СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ОБЪЕМА ОБЪЕКТА Российский патент 2019 года по МПК G01N23/46 

Изобретение относится к области способов измерения, а именно к способу измерения внутреннего объема объекта, в котором объект бесконтактно сканируют с использованием компьютерного томографа, результаты сканирования используют для автоматизированного построения трехмерной модели внутреннего объема объекта, и внутренний объем объекта измеряют с использованием компьютерной обработки полученной трехмерной модели.

Изобретение может быть использовано для получения точной трехмерной модели внутреннего объема любых, прежде всего неметаллических, объектов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ измерения внутреннего объема объекта с использованием систем лазерного сканирования специальными лазерными сканерами. Использование лазерного сканирования для измерения внутреннего объема объекта требует помещения головки сканера внутрь объекта, а также наличия достаточного объема для ее перемещения. См.: http://www.nikon.com/products/instruments/lineup/industrial/3d_metrology/3d_scanner/lc

При этом вращательным движением сканируют внутреннюю поверхность объекта, а затем все изображения соединяют вместе и выполняют построение трехмерной модели внутреннего объема объекта. Недостатком лазерного сканирования является невозможность сканирования незамкнутого контура внутреннего объема объекта, а также необходимость достаточного количества места внутри измеряемого объекта для перемещения головки сканера. Помимо этого, операция является трудоемкой и не может быть полностью автоматизирована.

Кроме того, для измерения внутреннего объема объекта может быть использовано бесконтактное сканирование с использованием специализированных дальномеров, сочетающих в себе оптические и инфракрасные объективы (см. http://wikipedia-info.ru/dalnomer/). Основным недостатком этого способа является практическая невозможность помещения объектива дальномера внутрь всего объекта и, как следствие, очень низкое качество получаемой трехмерной модели внутреннего объема объекта.

Еще одним способом измерения внутреннего объема объекта является способ заполнения этого внутреннего объема затвердевающим материалом с последующим разрушением измеряемого объекта и получением слепка внутреннего объема объекта для построения трехмерной модели внутреннего объема объекта как бесконтактным, так и инструментальным способом измерения.

Из уровня техники известен также способ прямого сканирования внутреннего объема объекта с использованием компьютерного томографа. Способ неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, был предложен в 1972 году Годфри Хаунсфилдом (Godfrey Hounsfield) и Алланом Кормаком (Allan Cormack), удостоенными за эту разработку Нобелевской премии. Способ основан на бесконтактном измерении и последующей компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности материалами.

На каждом из изображений все материалы объекта представлены различными значениями яркости изображения, определяемыми на основании их плотности. Для визуальной и количественной оценки плотности визуализируемых способом компьютерной томографии материалов объекта используется шкала ослабления рентгеновского излучения, получившая название шкалы Хаунсфилда (Hounsfield scale). Её визуальным отражением на мониторе аппарата является чёрно-белый спектр изображения. Диапазон единиц шкалы («денситометрических показателей» - Hounsfield units), соответствующих степени ослабления рентгеновского излучения, например, анатомическими структурами организма, составляет от -1024 до +3071, т. е. 4096 чисел ослабления. Средний показатель в шкале Хаунсфилда (0 HU) соответствует плотности воды, отрицательные величины шкалы соответствуют газам, например воздуху, положительные - более плотным веществам, например пластмассе, стеклу, металлам.

На получаемых после сканирования изображениях все материалы имеют различные значения яркости изображения. Поскольку внутренний объем объекта заполнен воздухом, он виден как самый яркий. После сканирования получают набор компьютерных файлов в формате DICOM, в которых записаны результаты. Для построения трехмерной модели внутреннего объема объекта используют программное обеспечение, предназначенное для работы с трехмерными объектами. Накладывая на имеющиеся изображения различные фильтры световой плотности и фильтры, позволяющие объединять неразрывные объекты, получают трехмерную модель внутреннего объема объекта. Исходя из полученной трехмерной модели, измеряют внутренний объем объекта. При этом возможно фактическое измерение всех геометрических параметров этого объема в любых системах единиц.

