソリッドデータを修正する
ことをさらに含む方法である。これによって、三次元形
状測定装置の性能の限界により、あるいは対象物の複雑
な形状のために、上述の方法では対象物の表面形状を再
現したソリッドデータが作成できない場合にも対応する
ことができる。

【００１２】本発明のさらに別の一面は、形状修正部分
の表面の点群データを取り込み、点群データから前記対
象物の表面を表現するサーフェスデータを作成し、サー
フェスデータを接続して連続面を表現するフェースデー
タを作成し、隣接するフェースデータ間にある開いた空
間を接続し、接続されたフェースデータによって閉じら
れた空間から形状修正部分のソリッドデータを作成し、
作成した形状修正部分のソリッドデータを前記対象物の
ソリッドデータに合成することを含む。これにより、設
計変更により対象物の一部分の形状を修正したときでも
迅速に修正後のＣＡＤモデルを作成することができる。

【００１３】本発明のさらに別の一面は、ＣＡＤシステ
ム上に対象物の三次元モデルを作成するシステムであ
る。該システムは、対象物の表面の点群データを測定す
る三次元形状測定装置と、点群データから前記対象物の
表面を表現するサーフェスデータを作成するサーフェス
データ作成手段と、サーフェスデータを接続して連続面
を表現するフェースデータを作成するフェースデータ作
成手段と、隣接するフェースデータ間にある開いた空間
を接続する手段と、接続されたフェースデータによって
閉じられた空間から理論演算が可能なソリッドデータを
作成するソリッドデータ作成手段とを有する。

【００１４】

【発明の実施の形態】初めに、ＣＡＤシステム等のコン
ピュータ上に三次元モデルを作成する手法について概説
する。

【００１５】二次元の形状を表示するには、図形を構成
する頂点の座標値や稜線の形状データなどの幾何学的な
データをコンピュータに蓄えておけばよいが、三次元の
立体を表現する場合には、頂点と稜線に加えて面という
幾何要素が必要となる。加えて、各要素間の関係を表現
する位相要素も必要になる。このような立体を表現する
方法として、サーフェスモデルとソリッドモデルがあ
る。

【００１６】サーフェスモデルは、立体の表面のデータ
はあるが、中は空になっているモデルである。つまり、
サーフェスモデルは立体を面の集まりとして表現してい
るだけであり、要素間のつながり具合は表現しておら
ず、立体の表現方法としては厳密でない。これに対し、
立体を完全に表現できるモデルがソリッドモデルであ
る。サーフェスモデルが中空であるのに対し、ソリッド
モデルでは中身も詰まっている。従って、ソリッドモデ
ルをコンピュータ上に表現するためには位相要素を決定
しなければならない。ソリッドモデルのコンピュータ内
部での表現方法としては、プリミティブと呼ばれる基本
立体を定義し、これを集合演算によって組み合わせるこ
とで立体を表現する方法と、立体をその境界面で表現
し、コンピュータ内に境界面の位相情報を保持する方法
がある。

【００１７】本発明は、三次元測定により得られたデー
タから三次元空間における曲面のデータであるサーフェ
スデータを作成し、サーフェスデータから立体の表面を
表すフェースデータを作成し、さらに閉じたフェースデ
ータから１つの立体を表す位相要素であるソリッドデー
タを作成する方法に関している。

【００１８】図１は、本発明の一実施形態である三次元
モデル作成システムの全体構成である。三次元形状測定
装置１０は、レーザ光を手動により測定対象物１６に照
射してその反射光から対象物の表面までの距離を計測す
るラインスキャナ１２と、ラインスキャナ１４の姿勢情
報を取り込む姿勢計測器１４と、双方に接続される点群
データ作成部１８から構成される。点群データ作成部１
８は、ラインスキャナ１２から送られる距離情報と姿勢
計測器１４から送られる姿勢情報から、対象物１６の表
面上の測定点を三次元座標で表す点群データを計算す
る。

【００１９】三次元形状測定装置１０は、上記のような
レーザ方式でなくプローブを対象物に当接して表面形状
を計測するものでも良い。

【００２０】点群データは、不要な点の削除等の処理を
行う前処理部２０を経て、サーフェスデータ作成部２２
へ送られる。サーフェスデータ作成部２２は、点群デー
タからサーフェスデータを作成し、三次元ＣＡＤシステ
ム３０へ送る。

【００２１】三次元ＣＡＤシステム３０は、具体的には
中央処理装置、大容量記憶装置、入力装置、ディスプレ
イ装置等から構成されるが、図１では、フェースデータ
作成部２４、ボリューム作成部２６、及びソリッドデー
タ作成部２８の各機能ブロックとして表している。サー
フェスデータ作成部２２から送られたサーフェスは、こ
れら各部によって順に処理を施されて、ソリッドへと変
換される。ＣＡＤシステムは種々のものを使用すること
ができるが、三次元データの表現形式として境界表現
（boundary representations）を採用している必要があ
る。

