(57)【要約】【課題】Ｘ線ＣＴデータなどの形状記述データから形状モデルを作成する形状モデル作成方法やシステムに関して、従来における諸問題を解消して、より使い勝手のよいものとする。【解決手段】対象物について取得されたＸ線ＣＴデータなどの形状記述データから対象物の形状モデルを作成する形状モデル作成方法ないしシステムにおいて、仮想プローブ計測手段１０５が、形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを、プローブ経路設定手段１０８により順次設定される複数のプローブ経路のそれぞれについて順次走査させて形状記述データについて計測を行うことにより、仮想プローブの仮想空間上での位置に固有の特徴値をプローブ経路ごとに取得する処理、およびプローブ経路について得られた特徴値を用いてプローブ経路設定手段が新たなプローブ経路を作成することにより、複数のプローブ経路の順次的設定を行う処理を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物について取得された、前記対象物の形状を記述するデータから前記対象物の形状モデルを作成する形状モデル作成方法において、
仮想プローブ計測手段が、前記形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを、プローブ経路設定手段により順次設定される複数のプローブ経路のそれぞれについて順次走査させて前記形状記述データについて計測を行うことにより、前記仮想プローブの前記仮想空間上での位置に固有の特徴値を前記プローブ経路ごとに取得する処理：および前記プローブ経路について得られた前記特徴値を用いてプローブ経路設定手段が新たなプローブ経路を作成することにより、前記複数のプローブ経路の順次的設定を行う処理を含むことを特徴とする形状モデル作成方法。
【請求項２】
前記対象物の物理的な性質や機能的な必然性などから前記対象物が本質的に備えている形状的特徴を記述する特徴モデルも前記次のプローブ経路の作成に用いるようにされている請求項１に記載の形状モデル作成方法。
【請求項３】
板要素を含む対象物についてシェルモデルを作成する場合に、前記仮想プローブ計測手段が前記形状記述データから前記特徴値として、前記板要素の厚み方向の中立点の位置を取得し、この取得した中立点を利用して前記新たなプローブ経路の作成をなすようにされている請求項１または請求項２に記載の形状モデル作成方法。
【請求項４】
前記板要素のエッジ部における中立点を抽出する処理：前記エッジ部中立点において前記板要素の面に平行であるとともに前記エッジ部の端面に垂直であり、かつ前記エッジ部中立点を通るプローブ経路を設定する処理：および前記エッジ部中立点通過プローブ経路に沿って前記仮想プローブ計測手段による計測を行って真のエッジ部中立点を求める処理を含む請求項３に記載の形状モデル作成方法。
【請求項５】
前記板要素が接合部を有する場合に、前記中立点について、前記仮想プローブ計測手段による計測で得られた前記特徴値である前記板要素の厚さと前記板要素の法線ベクトルが前記中立点の近傍におけるそれらと比較して一定値以上異なる中立点を抽出することで前記接合部を検出する処理を含む請求項３または請求項４に記載の形状モデル作成方法。
【請求項６】
流体機械部品の形状モデルを作成する場合に、前記仮想プローブ計測手段が前記形状記述データから前記特徴値として、前記流体機械部品による流路の断面における中立点の位置を取得し、この取得した中立点を利用して前記新たなプローブ経路の作成をなすようにされている請求項１または請求項２に記載の形状モデル作成方法。
【請求項７】
パイプ要素を有する管路部品の形状モデルを作成する場合に、前記仮想プローブ計測手段が前記形状記述データから前記特徴値として、前記パイプ要素における断面中央点の位置を取得し、この取得した中央点を利用して前記新たなプローブ経路の作成をなすようにされている請求項１または請求項２に記載の形状モデル作成方法。
【請求項８】
材質の異なる複数の材料で構成される複合材の形状モデルを作成する場合に、前記仮想プローブ計測手段が前記形状記述データから前記特徴値として、前記異材質の材料ごとの表面位置を取得し、この取得した表面位置を利用して前記新たなプローブ経路の作成をなすようにされている請求項１または請求項２に記載の形状モデル作成方法。
【請求項９】
対象物について取得された、前記対象物の形状を記述するデータから前記対象物の形状モデルを作成する形状モデル作成方法において、
前記形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを仮想プローブ計測手段が複数のプローブ経路について順次走査させて前記形状記述データについて計測を行うことにより、前記仮想プローブの前記仮想空間上での位置に固有の特徴値を前記プローブ経路ごとに取得する処理：前記形状記述データから前記対象物の内部に位置する仮の中立点などの内部点に関する仮内部点群データを仮内部点群作成手段が作成する処理：前記仮内部点群の各内部点に対してそれらを通過点とするプローブ経路を仮プローブ経路設定手段が仮に設定する処理：前記仮想プローブ計測手段の前記仮プローブ経路に対する計測によって取得された前記特徴値に基づいて、仮内部点群・仮プローブ経路更新手段が前記仮内部点群を更新し、この更新で得られた新たな仮内部点群の各点に対して前記プローブ経路を更新・設定する処理：および前記仮内部点群・仮プローブ経路更新手段により更新・設定された仮プローブ経路について収束判定手段が収束判定を行って所定の収束条件を満たすと判定した場合に、前記仮内部点群を真の内部点群とする処理を含むことを特徴とする形状モデル作成方法。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の形状モデル作成方法を実装したコンピュータプログラム。
【請求項１１】
対象物について取得された、前記対象物の形状を記述するデータから前記対象物の形状モデルを作成するための形状モデル作成システムにおいて、
前記形状記述データを入力するデータ入力手段：前記データ入力手段で入力されたデータを記憶するデータ記憶手段：ユーザによる操作を受けるユーザインタフェース、コンピュータプログラム上で前記形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを順次設定の複数のプローブ経路のそれぞれについて順次走査させて前記形状記述データについて計測を行うことにより、前記仮想プローブの前記仮想空間上での位置に固有の特徴値を前記プローブ経路ごとに取得する仮想プローブ計測手段：前記プローブ経路について未計測のものを記憶する計測待ちプローブ経路リスト：および前記プローブ経路について得られた前記特徴値を用いて新たなプローブ経路を作成することにより、前記プローブ経路の順次設定を行うプローブ経路設定手段を備えたことを特徴とする形状モデル作成システム。
【請求項１２】
前記対象物の物理的な性質や機能的な必然性から前記対象物が本質的に備えている形状的特徴を記述する特徴モデルをさらに備えている請求項１１に記載の形状モデル作成システム。
【請求項１３】
対象物について取得された、前記対象物の形状を記述するデータから前記対象物の形状モデルを作成するための形状モデル作成システムにおいて、
前記形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを複数のプローブ経路それぞれについて順次走査させて前記形状記述データについて計測を行うことにより、前記仮想プローブの前記仮想空間上での位置に固有の特徴値を前記プローブ経路ごとに取得する仮想プローブ計測手段：前記形状記述データから前記対象物の内部に位置する仮の中立点に関する仮中立点群データを作成する仮中立点群作成手段：前記仮中立点群の各中立点に対してそれらを通過点とするプローブ経路を仮に設定する仮プローブ経路設定手段：前記仮想プローブ計測手段の前記仮プローブ経路に対する計測によって取得された前記特徴値に基づいて、前記仮中立点群を更新し、この更新で得られた新たな仮中立点群の各中立点に対して前記プローブ経路を更新する仮中立点群・仮プローブ経路更新手段：および前記仮中立点群・仮プローブ経路更新手段により更新・設定された仮プローブ経路について所定の収束条件により収束判定を行う収束判定手段を備えていることを特徴とする形状モデル作成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元ディジタイザを利用してエンジニアリング用の形状モデルを作成する技術に関し、特に３次元ディジタイザとしてＸ線ＣＴなどのボリュームスキャナを利用して高精度な形状モデルの作成を可能とする形状モデル作成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＡＤを利用するディジタルエンジニアリングにおいて、実際物の形状を活用する技術は一般に「リバースエンジニアリング」と総称される。「リバース」と記述されるのは、これまで実際物の形状からＣＡＤデータを得るための体系的な方法が存在せず、そのためＣＡＤデータから実際物を作成せざるを得なかった事情によるものである。しかし最近では、生体など自然物の形状を活用したり、熟練技術者の技能をフィードバックしたりする目的から、リバースエンジニアリングが重要視されるようになってきている。
