JPH0749968A - 固体の内部の対象物を計算可能とする観点で復元する方法 - Google Patents

固体の内部の対象物を計算可能とする観点で復元する方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は特に固体の内部にある対象物について計算を可
能とする観点からこれを復元再構築することに関する。
本発明によるとそのプロセスは次のステップから成る： ａ）対象物をとり巻く空間を含む複数個の平行な断面の
映像を作り、それをディジタル化したデータを作る。 ｂ）そのデータを処理して、対象物の輪郭をディジタル
的に作る。 ｃ）その輪郭に関するデータを処理して、それをディジ
タル計算に利用できるようにする。 本発明によるプロセスは、例えば内燃機関のシリンダヘ
ッドの冷却管路の再構築に応用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は立体の内部に存在する
が、表面から見えなかったり、アクセスすることが難し
いような対象物（原文ではvolumeであり、これは固体内
の空洞に存在する物であることもあり、空洞そのものを
指す場合もあるもので本発明においてその形状を明らか
にし、計算の対象とするものを称している。従って必ず
しも固体に限らないが、ボリウムという表現は日本語と
して未熟なので以後対象物と称することとする。）を再
構築すること、即ち該対象物の形を正確に近似して復元
することに関する。更にこれを基として、ディジタル計
算ができるようにすることに関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき問題点】立体の内部に存在す
る簡単な形の物理的な量、例えば長さを、多少正確に決
めることは従来もできた周知の技術である。
【０００３】これらの物理量は物指しや、カリパスや、
分度器等のような従来の計器で直接測定することができ
ないので、超音波や、一定の輻射の吸収というような方
法が解析すべき対象物の形、乃至は寸法を決定するため
に使用されている。
【０００４】予め計画された応用については、そのよう
な対象物に関する数量的な値でも、隠された対象物の形
や輪郭でも決定することは従来から可能である。
【０００５】例えば医学的な写像術では、複数の平面に
沿って断面像を作り、それによって輪郭を復元しようと
している。例えば、原子磁気共鳴に基づくスキャナとそ
の設備とは人間の種々の器管の形をその断面に従って画
き出すことができるが、それ以上に進んで解析を行うこ
とまではできない。
【０００６】一方、既知の幾何学的寸法をもつ対象物又
はその一部分を数学的な方法によって復元することも周
知である。
【０００７】復元されるべき形状の特徴のうちの幾つか
を大体の形状を自動的に決定す るプログラムの入力と
して使うのである。このようなプログラムは隣接する網
の目（多角形のことが多い）、即ち所謂「メッシュ パ
ターン」によって形状を構成するので、「メッシュ」プ
ログラムと呼ばれる。メッシュ パターンは２次元のも
のでも３次元のものでもよい。
【０００８】更にメッシュ パターンから種々の計算を
行うことも周知である。この目的には有限の素子乃至有
限の差を使う計算アルゴリズムが一般に使用される。
【０００９】しかしながら、既述したように、これらの
計算方法には、計算を行うもととなる素子の寸法を知る
ことが先ず必要である。特に隠された対象物の幾何学的
な寸法についてそうである。
【００１０】このことは精細な計算を行わなければなら
ない時に、特に困難なことが多い。更に、データ即ち問
題の対象物の寸法は一般に一点、一点入力されるので、
かなりの時間が必要となる。
【００１１】最も好ましい方法は、幾何学的形状の中の
最も特徴的な点を入力し、自動的メッシュ パターン
プログラムが挿間法によって他の点の形状寸法を作り出
すことである。勿論このタイプの方法ではあまり複雑な
形状のものは処理できない。
【００１２】
【問題点を解決する方法】本発明の目的は上述の問題点
を解決し、その欠点を克服する方法を提供することであ
る。その方法は次の段階を含む： ａ）対象物の周囲の空間の複数を含む平行な断面の画像
を作り、これをディジタル化したデータを作る。 ｂ）前記データを処理して、対象物のディジタル化した