【００２２】図１においては、前処理部２０、サーフェ
スデータ作成部２２、及びＣＡＤシステム３０を別個独
立した装置として表しているが、それぞれの機能を有す
るアプリケーションを一台のコンピュータ内に格納して
本発明の三次元モデル作成システムを実現することもで
きる。また、それぞれのアプリケーションを備えたコン
ピュータをＬＡＮ等のネットワークで接続することによ
って三次元モデル作成システムを実現することもでき
る。

【００２３】前処理部２０、サーフェスデータ作成部２
２またはＣＡＤシステム３０の機能を有するアプリケー
ションは、種々のものが実現されている。当業者には周
知の通り、このようなアプリケーション間でのデータの
移行にはフォーマット変換を伴うことがほとんどである
が、以下の説明では特に必要でない限り個別には言及し
ない。フォーマット変換を行うトランスレータは当業者
であれば作成可能であるので、本発明は、アプリケーシ
ョンやフォーマットの種類に関係なく適用可能であるこ
とは理解されるであろう。

【００２４】次に、本発明による三次元モデル作成シス
テムの動作について、図２を参照して説明する。図２の
左列はこの動作のフローチャートであり、右列は各過程
におけるデータの一例を示している。

【００２５】まず、三次元形状測定装置１８を用いて、
対象物の表面形状の測定を行う（Ｓ４０）。本実施形態
では、対象物１６を塗装するようにラインスキャナ１２
を手動で動かして、表面形状の点群データを取得する。
この方式は、一方向からレーザ光を対象物に照射する方
式に比べて、対象物の三次元形状をよりよく表現できる
という利点がある。対象物が大きなものである場合は、
姿勢変更が極力少なくなるように効率的な測定姿勢を考
えて測定する。

【００２６】取得された点群データは、前処理部２０に
送られ、位置合わせ、複数方向からのデータの統合、床
面等の不要な点群データの削除といった前処理を施され
る（Ｓ４２）。

【００２７】一般に、この点群データは対象物が比較的
簡単な形状であっても数十万点以上のデータ量となるの
で、三次元ＣＡＤシステム３０に直接取り込むことがで
きない。そこで、サーフェスデータ作成部２２により、
前処理済みの点群データからサーフェスデータが作成さ
れる（Ｓ４４）。点群データからサーフェスデータを作
成するには種々の方法がある。本実施形態では、点群デ
ータに含まれているノイズを除去し、計算時間を短縮す
るために適宜データの間引きを行った後、ポリゴン化を
実行する。そして、不良ポリゴンの削除、平滑化、穴埋
め、エッジの修正等の修正を施し、ポリゴンの特徴線を
抽出し、さらにサーフェスデータで表現できるように面
の構成を整える。そして、それぞれの面に対しグリッド
を作成し、グリッドを元にサーフェスデータを作成す
る。以上の一連の処理は、既知のサーフェス自動生成ソ
フトウェアを用いて行うことができる。サーフェスデー
タは、ベジエ曲面、ＮＵＲＢＳ曲面等の数学的表現で保
持される。

【００２８】ポリゴンからサーフェスデータを作成する
方法は、点群データに対し高精度の曲面が作成可能であ
るため好ましいが、別の実施形態では、点群データから
まず断面情報（ワイヤーフレーム）を生成し、その後各
断面を連続して接続するようにサーフェスを作成するこ
ともできる。

【００２９】既に述べたようにサーフェスは対象物の表
面の幾何情報にすぎないので、立体を完全に表現できる
ソリッドモデルを構築するには、まずサーフェスデータ
を接続して連続面を表現するフェースデータにしなけれ
ばならない。ところが、サーフェスデータからフェース
データを作成すると、隣接するフェースデータ間に位相
的な空間が生じることがある。これは、隣接するサーフ
ェスデータが厳密な意味で接していなかったために、デ
ータ変換の際の許容値（トレランス）の違い等より生じ
る現象である。従来では、フェースデータ間の境界線を
選択してマージを行い閉じた空間にする処理（以下、
「クローズ処理」という）を行っていた。クローズ処理
は自動で行える場合もあるが、手作業による修正も必要
であった。そのため、三次元モデルの作成においては、
このクローズ処理に要する時間の占める割合が非常に大
きかった。

【００３０】本発明では更に、全てのサーフェスデータ
が閉じるものと仮定することでサーフェスデータから直
接閉じたフェースデータが作成される（Ｓ４６）ので、
モデル作成時間が１／１０程度の時間に短縮され、操作
の向上が達成されている。

【００３１】従って、三次元モデルの作成時間が大幅に
短縮されることになり、ひいては開発設計期間の短縮に
つながる。そして作成したフェースデータからボリュー
ムを作成し（Ｓ４８）、ボリュームからソリッドデータ
が作成される（Ｓ５０）。この過程は周知であるので、
詳細には説明しない。

