JP7078642B2 - 物体の複数の構成要素の3dモデルデータを取得する方法 - Google Patents
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Description
このような物体は物理的に分解されてもよいが、このことは、通常は破壊的なことであり、かなりの手作業を必要とし、この分解プロセスが、たとえば各構成要素の3D構成についての情報を失う。
複数構成要素の物体についてのX線データを取得するステップと、
このX線データを処理して、それぞれ第1および第2の解像度を有する、物体の少なくとも第1および第2の(画素ベースの)3D表現を取得するステップであって、この第1の(たとえば「高い」)解像度が、第2の(たとえば「中間の」)解像度より高いステップと、
第2の3D表現の複数の領域を識別するステップであって、各領域が、少なくとも、
- 第2の(中間解像度の)3D表現の複数の初期領域を識別するステップであって、各初期領域が、画素値(または均等物)の複数の範囲のうち1つの範囲内の画素値を有するステップと、
- 初期領域と、第1の(高解像度の)3D表現から取得される、物体の少なくとも一部分の1つまたは複数の2Dセクションから取得される1つまたは複数の特徴(たとえば、縁部)との比較に基づいて、複数の初期領域のそれぞれを選択的に調整するステップと
によって、物体の複数の構成要素のうちの1つに対応するステップと、
対応する領域に基づいて、かつ/または第1の(高解像度の)3D表現から取得される、物体の少なくとも一部分の1つまたは複数の2Dセクションから取得される1つまたは複数の特徴(たとえば、寸法)に基づいて、複数の構成要素のそれぞれについて、その構成要素の3Dモデル(たとえば、CADモデル)を取得するステップと
を含む方法が提供される。
この方法はさらに、
複数の構成要素の3Dモデルを組み立てて、物体の構成要素分解済みの3Dモデルを取得するステップを含んでもよい。
第1および第2の3D表現を、(たとえば、物体物のサブアセンブリに対応する)複数の作業領域に分割するステップと、
この複数の作業領域のそれぞれにおいて複数の領域を識別するステップと
を含んでもよい。
第2の解像度よりも低い第3の(たとえば「低い」)解像度を有する物体の第3の3D表現に基づいて、第1および第2の3D表現を分割するステップを含んでもよい。
複数の初期領域のそれぞれの識別は、物体内の特定の材料(たとえば、特定の鋼など)に関連する、ある一定の範囲の画素値を決定するステップを含んでもよい。
1つまたは複数の2Dセクションのそれぞれについて平面を決定するステップと、
1つまたは複数の2Dセクションのそれぞれを決定するステップと、
1つまたは複数の2Dセクションのそれぞれから、1つまたは複数の特徴を導出するステップと
を含んでもよい。
1つまたは複数の2Dセクションのそれぞれから、1つまたは複数の特徴を導出するステップは、2Dセクションからベクトルグラフィックスを導出するステップを含んでもよい。
2Dセクション内の各構成要素の縁部および/もしくは領域、ならびに/または、
2Dセクション内の各構成要素の寸法を含んでもよい。
この構成要素が第1のタイプの構成要素に対応するかどうか判定するステップと、
肯定的な判定に応答して、
- 第1のタイプの構成要素についての所定の3Dモデル、および、
- 1つまたは複数の2Dセクションから取得される構成要素の1つまたは複数の寸法
に基づいて、構成要素の3Dモデルを取得するステップと
を含んでもよい。
第1の3D表現を中間3Dモデル(たとえば、STLモデル)に変換するステップを含んでもよく、この中間3Dモデルはメッシュモデルに対応する。
この構成要素が第2のタイプの構成要素に対応するかどうか判定するステップと、
肯定的な判定に応答して、中間3Dモデル(STLモデル)を、構成要素の3Dモデル(CADモデル)に変換するステップと
を含んでもよい。
本発明のさらなる態様によれば、この方法を実行することによって取得される、物体の構成要素分解済みの3Dモデルを含むデータ構造が提供される。
本発明のさらなる態様によれば、この方法を実行するように構成されたコンピュータシステムが提供される。このコンピュータシステムは、少なくとも1つのプロセッサ、およびコンピュータプログラムコードを含む少なくとも1つのメモリを備えてもよく、この少なくとも1つのメモリおよびコンピュータプログラムコードは、少なくとも1つのプロセッサとともに、コンピュータシステムがこの方法を実行できるようにするように構成される。X線データを提供するように構成された装置と、このX線データを取得するように構成されたコンピュータシステムとを備えるシステムが提供されてもよい。