【０００３】
リバースエンジニアリングの中心になるのは、対象物の３次元形状を計測して３次元データに変換する「３次元ディジタイザ」である。３次元ディジタイザとしては、これまで探針式３次元計測機（ＣＭＭ）や光学式ディジタイザが多く使用されていた。しかし最近では物体の内部形状や密度分布もデータ化することのできるＸ線ＣＴが注目されるようになってきている。Ｘ線ＣＴを活用するリバースエンジニアリングについては、例えば非特許文献１に詳しい。
【０００４】
探針式３次元計測機や光学式ディジタイザは、「点群データ」を出力する装置である。「点群データ」とは、実際物の表面にある多数の点の集合（点群）を記述するデータ形式である。これらの装置は対象物の表面のみをデータ化するので、一般に「サーフェススキャナ」と呼ばれる。点群データは、そのままではＣＡＤで活用することができない。しかし隣接する点を相互に結合して多面体（ポリゴン）データを作成すれば、３次元空間を対象物の内部と外部に分けることができ、エンジニアリングに役立つ「形状モデル」として活用することができる。点群データからポリゴンデータを作成する作業のことを「面張り」と呼ぶ。
【０００５】
これに対してＸ線ＣＴは「ビットマップデータ」を出力する装置である。「ビットマップデータ」とは、空間的に配列した「セル」と呼ばれる単位要素によって形状を記述するデータ形式である。Ｘ線ＣＴは対象物の内部もデータ化することができるので、一般に「ボリュームスキャナ」と呼ばれる。個々のセルは「セル値」と呼ばれる値を持ち、これは対象物におけるその点での構成材料のＸ線吸収係数を表す。この値はほぼ材料の密度に比例する。したがって、一定の閾値よりもセル値が大きいセルを取り出せば、対象物の中実分の３次元形状を知ることができる。ここで、「セル」は、一般に２次元のビットマップデータの場合に用いられ、３次元のビットマップデータの場合は対応する要素を「ボクセル」と呼ぶのが通常であるが、本明細書では「ボクセル」も併せて「セル」と呼ぶ場合もある。
【０００６】
ビットマップデータには多くの情報が含まれているが、ビットマップデータとＣＡＤデータの互換性は乏しい。したがってそのままではビットマップデータを形状モデルとして活用することはできない。しかしビットマップデータから、セル値が閾値と一致するセルを取り出せば、その座標をもとに対象物の表面についての点群データを得ることができる。点群データが得られれば、面張りによって形状モデルを作ることができる。この方法が、Ｘ線ＣＴデータから形状モデルを作成するために従来行われていた方法である。
【０００７】
セル値の閾値は、対象物の内部材質（対象物の中実部分における材質、例えばアルミニウム）に対応するセル値と、外部媒質（対象物の中実部分を外部から囲む媒質、例えば空気）に対応するセル値の平均とするのが一般的である。実際にはセル値が閾値と一致するセルを取り出すのでなく、セル間の補間処理を行うのが普通であるが、基本的な考え方は同じである。
【０００８】
なお本発明の背景に関連する技術としては、以上の他に、例えば特許文献１に開示される「３次元寸法計測装置及び３次元寸法計測方法」などがある。
【０００９】
【特許文献１】特許第３４３１０２２号公報
【非特許文献１】佐藤克利・高木太郎・出海滋「Ｘ線ＣＴとＲＰを用いたコンカレントエンジニアリング」、第１５回ラピッド・プロトタイピングシンポジウム資料（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
Ｘ線ＣＴデータを用いる場合の上記従来技術にはいくつかの問題があった。その一つは、対象物の中実部分における厚さが一定以上に薄い場合に、点群データを得られず、形状モデルを作成できないという問題である。Ｘ線ＣＴデータには一般に、一定のぼけ（焦点外れ）が含まれている。ぼけの広がり（ぼけ足）は通常２〜５セル（セルのサイズは１００〜５００μ程度であるのが一般的）である。そしてこのぼけのために、厚さがぼけ足と同等、またはぼけ足よりも薄いと、当該薄部分の中立部分（中立線部分）においてもセル値が当該部分の材料の本来の値にまで到達しない。厚さがごく薄い場合にはセル値は閾値にさえ到達しないので、その部分に対象物が存在していること自体が見落とされることにもなる。
【００１１】
他の一つは、材質の異なる複数の材料からなる対象物を扱う場合に、複数の異材質部分を同時に高精度にモデル化することができないという問題である。これは、内部材質が複数あることになり、そのため適切なセル値の閾値を定めることができないことに起因する。
【００１２】
さらに他の一つは、対象物が持っている形状的特徴（フィーチャ）を充分に活用することができないという問題である。ビットマップデータを点群データに変換する従来の技術では、多くのフィーチャが失われ、フィーチャを活用して統計的に計測誤差を排除する手法などを利用できなくなる。
【００１３】
以上のような事情を背景にして、本発明は、Ｘ線ＣＴデータなどの形状記述データからの形状モデルの作成に関して、上記のような諸問題を解消することができ、より使い勝手のよい形状モデル作成方法の提供を第１の目的とし、またその方法を実装したコンピュータプログラムの提供を第２の目的とし、さらに前記方法を実行するための形状モデルシステムの提供を第３の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では上記第１の目的のために、対象物について取得された、前記対象物の形状を記述するデータから前記対象物の形状モデルを作成する形状モデル作成方法において、仮想プローブ計測手段が、前記形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを、プローブ経路設定手段により順次設定される複数のプローブ経路のそれぞれについて順次走査させて前記形状記述データについて計測を行うことにより、前記仮想プローブの前記仮想空間上での位置に固有の特徴値を前記プローブ経路ごとに取得する処理：および前記プローブ経路について得られた前記特徴値を用いてプローブ経路設定手段が新たなプローブ経路を作成することにより、前記複数のプローブ経路の順次的設定を行う処理を含むことを特徴としている。
【００１５】
また本発明では、上記のような形状モデル作成方法について、前記対象物の物理的な性質や機能的な必然性などから前記対象物が本質的に備えている形状的特徴を記述する特徴モデルも前記次のプローブ経路の作成に用いるようにしている。
【００１６】
また本発明では、板要素を含む対象物についてシェルモデルを作成する場合に、前記仮想プローブ計測手段が前記形状記述データから前記特徴値として、前記板要素の厚み方向の中立点の位置を取得し、この取得した中立点を利用して前記新たなプローブ経路の作成をなすようにしている。
【００１７】
また本発明では、上記のような形状モデル作成方法について、前記板要素のエッジ部における中立点を抽出する処理：前記エッジ部中立点において前記板要素の面に平行であるとともに前記エッジ部の端面に垂直であり、かつ前記エッジ部中立点を通るプローブ経路を設定する処理：および前記エッジ部中立点通過プローブ経路に沿って前記仮想プローブ計測手段による計測を行って真のエッジ部中立点を求める処理を含むものとしている。
【００１８】
また本発明では、上記のような形状モデル作成方法について、前記板要素が接合部を有する場合に、前記中立点について、前記仮想プローブ計測手段による計測で得られた前記特徴値である前記板要素の厚さと前記板要素の法線ベクトルが前記中立点の近傍におけるそれらと比較して一定値以上異なる中立点を抽出することで前記接合部を検出する処理を含むものとしている。
【００１９】
また本発明では、上記のような形状モデル作成方法について、流体機械部品の形状モデルを作成する場合に、前記仮想プローブ計測手段が前記形状記述データから前記特徴値として、前記流体機械部品による流路の断面における中立点の位置を取得し、この取得した中立点を利用して前記新たなプローブ経路の作成をなすようにしている。
【００２０】
また本発明では、上記のような形状モデル作成方法について、パイプ要素を有する管路部品の形状モデルを作成する場合に、前記仮想プローブ計測手段が前記形状記述データから前記特徴値として、前記パイプ要素における断面中央点の位置を取得し、この取得した中央点を利用して前記新たなプローブ経路の作成をなすようにしている。
【００２１】
また本発明では、上記のような形状モデル作成方法について、材質の異なる複数の材料で構成される複合材の形状モデルを作成する場合に、前記仮想プローブ計測手段が前記形状記述データから前記特徴値として、前記異材質の材料ごとの表面位置を取得し、この取得した表面位置を利用して前記新たなプローブ経路の作成をなすようにしている。
