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Segmentierung von industriellen 3D-CT-Voxelmodellen durch dynamische Schwellwertberechnung
(2008) Blessing, Nico; Westkämper, Engelberg (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. e.h. Dr.-Ing. e.h.)
Die industrielle Röntgen-Computertomographie (CT) hat in den letzten Jahren auch im Bereich der Messtechnik immer mehr an Bedeutung gewonnen. Aufgrund der Besonderheit Objekte komplett, d.h. inklusive deren Innengeometrien, erfassen zu können, besitzt sie ein enormes Potenzial, die heute in der Messtechnik etablierten Verfahren, wie die taktile Koordinatenmesstechnik oder optische Triangulationsverfahren, in manchen Teilen zu ersetzen oder in vielen Anwendungen sinnvoll zu ergänzen (Multisensormesstechnik). Doch wie bei allen Sensoren spielt auch bei der Computertomographie die Auswertung der gesammelten Daten eine wesentliche Rolle. Insbesondere wenn messtechnische Anwendungen im Vordergrund stehen, gelten strenge Anforderungen im Hinblick auf Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Nachvollziehbarkeit der gesamten Prozesskette. Die so genannte Segmentierung bezeichnet das Verfahren zur Trennung verschiedenartiger Materialien voneinander bzw. von der Umgebung, in welcher sich das Objekt befindet. Aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften von Röntgenstrahlen stellt sich das Problem nicht trivial dar und wurde bislang nur höchst unzureichend gelöst. Bis dato werden aus der Medizin abgeleitete Verfahren zur Segmentierung eingesetzt. Diese basieren allesamt auf die Identifizierung eines globalen Schwellwertes, welcher dann zur Segmentierung des gesamten Voxelmodelles verwendet wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zunächst mit dem wissenschaftlichen Nachweis der Unzulänglichkeit der heute eingesetzten globalen Schwellwertverfahren zur Segmentierung von industriellen 3D-Computertomographie-Datensätzen und mit der Definition von Anforderungen an einen Segmentierungsalgorithmus für den Einsatz in der 3D-CT. Messtechnische Anwendungen stehen hierbei besonders im Fokus der Betrachtungen. Es wird gezeigt, dass neben anderen physikalischen Störeffekten der Einfluss der Geometrie auf die Grauwertverteilung im Voxelmodell Hauptfehlerquelle in messtechnischen Auswertungen von CT-Daten ist. Dies bedeutet konkret, dass sich geometrische Messgrößen in Abhängigkeit von der Form eines Objektes, bei ansonsten identischen Bedingungen, unterschiedlich darstellen. Hauptbestandteil dieser Arbeit ist eine Analyse verschiedenster Segmentierungsalgorithmen, deren Bewertung nach zuvor definierten messtechnischen Klassifikatoren und die Identifizierung eines für die industrielle Messtechnik geeigneten Algorithmus. Es werden sowohl punkt- und kantenorientierte als auch regionenorientierte Verfahren miteinander verglichen. Dabei zeigt sich, dass sich die punktorientierte, dynamische, lokal-adaptive Bestimmung von Schwellwerten in besonderer Weise zur Auswertung von 3D-Voxelmodellen, deren Ursprung die Röntgencomputertomographie ist, auszeichnet. Die Implementierung eines solchen Verfahrens in Verbindung mit einem modifizierten Marching Cube Algorithmus liefert im Vergleich mit herkömmlichen Segmentierungsverfahren deutlich bessere Ergebnisse. Anhand eines synthetischen Datensatzes und einigen Testdatensätzen von tomographierten Objekten werden diese Ergebnisse mit dem Stand der Technik verglichen und für messtechnische Anwendungen qualifiziert. Der Nachweis einer deutlichen Verbesserung des Gesamtmessergebnisses durch diese Methode wird erbracht. Die zuvor festgestellten messtechnischen Abweichungen, welche aufgrund des Einflusses der Geometrie der Bauteile bei der Verwendung von globalen Schwellwerten auftreten, werden durch den Einsatz des entwickelten Algorithmus nahezu eliminiert.