(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の一定方向に沿って間隔を置いて得られた複数枚の断面像中の隣接する２枚の断面像の対向する各４画素の輝度値を頂点に与えた六面体を得て、その各頂点の輝度値としきい値との比較結果に基づき三角形ポリゴンを生成する補間面形成処理によって３次元モデルを構成する３次元モデル化方法において、
前記しきい値として、前記被測定物と同材質で寸法が既知のテストピースの断面像の輪郭の両端部分における輝度値の立上がり、立下がり特性曲線上の各点から求められる前記輪郭の両端間寸法のうち、前記テストピースの両端間の実寸法と一致する当該特性曲線上の点に対応する輝度値を用いており、
前記３次元モデル上における前記被測定物の内面位置及び／又は外面位置に基づいて寸法測定を可能にしたことを特徴とする３次元モデル化方法。
【請求項２】
被測定物の一定方向に沿って間隔を置いて得られた複数枚の断面像を取り込む断面像取込み部と、しきい値を設定するしきい値設定部と、前記断面像取込み部から読み出した複数枚の断面像中の隣接する２枚の断面像の対向する各４画素の輝度値を頂点に与えた六面体を得て、その各頂点の輝度値と前記しきい値設定部に設定されたしきい値との比較結果に基づき三角形ポリゴンを生成する補間面形成処理によって３次元モデルを構成する３次元モデル構成部とを備えた３次元モデル化装置において、
前記しきい値設定部には、前記被測定物と同材質で寸法が既知のテストピースの断面像の輪郭の両端部分における輝度値の立上がり、立下がり特性曲線上の各点から求められる前記輪郭の両端間寸法のうち、前記テストピースの両端間の実寸法と一致する当該特性曲線上の点に対応する輝度値が、前記３次元モデル上における前記被測定物の内面位置及び／又は外面位置に基づいて寸法測定を可能にするために、前記しきい値として設定されていることを特徴とする３次元モデル化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の複数枚の断面像を用いて３次元モデルを構成する３次元モデル化方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の方法には、特開平１１−３２８４４２号公報に記載のものがある。すなわちこれは、被測定物（三次元物体）の一定方向に沿って間隔を置いて得られた複数枚の断面像（輪郭をもつ平面像）中の隣接する２枚の断面像の対向する各４画素の輝度値（密度）を頂点に与えた六面体（立方体）を得て、その各頂点の輝度値としきい値との比較結果に基づき三角形ポリゴンを生成するマーチングキューブ法を用いた補間面形成処理によって３次元モデルを構成するというものである。
【０００３】
ここで、「マーチングキューブ法」とは、Ｗ．Ｅ．Ｌｏｒｅｎｓｅｎ及びＨ．Ｅ．Ｃｌｉｎｅ著「Marching Cubes：A High Resolution 3D Surface Reconstruction Algorithm」（１９８７年；Computer Graphics 21(4)；pp１６３〜１６９）において提案された手法をいう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では、しきい値については何ら配慮されておらず、次のような問題点があった。
すなわち、被測定物の複数枚のＸ線ＣＴ像等の断面像（断層像）から３次元モデルを構成する場合においては、断面像の輝度値に対してしきい値を設定し、両者の比較結果によって被測定物の表面を得る補間面形成処理が施される。
【０００５】
このとき、上記しきい値の設定（値）によっては、被測定物の表面位置が実際の位置とは大きくずれてしまう。これは、どんなに均質の物体であっても断面像の輪郭部分においては輝度値の立上がりや立下がりになまり（傾き）が生じるからである。
【０００６】
このような表面位置のずれは、表面の様子を視覚的に観察したい場合、例えば主目的が病巣や病変の視覚的な観察にある生体診断用の３次元モデルにおいては余り問題視されない。