輪郭を作る。 ｃ）この輪郭に関するデータを処理して、ディジタルの
計算に利用できるようにする。
【００１３】更に上記のｂ）の処理を詳述すると、 −各々のディジタル化した画像について、その対象物の
輪郭を決定する。 −その輪郭を多角形で近似する。 −多角形の頂点の位置を求める。 −それらの頂点に関するデータから対象物の表面の本当
の輪郭を最もよく近似するような表面メッシュ パター
ンを作る。
【００１４】本発明の（ｃ）の段階は、段階（ｂ）の間
に作られた表面メッシュ パターンから対象物の体積メ
ッシュ パターンを作ることができるアルゴリズムを使
うことから成り立っている。この体積メッシュ パター
ンはその後はディジタル計算に使用することができる。
【００１５】実施例で使用している多角形は主として三
角形であり、体積メッシュの素子は主として四面体であ
る。
【００１６】計算のアルゴリズムは非構造型有限素子タ
イプのものである。
【００１７】実施例の１つではスキャナによって得た画
像をディジタル化して、各断面のディジタル化した画像
を得ている。
【００１８】各画像小片についてのデータを処理した数
学的な実在から成るファイル（ＣＡＤ）からディジタル
化した画像を得ることも本発明の範囲に入る。
【００１９】上述の発明の方法は内燃機関のシリンダー
ヘッドの内部の冷却管路の再構築に応用することもで
きる。シリンダー ヘッドはアルミニウム製のものが好
ましい。
【００２０】
【実施例】以下に図面に従って、実施例を説明するが、
この説明は発明をこの実施例に限定するものではない。
本発明の方法の主な段階を第１図に示す。
【００２１】第１の段階（１０）は物体を囲む表面の断
面図を得ることで、この断面図は互いに平行で、その間
隔はできれば一定で、計画する用途に応じて定める。即
ち断面図の相互間隔は該物体の幾何学的寸法の変化が容
易に検出されるように選定する。この断面図を得るに
は、周知のスキャナーを使用する。
【００２２】第４Ａ図、４Ｂ図及び４Ｃ図に示す一連の
断面図はこのようにして得たものである。これらの断面
はスキャナー自身又はコンピュータによってディジタル
化される： 段階（１２）
【００２３】数学的な実在物を示すＣＡＤファイルのよ
うなファイルからディジタル化した断面を得ることも考
えられるが、これも本発明の範囲を逸脱するものではな
い。これらの数学的実在物は、これを小画像片（以後ピ
クセルと称す）に関するデータに変換することを目的と
する特定のソフトウェアによって処理される。即ちピク
セルはディジタル化した画像の基本的な単位素子であ
る。
【００２４】第２図は一例として与えられた物体に対し
て求めた断面のすべてを模式的に示すものである。
【００２５】すべての場合において、次の段階（第１図
の段階（１４））の間に、ファイルに集められたディジ
タル化したデータを、特定のソフトウェアによって処理
して、復元すべき対象物のメッシュ パターン乃至輪
郭、即ち表面輪郭を作る。
【００２６】より詳しくは段階（１４）は次のステップ
に分けられる： −該対象物の表面を切った各断面上に現れる輪郭の位置
を求める。 −各輪郭を多角形の集合によって近似する。 −必要があれば輪郭を修飾する。 −対象物の物理的特徴をよく示すように幾つかの多角形
の頂点（又は節点）の位置を求める。即ち所謂境界条件
を決める。これによって −隣接する多角形の集合という形で該対象物の表面を表
現する。この輪郭が最もよく本当の対象物の輪郭を近似
するようにする。
【００２７】言いかえると、段階（１４）の終わった所
では、該対象物を覆う表面の（単位多角形からなる）メ
ッシュ パターンが得られる。
【００２８】段階（１６）の目的は対象物の体積メッシ
ュ パターンを創り出すことである。即ち該対象物の三
次元のディジタル近似を得ることである。言い換えれ
ば、記憶されるべき対象物を互いに隣接しているバイナ
リーの体積の集まりで近似することである。この為に自
動メッシュ用アルゴリズム、例えばVORONOI アルゴリズ
ムを三次元メッシュ パターンを創るために用いる。こ
の三次元メッシュ パターンは計算用ソフトウェアに適
用することができ、即ちディジタル計算に直接利用する
ことができる。
