JP2022520754A - 測定データにおいて表面を決定するためのコンピュータ実装方法 - Google Patents

測定データにおいて表面を決定するためのコンピュータ実装方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、物体を含むボリュームの測定から測定データにおける表面を決定するためのコンピュータ実装方法であって、物体のデジタル表現が測定データによって生成され、物体表現が物体の複数の画像情報の項目を有する方法であって、以下のステップを含む方法（１００）に関する。ボリュームの物体を含む少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様を提供するステップ（１０２）、測定データを決定するステップ（１０４）、少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する測定データのサブ領域を定義するステップ（１０６）、および、サブ領域内の物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップ（１０８）。本発明では、物体表現の表面の決定を高速かつ正確に行うことができる。したがって、測定データからの表面データの提供を改善するコンピュータ実装方法が提供される。【選択図】図４ａ

Description

本発明は、物体を含むボリュームの測定から得られる測定データの表面を決定するためのコンピュータ実装方法であって、測定データを使用して物体のデジタル表現を生成し、物体表現が、物体の画像情報の複数の項目を含む方法に関する。
製造された部品の品質保証を目的として、公称形状からの部品の偏差や、部品内および部品上の欠陥を検出するために、工業用コンピュータ・トモグラフィを用いて部品の外部および内部の特性が決定される。これを行うために，形状の分析が行われる検査において、検査されるべき測定データの部分を定義するために、物体の形状を取得中に、あるいは、寸法測定技術を適用するために、測定点が選択される。さらに、少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様は、少なくとも１つの所定の３次元領域における物体の材料界面の性質に関する情報から導き出すことができ、これにより、部品内および部品上の界面を測定データにおいて決定することができる。
寸法測定を行うためには、特定の数の表面点に関する情報が必要である。この情報は、例えば、座標として利用可能であってもよい。例えば、球、円、平面などの規則的なジオメトリ要素、または、自由造形の形状が、その後、これらの表面点に当て嵌められる。その後、測定結果が、その規則的なジオメトリ要素の幾何学的パラメータとなる。円を例にとると、幾何学的パラメータは、例えば、円の半径とすることができる。
表面の方向は、例えば、レベルセットを用いて暗黙的に表現することもできる。
コンピュータ・トモグラフィを用いた寸法測定技術の場合には、物体の材料と空気との間の界面、あるいは存在する場合には、物体の材料間の界面が予め決定されることが必要である。予備的な決定後には、表面上のフィッティング点を適切に選択することにより、寸法測定を直接行うことができる。
全表面データの決定は、高い精度で実施しようとすると、比較的長い時間を要する。これは、寸法測定技術には通常のことである。
さらに、部品の関連する表面全体を予め決定することは、些細なプロセスではない。従来の表面位置決定アルゴリズムは、例えば、ＩＳＯ５０のように、開始輪郭を必要とすることが多いが、これでは、複数の材料からなる物体のすべての異なるタイプの界面を同時に検出することは非常に困難である。単一素材の物体であっても、強いアーチファクトにより、適切な開始輪郭を決定することが困難または不可能になることがある。
特許文献１は、削減された表面点のデータセットが、評価仕様によって測定データから生成され、そのデータセットが測定物体の目標ジオメトリと比較される方法を開示している。表面データは、評価仕様が適用される前に提供される。
独国特許出願公開第１０２００５０３２６８７号明細書
しかし、例えば、異なる材料の遷移が非常に狭い空間で発生する場合、異なる材料が接触する領域における正しいセグメンテーションは容易ではない。ボリュームデータでは表現されにくい狭い空孔などの小さなディテイルも、正しく捉えられないことが多い。
そこで、目的は、測定データからの表面データの提供を改善するコンピュータ実装方法を提供することである。
本発明の主な特徴は、独立請求項１，１５に特定されている。本発明の実施形態は、請求項２～請求項１４の主題である。
第１の態様において、本発明は、物体を含むボリュームの測定から測定データにおける表面を決定するためのコンピュータ実装方法であって、物体のデジタル表現が測定データによって生成され、物体表現が、物体の複数の画像情報の項目を含み、ボリュームの少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様を提供するステップであって、前記領域が物体を含むステップと、測定データを決定するステップと、少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する測定データのサブ領域を定義するステップと、サブ領域内の物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップと、を含む。
したがって、本発明は、評価仕様によって、物体が配置されている空間の少なくとも１つの３次元領域に関する情報を使用して、物体表現における表面を決定するコンピュータ実装方法を提供する。したがって、コンピュータ実装方法は、必要とされる、または測定されるべき表面が発見される可能性が最も高い、測定データのサブ領域を定義するために、３次元領域に関する情報を使用する。コンピュータ実装方法は、その後、サブ領域内の物体表現の表面を決定する。測定データのサブ領域は、必ずしも連続している必要はなく、むしろ、サブ領域は、物体表現の異なる領域に割り当てられる複数の分離した部分的なサブ領域を含んでいてもよい。
決定される表面は、空気との界面および物体の材料間の界面を含んでいてもよい。さらに、評価仕様は、界面の材料に関する情報を含むこともでき、これにより、例えば、特定の材料および／または材料の組み合わせに対する適切な専門的分析を実施して、表面を決定することができる。
さらに、少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様は、少なくとも１つの所定の３次元領域における複数のエッジまたは角部に関する情報を含むことができ、すなわち、評価仕様は、角部、複数のエッジ、または物体上の小さな構造の存在に関する情報を含むことができる。このようにして、角部、複数のエッジまたは小さな構造を見つけるための分析を行うことができる。