【００２２】
また本発明では上記第１の目的のために、対象物について取得された、前記対象物の形状を記述するデータから前記対象物の形状モデルを作成する形状モデル作成方法において、前記形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを仮想プローブ計測手段が複数のプローブ経路について順次走査させて前記形状記述データについて計測を行うことにより、前記仮想プローブの前記仮想空間上での位置に固有の特徴値を前記プローブ経路ごとに取得する処理：前記形状記述データから前記対象物の内部に位置する仮の中立点などの内部点に関する仮内部点群データを仮内部点群作成手段が作成する処理：前記仮内部点群の各内部点に対してそれらを通過点とするプローブ経路を仮プローブ経路設定手段が仮に設定する処理：前記仮想プローブ計測手段の前記仮プローブ経路に対する計測によって取得された前記特徴値に基づいて、仮内部点群・仮プローブ経路更新手段が前記仮内部点群を更新し、この更新で得られた新たな仮内部点群の各点に対して前記プローブ経路を更新・設定する処理：および前記仮内部点群・仮プローブ経路更新手段により更新・設定された仮プローブ経路について収束判定手段が収束判定を行って所定の収束条件を満たすと判定した場合に、前記仮内部点群を真の内部点群とする処理を含むことを特徴としている。
【００２３】
また本発明では上記第２の目的のために、上記のような形状モデル作成方法を実装してコンピュータプログラムを形成するようにしている。
【００２４】
また本発明では上記第３の目的のために、対象物について取得された、前記対象物の形状を記述するデータから前記対象物の形状モデルを作成するための形状モデル作成システムにおいて、前記形状記述データを入力するデータ入力手段：前記データ入力手段で入力されたデータを記憶するデータ記憶手段：ユーザによる操作を受けるユーザインタフェース、コンピュータプログラム上で前記形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを順次設定の複数のプローブ経路のそれぞれについて順次走査させて前記形状記述データについて計測を行うことにより、前記仮想プローブの前記仮想空間上での位置に固有の特徴値を前記プローブ経路ごとに取得する仮想プローブ計測手段：前記プローブ経路について未計測のものを記憶する計測待ちプローブ経路リスト：および前記プローブ経路について得られた前記特徴値を用いて新たなプローブ経路を作成することにより、前記プローブ経路の順次設定を行うプローブ経路設定手段を備えたことを特徴としている。
【００２５】
また本発明では上記のような形状モデル作成システムについて、前記対象物の物理的な性質や機能的な必然性から前記対象物が本質的に備えている形状的特徴を記述する特徴モデルをさらに備えるものとしている。
【００２６】
また本発明では上記第３の目的のために、対象物について取得された、前記対象物の形状を記述するデータから前記対象物の形状モデルを作成するための形状モデル作成システムにおいて、前記形状記述データにおける仮想空間に有限の広がりを持つ領域として定義される仮想プローブを複数のプローブ経路それぞれについて順次走査させて前記形状記述データについて計測を行うことにより、前記仮想プローブの前記仮想空間上での位置に固有の特徴値を前記プローブ経路ごとに取得する仮想プローブ計測手段：前記形状記述データから前記対象物の内部に位置する仮の中立点に関する仮中立点群データを作成する仮中立点群作成手段：前記仮中立点群の各中立点に対してそれらを通過点とするプローブ経路を仮に設定する仮プローブ経路設定手段：前記仮想プローブ計測手段の前記仮プローブ経路に対する計測によって取得された前記特徴値に基づいて、前記仮中立点群を更新し、この更新で得られた新たな仮中立点群の各中立点に対して前記プローブ経路を更新する仮中立点群・仮プローブ経路更新手段：および前記仮中立点群・仮プローブ経路更新手段により更新・設定された仮プローブ経路について所定の収束条件により収束判定を行う収束判定手段を備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明では、Ｘ線ＣＴデータなどの形状記述データから、仮想プローブ計測を用いて形状モデル化のためのデータを得るようにしている。このため、本発明による形状モデル作成方法ないし形状モデル作成システムは、Ｘ線ＣＴデータを点群データ化して形状モデル化のためのデータを得る従来の方法における上記のような諸問題を有効に解消することができ、より使い勝手のよいものとなる。また本発明は、仮想プローブ計測で必要となる多数のプローブ経路をプローブ経路設定手段により自動的に設定できるようにしている。このためユーザの負担を大幅に軽減でき、さらに一層、使い勝手のよいものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施する上で好ましい形態について説明する。まず、本発明を実施する場合の一般的形態の一つについて基本的な説明をし、その上で個々の具体的な応用についての形態例について詳しく説明することにする。説明を容易にするため、本明細書では図面や説明の多くを２次元のものとして記述しているが、基本的な考え方は３次元でも同様である。
【００２９】
一般的な実施形態；
本発明の一般的な実施の形態における形状モデル作成システムの基本的な構成を図１に示す。この形状モデル作成システム１００は、データ入力手段１０１、ビットマップデータ記憶手段（形状記述データ記憶手段）１０２、ユーザインタフェース１０３、計測待ちプローブ経路リスト１０４、仮想プローブ計測手段１０５、計測結果リスト１０６、特徴モデル１０７、プローブ経路設定手段１０８、および形状モデル作成手段１０９を含んで構成される。
【００３０】
データ入力手段１０１は、対象物の形状記述データとしてＸ線ＣＴ装置で対象物を撮像して得られるＸ線ＣＴデータをシステムに取り込み、ビットマップデータ記憶手段１０２に格納するものであり、Ｘ線ＣＴデータのフォーマットに合わせたメディアドライブやデータ変換プログラムなどによって実現される。
【００３１】
ビットマップデータ記憶手段１０２は、Ｘ線ＣＴデータを格納し、セル値を自由に参照することを可能にするものであり、磁気ディスクや半導体メモリなどによって実現される。
【００３２】
ユーザインタフェース１０３は、仮想プローブ計測手段１０５による仮想プローブ計測で使われる最初のプローブ経路（プローブパス；後述する仮想プローブが走査して計測を行う経路）をユーザがシステムと対話的に設定するのに用いられる。その他に、仮想プローブの直径、セル値の閾値、計測アルゴリズム（位置計測、幅計測、異種材計測）などの計測条件の設定をユーザが行えるようにする場合に、その機能をユーザインタフェース１０３に与えることもある。なお表記を簡単にするために本明細書では、計測条件の指定されたプローブ経路のことも単に「プローブ経路」と書くことがある。このようなユーザインタフェース１０３は、ディスプレイ、マウス、キーボードなどのハードウェアに加え、表示のためのレンダリングプログラムや入力を解釈するフロントエンドプロセッサなどのソフトウェアによって構成される。ユーザインタフェース１０３の動作は、およそ次のとおりである。
１．ディスプレイとレンダリングプログラムを使い、Ｘ線ＣＴデータ（実際にはＸ線ＣＴデータによる画像）をユーザに表示する。
２．ユーザは、ディスプレイに表示されたＸ線ＣＴデータを見ながら、最初のプローブ経路を設定するために必要な情報を、マウス・キーボードを使って入力する。
３．マウス・キーボードからの入力を受け取ったフロントエンドプロセッサは、それを解釈して最初のプローブ経路を作成する。
４．こうして作られた最初のプローブ経路を計測待ちプローブ経路リスト１０４に送って記憶させる。
ユーザインタフェース１０３の詳細な動作は、実際には個々の応用システムごとに異なる。後述の応用に関する実施の形態例で詳しく説明する。
【００３３】
計測待ちプローブ経路リスト１０４は、未計測のプローブ経路を記憶するリストである。
【００３４】
仮想プローブ計測手段１０５は、仮想プローブを用いて対象物のＸ線ＣＴデータ上で形状モデル化のための計測を行う。より具体的にいうと、仮想プローブ計測手段１０５は、計測待ちプローブ経路リスト１０４に格納してあるプローブ経路の内から未計測のプローブ経路を取り出し、そのプローブ経路について仮想プローブにより計測を実行し、仮想プローブのＸ線ＣＴデータにおける仮想空間上での位置に固有の特徴値（後述の応用例における中立点、要素の厚み、流路幅など）をプローブ経路ごとに取得する。計測結果は計測結果リスト１０６に送られ、記憶される。仮想プローブは、コンピュータプログラム上でＸ線ＣＴデータにおける仮想空間に有限の広がり（面積または体積）を持つ領域（検査領域）として定義される仮想上の「計測具」である。このような仮想プローブについては特許文献１に詳しく説明されている。