Недостатком ближайшего уровня техники является:

невозможность измерения внутреннего объема объектов, имеющих незамкнутый контур внутреннего объема (открытый объем),

- невозможность точного измерения внутреннего объема неметаллических объектов, имеющих в своем составе металлические элементы и другие вещества, наличие которых приводит к появлению на реконструируемой модели артефактов (посторонних элементов). Сканирование неметаллических объектов, которые содержат различные конструктивные металлические элементы, сопряжено с таким явлением, как свечение вокруг металлических частей. Это свечение видно на получаемых изображениях как артефакты в виде геометрических фигур типа грибов, шаров, пирамид и т.п. Эти артефакты являются помехами, осложняющими точное измерение внутреннего объема,

- невозможность автоматизированного выделения внутреннего объема объекта при наличии вышеуказанных артефактов. Такие артефакты могут быть удалены при последующем просмотре лишь вручную, причем такая операция сопряжена с опасностью изменения геометрии самих первоначальных трехмерных моделей.

В качестве ближайшего уровня техники заявляемого способа измерения внутреннего объема рассматривается способ, представленный в US 2008/0004833 A1, в котором раскрывается способ измерений, как для новой и использованной обуви, так и без последней, посредством неразрушающего метода и с обеспечением точных измерений внутренних размеров обуви. В US 2008/0004833 описывается способ, в котором объект бесконтактно сканируют с использованием компьютерного томографа, результаты сканирования используют для автоматического построения трехмерной модели внутреннего объема объекта, и внутренний объем объекта измеряют с использованием компьютерной обработки полученной трехмерной модели, причем перед сканированием внутренний объем объекта заполняют наполнителем, причем наполнитель является наполнителем многократного использования.

Кроме того, в уровень техники входит EP 0605294 A1, относящийся к воссозданию объемов внутри твердого тела, которые могут быть скрыты или труднодоступны, имея форму, которая должна быть точно известна и в отношении которой осуществляют цифровые вычисления.

Также в качестве релевантных документов уровня техники могут быть рассмотрены DE 102006036692 A1, DE 4438993 A1 и EP 0588664 А2.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Исходя из этого, задачей изобретения является создание способа измерения внутреннего объема объекта, обеспечивающего автоматизированное получение трехмерной модели внутреннего объема объекта, в том числе с незамкнутым контуром внутреннего объема, и минимизирующее влияние артефактов при измерении, прежде всего неметаллического, объекта.

Указанная задача решена за счёт способа измерения внутреннего объема неметаллического объекта, содержащего металлические элементы, по п. 1 формулы настоящего изобретения. Перед сканированием внутренний объем объекта заполняют наполнителем, причем наполнитель является наполнителем многократного использования, и рентгеновская плотность наполнителя отлична от рентгеновской плотности объекта.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы настоящего изобретения.

Сущность изобретения заключается в использовании специально подбираемого наполнителя многократного использования для заполнения внутреннего объема неметаллического объекта, содержащего металлические элементы, и последующего совместного сканирования объекта с наполнением на компьютерном томографе. Под «наполнителем многократного использования» в рамках данной заявки понимается наполнитель, который после проведенного измерения может быть легко извлечен из объекта и использован при последующих измерениях. В результате сканирования получается набор цифровых трехмерных моделей для всех материалов разной рентгеновской плотности, что в сочетании с подбором наполнителя дает возможность в автоматическом режиме получить точную трехмерную модель внутреннего объема объекта без повреждения самого объекта. В соответствии с настоящим изобретением в качестве наполнителя используется кварцевый песок. Выбор кварцевого песка в качестве наполнителя позволяет однозначное отделение внешних трехмерных моделей объектов от трехмерных моделей их внутреннего объема.