例えば、複数のエッジまたは角部を検出するために、パラメータに依存する演算子をグリッド表現の測定点に適用することができる。この演算子は、グリッド表現における少なくとも１つの材料の界面の位置を決定するように設計されている。この処理においては、演算子は、少なくとも、グリッド表現の測定点に隣接する測定点のサブセットの画像情報項目を考慮に入れる。
表面の決定は、実施される分析によって物体表現においてパラメータ化され、パラメータ化に関する対応する情報は、例えば、評価仕様自体に格納されるか、または評価仕様の他の情報から導出される。これに代えて、パラメータ化に関する情報は、評価中にユーザが手動で入力することもできる。
情報のソースは、例えば、オプションで、追加の「製品および製造情報」（ＰＭＩ）または同等の情報を有する測定される物体のＣＡＤモデル、またはプログラムされた測定プランとすることができ、測定プランは、測定データの自動評価にも使用することができる。
また、評価仕様は、例えば、どのようにして、どのジオメトリ要素または表面領域において、登録、すなわち、ワーク座標系の決定が行われるのか、寸法、形状および位置に関する公差の指定を含む寸法測定を行うために、どこにジオメトリ要素を当て嵌めるのか、どの領域において目標と実際との比較または壁の厚さの分析が行われるのか、どの領域において、欠陥、介在物、気孔率、発泡構造に関する分析または繊維複合材分析が行われるのか、どの領域において、構造力学的シミュレーションや移動速度論的シミュレーションなどの数値シミュレーションが行われるのか、または、表面の表現を含むどの領域または断面画像が、目視検査用の画像ファイルとしてエクスポートされるのかを定義することもできる。例えば、後者は、機能や構造にとって特に重要な領域またはジオメトリ要素の視野とすることができる。
このようにして、評価仕様を使用して、正確な表面の決定が必要な領域を定義することができる。残りの領域においては、表面の決定が行われないか、あるいは、例えば、固定のＩＳＯ５０閾値を用いた、いわゆるマーチングキューブアルゴリズムによって、より低い精度で迅速な表面の決定が行われるかのどちらかである。
このように、表面決定の実行は、実行される測定データの個々の分析に局所的にリンクしている。実行される分析は、表面決定のための分析の現場において必要な精度を定義することができる。さらに、実行する分析に応じて、異なるアルゴリズムを、異なる領域における表面の決定に使用することができる。
物体の表現の表面の決定も、例えば、ＩＳＯ５０などの定義されたグローバル閾値を用いたマーチングキューブアルゴリズムによって実行することができる。代わりに、または追加で、測定データのグレースケール曲線における局所的な最大勾配または転回点を検索、かつ／または、例えば、大津メソッドを使用して局所的な閾値を決定する、局所的に適応する方法を使用することができる。表面を決定するための別の代替的または追加の方法は、例えば、Ｃａｎｎｙアルゴリズムを使用した、例えばコンボリューションベースのセグメンテーションである。さらに、物体表現における表面の決定のために、人工知能を代替的または追加的に使用することができる。しかし、これは他の方法の使用を排除するものではない。また、アルゴリズムは、場合によっては反復的に動作し、それによって、表面の最終的な位置に漸近することができる。
さらに、表面上の少なくとも１つの単一点を決定することによって、表面を決定することができる。言い換えれば、閉じた表面の代わりに、表面の位置を定義するために、表面の少なくとも１つの点のみが決定される。この場合、サブ領域もまた、決定される単一の表面上の点のみを含むことができる。
本発明により、例えば、狭くて小さい要素が存在する領域における表面を高い精度で決定することができる。さらに、角部や複数のエッジのような、決定される物体の要素に、表面決定の精度を明確に合致させることができる。さらに、関連するものとして所定の画像情報内のジオメトリまたは領域を自動的に識別し、この選択に基づいて局所的な表面の決定をトリガする、画像処理装置または訓練された人工知能システムを提供することができる。このようにして、表面データの決定が、迅速に、しかも局所的に要求される精度で実施される。
一例として、本方法は、サブ領域の外側の表面を、サブ領域の内側よりも低い精度で決定するステップを含むことができる。
このことは、表面が決定された後も、物体表現の閉じた表面が常に存在することを意味している。これにより、ユーザは、コンピュータ実装方法によって決定された物体表現の表面が測定された物体上に配置される位置を、純粋に視覚的な手段を用いてより容易に方向付けることができる。より低い精度で表面を決定するということは、典型的にはより低い精度で表面を決定するが、典型的にはまた、著しく少ない計算時間を必要とするアルゴリズムが使用されることを意味する。
さらに、画像情報は、物体のボリュームデータを含むことができる。ボリュームデータは、コンピュータ・トモグラフィのボリュームデータであってもよい。
代替的または追加的に、評価仕様は、少なくとも１つの所定の３次元領域に対する少なくとも１つの表面決定方法を定義し、表面決定方法が、少なくとも１つの所定の３次元領域の測定データにおける局所的な極値を決定してもよい。
測定データにおいて局所的な極値を決定することにより、例えば、非常に狭い要素を物体表現において検出することができる。これらの狭い要素は、必ずしも表面である必要はなく、例えば、狭い丸い溝またはダブルエッジであってもよく、これらは多くの場合、より小さい局所的なグレースケール値の変化として画像情報に現れる。一方、典型的な単一の表面は、通常、高いグレースケール値から低いグレースケール値への明確に描写可能な遷移として現れる。
少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する測定データのサブ領域を定義する前に、本方法は、測定データの座標系を評価仕様に一致する座標系に粗く整列するステップを含んでもよい。
これにより、時間をかけずに、測定データの座標系の予備的な粗い整列を実施することができる。
例えば、解像度を下げて、かつ／または高速ではあるが精度の低いアルゴリズムを使用して表面を決定することで、同じデータセットに対して、予備的な高速整列を行うことができる。低減された解像度は、例えば、ボリューム内のボクセル数、投影データ内のピクセル数、および／または、考慮される投影数を減らすことによって達成することができる。この加速された表面決定は、低い点密度のための表面を決定するだけで達成することもできる。このデータは、既知の方法、例えば、おそらく予備的に計算された表面を、例えば、ＣＡＤ物体のような公称形状に当て嵌めることによって評価される。