図1を参照して、次にシステム1が説明される。これから説明するように、システム1を使用して、複雑な物体の構成要素分解済みの3Dモデルデータを取得してもよい。
検出器4は、シンチレータ4a、およびリニアダイオードアレイ4bを備える。このシンチレータ4aは、物体5と相互作用したX線放射11を受ける。シンチレータ4aは、受けたX線放射11を可視光12に変換する。アレイ4b内の各ダイオードはそれぞれ、可視光12を受光し、これに応答して電気(電圧)信号を生成してもよい。アレイ4b内の各ダイオードからの電気信号が増幅され、多重化され、またデジタル信号13に変換される。このデジタル信号13は、コンピュータシステム6に供給される。
図2を参照して、次に、画像キャプチャリング装置、画像再構成装置、および3Dモデリング装置、71、72、73がさらに詳細に説明される。装置71、72、73はそれぞれ類似しており、この段落では単に装置7と呼ぶ。この装置7は、1つまたは複数のプロセッサ7b(図2では「P」で示す)を含む制御装置7aを備える。この制御装置7aは、システムバス7cを介して、装置7の他の構成要素7d~7fと通信する。装置7は、たとえばその他の装置と通信するための1つまたは複数の通信インタフェース7d(たとえば、イーサネット(登録商標)インターフェース)を備える。装置7は、たとえばRAMなどの揮発性メモリ、および、たとえばROMなどの不揮発性メモリを含む、メモリ7eを備える。この揮発性メモリは、たとえば、装置7の他の構成要素の動作を制御するとき、または各構成要素間でデータを移動させるときに、データを一時記憶するために制御装置7aによって使用される。装置7は、たとえばソリッドステートおよび/またはハードディスクの記憶装置などの記憶装置7fを備える。この記憶装置7fは、とりわけ、コンピュータ読取り可能な命令またはソフトウェア(「S」)15と、物体5に関連するデータを含み、ソフトウェア4によって使用されるデータ(「D」)16とを記憶する。場合によっては、装置7は、この装置がユーザから入力を受信し、このユーザに出力を提供できるようにするための、1つまたは複数のユーザインターフェース(図示せず)を備えてもよい。
図3および図4を参照して、次に、システム1によって実行されてもよい方法が説明される。図3はプロセス流れ図に対応し、図4はデータ流れ図に対応する。
第1のステップS1において、2次元(2D)のX線データが取得される(図3および図4では「X2」で示す)。
規則的な画像幾何形状を維持するために、ターンテーブル3の回転速度は、検出器4のライン露出時間と同期されている。回転速度は、毎秒0.005~0.01メートルの範囲での線速度に対応してもよい。比較的密度の高い材料(たとえば、高強度材料)を有する領域、異なる密度を有する比較的多数の異なる構成要素を有する領域、比較的複雑な構成要素を有する領域などは、比較的遅い回転速度で撮像することができる。このようにして、さらに高密度の2DのX線画像が取得され、これはそうした詳細を識別するのに有益になることがある。
第1のステップS1は、画像キャプチャリング装置71によって、またはその制御下で実行される。
第2のステップS2において、2DのX線データが使用され、すなわち処理されて、多重解像度の3DのX線データ(「X3」)を取得する。
- たとえば、S.Smithの、「The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing(科学者および技術者のデジタル信号処理へのガイド)」、California Technical Pub(1997年)、Ch.25に記載されているフーリエドメイン再構成アルゴリズムと、
- たとえば、M.LieblingおよびM.Unserの「Comparing algorithms for reconstructing digital off-axis Fresnel holograms(デジタル軸外しフレネルホログラムを再構成するためのアルゴリズムの比較)」、Proc.SPIE 6016、Three-Dimensional TV、Video、and Display IV、60160M(2005年11月15日)、DOI:10.1117/12.631039に記載されているフレネルアルゴリズムと
を使用することを含む。
各3D画像は、3D画素の3Dグリッド(または、言い換えればボクセル)、および/または物体5を通る異なる様々な部分に対応する1組の2D画像(以下では部分と呼ぶ)に対応する。
第2のステップS2は、画像再構成装置72によって実行される。
第3のステップS3では、多重解像度の3DのX線データが処理される。これは、既知のアルゴリズムを使用して画像を鮮明にし、(たとえば、ビーム硬化に起因する)画像内のアーティファクトを低減し、画像のコントラストを改善することなどを含むことが好ましい。