【００３５】
計測結果リスト１０６は、仮想プローブ計測手段１０５によってなされた計測の結果を記憶するリストである。
【００３６】
特徴モデル１０７は、対象物が本質的に備えている形状的特徴を記述しているモデルである。これは形状モデル化すべき対象物の物理的な性質や機能的な必然性をもとに仮定される。その具体的な内容については、後述する実施形態例において詳しく説明する。
【００３７】
プローブ経路設定手段１０８は、計測結果リスト１０６の内容と特徴モデル１０７をもとに新しいプローブ経路を作成して設定する。
【００３８】
形状モデル作成手段１０９は、計測結果リスト１０６の内容と特徴モデル１０７をもとに形状モデルを作成し、ＣＡＤシステムで利用することのできる形式で出力する。
【００３９】
以上の、特徴モデル１０７、プローブ経路設定手段１０８、形状モデル作成手段１０９は、それぞれコンピュータプログラムの一部として実現される。
【００４０】
以上が形状モデル作成システム１００の一般的な構成である。次に形状モデル作成システム１００における一般的な処理動作について説明する。形状モデル作成システム１００の基本的な考え方は、計測対象物の特徴モデル１０７に基づき、仮想プローブ計測（仮想プローブ計測手段による計測）に「段取り」を導入することにある。「段取り」とは、目標を実現するために必要な一連の手順のことである。ここではＸ線ＣＴデータを計測することにより、高精度な形状モデルを作成するために必要なパラメータ（形状モデル化データ）を得ることが目標である。
【００４１】
形状モデル作成システム１００では、計測の段取りを実現するため、ユーザインタフェース１０３によって与えられる最初のプローブ経路をもとに、その最初のプローブ経路についての計測結果と計測対象物の特徴モデル１０７に基づいて逐次的に新しいプローブ経路を追加していく手法を採る。
【００４２】
これは、仮想プローブ計測を、建築における「足場」と対比して考えるとわかりやすい。足場は、最初に地上から組み立てられ、段階的に組み上げられていく。地上部が組み立てられる前に上層部を組み立てることはできない。仮想プローブ計測においても同様であり、予備的な計測を行わなければプローブ経路が決めることができない場合がある。
【００４３】
計測に段取りを導入することにより、無駄のない計測ができるようになるために短時間で形状モデルを作成することができるようになり、また対象物の形状の特徴を生かした段取りを組むことによって高品質の形状モデルを作成することができるようになる。この考え方は汎用的なものであるため、いろいろな応用が考えられる。以下では代表的な応用における実施の形態について説明する。
【００４４】
応用についての第１の実施形態；
第１の実施形態は、板要素を含む対象物である板金部品についてシェルモデルを作成するためのシェルモデル作成システムに関する例である。シェルモデル作成システムの目的は、例えば図２に示すような板金部品（図２の（ａ））のＸ線ＣＴデータ２００ａ（図２の（ｂ））から、図３に示すようなシェルモデル３００ａを作成することにある。なお図３中の（ｂ）に示すのは（ａ）のシェルモデル３００ａの一部を拡大したものである。板金の厚さはＸ線ＣＴデータ２００ａのぼけ足に比べて同等以下なので、セル値の閾値を設定して形状を取り出すという従来の手法を適用することができない。したがって本発明の適用が有効である。
【００４５】
ＣＡＤで板金などの薄物を扱う場合、一般には板金部品における板要素の厚み方向の中立面Ｃを構成する中立点群Ｐ１〜Ｐｎと、各中立点における厚さｔ１〜ｔｎを使ってモデル化するのが一般的なので、シェルモデル３００ａもそれに準ずるものとなっている。
【００４６】
本実施形態におけるシェルモデル作成システムの構成を図４に示す。このシェルモデル作成システム１００ａの基本的な構成は、形状モデル作成システム１００と同じである。以下では、シェルモデル作成システム１００ａに固有の実装を中心にして説明する。
【００４７】
シェルモデル作成システム１００ａのユーザインタフェース１０３ａにおいてディスプレイに表示される画面の例を図５に示す。ディスプレイには、Ｘ線ＣＴデータ２００ａをボリュームレンダリング化したレンダリング画像４０１ａが表示される。レンダリング画像４０１ａのコントラストは、コントラスト調整パネル４０３ａを使ってユーザが見易くなるように調整することができる。
【００４８】
ユーザはレンダリング画像４０１ａを見ながら、マウスカーソル４０２ａで画面上の１点を指定する。するとこの指定点の画面上での２次元座標とＸ線ＣＴデータ２００ａのレンダリング方向（レンダリング画像における透視方向）とから１本の視線が定まる。フロントエンドプロセッサは、この視線に沿って対象物の表面を探し出して対象物の表面点を見つける。指定された点の近傍の数点について同様の探索を行えば、対象物の表面点の近傍における表面の法線ベクトルを得ることができる。こうして、指定点によりプローブ経路の位置が定まり、表面法線ベクトルによりプローブ経路の方向が定まる。そして計測条件設定パネル４０４ａでプローブ走査長を設定すると、直線状のプローブ経路を作成することができる。以上が最初のプローブ経路をユーザがシステムと対話的に設定する処理である。
【００４９】
シェルモデル作成システム１００ａの特徴モデル１０７ａは、対象物である板金部品について、例えば、次のような特徴を仮定している。
１．厚さｔは急変せず、表裏各面は１次微分連続である。
２．中立面Ｃの曲率半径は、３ｍｍ以上である。
これらの特徴は、板金部品の製造プロセスを考慮して決められるものである。
【００５０】
シェルモデル作成システム１００ａのプローブ経路設定手段１０８ａは、上記のようにして設定される最初のプローブ経路と特徴モデル１０７ａに基づき、逐次的にプローブ経路を作成して設定する。そのプロセスを図６に示す。
１．最初のプローブ経路Ｌ１に対する計測を行い、中立点Ｐ１を得る。仮想プローブ計測にはいくつかの計測アルゴリズムがあり、「幅計測」と呼ばれる手法を使えば、薄い部分の厚さを正確に計測して中立点を得ることができる。「幅計測」については、特許文献１に、Ｘ線ＣＴデータの画像をぼかす手法として詳しく説明されている。
２．プローブ経路Ｌ１をわずかに平行移動してプローブ経路Ｌ２を求め、計測待ちプローブ経路リスト１０４に記憶させる。平行移動量は、特徴モデル１０７ａに基づいて決める。具体的には、中立面Ｃの曲率半径が３ｍｍ以上であるという特徴を考慮し、その１／２以下に当たる１ｍｍとする。
３．仮想プローブ計測手段１０５がプローブ経路Ｌ２に対する計測を行って中立点Ｐ２を求め、計測結果リスト１０６に記憶させる。
４．中立点Ｐ１と中立点Ｐ２から、これらの近傍における中立面Ｃの法線ベクトルを求める。
５．プローブ経路Ｌ２の中立点をプローブ経路Ｌ１とは反対の側に移動し、さらに４の処理で得られた中立面Ｃの法線ベクトルを適用する。こうして新しいプローブ経路Ｌ３を求め、計測待ちプローブ経路リスト１０４に記憶させる。
６．仮想プローブ計測手段１０５が、プローブ経路Ｌ３に対する計測を行い、中立点Ｐ３を求めて、計測結果リスト１０６に記憶させる。
７．中立点Ｐ３の近傍にある中立点の集合から、これらの近傍における中立面Ｃの法線ベクトルを求める。
８．上記の５〜７の各処理を、新しい中立点が得られなくなるまで繰り返す。
以上のようなプローブ経路設定手段１０８ａと仮想プローブ計測手段１０６の処理により、計測結果リスト１０６には多数の中立点の座標、各中立点の近傍における中立面Ｃの法線ベクトル、および各中立点における材料の厚さｔ１〜ｔｎが記憶される。
【００５１】
以上の処理が終わると、シェルモデル作成システム１００ａの形状モデル作成手段１０９は、計測結果リスト１０６に記憶されている中立点を並べ替え、それらを相互に結合して曲面データとして出力する。曲面データをＩＧＥＳ（Initial Graphic Exchange Specification）などの互換性の高い形式で出力すれば、シェルモデルとして有限要素解析などに活用することができる。
【００５２】
応用についての第２の実施形態；
第２の実施形態は、例えば渦巻きポンプについて羽根のような流体機械部品の形状モデルを作成するなどの場合に用いられる流体機械部品形状モデル作成システムに関する例である。流体機械部品形状モデル作成システムの目的は、例えば図７にその外観を示すような遠心型渦巻きポンプのインペラ（図３の（ａ））のＸ線ＣＴデータ２００ｂ（図３の（ｂ））から、図８に示すような羽根形状モデル３００ｂを作成することにある。インペラは回転対称であり、複数枚の羽根の計測結果を平均化することで高精度なモデル化が期待できる。このような場合にも、逐次的に計測を行う本発明の適用が有効である。
【００５３】
渦巻きポンプのような流体機械の設計では、一般には羽根による流路の中立面Ｃを定義し、その上にある中立点群Ｐ１〜Ｐｎと、各中立点における流路幅ｔ１〜ｔｎを使ってモデル化するのが一般的なので、羽根形状モデル３００ｂもそれに準ずるものとなっている。