さらに、座標系の粗い整列は、例えば、測定ボリューム内の物体の定義された固定によって、物体が測定ボリューム内において常に定義された既知の姿勢をとることを保証することができる。
座標系の粗い整列のさらなる例では、追加のセンサ、例えば、光学センサまたは触覚センサによって、ワーク座標系を捕捉することができる。
さらに、粗い整列は、例えば、ボリュームデータ内の容易に検出可能な基準点に基づいて実施することができる。その後、予備的な表面決定を省略することができる。一例として、これらの基準点は、角部、エッジ、または球などの顕著な形状である。また、例えば、表面の高い曲率や特徴的な曲率を持つ領域または、例えば、繰り返しのある形状のような特徴的な形状が、基準点として機能し得る。このように、確実に検出できる物体の特徴が基準点として用いられる。
粗い整列の別の例では、重心と主軸のグレースケール値に基づく決定を使用して、整列を行うボリューム相関を提供することができる。
さらに、粗い整列は、例えば、部品の形状の事前知識を用いて投影データを分析することによって達成され、ボリューム内の部品の姿勢が決定されてもよい。例えば、実際の投影表現が予想されるものと比較され、または、投影表現において簡単に識別可能な定義された基準点が使用される。
また、粗い整列は、ユーザによる手動整列によって実施されてもよい。
さらに、本方法は、サブ領域内の物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップの後に、粗く整列された座標系を、少なくとも１つの表面に基づいて、評価許容範囲内において、評価仕様に合致する座標系に整列させるステップを含み、粗く整列された座標系を、少なくとも１つの表面に基づいて、評価許容範囲内において、評価仕様に合致する座標系に整列させるステップが、少なくとも１回実施されてもよい。
このようにして、既に粗く整列された座標系を、正確な表面の決定を可能にするために細かく整列させることができる。細かい整列は、本発明により、時間を節約した形で実施することができる。細かい整列を繰り返すことにより、座標系をできるだけ正確に決定することができる。
代替的にまたは追加的に、評価仕様が、測定データが決定された後の予備的なデジタル物体表現において、ユーザにより形成されたマーキングから導出されてもよい。
このように、評価仕様は、コンピュータ実装方法による測定データの評価中に、ユーザが手動で定義することができる。この例では、ユーザは、予備的な物体表現において、物体の表面の領域を選択することができる。予備的な物体表現は、低減された解像度で、または高速アルゴリズムで決定することができ、高速アルゴリズムは、サブ領域における物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップからの表面決定よりも高速または計算量が少ない。
また、本方法は、測定データのサブ領域においてのみ、物体表現からボリュームデータを再構築するステップ、および／または、物体表現が測定データから少なくとも部分的に再構築された後に、物体表現の再構築された１つのサブ領域のみのボリュームデータをデータメモリにロードするステップであって、画像情報が物体の投影データを含むステップ、の少なくとも１つのステップを含んでもよい。
表面決定または分析が実行されるべき物体表現のボクセルまたは領域のみが再構築される。これにより、再構築の計算にかかる時間を節約することができる。前の時点で既に再構築が行われている場合は、表面判定や分析が行われるデータ領域のみを追加でロードすることができる。特に、これにより、データのロードに要する時間と必要なワーキングメモリの量を最小限に抑えることができる。
本方法は、評価仕様が、所定の３次元領域を含むボリュームの拡張された所定の３次元領域を含み、測定データを決定するステップの後に、少なくとも１つの拡張された所定の３次元領域に対応する測定データの格納されるサブ領域を定義するステップと、格納されるサブ領域の測定データをデータメモリに格納するステップと、を含んでもよい。
拡張された所定の３次元領域の結果は、所定の３次元領域に加えて、所定の３次元領域の環境を定義するためのものである。したがって、所定の３次元領域とその環境のボリュームデータのみが格納またはアーカイブされる。このことは、すべての測定データが格納されるのではなく、分析に関連する測定データ項目のみが格納されることを意味する。これは、時間と格納スペースとを節約する。ただし、所定の３次元領域の環境を格納することにより、関連する表面領域を決定するためにすべてのローカルデータが利用可能になるため、分析は再現可能な方法で実行または繰り返し行うことができる。
さらに、少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する測定データのサブ領域を定義するステップが、評価仕様において定義された少なくとも１つの拡張された３次元領域に対応する測定データの拡張されたサブ領域を定義するステップであって、少なくとも１つの所定の拡張された３次元領域が、少なくとも１つの所定の３次元領域を含み、かつ、少なくとも１つの所定の３次元領域よりも大きいステップと、拡張されたサブ領域内における物体表現のすべての表面を決定するステップと、を含んでもよい。
拡張されたサブ領域内の物体表現の表面を決定することにより、所定の３次元領域内およびその周辺において、または、互いに分離された部分的なサブ領域の場合には、所定の３次元領域内およびその周辺において、中断されていない表面が決定される。これは、周囲のボリュームデータからの情報が欠落していることに起因する測定データのサブ領域の縁部における表面決定誤差を回避し、分析の精度を高める。
この場合、サブ領域内の物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップが、少なくとも１つの表面の少なくとも１つの点の誤差範囲を決定するステップを含んでもよい。
誤差範囲には、例えば、表面を決定する際にどのような誤差が予想されるかという情報が含まれる。この情報は、寸法測定値など、表面から得られた分析結果がどの程度信頼できるかを推定するのに有用である。例えば、検討中の表面の各点に期待される品質に対する特性値を決定することができる。この品質は、測定の不確かさまたは測定の正確さを決定するための基礎となる。誤差範囲の複雑な決定は、例えば、ボリュームデータの周囲のグレースケール値や他のメタ情報の分析を用いて行うことができ、したがって、所定の３次元領域に配置された表面に対してのみ行われる。これにより、誤差の決定が高速化される。