На каждом из изображений все материалы как объекта, так и наполнения представлены различными значениями яркости изображения, определяемыми на основании их плотности. Подбор материала наполнения внутреннего объема выполняется таким образом, чтобы плотность объекта и плотность наполнения были представлены на получаемых изображениях не перекрывающимися значениями яркости - разными значениями ослабления рентгеновского излучения. Подобный подбор материала наполнителя позволяет затем исключить в реконструируемой трехмерной модели всё кроме самого наполнителя, и автоматически выделить внутренний объем измеряемого объекта.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве наполнителя используют модифицированный кварцевый песок. Под «модифицированным песком» в рамках данной заявки понимается песок с дополнительными ингредиентами, например растворами, которые позволяют фиксировать первоначально приданную форму. С помощью такого модифицированного песка внутренний объем объекта может быть полностью заполнен, даже при наличии в нем боковых и/или нижних отверстий, через которые песок может просто высыпаться, изменяя при этом границы измеряемого внутреннего объема объекта.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения перед заполнением внутреннего объема объекта наполнителем незамкнутый контур внутреннего объема объекта ограничивают по меньшей мере одной заглушкой, причем по меньшей мере одна заглушка выполнена с возможностью удержания накопителя в пределах внутреннего объема объекта. За счёт этого становится возможным проведение точного измерения внутреннего объема объекта с незамкнутым контуром сложной формы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения объект является неметаллическим объектом. Это позволяет использование компьютерного томографа с малой интенсивностью излучения, а также вычислительного комплекса с меньшей производительностью, т.к. артефакты от самих металлических объектов отсутствуют.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 контурное изображение измеряемого объекта,

Фиг. 2 изображение измеряемого объекта в продольном разрезе,

Фиг. 3 набор пластиковых изделий сложной внутренней формы, использованный в примере осуществления изобретения,

Фиг. 4 полученные цифровые изображения,

Фиг. 5 полученные трехмерные цифровые модели внутреннего объема измеряемых объектов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 изображен пластмассовый патрубок, внутренний объем которого подлежит измерению. На фиг. 2 изображен тот же патрубок в продольном разрезе. Хорошо видно, что патрубок в продольном разрезе имеет внешний контур, образованный материалом 1 патрубка, причем в местах подсоединения патрубка контур внутреннего объема патрубка является незамкнутым. Для осуществления измерения внутреннего объема патрубка его незамкнутый контур ограничивают по меньшей мере одной заглушкой 3, затем внутренний объем патрубка заполняют наполнителем 2, и патрубок бесконтактно сканируют с использованием компьютерного томографа. После проведения бесконтактного сканирования наполнитель неразрушающим патрубок образом извлекают из внутреннего объема, и результаты сканирования используют для построения трехмерной модели патрубка, на основании которой измеряют внутренний объем патрубка.

Пример осуществления изобретения был также реализован для измерения внутреннего объема пластиковых изделий сложной внутренней формы (фиг. 3).

В качестве наполнителя использовался кварцевый песок. Выбор материала наполнения был обусловлен разностью рентгеновских плотностей пластика (от -800 HU до +200 HU) и кварцевого песка (от + 500 HU до +2000 HU), что в случае использования компьютерного томографа позволило однозначно отделить внешние трехмерные модели объектов от трехмерных моделей их внутреннего объема.

Выбранные для экспериментов пластиковые объекты заполнялись кварцевым песком с использованием вибрационного стола, что позволило исключить появление воздушных полостей в местах примыкания наполнителя к внутренней поверхности измеряемых объектов. В случае измерения объектов с незамкнутым контуром внутреннего объема (открытым объемом) в качестве заглушек использовались эластичные емкости с кварцевым песком. При необходимости, производилась коррекционная формовка поверхности в открытых местах с помощью эластичных емкостей с модифицированным песком.

После заполнения объектов песком производилось сканирование на медицинском компьютерном томографе компании Toshiba (см. http://medical.toshiba.com/products/ct/aquilion-one-family/scalable-technology.php). Эти установки позволяет проводить трехмерное измерение внутреннего объема с очень высоким разрешением. Кроме того, они позволяют проводить измерения сразу нескольких объектов, размещенных на лотке с длиной 1750 мм.

Режим сканирования на Томографе Toshiba Aquilion 32:

- напряжение - 120 кВ (точно),

- ток - 50 мА с ростом до 95 мА на лежащей бутылке,

- матрица - 512 х 512 (точно),

- поле зрения (FOV) - 37,6 х 37,6 см (точно),

- толщина среза сканирования - 5 мм (точно),

- толщина среза реконструирования - 1 мм (точно).