【００５４】
本実施形態における流体機械部品形状モデル作成システムの構成を図９に示す。この流体機械部品形状モデル作成システム１００ｂの基本的な構成は、形状モデル作成システム１００と同じである。以下では、流体機械部品形状モデル作成システム１００ｂに固有の実装を中心にして説明する。
【００５５】
流体機械部品形状モデル作成システム１００ｂのユーザインタフェース１０３ｂがディスプレイに表示する画面の例を図１０に示す。ディスプレイには、Ｘ線ＣＴデータ２００ｂを切断レンダリング化したレンダリング画像４０１ｂが表示される。レンダリング画像４０１ｂの切断位置は、切断位置調整パネル４０５ｂを使って調整することができる。ユーザはレンダリング画像４０１ｂを見ながら、マウスカーソル４０２ｂで中心軸のはまるハブ穴の内壁の１点を指定する。するとこの指定点の画面上での２次元座標とＸ線ＣＴデータ２００ｂのレンダリング方向とから１本の視線が定まる。操作パネル４０６ｂにある「中心軸」ボタンを押すと、フロントエンドプロセッサがこの視線に沿って対象物の表面を探し出して対象物の表面点を見つける。一つの表面点が見つかれば、「表面領域拡張法」と呼ばれる手法により、インペラの中心軸Ａを知ることができる。表面領域拡張法については、特開２００２−２３００５６号公報に詳しい説明がある。
【００５６】
次にユーザは、マウスカーソル４０２ｂで流路の始点Ｐ０を指定する。実際の流路の始点Ｐ０はインペラの流路の入り口にあるものであり、図１０のように羽根の表面にあるものではないが、ここでは説明を簡単にするため、羽根の表面にあるかのように記述している。流路の始点Ｐ０を指定しておいてから、操作パネル４０６ｂにある「開始点」ボタンを押すと、最初のプローブ経路として次の２種類のプローブ経路が作成される。
１．Ｌ０ｒ：流路の始点Ｐ０と中心軸Ａを通り、中心軸Ａに垂直な直線状の経路。
２．Ｌ０ｔ：流路の始点Ｐ０を通り、中心軸Ａに垂直な面内にある、中心軸Ａを中心とする円弧状の経路。
【００５７】
流体機械部品形状モデル作成システム１００ｂの特徴モデル１０７ｂは、対象物であるインペラについて、例えば、次のような特徴を仮定している。
１．流路断面は急変せず、流れに沿った曲率半径は１０ｍｍ以上である。
２．おおむね四辺形であり、それぞれの面は１次微分連続である。
３．羽根枚数の回転対称である。例えば羽根が６枚の場合には、中心軸Ａの回りに６０度回転させると、もとの形状にほぼ重なる。
これらの特徴は、遠心型渦巻きポンプインペラが機能するために備えるべき条件を考慮して必然的に決められるものである。
【００５８】
流体機械部品形状モデル作成システム１００ｂのプローブ経路設定手段１０８ｂは、上記のようにして設定される最初のプローブ経路と特徴モデル１０７ｂに基づき、逐次的にプローブ経路を作成して設定する。そのプロセスを図１１に示す。
１．仮想プローブ計測手段１０５が、中立点Ｐ０から得られた最初のプローブ経路Ｌ０ｒ、Ｌ０ｔに対する計測を行い、正しい中立点Ｐ０’ （図中には示してない）を求めて、計測結果リスト１０６に記憶させる。それぞれのプローブ経路に対する計測により、中心軸Ａに対する中立点Ｐ０’の距離と角度がわかるので、それをもとに中立点Ｐ０’の３次元的な位置を決定する。操作パネル４０６ｂで羽根枚数が指定されている場合には、回転対称に当たる他の部位の位置がわかるので、それらについても計測を行い、平均を求めることで、計測誤差を低減させるようにしてもよい。
２．中立点Ｐ０’を移動し、新しい仮の中立点Ｐ１を求める。それからこれに対してプローブ経路Ｌ１ｒ、Ｌ１ｔを求め、計測待ちプローブ経路リスト１０４に記憶させる。移動量は、特徴モデル１０７ｂにおいて流路断面の曲率半径が１０ｍｍ以上であることを考慮し、その１／２以下に当たる３ｍｍとする。
３．仮想プローブ計測手段１０５が、プローブ経路Ｌ１ｒ、Ｌ１ｔに対する計測を行い、正しい中立点Ｐ１’（図中には示してない）を求めて、計測結果リスト１０６に記憶させる。
４．中立点Ｐ０’と中立点Ｐ１’から、これらの近傍における中立面Ｃの接平面を求める。
５．中立点Ｐ１’を中立点Ｐ０’とは反対の側に移動し、４の処理で得られた中立面Ｃの接平面に正射影することによって、新しい仮の中立点Ｐ２を求める。これに対してプローブ経路Ｌ２ｒ、Ｌ２ｔを求め、計測待ちプローブ経路リスト１０４に記憶させる。
６．仮想プローブ計測手段１０５が、プローブ経路Ｌ２ｒ、Ｌ２ｔに対する計測を行い、正しい中立点Ｐ２’（図中には示してない）を求めて、計測結果リスト１０６に記憶させる。
７．上記の４〜６の各処理を、新しい中立点が得られなくなるまで繰り返す。
以上のようなプローブ経路設定手段１０８ｂと仮想プローブ計測手段１０６の処理により、計測結果リスト１０６には多数の中立点の座標、各中立点の近傍における中立面Ｃの接平面、および各中立点における流路幅ｔ１〜ｔｎが記憶される。
【００５９】
以上の処理が終わると、流体機械部品形状モデル作成システム１００ｂの形状モデル作成手段１０９は、計測結果リスト１０６に記憶されている中立点を並べ替え、それらを相互に結合して曲面データとして出力する。曲面データをＩＧＥＳなどの互換性の高い形式で出力すれば、羽根形状モデルとして流体解析などに活用することができる。
【００６０】
応用例についての第３の実施形態；
第３の実施形態は、例えば自動車エンジンのマニフォルドの形状モデルなどを作成する管路部品モデル作成システムに関する例である。管路部品モデル作成システムの目的は、例えば図１２に示すようなマニフォルド（図１２の（ａ））のＸ線ＣＴデータ２００ｃ（図１２の（ｂ））から、図１３に示すようなマニフォルドモデル３００ｃを作成することにある。マニフォルドはほぼ一定の太さのパイプの組み合わせであり、その中心線をたどっていくことで利用しやすい形状モデルを作成することができる。このような形状の持つ特徴を活用するには、本発明の適用が有効である。
【００６１】
ＣＡＤでパイプを扱う場合、中央線Ｃを構成する中央点群Ｐ０〜Ｐｎと、各中央点におけるパイプの半径ｒ０〜ｒｎを使ってモデル化するのが一般的なので、マニフォルドモデル３００ｃもそれに準ずるものとなっている。
【００６２】
本実施形態における管路部品モデル作成システムの構成を図１４に示す。この管路部品モデル作成システム１００ｃの基本的な構成は、形状モデル作成システム１００と同じである。以下では、管路部品モデル作成システム１００ｃに固有の実装を中心にして説明する。
【００６３】
管路部品モデル作成システム１００ｃのユーザインタフェース１０３ｃがディスプレイに表示する画面の例を図１５に示す。ディスプレイには、Ｘ線ＣＴデータ２００ｃをボリュームレンダリング化したレンダリング画像４０１ｃが表示される。ユーザはレンダリング画像４０１ｃを見ながら、マウスカーソル４０２ｃでパイプの端面フランジ面にある３個以上の点を指定する。するとその指定点の画面上の２次元座標とＸ線ＣＴデータ２００ａのレンダリング方向とからいくつかの視線が定まる。フロントエンドプロセッサは、これらの視線に沿って対象物の表面を探し出して表面点を見つける。最小自乗法を使えば、端面フランジ面を知ることができる。次にユーザはパイプの入り口に当たる点を指定する。同様に求めた視線と端面フランジ面の交点を求めれば、それがパイプ入り口における中央点（中立点）の３次元的な位置である。このようにしてパイプ入り口中央点が求まると、それをわずかに視線方向に移動させた点（後述の図１６における中央点Ｐ０）において、端面フランジ面に平行にした最初のプローブ経路を作成して設定することができる。
【００６４】
管路部品モデル作成システム１００ｃの特徴モデル１０７ｃは、対象物であるマニフォルドについて、例えば、次のような特徴を仮定している。
１．パイプの断面はほぼ円形である。
２．パイプの向きは急変せず、内面は１次微分連続である。
３．パイプ中央線Ｃの曲率半径は３０ｍｍ以上である。
これらの特徴は、自動車エンジンのマニフォルドが機能するために備えるべき条件を考慮して必然的に決められるものである。
【００６５】
管路部品モデル作成システム１００ｃのプローブ経路設定手段１０８ｃは、上記のようにして設定される最初のプローブ経路と特徴モデル１０７ｃに基づき、逐次的にプローブ経路を作成して設定する。そのプロセスを図１６に示す。
１．仮想プローブ計測手段１０５が、中央点Ｐ０から得られた最初のプローブ経路Ｌ０に対する計測を行い、正しい中央点Ｐ０’（図中には示してない）を求めて、計測結果リスト１０６に記憶させる。
２．中央点Ｐ０’を移動して新しい仮の中央点Ｐ１を求める。この中央点Ｐ１に対してプローブ経路Ｌ１を求め、計測待ちプローブ経路リスト１０４に記憶させる。移動量は、特徴モデル１０７ｃにおいて中央線Ｃの曲率半径が３０ｍｍ以上であることを考慮し、その１／２以下に当たる１０ｍｍとする。
３．仮想プローブ計測手段１０５が、プローブ経路Ｌ１に対する計測を行い、正しい中央点Ｐ１’（図中には示してない）を求めて、計測結果リスト１０６に記憶させる。