別の例では、本方法は、少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する測定データのサブ領域を定義するステップの前に、測定データ内の少なくとも１つの予備表面を決定するステップと、少なくとも１つの予備表面が、少なくとも１つの所定の３次元領域内に配置され、予備表面の数が、評価仕様に基づくサブ領域内の予想される表面の数に一致する場合に、サブ領域内の物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップを、少なくとも１つの予備表面を物体表現の定義された表面として選択するステップに置き換えるステップと、を含んでもよい。サブ領域内の予備表面の数が、評価仕様に基づいてサブ領域内において予想される表面の数よりも少ない場合には、測定データの少なくとも１つの予備表面を決定するステップは、サブ領域内の物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップに加えて実行される。サブ領域は、１つまたは複数の個別の点に基づいて定義することができる。
これにより、利用可能であれば、予め計算された予備表面を、さもなければ分析によって決定された表面として、サブ領域内に直接組み込むことができる。これらの予備表面が所定の３次元領域内に配置されている場合には、これらの表面を再決定する必要はない。これは、本手法をさらに加速することとなる。必要な領域に予め決定された表面がない場合には、通常通り、表面または必要な点が決定される。さらに、評価仕様は、既存の表面を使用するか、または新しい表面を決定しなければならないか否かを指定するために、各サブ領域に対して個別に使用されてもよい。
本発明のさらに別の態様は、コンピュータ上で実行可能な命令を有するコンピュータプログラム製品に関するものであり、この命令は、コンピュータ上で実行されると、上述した説明で請求された方法をコンピュータに実行させる。
コンピュータプログラム製品の利点、効果および拡張性は、上述した方法の利点、効果および拡張性から生じる。この点において、したがって、上述した説明が参照される。
本発明のさらなる特徴、詳細および利点は、特許請求の範囲の文言および図面に基づいた実施形態の以下の説明から生じるものである。
物体を含むボリュームを、ボリュームの所定の３次元領域を用いて模式的に示した図である。 物体の測定データの決定の様子を模式的に示す図である。 所定の３次元領域に対応する測定データを模式的に示す図である。 コンピュータ実装方法のフローチャートである。 図４ａの変形例を示すフローチャートである。 図４ａの他の変形例を示すフローチャートである。
図１は、物体１２が配置されたボリューム１０を示している。物体１２は、少なくとも１つの表面を有しており、物体１２は複数の表面を備えている。また、物体１２は、物体１２を少なくとも部分的に構成する所定の３次元領域１１を備えている。また、所定の３次元領域１１は、物体１２内に配置されてもよい。さらに、所定の３次元領域１１は、物体１２と、物体の外側のボリューム１０内の空中とを部分的に含んでいてもよく、それによって、物体１２の外表面が所定の３次元領域１１に配置されていてもよい。
この例示的な実施形態では、所定の３次元領域１１は、例えば、物体１２の角部１６、物体１２上の材料遷移を含むこともできる物体１２の小さいサブ要素１８、または、物体１２の表面の開口部２０、穿孔された孔または凹部である。しかし、複数のエッジなど、物体１２の他の図示しない要素が、所定の３次元領域１１に配置されてもよい。さらに、角部１６の例は、２次元表現における角部の表現、すなわち、物体の２つのエッジが交差するときの表現であってもよいし、２つ以上のエッジが交差する３次元物体の角部であってもよい。立方体のエッジを測定する場合、例えば、ＣＴ断面画像のグレースケール値が角部を生成し、その表現は測定処理によって丸められる。したがって、表示される角部１６は、必ずしも尖ったエッジを持っているわけではなく、物体表現において丸みを帯びた形状として表現されていてもよい。
評価仕様１４は、物体１２が配置されているボリューム１０の所定の３次元領域１１に関する情報を含む。評価仕様１４は、例えば、物体座標系におけるボリューム１０の所定の３次元領域１１の位置を含むことができる。さらに、所定の３次元範囲１１の評価のために計画された分析またはアルゴリズムを、評価仕様１４に含めることができる。これらの分析は、例えば、欠陥、介在物、気孔率、または発泡構造に関する分析であってもよい。代替的または追加的に、分析は、繊維複合材分析であってもよい。
さらに、評価仕様１４は、登録がどのように行われるかに関する情報を含むことができ、登録は、測定データが利用可能な測定座標系に対する物体座標系の参照を記述する。評価仕様１４はまた、登録が実施される物体１２のジオメトリ要素または表面領域を定義することができる。
また、評価仕様１４は、寸法、形状、位置、リップル、粗さおよび／または他の寸法パラメータに関する寸法測定を実行するために、物体１２のジオメトリ要素が当て嵌められる位置を含むことができる。その結果に対して、公差または許容範囲を指定することができる。また、評価仕様１４により、所定の３次元領域１１において、構造力学的シミュレーションまたは移動速度論的シミュレーションなどの数値シミュレーションを指定することができる。
さらに、評価仕様１４は、目視検査のための画像ファイルとして、どの領域または断面画像（表面のビューを含む）をエクスポートするかを定義することができる。例えば、これらは、物体１２の特に重要な領域またはジオメトリ要素の一覧とすることができる。
一例では、所定の３次元領域は、物体１２のＣＡＤモデルを用いて提供することができる。別の例では、物体１２のサブ領域のみを、所定の３次元領域を定義するための座標セットとして提供することができる。
図２は、測定データがどのように決定されるかを示す模式図である。この決定は、コンピュータ・トモグラフィ装置の例を用いて示されている。しかし、これは、物体表現を生成する測定データを決定する他の方法を排除するものではない。例としては、磁気共鳴イメージング、超音波、光干渉トモグラフィなどがある。
図２は、ターンテーブル２６上に配置された物体１２を介して、検出器２４上にＸ線を放射するＸ線源２２を示している。ターンテーブルは、例えば、物体を３６０°回転させて、あらゆる角度位置からの投影画像を得ることができる。検出器２４は、測定データ２８を決定するために使用され、この測定データ２８は、物体の投影画像の形でコンピュータ・トモグラフィ中に利用可能である。物体１２のこれらの投影画像は、物体１２のボリュームデータに変換することができる。