しかし、得られた３次元モデル上で寸法測定したい場合等のように、被測定物の表面位置そのものに精度が要求される場合には、表面位置のずれは精度の低下を招き、大きな問題となる。このことは、外表面（外面）のみならず、内部の空間構造、例えば内部の穴や空洞部の内面（内表面）について、すなわち、被測定物の内外面を問うことなく、被測定物と空気との境界面全面についていえるもので、従来、この点の改善が要望されていた。
【０００７】
本発明は、上記のような要望に鑑みてなされたもので、得られる３次元モデル上において被測定物の寸法測定を高い精度で行うことのできる３次元モデル化方法及び装置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】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被測定物の一定方向に沿って間隔を置いて得られた複数枚の断面像中の隣接する２枚の断面像の対向する各４画素の輝度値を頂点に与えた六面体を得て、その各頂点の輝度値としきい値との比較結果に基づき三角形ポリゴンを生成する補間面形成処理によって３次元モデルを構成する３次元モデル化方法において、前記しきい値として、前記被測定物と同材質で寸法が既知のテストピースの断面像の輪郭の両端部分における輝度値の立上がり、立下がり特性曲線上の各点から求められる前記輪郭の両端間寸法のうち、前記テストピースの両端間の実寸法と一致する当該特性曲線上の点に対応する輝度値を用いており、前記３次元モデル上における前記被測定物の内面位置及び／又は外面位置に基づいて寸法測定を可能にしたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、被測定物の一定方向に沿って間隔を置いて得られた複数枚の断面像を取り込む断面像取込み部と、しきい値を設定するしきい値設定部と、前記断面像取込み部から読み出した複数枚の断面像中の隣接する２枚の断面像の対向する各４画素の輝度値を頂点に与えた六面体を得て、その各頂点の輝度値と前記しきい値設定部に設定されたしきい値との比較結果に基づき三角形ポリゴンを生成する補間面形成処理によって３次元モデルを構成する３次元モデル構成部とを備えた３次元モデル化装置において、前記しきい値設定部には、前記被測定物と同材質で寸法が既知のテストピースの断面像の輪郭の両端部分における輝度値の立上がり、立下がり特性曲線上の各点から求められる前記輪郭の両端間寸法のうち、前記テストピースの両端間の実寸法と一致する当該特性曲線上の点に対応する輝度値が、前記３次元モデル上における前記被測定物の内面位置及び／又は外面位置に基づいて寸法測定を可能にするために、前記しきい値として設定されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明するが、それに先立ち、まず本発明の概要について図１〜図３を参照して述べる。
本発明は、図１に示すように、被測定物１１の一定方向、図１では中心軸ａｘ方向に沿って間隔を置いて、通常は一定間隔毎に、得られた複数枚の断面像ＣＴ１，ＣＴ２，…ＣＴｎ−１，ＣＴｎを用い、補間面形成処理によって被測定物１１の３次元モデル１２を構成するものである。
【００１１】
３次元モデル１２を構成するに当たっては、図２に示すように、上記複数枚の断面像ＣＴ１，…ＣＴｎ中の隣接する２枚の断面像ＣＴｎ，ＣＴｎ−１中の対向する各４画素、図では断面像ＣＴｎの４画素ｐ１１〜ｐ１４及び断面像ＣＴｎ−１の４画素ｐ２１〜ｐ２４の輝度値を頂点ａｐ１〜ａｐ４，ａｐ５〜ａｐ８に与えた六面体を得る。そして、その各頂点ａｐ１〜ａｐ８の輝度値としきい値との比較結果に基づき三角形ポリゴンを生成する補間面形成処理によって前記被測定物１１の３次元モデル（三角形ポリゴンの合成面）１２を構成する。
【００１２】