第3のステップS3、および後続のステップS4・・・S12は、3Dモデリング装置73によって実行される。
第4のステップS4では、3DのX線データは、複数のサブセット(「X31・・・X3M」)に分割される。
第4のステップS4により、複数のサブアセンブリについての最終Dモデルデータ(すなわち、CADデータ)を取得することに関わる処理を並列に実行できるようになる。各サブアセンブリが、特に本明細書に記載の処理に適した複雑さのレベルを有しているので、このステップにより、物体5の特徴の正確なキャプチャリングも容易になる。
この方法の第5のステップS5~第11のステップS11は、各サブセット/対応するサブアセンブリ(以下では、それぞれ単にサブセットおよびサブアセンブリと呼ぶ)に対して実行される。前述の通り、これは並列に実行されてもよい。
第6のステップS6では、サブアセンブリに関連する2Dデータ(「Di」)が取得される。
この段落で図7(a)を参照すると、第6のステップS6は、サブセット内の高解像度の3DのX線データからサブアセンブリの2D画像21を取得することを含む。2D画像21は、サブアセンブリの(クロス)セクションに対応する。このセクションを画定する平面は、任意の適切な方式で決定されてもよい。たとえば、この平面は、サブアセンブリの中央平面でもよく、たとえば、サブアセンブリを2つの実質的に対称な部分に分割する。
本明細書においては、この2Dデータは特徴と呼ばれることがある。
第7のステップS7および第8のステップS8は、サブセット内の中解像度のX線データ、すなわちサブアセンブリの中解像度の3D画像に対して実行される。
第7のステップS7では、閾値の複数のペア(「Ti」)が決定される。以下では、この閾値の複数のペアは閾値データと呼ばれる。
閾値の各ペアは、グレースケール強度の範囲の上限および下限に対応することが好ましい。グレースケール強度は、(特定のマッピングに従って)画素値に対応し、したがって、画素に関連付けられた領域内の材料に関連する。通常、以下の材料は、(ハウンズフィールド単位、HUでの)以下の画素値を有することになる。
- 鋼:12~18HU
- アルミニウム:25~35HU
- プラスチック:72~81HU
物体5の様々な構成要素は、一般に様々な材料から作製されるので、様々な範囲のグレースケール強度/画素値を有することになる。様々な構成要素が名目上同じ素材から作製されている場合でも、この材料間のわずかな差によって、グレースケール強度/画素値において検出可能な差が依然として存在することになる。
閾値データは、構成要素の最大数を別々に選択できるように決定されることが好ましい。閾値データは、任意の適切な方式で決定されてもよい。たとえば、閾値は、サブアセンブリの3D画像内のグレースケール強度の分布(ヒストグラム)に基づいて決定されてもよい。以下でより詳細に説明するように、初期閾値データはまた、2Dデータ22に基づいて調整されてもよい。
この方法の第8のステップS8~第11のステップS11が、サブアセンブリ内の各構成要素(以下では、単に構成要素と呼ぶ)に対して実行される。
第8のステップS8では、サブセットが、さらなるサブセット(「X3ij」)に分割される。このさらなるサブセットは、構成要素についての3DのX線データを含み、以下では構成要素サブセットと呼ばれる。
次いで、第8のステップS8は、2Dデータ22を使用して初期サブセットを選択的に分割することを含む。これは、初期サブセットが2つ以上の構成要素を含むかどうか判定することを含む。これは、任意の適切な方式で実行されてもよい。たとえば、縁部データ22aおよび/または領域データ22bを3DのX線データの適切な部分と比較して、縁部を横切るか、または2つの領域を占有する重要な材料が存在するかどうか判定してもよい。肯定的な判定に応答して、初期サブセットが分割される。これは、たとえば、3次元に適切に伝播される、縁部データ22aでの関連する曲線/線に基づいて、任意の適切な方式で実行してもよい。
接続されていない2つの3D領域に対応する初期サブセットが、直接的に分割されてもよい。
したがって、第8のステップS8では、構成要素サブセット、すなわち1つの構成要素についての3DのX線データを含むサブセットが取得される。
第9のステップS9では、構成要素サブセットが検査される。これは、2Dデータ22(たとえば、領域データ22bおよび/または寸法データ22c)と、構成要素サブセットの適切な部分の特徴とを比較することによって、1つまたは複数の誤りを決定することを含むことが好ましい。この誤りが最大許容可能誤りを超える場合、この方法は、これまでのステップS8に戻り、これが様々なパラメータを使用して繰り返されることが好ましい。