図３によれば、評価仕様１４は、測定データ２８に、所定の３次元領域１１に対応するサブ領域を定義する。例えば、測定データ２８のサブ領域３０は、図１では開口部２０を備える物体１２の所定の３次元領域１１に対応する。また、サブ領域３２は、サブ要素１８を備える所定の３次元領域１１に対応し、サブ領域３４は、角部１６を備える物体１２の所定の３次元領域１１に対応する。
測定データ２８のサブ領域３０，３２，３４は、デジタル形式で存在し得る物体表現の一部である。物体表現は、物体の複数の画像情報項目を含んでいる。サブ領域３０、３２、３４が個別に利用可能であっても、個々のサブ領域３０，３２，３４の位置に関する情報は、典型的には、共通の座標系で利用可能である。したがって、互いの幾何学的関係は既知である。
物体表現の少なくとも１つの表面は、サブ領域３０，３２，３４のそれぞれにおいて識別される。評価仕様１４は、対応する表面を見つけるために、それぞれのサブ領域３０，３２，３４においてどの分析が行われるかを定義することができる。対応するサブ領域３０，３２，３４における各分析は、複数のエッジ、開口部、角部、または部分的な要素などの、サブ領域で予想される特定の形状に合わせることができる。
図４ａは、物体を含むボリュームの測定から測定データにおける表面を決定する方法１００のフローチャートを示している。測定データは、物体のデジタル表現を生成し、物体表現は、物体の複数の画像情報項目を含んでいる。画像情報は、物体のボリュームデータを含むことができる。
ステップ１０２において、方法１００は、物体が配置されているボリュームの少なくとも１つの所定の３次元領域に対する評価仕様を提供することを含む。
既に上述したように、提供される評価仕様は、例えば、分析が実行される物体表現の領域と、どの分析が対応する領域で実行されるかに関する情報を含む。これにより、物体が配置されているボリュームの特定の領域を、特定の問題について調査することができる。例えば、物体中または物体上にある材料遷移、または、物体の非常に狭い部分を特別な検索アルゴリズムで探し出し、マークを付けることができる。
この目的のために、評価仕様は、少なくとも１つの所定の３次元領域に対する少なくとも１つの表面決定方法を定義することもできる。表面決定方法は、少なくとも１つの所定の３次元領域内の測定データにおける局所的な極値を決定することができる。例えば、測定データがグレースケール値として利用可能である場合には、測定データのグレースケール値のプロファイルにおいて、極小値または極大値を形成する狭い物体を検出することができる。例えば、物体の表面にある狭く丸い溝は、通常、表面におけるグレースケールのプロファイルの極大値としてのみ表されるため、これを検出することができる。この場合、表面の反対側を正確に測定することはできないが、丸い溝自体の配置または位置は容易に決定される。同様のことは、例えば、ラメラのような壁厚の薄い構造物にも当て嵌る。
さらに、少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様には、少なくとも１つの所定の３次元領域における複数のエッジまたは角部に関する情報が含まれていてもよい。これは、特別に選択された検索アルゴリズムが、所定の３次元領域内の複数のエッジまたは角部に対する分析を実行できることを意味する。探索アルゴリズムは、評価仕様によって指定することができる。あるいは、評価仕様を利用した評価方法によって検索アルゴリズムを定義することもできる。
さらに、評価仕様は、測定対象となるジオメトリの大きさのオーダーまたはジオメトリの構造の最小サイズを定義することができる。フィルタ効果に関して、表面決定に異なるパラメータを設定することもできる。フィルタ効果を強くすると、ボリュームデータに含まれるノイズが表面決定の結果に与える悪影響を軽減することができるが、小さな構造を正しく測定することが難しくなる。したがって、表面決定は、必要な最小サイズの構造が局所的に正しく測定できることを保証しつつ、異なるフィルタ効果が可能となるように、評価仕様に基づいて局所的に定義される。
代替的または追加的に、少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様は、少なくとも１つの所定の３次元領域における物体の材料界面の種類を記述した情報から導き出すこともできる。コンピュータ・トモグラフィを例にとると、物体には、Ｘ線放射の同様の減衰を示す材料が配置されていることがある。このことは、これらの材料が、測定データとして類似した測定値をもたらすことを意味している。したがって、材料の情報があれば、測定値に多少のずれがあっても、所定の３次元領域で材料の界面を検出するための特定の分析を行うことができる。この場合、識別すべき材料界面を予め知っていることにより、表面決定が、より高い精度で正しい材料界面を決定することを可能にする。さらに、表面決定の後に、所望の種類（例えば、プラスチックと空気またはプラスチックと金属）の材料界面が特定されたかどうかを確認することができる。このようにして、結果の妥当性を推定することができる。また、事前知識として、表面に対する法線の方向を用いることができる。このようにして、例えば、特に薄肉構造の場合には、正しい表面を識別することを保証することができる。
ステップ１０４において、測定データが決定される。これは、任意の所望の方法を用いて行うことができる。一例として、コンピュータ・トモグラフィまたは磁気共鳴イメージングを使用してボリュームデータを得ることができる。別の例として、構造化光投影または３Ｄカメラを使用して、物体の外表面を測定することができる。別の例では、測定データを決定することにより、既存のデータをメモリにロードすることができる。
さらなる代替例または追加例では、評価仕様は、測定データが決定された後の予備的なデジタル物体表現に基づくユーザのマーキングから導き出すことができる。その後、ユーザは、分析を行うべき予備的なデジタル物体表現における領域にマークを付することができる。さらに、ユーザがマークを付した各領域に対して実行する分析を指定することができる。
これには様々なオプションが可能である。例えば、分析が行われるべき断面画像などの２Ｄ表現または３Ｄ表現において、ユーザは領域にマークを付することができる。例えば、２Ｄ表現においては、この目的のために座標を直接設定することができる。あるいは、予め簡単な表面決定をしておくことにより、ユーザによるマーク付けが容易になる。例えば、３Ｄ表現の場合は、この手順により、マウスをクリックするだけで、物体の表面上の点または領域にマークを付することができる。同様に、２Ｄ表現の場合も、マウスをクリックすることで、最も近い表面点または領域を自動的に識別して選択することができる。次いで、選択された点または領域に基づいて、所望の分析が行われる。寸法測定の場合には、このことは、例えば、まず、予備的な制御ジオメトリ要素がマーク付けされた領域に当て嵌められ、これにより拡張された評価範囲を定義できることを意味する。その後のステップで、所望のジオメトリの正確な測定または微調整が任意に反復的に実行されてもよい。