【００３２】以上説明したようにして対象物の三次元モ
デルを作成することができるが、実際には、対象物が単
純な形状ではなく、図２の右列に示すトランスミッショ
ンケースの一部の部品のように非常に複雑な形状をして
いることがある。このような場合、表面からは測定でき
ない裏面に加工が施されていたり、あるいは穴が深くレ
ーザ光が底面まで的確に届かなかったりして、対象物の
正確な形状を再現できないことがある。このような場合
は、ＣＡＤシステム３０において、ステップ５０で完成
したソリッドモデルと種々のプリミティブとのブール演
算を実行することで、対象物のより正確な形状を作成す
ることができる。

【００３３】このように部品のソリッドモデルを作るこ
との利点は、解析、加工等の様々な場面で自動的な処理
が可能となることである。立体をソリッドモデルで表現
することで、例えば、体積、重心、慣性モーメントとい
ったマス・プロパティの計算や、ＣＡＥ（Computer Aid
ed Engineering）解析に先立つオートメッシュ等が実現
される。

【００３４】本発明の別の実施形態では、既にソリッド
モデルが作成されている部品に対し設計変更を施した場
合に、この変更を迅速にソリッドモデルに反映させる方
法を提供する。この方法について図３のフローチャート
を参照して説明する。

【００３５】まず、鋳造や切削等により作成された部品
に対し強度試験等の特性評価を行い、所望の特性が得ら
れていない部分について粘土等により肉盛りやリブ付け
を加えたり、あるいはさらに加工を施して形状を修正し
た部品を作成する（Ｓ６０）。続いて、形状を修正した
部分について三次元形状の測定を行い、既に述べた方法
によりこの部分のソリッドデータを作成する（Ｓ６
２）。そして、元の部品のソリッドデータと形状修正部
分のソリッドデータを合成して、修正後の全体のソリッ
ドデータを得る（Ｓ６４）。この方法は、一度設計した
部品について望ましい特性が得られなかったときなどに
有効なリバース・エンジニアリング手法と言うことがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、三次元ＣＡＤの操作技
術を習得していなくても、実物を元にして設計した対象
物をソリッドモデル化することができるので、三次元Ｃ
ＡＤ上で様々な設計思想を一体化した開発を行うことが
でき、また、ＣＡＤ上の解析ツールを使用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による三次元モデル作成システムの全体
構成図である。

【図２】三次元モデル作成方法を説明するフローチャー
トである。

【図３】形状修正部分を反映させたソリッドモデルを作
成する方法を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１０ 三次元形状測定装置 １６ 測定対象物 １８ 点群データ作成部 ２０ 前処理部 ２２ サーフェスデータ作成部 ２４ フェースデータ作成部 ２８ ソリッドデータ作成部 ３０ ＣＡＤシステム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F069 AA04 AA61 DD15 DD25 GG01 GG04 GG07 HH09 HH30 JJ01 MM04 NN00 5B046 FA04 FA18

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＣＡＤシステム上に対象物の三次元モデル
   を作成する方法であって、 対象物の表面の点群データを取り込み、 前記点群データから前記対象物の表面を表現するサーフ
   ェスデータを作成し、 前記サーフェスデータを接続して連続面を表現するフェ
   ースデータを作成し、 隣接する前記フェースデータ間にある開いた空間を接続
   し、 接続された前記フェースデータによって閉じられた空間
   から理論演算が可能なソリッドデータを作成することを
   含む、三次元モデル作成方法。
2. 【請求項２】前記ソリッドデータとプリミティブとのブ
   ール演算を行って前記対象物の形状に一致するよう前記
   ソリッドデータを修正することをさらに含む、請求項１
   に記載の三次元モデル作成方法。
3. 【請求項３】前記対象物の一部分の形状を修正した場合
   において、 形状修正部分の表面の点群データを取り込み、 前記点群データから前記対象物の表面を表現するサーフ
   ェスデータを作成し、 前記サーフェスデータを接続して連続面を表現するフェ
   ースデータを作成し、 隣接する前記フェースデータ間にある開いた空間を接続
   し、 接続された前記フェースデータによって閉じられた空間
   から前記形状修正部分のソリッドデータを作成し、 作成した前記形状修正部分のソリッドデータを前記対象
   物のソリッドデータに合成することを含む、請求項１に
   記載の三次元モデル作成方法。
4. 【請求項４】ＣＡＤシステム上に対象物の三次元モデル
   を作成するシステムであって、 対象物の表面の点群データを測定する三次元形状測定装
   置と、 前記点群データから前記対象物の表面を表現するサーフ
   ェスデータを作成するサーフェスデータ作成手段と、 前記サーフェスデータを接続して連続面を表現するフェ
   ースデータを作成するフェースデータ作成手段と、 隣接する前記フェースデータ間にある開いた空間を接続
   する手段と、 接続された前記フェースデータによって閉じられた空間
   から理論演算が可能なソリッドデータを作成するソリッ
   ドデータ作成手段と、 を有する三次元モデル作成システム。