その際、本発明においては、前記しきい値として、図３に示すように、上記被測定物１１と同材質で寸法が既知のテストピース３１の断面像の輪郭の両端部分における輝度値の立上がり、立下がり特性曲線３２上の各点から求められる上記輪郭の両端間寸法Ｌ１〜Ｌｎのうち、上記テストピース３１の両端間の実寸法Ｌ３と一致する当該特性曲線３２上の点に対応する輝度値ｂｒ３を用いることを特徴とするものである。これは、構成後の上記３次元モデル１２上における上記被測定物１１の内面位置及び／又は外面位置に基づいて寸法測定（被測定物１１の寸法測定）を可能にするためである。
なお六面体は、本明細書では立方体又は直方体を指し、図２では立方体２１を例示する。
【００１３】
次に、本発明の実施の形態を説明する。
図４は、本発明による３次元モデル化装置の一実施形態を、モデル化対象となる複数枚のＣＴ像を得るＣＴ装置、ここではＸ線ＣＴ装置と共に示すブロック図である。
この図において、４１はＸ線ＣＴ装置、４２は３次元モデル化装置である。
Ｘ線ＣＴ装置４１はスキャナ部４１ａ、処理部４１ｂ、操作部４１ｃ及びモニタ部４１ｄを備え、以下に述べるようにして被測定物１１の多数枚の断面像ＣＴ１，ＣＴ２，…ＣＴｎ−１，ＣＴｎ（図１参照）を得る。
【００１４】
すなわち、スキャナ部４１ａは、被測定物１１を一定方向、ここでは矢印イ方向に送りつつスキャンして一定間隔毎の、相互に平行な面の多数のスキャンデータを収集する。処理部４１ｂは、上記スキャンデータからＣＴ値を画素値とする断面像を各々生成する。生成された断面像は、画素値に応じた輝度値を有する画素の集合、すなわち濃淡画像としてモニタ部４１ｃで表示され、あるいはＸ線ＣＴ装置４１の内部又は外部の記憶装置（図示せず）に格納される。
【００１５】
３次元モデル化装置４２は、断面像取込み部４２ａ、しきい値設定部４２ｂ、３次元モデル構成部４２ｃ、モデル保存部４２ｄ及びモニタ部４２ｅを備える。
【００１６】
このうち、断面像取込み部４２ａは、Ｘ線ＣＴ装置４１で得られた上記多数枚の断面像（データ）ＣＴ１，…ＣＴｎを処理部４１ｂ又は上記記憶装置から取り込む。しきい値設定部４２ｂは、後述補間面形成処理に用いるしきい値を設定する。３次元モデル構成部４２ｃは、被測定物１１の上記断面像ＣＴ１，…ＣＴｎを用い、補間面形成処理によって被測定物１１の３次元モデルを構成する。
【００１７】
モデル保存部４２ｄは記憶装置からなり、３次元モデル構成部４２ｃで得られた３次元モデル（データ）を保存する。モニタ部４２ｅは、３次元モデル構成部４２ｃで得られた３次元モデルを表示する。
【００１８】
ここで、上記３次元モデル構成部４２ｃは、３次元モデルを構成するに当たり、図５に示すように、上記多数枚の断面像ＣＴ１，…ＣＴｎ中の隣接する２枚の断面像、例えば断面像ＣＴｎ，ＣＴｎ−１中の対向する各４画素（合計８画素）ｐ１１〜ｐ１４，ｐ２１〜ｐ２４の輝度値を図６に示すように頂点ａｐ１〜ａｐ８に与えた直方体６１を得る。
【００１９】
ここでは、上記直方体６１は更に６つの四面体６１ａ〜６１ｆ（図７（ａ）〜（ｆ）参照）に分割し、各四面体６１ａ〜６１ｆの各頂点ａｐの輝度値としきい値との比較結果に基づき三角形ポリゴンを生成する前述マーチングキューブ法を応用した補間面形成処理を行う。
【００２０】
具体的には、各四面体６１ａ〜６１ｆの各頂点ａｐの輝度値としきい値とを比較して、以下のように三角形ポリゴンを生成する。
いま、四面体６１ａの各頂点ａｐ１，ａｐ５，ａｐ７，ａｐ８の輝度値を、しきい値（求め方は後述する）より小さい場合、しきい値と等しい場合、又はしきい値より大きい場合に振り分けて加算したところ、図８に示す結果が得られたものとして説明する。
【００２１】
ここでは、各頂点ａｐ１，ａｐ５，ａｐ７，ａｐ８の輝度値をしきい値との比較結果で振り分ける「ケース」として１〜１５の１５種設定している。
図中、「小」の表記はしきい値より小さい場合（空気）、「等」の表記はしきい値と等しい場合、「大」の表記はしきい値より大きい場合（被測定物１１）を指す。「小」、「等」、「大」の各欄に示す各数値は、上記各頂点ａｐ１，ａｐ５，ａｐ７，ａｐ８の輝度値のしきい値との比較結果を上記各場合に振り分け、加算した結果を示す。「生成される面」の欄には各ケース１〜１５における三角形ポリゴンの生成の有無及び個数を示す。