例えば、他のオプションにおいて、物体のＣＡＤモデルから所望のジオメトリまたは領域を選択することもできる。その後、測定データへのマッピングが自動的に行われる。
代替的または追加的に、ユーザは、他のセンサおよび／または高品質の基準測定からの測定データにおいて所望のジオメトリまたは領域を選択することができ、または、「ゴールデンパート」とも呼ばれる複数の測定値の平均化を実行することもできる。その後、測定データへの自動的なマッピングを行うこともできる。
さらに、評価仕様では、ボリュームの拡張された所定の３次元領域を定義することができ、この領域は、所定の３次元領域を備える。この場合には、所定の３次元領域に隣接する周囲の領域は、所定の３次元領域と結合され、拡張された所定の３次元領域を形成する。
さらなるステップ１１８において、測定データが決定された後に、データメモリに格納されるべき測定データのサブ領域を定義することができる。そのとき格納される測定データのサブ領域は、少なくとも拡張された所定の３次元領域に対応する。
さらなるステップ１２０において、格納されるサブ領域の測定データが、データメモリに格納または保存される。このようにして、以前に実行した分析を見直すために、後からサブ領域の分析を実行または繰り返すことができる。所定の３次元領域の環境データを拡張された所定の３次元領域に保存することにより、分析に必要な領域のみが格納されるので、格納領域を節約することができる。このステップにおいて、測定データ評価の再現性を達成するために、測定物体の姿勢に関する追加の情報が、任意に座標系に格納される。
測定データが決定された座標系には、所定の物体の向きが含まれていないため、ステップ１１２では、測定座標系に対応する測定データの座標系を、評価仕様の所定の３次元領域が定義された物体座標系に合わせることができる。これにより、測定データの座標系を、評価仕様を満たす座標系に大まかに合わせることができる。これは、測定データの登録に相当する。
測定データの拡張されたサブ領域は、環境データが欠落している場合に、分析中における誤評価または所定の３次元領域のエッジでの測定誤差を防ぐために使用することができる。これにより、所定の３次元領域をより正確に分析することができる。
さらなるステップ１２８において、少なくとも１つの予備表面を測定データ内に決定することができる。この表面の決定は、測定データセット全体に適用することができる。これは、ステップ１２８からの測定が、物体上の所定の３次元領域に限定されず、物体全体を参照できることを意味する。
次に、追加のステップ１３０において、少なくとも１つの予備表面が、少なくとも１つの所定の３次元領域内に配置されているかどうかがチェックされる。各予備表面について、評価仕様の所定の３次元領域のいずれかに配置されているかどうかをチェックすることができる。これが期待どおりであれば、すなわち、予備表面の１つが３次元領域の１つに配置されている場合には、この予備表面は対応する３次元領域に割り当てられる。これは、ステップ１３２において、１つの予備表面が、所定の３次元領域に対して決定された物体表現の表面として選択されることを意味する。予備表面が決定された表面として割り当てられた３次元領域のさらなる分析は、予備表面によってこの領域で予想されるすべての表面をカバーすることによって回避することができる。
予備表面は、与えられた所定の３次元領域の特性に特には適合していない、非常に高速な表面決定アルゴリズムを用いて決定することができる。通常、所定の３次元領域における特定の分析は、表面を決定するのに時間がかかる。したがって、ステップ１２８，１３０を使用することで、所定の３次元領域のすべての表面がすでに高速表面決定手順によって見つけられているので、特定の分析を実行する必要がない場合には、時間を節約することができる。
ステップ１０６において、測定データのサブ領域を定義することができ、測定データのサブ領域は、少なくとも１つの所定の３次元領域に対応している。これは、測定データが、物体の特定の領域に割り当てられた後に、測定データを所定の３次元領域に対応するサブ領域に分割するために使用される。サブ領域は、物体の部分的な表面または部分的なボリュームに対応する。
図４ｂを参照すると、ステップ１０６は、サブステップ１２２，１２４を含んでいてもよい。ステップ１２２において、評価仕様に定義された所定の３次元領域よりも大きく、所定の３次元領域を備える、測定データの拡張されたサブ領域を定義することができる。この拡張されたサブ領域は、必ずしも、拡張された所定の３次元領域に対応していない。拡張されたサブ領域は、拡張された所定の３次元領域よりも大きくても小さくてもよい。拡張されたサブ領域は、それぞれが所定の３次元領域を有する複数の部分的なサブ領域の周りに、物体の連続した表面を有していてもよい。ステップ１２４において、物体表現のすべての表面を拡張されたサブ領域内に決定することができる。
図４ａをさらに参照すると、ステップ１０８において、物体表現の少なくとも１つの表面が、サブ領域内で決定される。評価仕様によって定義された分析は、所定の３次元領域内に表面を決定するために実施することができる。所定の３次元領域において決定される表面として、ステップ１３０において予備表面が既に定義されている場合には、この所定の３次元領域に対するステップ１３２を選んで、ステップ１０８を省略することができる。
図４ｃを参照すると、ステップ１０８は、少なくとも１つの表面の少なくとも１つの点に対する誤差範囲が決定されるサブステップ１２６を含んでもよい。少なくとも１つの表面の点に対する誤差範囲の決定は複雑であり、かなりの計算資源を必要とする。ステップ１２６において、所定の３次元領域に配置された表面についてのみ誤差範囲が決定される。この処理は、分析や表面の決定に関連する領域についてのみ誤差を決定する。また、ステップ１２６は、計算負荷を軽減し、時間を節約する。
図４ａをさらに参照すると、ステップ１１４において、サブ領域内に物体表現の少なくとも１つの表面が決定され、ステップ１１２を用いて粗く整列された座標系が決定された後、粗く整列された座標系は、少なくとも１つの表面に基づいて、評価許容範囲内で評価仕様に合致する座標系に整列され得る。ここでいう評価許容範囲とは、所定の３次元領域での分析が誤った結果をもたらすことなく、物体座標系が測定座標系から外れることが許される範囲のことである。したがって、ステップ１１４は、測定データの座標系を、評価仕様に合致する物体座標系に細かく整列することに相当する。