４．中央点Ｐ０’と中央点Ｐ１’から、これらの近傍における中央線Ｃの方向ベクトルを求める。
５．中央点Ｐ１’を中央点Ｐ０’とは反対の側に移動し、中央線Ｃに正射影することによって、新しい仮の中央点Ｐ２を求める。この中央点Ｐ２に対してプローブ経路Ｌ２を求め、計測待ちプローブ経路リスト１０４に記憶させる。
６．仮想プローブ計測手段１０５が、プローブ経路Ｌ２に対する計測を行い、正しい中央点Ｐ２’（図中には示してない）を求めて、計測結果リスト１０６に記憶させる。
７．上記の４〜６の各処理を、新しい中央点が得られなくなるまで繰り返す。
以上のようなプローブ経路設定手段１０８ｃと仮想プローブ計測手段１０６の処理により、計測結果リスト１０６には多数の中央点の座標と、各中央点の近傍における中央線Ｃの方向ベクトル、各中央点におけるパイプの半径ｒ０〜ｒｎが記憶される。
【００６６】
以上の処理が終わると、管路部品モデル作成システム１００ｃの形状モデル作成手段１０９は、計測結果リスト１０６に記憶されている中央点を並べ替え、それらを相互に結合して曲線データとして出力する。曲線データをＩＧＥＳなどの互換性の高い形式で出力すれば、マニフォルドモデルとして有限要素解析などに活用することができる。
【００６７】
応用についての第４の実施形態；
第４の実施形態は、材質の異なる複数の材料で構成される複合材の形状モデルを作成する複合材モデル作成システムに関する例である。Ｘ線ＣＴでは、密度の情報を取得することが可能なため、異種材を区別することができるが、境界がぼけを含むため、表面位置を正確に抽出することが難しくなる。３次元形状モデルを作成するには、従来マーチングキューブ法等の境界モデル化手法で、ポリゴンモデルを作成していた。しかしながら、この方法では、予め設定した閾値によって境界を決定するため、境界の閾値が複数存在する複合材のモデル化は困難だった。複合材モデル作成システムの目的は、Ｘ線ＣＴ装置により撮像したＸ線ＣＴデータを用いて、複合材の形状について、特定の材質ないしは全材質の表面形状のポリゴンモデルを精度良く作成することにある。この際、異材質の各部材が薄くてもモデル化が可能である。したがって、本方法で、第１の実施形態のようなシェルモデルも作成することができる。
【００６８】
本実施形態における複合材形状モデル作成システムの構成を図１７に示す。この複合材形状モデル作成システム１００ｄの基本的な構成は、形状モデル作成システム１００と同じである。以下では、複合材形状モデル作成システム１００ｄに固有の実装を中心にして説明する。
【００６９】
複合材形状モデル作成システム１００ｄのユーザインタフェース１０３ｄのディスプレイには、形状モデル化対象の複合材から得られたＸ線ＣＴデータによる画像が表示される。ユーザはそのディスプレイ上の画像を見ながらマウスカーソルで抽出したい材質の部品を指定する。データ全体に対して形状モデルを作成する場合には、この指定は、マウスを使わずに材質で指定してもよい。
【００７０】
複合材形状モデル作成システム１００ｄの特徴モデル１０７ｄは、対象物である複合材の各部材について、材質、各材質の平均セル値などの特徴を仮定している。また、複合材の製造プロセスを考慮して決められる異種材間の連続性等を仮定していてもよい。
【００７１】
複合材形状モデル作成システム１００ｄのプローブ経路設定手段１０８ｄは、最初のプローブ経路と特徴モデル１０７ｄに基づき、逐次的にプローブ経路を作成する。そのプロセスを図１８に示す。
１．最初のプローブ経路Ｌ１は、ユーザ指定または、隣接セルの自動探索により設定される。プローブ経路上で一定以上のセル値の差がある場合、プローブ経路の両端が各材質の平均セル値を示すまでプローブ経路を延長し、プローブ経路Ｌ１´を作成する。プローブ経路を５〜１０セル延長しても各材質の平均セル値を示さない場合、プローブ経路の角度を変え、上記を満たすプローブ経路Ｌ１´を探索する。このとき、以下の場合には、プローブ径路上に３種類以上の異種材が含まれるので、仮想プローブ計測の「異種材計測」を適用し、薄い部材の表面位置を高精度に計測する。「異種材計測」については、特許文献１に詳しく説明されている。
（ａ）プローブ径路上にその両端における各セルのセル値よりも高い、あるいは低いセル値が存在する。
（ｂ）プローブ経路の長さを極小にするようにプローブ経路の角度を調節しても、プローブ経路の長さが１０〜１５セル以上になる。
２．次に、プローブ経路Ｌ１´に対する計測を行い、複合材の部材における表面上の点Ｐ１を得る。
３．プローブ経路Ｌ１´をわずかに平行移動し、プローブ経路Ｌ２を求めて、計測待ちプローブ経路リスト１０４に記憶させる。平行移動量は、特徴データ１０７ｄを参照して決定する。
４．仮想プローブ計測手段１０５が、プローブ経路Ｌ２に対する計測を行い、表面上の点Ｐ２を求めて、計測結果リスト１０６に記憶させる。
５．上記の１〜４の各処理を、複合材についてユーザが指定した部材、あるいは全部材に対して繰り返す。
以上のようなプローブ経路設定手段１０８ｄと仮想プローブ計測手段１０６の処理により、計測結果リスト１０６には多数の表面位置の座標が記憶される。１〜５の各処理では、全材質の全境界面を求める例を示したが、１の処理で各材質の平均セル値を探索した際に判定を加えることによって、特定の材質の表面のみを求めるようにすることもできる。
【００７２】
以上の処理が終わると、複合材形状モデル作成システム１００ｄの形状モデル作成手段１０９は、計測結果リスト１０６に記憶されている表面位置座標を並べ替え、それらを相互に結合して曲面データとして出力する。曲面データをポリゴンデータやＩＧＥＳなどの互換性の高い形式で出力すれば、有限要素解析などに活用することができる。
【００７３】
以下では、本発明を実施する場合の一般的形態の他の一つについて説明する。以上の実施形態例では、ユーザがユーザインタフェースを用いて関与することで設定される最初のプローブ経路と特徴モデルに基づいて逐次的にプローブ経路を作成設定する構成となっていたが、本一般的実施形態例では、必要なプローブ経路の全てを一括的に設定できるようになっている。ただ、その設定は、複数を一括的に設定した仮のプローブ経路をその各仮プローブ経路についての測定で得られた特徴値などに基づいて更新することを、一定の収束条件が満たされるまで繰り返すことで最終的なプローブ経路を求めることでなされる。
【００７４】
図１９に、本実施形態における形状モデル作成システムの構成を示す。この形状モデル作成システムは、Ｘ線ＣＴ撮像装置１、仮中立点群作成手段１２、仮プローブ経路設定手段１３、仮想プローブ計測手段４、仮中立点群・仮プローブ経路更新手段１４、収束判定手段１５および形状モデル作成手段５を備える。このような形状モデル作成システムは、上述した例のように、さまざまの対象物について形状モデルの作成を可能とする。以下では、説明を具体的なものとするために、板要素で構成される板部品を対象物とする場合を前提にした説明とする。上で説明したように、ＣＡＤで板金などの薄物を扱う場合、一般には中立面を構成する中立点群と各中立点における厚さを使ってモデル化するのが一般的なので、以下の説明でもそれに準ずるものとしている。
【００７５】
Ｘ線ＣＴ撮像装置１は、板要素で構成される板部品６の断層像を複数枚撮像し、板部品６を含むＸ線ＣＴデータ（３次元ビットマップデータ）７を作成する。
【００７６】
仮中立点群作成手段１２は、Ｘ線ＣＴデータ７から、板部品６の内部に位置する内部点、具体的には中立点に関して仮中立点群データ１６を作成する。
【００７７】
仮プローブ経路設定手段１３は、仮中立点群１６における各中立点に対して、その中立点における板要素の厚さとその厚さ方向の中央位置を計測するための仮のプローブ経路を、それが対応する中立点を通過するようにして、設定する。
【００７８】
仮想プローブ計測手段４は、仮プローブ経路設定手段１３によって設定される仮プローブ経路および仮中立点群・仮プローブ経路更新手段１４によって更新され設定される新たな仮プローブ経路に沿って仮想プローブ１０を走査させて仮想プローブ計測を行う。その計測内容は、各仮中立点における板要素の厚さとその厚さ方向での中央位置を求めることである。
【００７９】
仮中立点群・仮プローブ経路更新手段１４は、仮想プローブ計測手段４によって計測された板要素の中央位置に仮中立点群を更新し、この更新で得られた新たな仮中立点群の各点に対して、その点における板要素の厚さを計測するための仮プローブ経路を更新・設定する。
【００８０】