【００２２】
被測定物１１の表面（被測定物１１と空気との境界面）が生成されるケースを、「小」（空気）と「大」（被測定物１１）が同時に含むケースであると設定すると、図示例では、ケース７〜１２がそのケース設定に該当し、同ケース７〜１２について三角形ポリゴンが生成される。ケース１３は「小」（空気）と「大」（被測定物１１）を同時に含んでいないが、ここでは三角形ポリゴンが生成される設定となっている。
ケース７〜１３で生成される各三角形ポリゴンの態様を例示すれば、図９（ａ）〜図９（ｇ）中の９１ａ〜９１ｇに示す通りである。なお、図９（ａ）〜図９（ｇ）において、図７（ａ）と同一符号は同一部分を示す。
【００２３】
以上の処理は、対象画素（図５中、ｐ１１参照）を１つずつずらして全画素について行い、また、対となる断面像を１枚ずつずらして全断面像について行い、被測定物１１の３次元モデル（三角形ポリゴンの合成面）１２を構成する。
【００２４】
その際、構成後の上記３次元モデル１２上における上記被測定物１１の内面位置及び／又は外面位置に基づいて寸法測定、例えば被測定物１１の内部の穴や空洞部あるいは外面相互間寸法（直径）等の寸法測定を可能にするために、上記しきい値として、以下の方法で得られる輝度値を用いる。
図３を併用して説明すると、まず、上記被測定物１１がアルミニウムの構造物であるときにはアルミニウム材というように被測定物１１と同材質で、かつ寸法が既知のテストピース３１の上記Ｘ線ＣＴ装置４１による断面像を用意しておく。
次に、そのテストピース３１の断面像の輪郭の両端部分における輝度値の立上がり、立下がり特性曲線（傾き）３２上の各点から求められる上記輪郭の両端間寸法Ｌ１〜Ｌｎと、テストピース３１の両端間の実寸法Ｌ３とを比較する。そして、それらが一致する当該特性曲線（傾き）３２上の点に対応する輝度値ｂｒ３を得て、これを上記しきい値として用いる。このような輝度値ｂｒ３の取得は、上記３次元モデル構成部４２ｃ内のＣＰＵ（図示せず）の演算により行われる。
この輝度値（しきい値）ｂｒ３は予めしきい値設定部４２ｂに格納，設定される。
【００２５】
次に、上述３次元モデル化装置４２によるモデル化手順について図１０を併用して説明する。
まず、断面像取込み部４２ａが、Ｘ線ＣＴ装置４１又は外部の記憶装置（図示せず）から被測定物１１の上記多数の断面像（データ）ＣＴ１，…ＣＴｎを取り込む（ステップ１００１）。Ｘ線ＣＴ装置４１や上記記憶装置から断面像取込み部４２ａへの断面像ＣＴ１，…ＣＴｎの取込みは、フロッピーディスク等の記憶媒体や通信ネットワークを介して行われる。
【００２６】
続いて、構成後の３次元モデル上における上記被測定物１１の内面位置及び／又は外面位置に基づいて寸法測定（被測定物１１の寸法測定）を可能にするために、上述したように得られたしきい値（輝度値）ｂｒ３がしきい値設定部４２ｂに設定される（ステップ１００２）。このステップ１００２と上記ステップ１００１とは順序が逆であってもよい。
【００２７】
ステップ１００３では、３次元モデル構成部４２ｃが被測定物１１の上記断面像ＣＴ１，…ＣＴｎを用い、マーチングキューブ法を応用した補間面形成処理によって被測定物１１の３次元モデル（三角形ポリゴンの合成面）を構成する。
補間面形成処理は、しきい値として、ステップ１００２でしきい値設定部４２ｂに設定されたしきい値（輝度値）ｂｒ３を用いて行われる。
【００２８】
構成された３次元モデル（データ）は、ＳＴＬ，ＩＧＥＳ，ＳＴＥＰ等の汎用フォーマットにてモデル保存部４２ｄに保存され、また、モニタ部４２ｅで表示される。
【００２９】