ステップ１１４は、粗く整列された座標系の評価仕様に合致する座標系への整列の精度を高めるために、少なくとも１回繰り返すことができる。ステップ１１４は、少なくとも１つの表面に基づいて、評価許容範囲内にある測定座標系が見つかるまで、さらに繰り返すことができる。ステップ１１４の繰り返しは、ステップ１１４の各実行後に、座標系の以前の整列において測定データに割り当てられなかった新たなサブ領域が特定され、その中でさらなる表面が決定されるように、ステップ１０６，１０８の繰り返しを組み合わせたものとすることができる。
ステップ１１０において、サブ領域の外側にある追加の表面を、サブ領域内よりも低い精度で決定することができる。このようにして、物体表現の中の、すなわち測定データの中の物体の表面全体を決定することができる。所定の３次元領域の外側の表面は、低い精度で決定され、所定の３次元領域内の表面を物体上の対応する領域に正しく割り当てることができるように、ユーザの視覚的な方向付けのためにのみ使用される。
物体表現が投影データに基づいている場合には、ステップ１１５において、測定データのサブ領域にのみ由来する物体表現からボリュームデータを再構築することができる。このようにして、分析に関連する物体表現の所定の３次元領域のみがボリュームデータとして再構築される。これにより、計算時間が短縮される。
測定データから完全な物体表現が再構築され、データメモリに格納されている場合、代替的または追加的に、データメモリに格納されている物体表現の再構築された部分的な領域からのボリュームデータのみをロードすることができる。これにより、計算時間が短縮され、ワーキングメモリの必要性が低減される。
さらに、実施される測定と分析は、表面の決定を行うかどうか、どのように行うかを決定するための基礎として使用することができる。このことは、この情報が評価プランに直接格納されているだけでなく、評価プランを使用せずに自動的に導き出すことができることを意味している。
さらに、表面を決定する際には、最も近い表面点ではなく、分析点における最も近い表面までの距離が探索の目標である。距離を決定することにより、決定された表面は、各点に対して最も近い表面までの距離を指定する距離フィールドによって定義することができる。
別の代替または追加の実施形態では、必要に応じて手動で物体表現に配置された少数のサンプリング点を使用して、物体の第１のジオメトリ要素を調整することができる。これに基づいて、多数のサンプリング点が、要素全体に均等に分散して配置され、要素をより正確に測定するために、物体表現のグレースケール値を直接サンプリングすることもできる。これは反復して行うこともできる。これにより、評価プランを必要とせず、ジオメトリ要素を手動で迅速かつ正確に調整することができる。
いくつかのサンプリング点は手動で定義されてもよい。このことから、ユーザが意図していると推定されるジオメトリ要素の種類を自動的に選択することができる。次いで、このジオメトリ要素が暫定的に調整されてもよい。これに基づいて、上述したように、より多くの自動設定されたサンプリング点を用いたより正確な測定が順次行われる。これにより、どのタイプのジオメトリ要素を調整するかをユーザが予め定義する必要性をなくすことができる。
ジオメトリ要素全体の点を自動的に再サンプリングする際に、実際に物体に属する点のみが使用されるように、各点における画像情報が分析される。画像情報に異常があると、その点は破棄される。例えば、手動で設定した基準をこのために使用することができる。これにより、円セグメントの反対側の測定データが他のジオメトリによるグレースケール値の変動を有する場合に、円セグメントの表面の決定を容易にすることができる。
また、サンプリング点の数も減らすことができる。ひいては、例えば、点広がり関数から得られる測定データの相関長を考慮することによって、計算時間をさらに短縮することができる。これにより、追加情報を提供しない不必要に多くの点をサンプリングすることを防ぐことができる。
さらに、どの測定データの点がデータの品質が低いためにサンプリングすべきではないかについて、事前の知識を利用することができる。これにより、計算時間を短縮し、より正確な測定結果を得ることができる。
事前の知識は、例えば、信号対雑音データや点広がり関数などの形で、ボリュームデータの分析から得ることができる。さらに、事前の知識は、例えばインラインまたはアットラインのアプリケーションにおいて、多数の類似する可能性のある測定値から導出される統計値から得ることができる。さらなる例において、事前の知識は、誤差の予期される影響を模擬した測定プロセスのシミュレーションから、または、以前の表面決定中、例えば、低解像度のデータセットにおける粗い整列中に決定され、したがって、利用可能である、表面に基づく特性値から得ることができる。
さらに、表面決定のための局所的な適応アルゴリズムは、誤差を含むボリュームデータに対してより正確な結果を提供する傾向がある。アーチファクトのない高品質なボリュームデータに対しては、グローバルな閾値を使用することがより有用であり得る。なぜなら、この表面決定は、より速く実行することができ、そのような場合には、時としてより正確な結果を得ることもできるからである。一例として、例えば、以前のシミュレーションにより誤差が予想される領域または適切なパターン認識を用いて検出された領域でのみ、局所的に適応的な表面決定を行い、残りの領域では一定の閾値またはグローバルな閾値を使用することができる。
さらに、例えば、寸法測定技術においては、制御ジオメトリ要素を、選択された表面点に当て嵌めることが必ずしも必要ではない場合がある。一例では、物体のジオメトリ要素の厚さを決定するために、２つの選択された点の間の距離を指定することができる。
上述の方法は、コンピュータプログラム製品上の一連の命令として実装することもできる。これらの命令は、コンピュータによって実行することができる。命令がコンピュータ上で実行されると、命令は、コンピュータに、上述の説明に従った方法を実行させる。
本発明は、上述した実施形態のいずれか１つに限定されるものではなく、多種多様な方法で修正することができる。
構造上の詳細、空間的な配置、および方法のステップを含む、請求項、説明、および図面から得られる明示された特徴および利点の全ては、それ自体または最も多様な組み合わせのいずれかで、本発明にとって本質的なものである。
１０ ボリューム
１１ 所定の３次元領域
１２ 物体
１４ 評価仕様
１６ 角部
１８ サブ要素
２０ 開口部
２２ Ｘ線源
２４ 検出器
２６ ターンテーブル
２８ 測定データ
３０ サブ領域
３２ サブ領域
３４ サブ領域

Claims (15)