Показатели по шкале Хаунсфилда:

- бутылка лежащая - 530-750 HU (примерно)

- бутылка стоящая круглая - 830-870 HU (примерно)

- емкость овальной формы - 780-850 HU (примерно)

- бутылка стоящая круглая с винтом 780-950 HU (примерно)

- бутылка стоящая овальная с винтом -800-940 HU (примерно)

- формочка «самолет» - 900-930 HU (примерно),

- формочка «паровоз» - 970-1020 HU (примерно),

- формочка «грузовой автомобиль» - 1000-1100 HU (примерно),

- формочка «легковой автомобиль» - 900-970 HU (примерно).

В результате сканирования был получен набор компьютерных файлов в формате DICOM. Последующая их обработка позволяет получить трехмерные цифровые модели внутреннего объема объектов.

Также в процессе сканирования объектов с подобной засыпкой внутренних объемов было получено трехмерное изображение объекта, в котором отсутствуют артефакты от металлических элементов, конструктивно встроенных в объекты в виде «грибов», шаровидных образований и т.п. Отсутствие артефактов позволяет избежать ручной корректировки моделей и дает возможность автоматизировать последующую компьютерную обработку. Для этого результаты сканирования были загружены в программное обеспечение для работы с трехмерными объектами с наложением фильтров плотности (более 400 и менее 1400) и объединением сплошных объектов. В итоге были получены готовые трехмерные цифровые модели внутреннего объема измеряемых объектов.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Предлагаемый способ может найти широкое применение в различных областях промышленности, в которых требование точного измерения внутреннего объема объекта без разрушения измеряемого объекта является критическим.

Прежде всего, для автоматизированного контроля размеров внутреннего объема объектов при производстве, а также способ согласно изобретению может быть применен для автоматизированного измерения и контроля внутреннего объема обуви.

Использование: для измерения внутреннего объема объекта. Сущность изобретения заключается в том, что при измерении внутреннего объема неметаллического объекта, содержащего металлические элементы, выполняют следующие операции: внутренний объем объекта заполняют наполнителем многократного использования, объект бесконтактно сканируют с использованием компьютерного томографа, результаты сканирования используют для автоматизированного построения трехмерной модели внутреннего объема объекта, внутренний объем объекта измеряют с использованием компьютерной обработки полученной трехмерной модели, при этом рентгеновская плотность наполнителя отлична от рентгеновской плотности объекта и в качестве наполнителя используют кварцевый песок для избежания артефактов от металлических элементов на изображении объекта. Технический результат - измерение внутреннего объема объекта, обеспечивающее автоматизированное получение трехмерной модели внутреннего объема объекта, в том числе с незамкнутым контуром внутреннего объема, и минимизирующее влияние артефактов при измерении, прежде всего неметаллического, объекта. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения внутреннего объема неметаллического объекта, содержащего металлические элементы, в котором:

- внутренний объем объекта заполняют наполнителем (2) многократного использования,

- объект бесконтактно сканируют с использованием компьютерного томографа,

- результаты сканирования используют для автоматизированного построения трехмерной модели внутреннего объема объекта и

- внутренний объем объекта измеряют с использованием компьютерной обработки полученной трехмерной модели,

отличающийся тем, что

рентгеновская плотность наполнителя (2) отлична от рентгеновской плотности объекта и в качестве наполнителя (2) используют кварцевый песок для избежания артефактов от металлических элементов на изображении объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя (2) используют модифицированный кварцевый песок с дополнительными ингредиентами, которые позволяют фиксировать первоначально приданную форму.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что перед заполнением внутреннего объема объекта наполнителем (2) незамкнутый контур внутреннего объема объекта ограничивают по меньшей мере одной заглушкой (3), причем по меньшей мере одна заглушка (3) выполнена с возможностью удержания наполнителя (2) в пределах внутреннего объема объекта, а в качестве заглушек (3) используют эластичные емкости с кварцевым песком или модифицированным кварцевым песком.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что внутренний объем объекта заполняют наполнителем (2) с использованием вибрационного стола.

5. Применение способа по любому из предыдущих пунктов для измерения внутреннего объема обуви.