なお上述実施形態では、円柱状のテストピース３１の外径寸法に基づいてしきい値ｂｒ３を得る場合について述べたが、これのみに限定されることはない。例えば、角柱状のテストピースの端面一辺の寸法に基づいてしきい値を得るようにしてもよい。その他、被測定物の寸法に基づいてしきい値を得るようにしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明では、被測定物の断面像を用いた三角形ポリゴンを生成する処理で用いる表面（輪郭）抽出のためのしきい値として、３次元モデル上における被測定物の内面位置及び／又は外面位置に基づいて寸法測定を可能にするために、被測定物と同材質のテストピースの断面像の輪郭両端部分における輝度値の立上がり、立下がり特性曲線上の各点から求められる輪郭両端間寸法のうち、テストピースの両端間の実寸法と一致する特性曲線上の点に対応する輝度値を用いている。すなわち、断面像の画素相互間の実寸法に合わせた輝度値を用いているので、全体として表面（被測定物と空気との境界面全面）の位置にずれのない高精度の３次元モデルが得られるのは勿論のこと、被測定物の外面位置や内面位置に基づく寸法、例えば直径や内部空間構造を高い精度で測定できる。
特に、被測定物の内部空間構造の内面位置に基づく寸法を高い精度で測定できることによれば、被測定物を実際に切断することなく内部空間構造、例えば内部の穴や空洞部の寸法を高精度に測定でき、切断により、被測定物が変形したり、被測定物の測定後の使用が不能になるという事態を回避できる効果も得られる。
【００３１】
また本発明によれば、得られる３次元モデル（データ）の精度が高いので、ＣＡＤ、ＣＡＭあるいはＣＡＥ等による当該モデルの再利用や加工で得られるデータも高精度になるという副次的効果もある。また、ＣＡＤデータのない対象物に対しても、そのものの３次元モデルを得ることで、同モデルを用いてのＣＡＥによる信頼性の高い解析が可能になるという効果もある。
更に、本発明により生成される面は、基本的には三角形ポリゴンの集合（メッシュ）であるので、同様に三角形メッシュをもとに解析を行うＣＡＥにおいて、比較的簡便に取り扱えるという副次的効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】被測定物の３次元モデル化の概略説明図である。
【図２】本発明において用いられる三角形ポリゴンを生成する処理の概略説明図である。
【図３】同上処理でしきい値として用いられる輝度値の取得方法の説明図である。
【図４】本発明による３次元モデル化装置の一実施形態をＸ線ＣＴ装置と共に示すブロック図である。
【図５】同上実施形態での三角形ポリゴンを生成する処理における最小単位の三角形ポリゴン生成で用いられる断面像対、画素組の説明図である。
【図６】図５に示す画素組の各輝度値から三角形ポリゴンを生成するための直方体の説明図である。
【図７】図６に示す直方体を更に分割して得られた６つの四面体の説明図である。
【図８】図７に示す各四面体の各頂点における輝度値を三角形ポリゴンを生成する処理で用いるしきい値と比較し、その結果とそれに対応する三角形ポリゴンの生成の有無及び個数をケース別に示す表図である。
【図９】図８において三角形ポリゴンの生成ありとされた場合の三角形ポリゴンの態様を例示する図である。
【図１０】図４に示す本発明の３次元モデル化装置によるモデル化手順を例示するフローチャートである。
【符号の説明】
１１  被測定物
１２  ３次元モデル
２１  立方体（六面体）
３１  テストピース
３２  輝度値の立上がり、立下がり特性曲線
ＣＴ１…ＣＴｎ  断面像
Ｌ１〜Ｌｎ  テストピースの断面像の輪郭の両端間寸法
Ｌ３  テストピースの両端間の実寸法
ｂｒ３  輝度値（しきい値）
４２  ３次元モデル化装置
４２ａ  断面像取込み部
４２ｂ  しきい値設定部
４２ｃ  ３次元モデル構成部
４２ｄ  モデル保存部
４２ｅ  モニタ部
【図１】
0003700082.tif 000002
【図２】
0003700082.tif 000003
【図３】
0003700082.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003700082.tif 000010
【図１０】
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