  1. 物体を含むボリュームの測定から測定データにおける表面を決定するためのコンピュータ実装方法であって、前記物体のデジタル表現が前記測定データによって生成され、前記物体表現が前記物体の複数の画像情報の項目を有し、
    前記ボリュームの少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様を提供するステップ（１０２）であって、前記領域が前記物体を含むステップと、
    前記測定データを決定するステップ（１０４）と、
    前記少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する前記測定データのサブ領域を定義するステップ（１０６）と、
    前記サブ領域内の前記物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップ（１０８）と、
    を含む方法（１００）。
  2. 前記サブ領域の外側の表面を、前記サブ領域の内側よりも低い精度で決定するステップ（１１０）を含む請求項１に記載の方法。
  3. 前記画像情報の項目が、前記物体のボリュームデータを含む請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 前記評価仕様が、前記少なくとも１つの所定の３次元領域に対する少なくとも１つの表面判定方法を定義し、該表面判定方法が、前記少なくとも１つの所定の３次元領域内の前記測定データにおける局所的な極値を決定する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様が、前記少なくとも１つの所定の３次元領域における複数のエッジまたは角部に関する情報を含む請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記少なくとも１つの所定の３次元領域の評価仕様が、前記少なくとも１つの所定の３次元領域における物体の材料界面の種類に関する情報から導き出される請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する測定データのサブ領域を定義するステップ（１０６）の前に、
    前記測定データの座標系を、前記評価仕様に合致する座標系に粗く整列するステップ（１１２）を含む請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記サブ領域内の前記物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップ（１０８）の後に、
    粗く整列された前記座標系を、前記少なくとも１つの表面に基づいて、評価許容範囲内において、評価仕様に合致する座標系に整列させるステップ（１１４）を含み、
    粗く整列された前記座標系を、前記少なくとも１つの表面に基づいて、評価許容範囲内において、評価仕様に合致する座標系に整列させる前記ステップ（１１４）が、少なくとも１回実行される請求項７に記載の方法。
  9. 前記評価仕様が、前記測定データが決定された後の予備的なデジタル物体表現において、ユーザにより形成されたマーキングから導出される請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記測定データの前記サブ領域においてのみ、前記物体表現からボリュームデータを再構築するステップ（１１４）、および／または、
    前記物体表現が前記測定データから少なくとも部分的に再構築された後に、前記物体表現の再構築された１つのサブ領域のみのボリュームデータをデータメモリにロードするステップ（１１６）であって、前記画像情報が前記物体の投影データを含むステップ、
    の少なくとも１つを含む請求項１、請求項２または請求項４から請求項９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記評価仕様が、前記所定の３次元領域を含む前記ボリュームの拡張された所定の３次元領域を含み、前記測定データを決定するステップ（１０４）の後に、
    前記少なくとも１つの拡張された所定の３次元領域に対応する前記測定データの格納されるサブ領域を定義するステップ（１１８）と、
    格納される前記サブ領域の測定データをデータメモリに格納するステップ（１２０）と、
    を含む請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する前記測定データの前記サブ領域を定義するステップ（１０６）の前に、
    前記評価仕様において定義された少なくとも１つの拡張された３次元領域に対応する測定データの拡張されたサブ領域を定義するステップ（１２２）であって、前記少なくとも１つの所定の拡張された３次元領域が、前記少なくとも１つの所定の３次元領域を含み、かつ、前記少なくとも１つの所定の３次元領域よりも大きいステップと、
    ・前記拡張されたサブ領域内における前記物体表現の全ての表面を決定するステップ（１２４）と、
    を含む請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記サブ領域内の前記物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップ（１０８）の後に、
    前記少なくとも１つの表面の少なくとも１つの点の誤差範囲を決定するステップ（１２６）を含む請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 少なくとも１つの所定の３次元領域に対応する前記測定データのサブ領域を定義するステップ（１０６）の前に、
    前記測定データの少なくとも１つの予備表面を決定するステップ（１２８）と、
    前記少なくとも１つの予備表面が、前記少なくとも１つの所定の３次元領域内に配置され、前記予備表面の数が、評価仕様に基づく前記サブ領域内の予想される表面の数に一致する場合に、前記サブ領域内の前記物体表現の少なくとも１つの表面を決定するステップ（１０８）を、前記少なくとも１つの予備表面を前記物体表現の前記決定された表面として選択するステップ（１３２）に置き換えるステップ（１３０）と、
    を含む請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. コンピュータ上で実行された場合に、請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の方法をコンピュータに実行させる、コンピュータ上で実行可能な命令を有するコンピュータプログラム製品。
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