【００２９】段階（１８）は体積メッシュ パターンに
関するデータからディジタル計算を行うことである。
【００３０】第３図はメッシュで近似した対象物の非常
に簡単な例を示す。この図によれば体積素子（即ち体積
メッシュ）は四面体であり、その表面の多角形は三角形
である。勿論他の型の多角形と、体積素子を使って処理
することも本発明の範囲を逸脱するものではない。
【００３１】例として、本発明による処理の特別の応用
例を以下に述べる。
【００３２】上記の方法は内燃機関のシリンダ ヘッド
の内部冷却管路についての記述及び計算に使われてい
る。
【００３３】この例のシリンダ ヘッドはアルミニウム
で作られており、これは使用するスキャナで解析し得る
材料である。実際上、スキャナによって作られるＸ線を
吸収しすぎる金属には使用できない。アルミニウムは軽
い成分からできているので、よい結果、特によい画像の
質を得ることができる。
【００３４】シリンダ ヘッドをスキャナで分析する前
に、上記の理由から、重い金属からできている部品を取
り外しておくことが好ましい。
【００３５】解析すべき対象物を、他の物体、特に他の
管路と明瞭に区別するために、対象物の管路には水を充
満する。然る後連続的に断面の画像を作り出すことによ
ってスキャナ解析を行う。
【００３６】第４Ａ、４Ｂ及び４Ｃ図はこの実施例につ
いて得られた断面の写真即ち断層写真である。
【００３７】この応用例では断面は２〓毎にスキャン
し、約２００の断面をとった。これらの断面を、上記の
段階（１４）と（１６）とに従ってディジタル化し、記
憶し、処理した。
【００３８】第４Ａ、４Ｂ及び４Ｃ図において白い部分
（１）は空気だけの空白部分、濃い灰色の部分（３）は
材料物質（ここではアルミニウムのシリンダ ヘッド）
を現わし、淡い灰色の部分（２）が解析すべき対象物、
即ちシリンダ ヘッドの冷却路に相当する。
【００３９】この対象物の表面メッシュ パターン、次
に体積メッシュ パターンを次々と求める。体積メッシ
ュ パターンは全体で約１０万ケの結節点をもち、これ
を使って、計算プログラムで数種類の計算を行うことが
できる。例えば流体力学の分野からの計算方法を使うこ
ともできる。温度や、流量や、流速等をメッシュ パタ
ーンの数多くの結節点、即ち解析すべき構造物の多数の
点について計算することができる。
【００４０】本発明の上記の利点の一つを分かり易くい
うと、このような計算を約１週間でできることである。
【００４１】これと同じような結果を得るのに在来の方
法では多かれ少なかれ約６ケ月の作業が必要であろう。
【００４２】本発明の方法は、非制限的な例として上に
述べた上記の例以外の種々の型の解析にも使用できるこ
とは勿論である。
【００４３】
【発明の効果】本発明は複雑な形の対象物を正確に復元
し、これについてディジタル計算をすることを可能とす
るものである。
【００４４】更に本発明に応用することの利点は露出し
ていない、即ち立体の内部に隠されている対象物に対し
て適用し得ることである。
【００４５】即ち幾何学的寸法が詳しく分からない対象
物を復元し、解析することができる。例えば、立体の中
に埋め込まれていて、何かを含んでいるパイプとか、反
対に或る層に覆われているものとかについて計算を行う
ことがでかきる。即ちそのようなパイプを或る時間使っ
た後、パイプの形をある精度で復元し、このような隠れ
た、未知の形の対象物から直接計算を行うことが可能と
なる。これは本発明を非破壊テストの分野に応用したも
のである。
【００４６】本発明の大きな利点は従来技術に対して少
なからぬ時間を節約して複雑な対象物の計算を行うこと
を可能とすることである。
【００４７】事実、上述したように複雑な対象物を化学
的な計算にのせようとすると、その形状をコンピュータ
のメモリに記憶するのに長い時間がかかる。
【００４８】本発明では殆ど自動的に、即ち迅速に、ど
のようにな形状も把握できる。
【００４９】上述の目的と利点とは、対象物に関する計
算を行うために、特に立体の内部にある対象物を自動的
に再構成する方法によって得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプロセスの具体化の間に行われる
主なオペレーションの段階を示す流れ図である。