第10のステップS10では、構成要素サブセット内の3DのX線データが、初期3Dモデルデータ(「M1ij」)に変換される。
初期3Dモデルデータは、ステレオリソグラフィ(STL)データに対応することが好ましく、以下では単にSTLデータと呼ばれる。STLデータは、1組の三角形表面を示しており、これを使用して、1つまたは複数の閉じた三角形メッシュ表面を画定し、したがってこうした表面によって境界を設けられた1つまたは複数の3Dの物体を画定する。
この方法はまた、STLデータが処理されて、たとえばメッシュを改良し、誤りのあるメッシュ要素を取り除くなどのステップ(図示せず)を含むことが好ましい。
第11のステップS11では、構成要素の最終3Dモデルデータ(「M2ij」)が取得される。
これは、これまでのステップS10で取得されるSTLデータ、および第6のステップS6で取得される2Dデータ22を使用して実行される。
最終3Dモデルデータは、コンピュータ支援設計(CAD)データに対応することが好ましく、以下では単にCADデータと呼ぶ。このCADデータは、境界表現を使用して、一群の接続された表面要素として固体(たとえば、構成要素)を表すことが好ましい。これらの表面要素は、たとえば、非一様有理Bスプライン(NURBS)(STLデータ参照)を使用して精密に表される。
- 第1のタイプは、ボルトなどの標準構成要素を含む。第1のタイプはまた、比較的単純な特徴を有する構成要素を含んでもよい。たとえば、図11に示してある構成要素629(すなわち、ハブ)は、比較的単純な断面を有する、概ね円筒対称形である。
- 第2のタイプの構成要素は、図11に示してある構成要素621(すなわち、ナックル)など、非標準であり、かつ/または比較的複雑である。
第12のステップS12では、物体5の構成要素のそれぞれについてのCADデータが組み立てられ、それによって物体5についてのCADデータを取得する。
前述の通り、データが分割されたときなどには、関連する要素の位置を記述するデータが適切に維持され、それによって組立てが容易になった。それにもかかわらず、さらに多くのステップが必要になる場合がある。たとえば、様々なサブアセンブリについて別々に処理するので、サブアセンブリの正確な再接続には、たとえば共通の基準点などに基づいて、さらに作業が必要になる場合がある。
具体的には、図4を参照すると、この方法のステップおよび特徴のいくつかは、
- 複数構成要素の物体についてのX線データ(X2)を取得するステップと、
- このX線データ(X2)を処理して、それぞれ第1(H)および第2(M)の解像度を有する、物体の少なくとも第1および第2の3D表現(X3-H、X3-M)を取得するステップであって、この第1の解像度(H)が、第2の解像度(M)より高いステップと、
- 第2の3D表現(X3-M)の複数の領域(X311、X312、・・・)を識別するステップであって、各領域(X311、X312、・・・)が、少なくとも、
- 第2の3D表現(X3-M)の複数の初期領域を識別するステップであって、各初期領域が、画素値の複数の範囲(Ti)のうち1つの範囲内の画素値を有するステップと、
- 初期領域と、第1の3D表現(X3-H)から取得される、物体の少なくとも一部分の1つまたは複数の2Dセクションから取得される1つまたは複数の特徴(Di)との比較に基づいて、複数の初期領域のそれぞれを選択的に調整するステップと
によって、物体の複数の構成要素のうちの1つに対応するステップと、
- 対応する領域(X311、X312、・・・)に基づいて、かつ/または第1の3D表現(X3-H)から取得される、物体の少なくとも一部分の1つまたは複数の2Dセクションから取得される1つまたは複数の特徴(Di)に基づいて、複数の構成要素のそれぞれについて、その構成要素の3Dモデル(X211、X212、・・・)を取得するステップと
を含む。
前述の各実施形態には、他の多くの修正を加えてもよいことが理解されよう。
たとえば、コンピュータシステム6は異なっていてもよく、たとえば、任意の数のコンピューティング装置が存在してもよく、そのそれぞれが、図2に関連して前述したものでもよく、またはクラウドコンピューティングシステム、コンピュータクラスタなどでもよい。コンピュータシステム6は、一緒に動作して、任意の適切な方式でこの方法を実行してもよい。データは、任意の適切な方式で、コンピュータシステム6を介して移動され、このコンピュータシステム6に記憶されてもよい。
3DのX線データを構成要素サブセットに分割し、次いでこれをSTLデータに変換するのではなく、この3DのX線データ(たとえば、サブアセンブリ用)をSTLデータに変換し、次いでこのSTLデータを分割してもよい。
Claims (14)
- 複数構成要素の物体についてのX線データを取得するステップと、