収束判定手段１５は、仮中立点群・仮プローブ経路更新手段１４で更新された中立点ないし仮プローブ経路について収束判定を行う。その収束判定は、各更新仮中立点の位置の変化と各更新仮中立点に設定の仮プローブ経路のベクトルの変化について行う。すなわち更新仮中立点の位置が更新前の仮中立点に対して一定値以上変化しているか、および更新仮中立点に設定の仮プローブ経路のベクトルが更新前の仮中立点における仮プローブ経路のベクトルに対して一定値以上変化しているかを判定して行う。この収束判定で一定値以上の変化があると判定された場合には、仮想プローブ計測手段４と仮中立点群・仮プローブ経路更新手段１４にデータを渡し、収束判定手段１５による判定結果が「一定値以上の変化なし」となるまで以上の処理を繰り返させる。そして収束判定手段１５が「一定値以上の変化なし」と判定したら、その時点での仮中立点群を真の中立点群８とし、中立点群８の各中立点に関連付けられた板厚を真の板厚とする。形状モデル作成手段５は、中立点群データ８と仮想プローブ計測手段４によって計測された板厚から、板厚の情報を持つ形状モデル、具体的には板要素モデル１１を作成する。
【００８１】
図２０に、仮中立点群作成手段１２が仮中立点群を自動的に求める方法の一例における処理の流れを示す。本例における仮中立点群作成法（仮中立点群抽出法）は、対象物内部セル抽出過程１７、近傍セル参照過程１８、近傍セル中心点算出過程１９、および点群間引き過程２０を含んでいる。
【００８２】
対象物内部セル抽出過程１７は、図１９におけるＸ線ＣＴデータ７を二値化することにより、対象物内部セル２１（図２０の（ｃ）における白抜き部分）を抽出する。このとき二値化の閾値を調節することによって、抽出する内部セル２１の数量を適切な値に調整してもよい。
【００８３】
近傍セル参照過程１８は、各内部セル２１の近傍にあるセル２２（図２０の（ｄ）に網掛けで示されている部分）を参照する。近傍の範囲は、各内部セル２１から所定距離の範囲として定められる。その所定距離は、例えば各内部セル２１からの２セル以内と定められる。また所定距離は、外部セルが含まれる距離として局所的に決定することもできる。また所定距離は、ユーザが入力する板要素の板厚に基づいて決定することもできる。
【００８４】
近傍セルの中心点算出過程１９では、近傍セル参照過程１８で参照した近傍セル２２の中心点を算出する。そしてこの算出された中心点を仮中立点群データ１６における仮中立点とする。中心点の算出は、内部セルだけでなく外部セルも含み得る近傍セル２２の内の内部セル群についてその重心位置を求めることで行うのが一つの方法である。また各セルのＣＴ値によって重み付けすることでも中心点を算出することが可能である。
【００８５】
点群間引き過程２０では、近傍セル２２の中心点算出過程で求められた中心点群に対し、重なった点やごく近傍にある点を合併する。ここで、ごく近傍についての定義値は、ユーザが入力によって決められるようにしてもよい。
【００８６】
以上の一連の処理により、図１９におけるＸ線ＣＴデータ７から仮中立点群データ１６を自動的に作成することができる。
【００８７】
図２１に、仮中立点群と仮プローブ経路を更新する処理をイメージ化して示す。仮中立点群と仮プローブ経路の更新では、まず、更新前の仮中立点２３に対して設定された仮プローブ経路２４に沿って、仮想プローブ計測手段４が仮想プローブ１０を走査させて、板要素の厚さと中央位置を求める（図２１の（ａ））。次に、仮中立点の位置を、仮想プローブ計測で求めた板要素の中央位置に設定し、新たな仮中立点２５とする。最後に、新たな仮中立点２５を通る新たな仮プローブ経路２６を設定する（図２１の（ｂ））。
【００８８】
仮プローブ経路２６には向きと長さがある。仮プローブ経路２６の向きは、例えば仮中立点２５の近傍の仮中立点群で形成される面の法線ベクトルとして設定することができる。法線ベクトルは、近傍の点との近似平面の法線ベクトルとして求めてもよいし、また注目した点を原点にした近傍の各点の位置ベクトルを求め、全ての外積ベクトルの平均を算出するなどして求めてもよい。後者の方法はＸ線ＣＴデータからセル値で重み付けして近似面法線ベクトルを求める場合にも有効である。これらの方法とは別に、更新における新たな仮プローブ経路の向きは、更新前を基準にして、板厚が極小になるように探索して求めることも可能である。
【００８９】
仮プローブ経路２６の長さは、参照した近傍セルの距離の２〜８倍に設定したり、あるいはユーザが入力する板厚の２〜８倍に設定したりするのが一般的である。
【００９０】
図２２に、仮想プローブを用いて板部品の中立点および板厚を計測する処理をイメージ化して示す。この計測は、特許文献１で知られる幅計測方法に準じている。図２２における上の部分は、Ｘ線ＣＴデータ７における仮想プローブ１０の走査要領を示し、下のグラフ部分は仮想プローブ位置とＣＴ値との関係を示す。仮想プローブ１０は、Ｘ線ＣＴデータ７上でプローブ経路９に沿って走査する。そして、その走査において、上述のように有限の面積ないし体積を持つ領域として定義されるところの仮想プローブ１０の内に含まれる各セルについてのＣＴ値（セル値）を求める。このとき、仮想プローブ１０を往復走査させてデータの精度を上げるようにしてもよい。このようにして、図に示す仮想プローブ位置と仮想プローブに含まれるＣＴ値との関係を計測する。この計測値をプローブ経路上の位置にプロットしたのが下のグラフである。実線２７は仮想プローブ位置に対して計測したＣＴ値であり、２つの太い破線２８は実際の板部品の表面である。グラフでは、仮想プローブ位置における左側から空気、板部品、空気の順に計測対象領域が構成されている例を示している。
【００９１】
板部品の厚さは以下の手順で求められる。まず、板部品の密度を示すＣＴ値２９と空気の密度を示すＣＴ値３０を求める。ＣＴ値２９は、例えば、板部品と同じ材質が数十セル以上の広い領域を占める部分に対するＣＴ値を取得して、その平均値として求める。次に、ＣＴ値３０を示す細い破線と実線２７とで囲まれる領域３１の面積を求める。この場合、実線２７は太い破線２８がガウス関数にしたがってぼけたものであるから、領域３１の面積は、ＣＴ値２９を示す細い破線、ＣＴ値３０を示す細い破線、および太い破線２８とで囲まれる領域３２の面積と等しい。この関係を利用して、板部品の厚さ３３を、厚さ３３＝（領域３１の面積）／（ＣＴ値２９−ＣＴ値３０）として求める。中立点位置３４を求めるには、仮想プローブがプローブ経路全体を走査して領域３１の面積を求めた後に、再度走査し直し、仮想プローブが積算した面積が、領域３１の面積の１／２になる位置を求めればよい。このようにして、板部品が薄い場合でも、この薄板部品の中立点、厚さ、および境界位置をセル幅以下の高精度で計測することができる。
【００９２】
図２３に、計測された中立点群と板厚から板要素モデルを作成する処理の一例をイメージ化して示す。仮想プローブ計測手段で計測された中立点群の各中立点８に対して、近傍の２点で構成される面要素（板要素）１１を作成し、この作成した面要素に計測された板厚を関連付ける。このとき、仮想プローブ計測手段で利用したプローブ経路のベクトルの向きが近しい点同士を優先的に結ぶようにしてもよい。また、面要素に関連付ける板厚は、例えば面を構成する各点の板厚の平均値を設定するが、このとき仮想プローブ計測手段で利用したプローブ経路のベクトルの向きが近しい点の板厚のみを平均値の計算に用いるようにすれば、板の屈曲部等でも高精度にモデル化することができる。
【００９３】
図２４に示すのは、板部品のエッジ部の中立点群を求める方法における処理の一例をイメージ化したものである。図中で符号３７を付してあるのがＸ線ＣＴデータにおけるエッジ部の板部品断面である。本方法は、中立点群と板厚を本発明あるいは他の方法で求めた後、Ｘ線ＣＴ撮像装置で作成したＸ線ＣＴデータを利用する。まず、初期のエッジ部中立点（端点）３８についてプローブ経路３９を定義する。プローブ経路３９は、中立点３８が属する板要素に平行、中立点３８が属するエッジに垂直、および中立点３８を通るという３つの条件を満足させるものとして定義される。プローブ経路３９の長さは、エッジの外部の空気部分まで延長する。次に、中立点３８が属する板要素の板厚の２〜８倍の大きさの仮想プローブ４０を定義する。仮想プローブ４０は、プローブ経路３９に沿って走査し、各位置での仮想プローブ内にあるＸ線ＣＴデータのＣＴ値の合計を求め、板厚相当のＣＴ値を計算する。これは、図２２について説明した、板部品のＣＴ値から板厚を求める方法の逆である。この方法により、プローブ経路での板厚相当のＣＴ値のプロファイル４１が求まる。ここで、板のエッジ部では、画像のボケのため、ガウス関数にしたがってＣＴ値が落ちる。したがって、板部品の密度を示すＣＴ値と空気の密度を示すＣＴ値の平均値を閾値として、真の中立点（端点）４２を求めることができる。これにより、精度の高いエッジ部の板要素モデル作成が可能となる。
【００９４】
図２５に示すのは、板の接合部で中立点群を求める場合の処理の一例をイメージ化したものである。図中に符号４３を付してあるのは、Ｘ線ＣＴデータにおける板部品の接合部断面である。実線が、図２２について説明した方法で作成された板要素群を示す。この板要素群において、２枚の板の接合部は実際の板厚の倍の板厚部品として定義される。ここで、接合部の板要素の法線ベクトルは、近傍の一枚板部位の法線ベクトルと等しい。一方、点線で示した、一枚板と接合部との境界部位は、法線ベクトルが異なるため、この部位に着目して、接合部を抽出することができる。例えば、着目した部位の近傍要素を調べて、法線ベクトルが等しい場合、板厚の小さいほうの要素を拡張するなどの方法を用いればよい。