【図２】復元すべき対象物のいくつかの平行な断面を模
式的に示す。
【図３】本発明により復元された対象物を模式的に示
す。
【図４】それぞれスキャナで得られた断層写真を示す。
【第１図における符号の説明】 １０ ： 平行な断面図の作成 １２ ： 断面のディジタル化 １４ ： 処理 ・・・ 対象物のディジタル化した輪郭を
得る １６ ： 処理 ・・・ 対象物の体積素子による近似 １８ ： 対象物についてのディジタル計算 １ ： 空気 ２ ： 解析すべき対象物、この場合シリンダ ヘッド
の冷却管路 ３ ： 対象物を覆う材料、この場合アルミニウムのシ
リンダ ヘッド

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固体の内部に存在する対象物を該対象物
    に関する計算を可能とする観点で復元する方法におい
    て、該方法が： ａ）周囲の空間を含む該対象物の複数の好ましくは平行
    な断面画像を作って、これをディジタル化すること、 ｂ）該ディジタル化により得たデータを処理して、該対
    象物のディジタル化した輪郭を得ること、および、 ｃ）該輪郭面に関するデータを主としてディジタル計算
    に使用し得るように処理すること、の各段階を含むこと
    を特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 請求項（１）に記載の方法において、前
    記ｂ）の段階が： −前記ディジタル化した各画像について、前記対象物の
    輪郭を決めること、 −前記輪郭を複数の多角形によって近似すること、 −前記多角形の頂点の位置を求めること、および、 −前記頂点に関するデータから、該対象物の真の輪郭を
    最もよく近似するような表面メッシュ パターンを形成
    すること、を含むことを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】 請求項（１）又は（２）の何れかに記載
    の方法において、前記段階（ｃ）が、前記輪郭に関する
    データから求めた体積素子から成るものとして、前記対
    象物をディジタル的に復元するためのアルゴリズムを使
    用することから成っていることを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 請求項（２）又は（３）の何れかに記載
    の方法において、前記多角形が主として三角形であり、
    前記体積素子が主として四面体であることを特徴とする
    方法。
  5. 【請求項５】 請求項（３）に記載の方法において、前
    記アルゴリズムが非構成的有限素子タイプのものである
    ことを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】 請求項（３）に記載の方法において、前
    記アルゴリズムが非構成的有限体積タイプのものである
    ことを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 請求項（１）から（５）までに記載の方
    法において、ディジタル化した画像がスキャナによって
    作られ、各断面毎にディジタル化されることを特徴とす
    る方法。
  8. 【請求項８】 請求項（１）から（５）までに記載の方
    法において、各小画像片についてのデータとなるように
    処理された数学的実在から成るＣＡＤファイルのような
    ファイルからディジタル化した画像を得ることを特徴と
    する方法。
  9. 【請求項９】 請求項（１）から（７）までの何れかに
    記載の方法を内燃機関のシリンダ ヘッドの内部冷却管
    路の再構築に応用する方法。
  10. 【請求項１０】 請求項（８）に記載の方法において、
    前記シリンダ ヘッドがアルミニウムからできているこ
    とを特徴とする方法。
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DE (1) DE69322151T2 (ja)
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