前記X線データを処理して、それぞれ第1および第2の解像度を有する、前記物体の少なくとも第1および第2の3D表現を取得するステップであって、前記第1の解像度が、前記第2の解像度より高いステップと、
前記第2の3D表現の複数のモデルデータを識別するステップであって、各モデルデータが、少なくとも、
- 前記第2の3D表現の複数の初期モデルデータを識別するステップであって、各初期モデルデータが、画素値の複数の範囲のうち1つの範囲内の画素値を有するステップと、
- 前記複数の初期モデルデータの1つ又は複数を選択するステップと、
前記初期モデルデータと、第1の3D表現から取得される、前記物体の少なくとも一部分の1つまたは複数の2D断面から取得される1つまたは複数の特徴との比較に基づいて、前記選択された、前記複数の初期モデルデータの1つ又は複数を調整するステップと、
によって、前記物体の複数の構成要素のうちの1つに対応するステップと、
対応するモデルデータに基づいて、かつ/または前記第1の3D表現から取得される、前記物体の少なくとも一部分の1つまたは複数の2D断面から取得される1つまたは複数の特徴に基づいて、前記複数の構成要素のそれぞれについて、前記構成要素の3Dモデルを取得するステップと
を含む、方法。 - 前記第1および第2の3D表現を、複数の作業モデルデータに分割するステップと、
前記複数の作業モデルデータのそれぞれにおいて前記複数のモデルデータを識別するステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記X線データの前記処理が、前記解像度を段階的に高めるステップを含み、前記第1の表現が、前記第2の表現よりも後のステップで取得される、請求項1または2のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の初期モデルデータのそれぞれの前記識別が、前記物体内の特定の材料に関連する、ある一定の範囲の画素値を決定するステップを含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の2D断面のそれぞれについて平面を決定するステップと、
前記1つまたは複数の2D断面のそれぞれを決定するステップと、
前記1つまたは複数の2D断面のそれぞれから、1つまたは複数の特徴を導出するステップとを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。 - 前記1つまたは複数の特徴が、
2D断面内の各構成要素の縁部、および/もしくは領域、ならびに/または、
2D断面内の各構成要素の寸法を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。 - 前記複数の初期モデルデータの1つ又は複数を選択し、前記複数の初期モデルデータの、選択された1つ又は複数を調整する前記ステップは、前記初期モデルデータが2つ以上の構成要素を含むかどうか判定するステップを含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記初期モデルデータが、2つ以上の構成要素を含むかどうか判定するステップは、前記初期モデルデータが任意の縁部を横切るか、かつ/または2つ以上の任意の領域を占有するかどうか判定するステップを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記複数の初期モデルデータのそれぞれを選択的に調整する前記ステップが、前記初期モデルデータを2つ以上の中間モデルデータ、すなわち複数のモデルデータへと選択的に分割するステップを含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
- 分割する前記ステップが、縁部および/またはモデルデータに基づく、請求項9に記載の方法。
- 前記複数の構成要素のそれぞれの前記3Dモデルを取得する前記ステップが、前記第1の3D表現を中間3Dモデルに変換するステップを含み、前記中間3Dモデルが、メッシュモデルに対応する、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1~11のいずれか一項に記載の方法を実行するためのコンピュータプログラム。
- 請求項1~11のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された、コンピュータシステム。
- X線データを提供するように構成された装置と、
前記X線データを取得するように構成された請求項13に記載のコンピュータシステムと
を備える、システム。
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