【００９５】
以上のように、本発明では、Ｘ線ＣＴデータなどの形状記述データから仮想プローブ計測を用いて形状モデル化のためのデータを得るようにしている。これは、対象物の内部形状もデータ化することのできるＸ線ＣＴデータのような形状記述データの特徴を活かして、いわば対象物の内部から形状モデル化のためのデータを求めることに相当する。このため、Ｘ線ＣＴデータを点群データ化して形状モデル化のためのデータを得る従来の方法における上記のような諸問題を有効に解消することができる。例えば、Ｘ線ＣＴデータにおけるぼけ足程度ないしそれ以下の厚さしかない薄い板要素を含む対象物でも容易に形状モデル化することが可能となる。またＸ線ＣＴデータの点群データ化を必要としないので、対象物が持っている形状的特徴を充分に活用した形状モデル化が可能となる。また板要素の表面を検出するような場合にＣＴ値プロファイルに変化でそれを行え、閾値を用いる必要がないので、材質の異なる複数の材料で構成される複合材についても形状モデルを容易に作成することが可能となる。
【００９６】
また本発明は、仮想プローブ計測で必要となる多数のプローブ経路を、最初のプローブ経路以外、または全てについて、プローブ経路設定手段により自動的に設定できるようにしている。このためユーザの負担を大幅に軽減でき、さらに一層、使い勝手のよいものとすることができる。
【００９７】
また本発明では、プローブ経路を順次作成するについて、特徴モデルも用いる外挿処理を行うようにしている。このため、ユーザが設定する最初のプローブ経路の配置が非常に簡単になり、上で説明した例のように、画面上で１点を指定するだけの簡単な操作を行うだけで済ませることができる。
【００９８】
以下では、本発明による効果の理解の一助として、板部品についてその表面位置を求めてからその中立点と板厚を求める従来の方法の概略を説明する。図２６に、従来の方法における代表的な処理の一例をイメージ化して示す。図中に符号３５を付して示す上の部分は、Ｘ線ＣＴデータ中の板部品の断面である。下のグラフ部分は、板部品の断面データ３５中の点線位置のＣＴ値プロファイルを示す。従来の方法では、まず、一定の閾値によって板表面の位置を設定する。３次元形状の場合、例えばマーチングキューブ法などを用いて板表面をモデル化する。ここで用いる閾値は、例えば板表面が板部品と空気の境界の場合、板部品の密度を示すＣＴ値と空気の密度を示すＣＴ値の平均値となる。次に、板部品の表裏各面の位置の中央を中立点とし、中立点位置での表裏各面間の距離を板厚とする。このとき、例えば、表裏各面それぞれの垂線を利用して中立点と板厚を求める。したがって、従来の方法では、板表面位置を高精度に求めることが必須となる。しかし、ここで示したＣＴ値プロファイルのように、板部品の内部に相当する位置でも、板部品の密度を示すＣＴ値に満たない場合は、前記の閾値が正しい境界位置を示しておらず、板厚の計測精度が低くなる。
【００９９】
図２７に示すのは、従来の方法でモデル化できない板部品のＸ線ＣＴ撮像データの一例である。図中に符号３６を付して示す上の部分は、Ｘ線ＣＴデータ中の板部品の断面である。下のグラフ部分は、板部品の断面データ３６中の点線位置のＣＴ値プロファイルを示す。図２６に示したデータ３５との相違は、もとの板部品が非常に薄いことである。グラフに示されるように、板部品が非常に薄いため、板部品のＣＴ値が板部品の密度を示すＣＴ値と空気の密度を示すＣＴ値の平均値にも満たない。このような状態は、例えば板部品の厚さが２セル以下の場合に対して表れ得る。この場合、一定の閾値によって板表面の位置を求めることができない。したがって、板表面の位置を求めることができないのであるから、中立点や板厚も求められず、板部品の形状モデル化ができない。
【０１００】
以上のように、従来の方法では一定以上に薄い板部品について形状モデル化が困難である。これに対して、上で説明したように本発明の方法では、ＣＴ値プロファイルに変化があれば板厚を求めることが可能なので、板厚がセルサイズ以下の場合でも板部品のモデル化が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、Ｘ線ＣＴデータなどの形状記述データからの形状モデルの作成について、それを適用可能な対象物の範囲を拡大するなどの効果をもたらすものであり、ＣＡＤを利用するディジタルエンジニアリングの分野で広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一般的な実施の形態における形状モデル作成システムの構成を示す図である。
【図２】板金部品の外観とそのＸ線ＣＴデータを例示する図である。
【図３】シェルモデルの例を示す図である。
【図４】シェルモデル作成システムの構成を示す図である。
【図５】シェルモデル作成システムのユーザインタフェースが表示する画面の例を示す図である。
【図６】シェルモデル作成システムにおけるプローブ経路設定手段の処理過程を示す図である。
【図７】インペラの外観とそのＸ線ＣＴデータを例示する図である。
【図８】羽根形状モデルの例を示す図である。
【図９】流体機械部品形状モデル作成システムの構成を示す図である。
【図１０】流体機械部品形状モデル作成システムのユーザインタフェースが表示する画面の例を示す図である。
【図１１】流体機械部品形状モデル作成システムにおけるプローブ経路設定手段の処理過程を示す図である。
【図１２】マニフォルドの外観とそのＸ線ＣＴデータの例を示す図である。
【図１３】マニフォルドモデルの例を示す図である。
【図１４】管路部品モデル作成システムの構成を示す図である。
【図１５】管路部品モデル作成システムのユーザインタフェースが表示する画面の例を示す図である。
【図１６】管路部品モデル作成システムにおけるプローブ経路設定手段の処理過程を示す図である。
【図１７】複合材形状モデル作成システムの構成を示す図である。
【図１８】複合材形状モデル作成システムにおけるプローブ経路設定手段の処理改定を示す図である。
【図１９】本発明の一般的な実施の形態における他の形状モデル作成システムの構成を示す図である。
【図２０】仮中立点群作成手段が仮中立点群を自動的に求める方法の一例における処理の流れを示す図である。
【図２１】仮中立点群と仮プローブ経路を更新する処理をイメージ化して示す図である。
【図２２】仮想プローブを用いて板部品の中立点および板厚を計測する処理をイメージ化して示す図である。
【図２３】計測された中立点群と板厚から板要素モデルを作成する処理の一例をイメージ化して示す図である。
【図２４】板部品のエッジ部の中立点群を求める方法における処理の一例をイメージ化して示す図である。
【図２５】板の接合部で中立点群を求める場合の処理の一例をイメージ化して示す図である。
【図２６】従来の方法における代表的な処理の例をイメージ化して示す図である。
【図２７】従来の方法でモデル化できない板部品のＸ線ＣＴ撮像データの一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０３】
４    仮想プローブ計測手段
５    形状モデル作成手段
６    板部品
７    Ｘ線ＣＴデータ
８    中立点群データ
９    プローブ経路
１０    仮想プローブ
１２    仮中立点群作成手段
１３    仮プローブ経路設定手段
１４    仮中立点群・仮プローブ経路更新手段
１５    収束判定手段
１００    形状モデル作成システム
１００ａ    シェルモデル作成システム
１００ｂ    流体機械部品形状モデル作成システム
１００ｃ    管路部品モデル作成システム
１００ｄ    複合材形状モデル作成システム
１０１    データ入力手段
１０２    データ記憶手段
１０３、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ    ユーザインタフェース
１０４    計測待ちプローブ経路リスト
１０５    仮想プローブ計測手段
１０６    計測結果リスト
１０７、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ    特徴モデル
１０８、１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ    プローブ経路設定手段
２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ    Ｘ線ＣＴデータ
３００ａ    シェルモデル
３００ｂ    羽根形状モデル
３００ｃ    マニフォルドモデル
３００ｄ    複合材形状モデル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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