工業(yè)x射線計算機斷層掃描有助于以非破壞性和免接觸方式確定技術對象(包括內部結構)。這里，所述對象被來自不同方向的x射線輻射照射，其中在每種情況下都記錄該對象的2D投影。根據(jù)該2D投影重建3D圖像數(shù)據(jù)記錄(體數(shù)據(jù)記錄)。這種體數(shù)據(jù)記錄由體素(立方體體元)的三維矩陣組成，其中灰度值被分配給每個體素。該灰度值表示對象在分配給體元的空間點處的局部x射線吸收系數(shù)。

相應的體數(shù)據(jù)記錄還借助于其它斷層掃描方法產生，例如，借助于磁共振成像或超聲斷層掃描。

為了可視化和檢查所記錄的體積，通常從體數(shù)據(jù)記錄的三維圖像信息(即，灰度值的空間分布)導出二維切片圖像，并顯示在屏幕上。然而，為了改進的可視化或者任何其它類型的對數(shù)據(jù)的進一步處理(例如，用于尺寸度量、與CAD數(shù)據(jù)的預期/實際比較、缺陷分析或者作為FEM模擬的輸入)，可能希望根據(jù)體數(shù)據(jù)來確定成像對象的表面。這里，所述表面由那些空間點的集合給出，那些空間點限定了對象的填充材料的空間體積與空的或充氣的環(huán)境之間的界面，或者不同材料的部分體積之間的界面。在復雜對象的情況下，待確定的表面可以由彼此連接或不連接的多個部分區(qū)域組成，并因此例如除了外部區(qū)域之外還包括一個或更多個內部區(qū)域和/或材料邊界。

存在本身已知的各種(表面確定)方法，借助于這些方法，可以根據(jù)體數(shù)據(jù)記錄來確定該表面，例如：

-所謂的“marching cubes”算法(等表面(iso-surface))，如在例如William E.Lorensen,Harvey E.Cline:“Marching Cubes:A High Resolution 3D Surface Construction Algorithm”.In:Computer Graphics,volume 21,number 4,July 1987中所描述的，

-使用局部自適應閾值，如在例如EP 1861822A1中所描述的，或者

-所謂的“3D Otsu’s thresholding”算法，如在例如Nobuyuki Otsu:“A Threshold Selection Method from Gray-Level Histograms”.In:IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS,MAN,AND CYBERNETICS,VOL.SMC-9,NO.1,JANUARY 1979中所描述的。

部分地，這些方法迭代地操作，即，它們以針對待確定的表面的粗略估計開始，并將該估計迭代地精煉至盡可能正確的表面。

在通過計算機斷層掃描產生的體數(shù)據(jù)的情況下，所記錄的對象的表面在任何情況(即，無論該表面是否將填充材料的空間區(qū)域與填充空氣的空間或沒有空氣的空間定界，或者兩種不同的材料是否彼此定界)下，都將吸收輻射至較大程度的空間區(qū)域(“高吸收區(qū)域”)與吸收輻射至較小程度的空間區(qū)域(“低吸收區(qū)域”)分開。

在體數(shù)據(jù)中，這種轉變總是被表示為或多或少尖銳的區(qū)域對比度。換句話說，體數(shù)據(jù)中待確定的表面通過沿著該待確定表面的沒有或只有相對較低的空間灰度值波動的體素來區(qū)分，而體素的灰度值在垂直于其區(qū)域范圍的表面的每個空間點的鄰域(neighborhood)中(即，在與該表面垂直的方向上)經受相對較強的空間變化。

這也適用于借助于其它斷層掃描方法生成的體數(shù)據(jù)，即使這種體數(shù)據(jù)記錄的體素的空間灰度值波動部分不是直接基于因材料而造成的變化的能量吸收。舉例來說，通過磁共振成像產生的體數(shù)據(jù)的灰度值對比度通?；谙惹凹ぐl(fā)的核自旋狀態(tài)的局部變化的弛豫時間。然而，所記錄的對象的表面在這里也以體數(shù)據(jù)中的區(qū)域灰度值對比度表示。

由于工業(yè)斷層掃描方法的有限空間分辨率，尤其是工業(yè)計算機斷層掃描，所測量的對象的表面在這里按從低灰度值(對應于低吸收區(qū)域)到高灰度值(對應于高吸收區(qū)域)的軟過渡或模糊過渡(即，沿正交方向，在多個鄰接體素上延伸的空間連續(xù)過渡)有規(guī)律地表達，或反之亦然。圖3以示例性方式描繪了通過計算機斷層掃描產生的體數(shù)據(jù)記錄的灰度值曲線(也稱為灰度值分布圖)，如其通常垂直于其中材料在所記錄的對象處(諸如一方面是塑料和另一方面是空氣)彼此鄰接的表面出現(xiàn)。

因此，即使由所記錄的對象的表面引起的體數(shù)據(jù)中的灰度值轉變不是尖銳的(即使實際測量對象的表面實際上具有尖銳的邊界)，原則上，用于確定該表面的常規(guī)方法也常常便于以小于體素的邊緣長度的準確度來確定表面的空間位置。

然而，導致體數(shù)據(jù)劣化并因此限制確定表面的精度的各種偽像(例如射束硬化偽像、條紋偽像、散射輻射偽像、環(huán)狀偽像)在工業(yè)計算機斷層掃描中有規(guī)律地出現(xiàn)，就像在其它斷層掃描方法中一樣。結果，以偏離對象的實際幾何形狀的方式，體數(shù)據(jù)中的灰度值被篡改。舉例來說，圖4示出了通過計算機斷層掃描產生的對象的受偽像所擾的體數(shù)據(jù)記錄的切片圖像，所述對象由靠近在一起的兩個鋼球形成。具有低灰度值(和低x射線吸收系數(shù))的體素在此以示例性方式被描繪為黑色或深色斑點，而具有高灰度值(和高x射線吸收系數(shù))的體素被描繪為亮至白色的斑點。在該圖示中可識別的兩個球的圖像之間的較亮區(qū)域在這種情況下由來自圖像重建的偽像造成。因此，這些較亮區(qū)域不是由所記錄的對象引起的，而僅僅是因圖像重建而引起。而且，由于杯形效應(由射束硬化觸發(fā))，灰度值在球體之間被系統(tǒng)地低估。為此，似乎在球體表面之間存在小的距離，即使它們實際上在一點處相接觸。

因體數(shù)據(jù)中的偽像而使得找到表面更加困難。由此，來自受偽像所擾的體數(shù)據(jù)的表面以篡改的方式被有規(guī)律地計算，部分具有顯著的篡改。尤其是，真實對象的表面區(qū)域有時因體數(shù)據(jù)中的偽像而未被識別。同樣可能發(fā)生的是，真實對象事實上不具有的表面區(qū)域(諸如球體區(qū)域之間的前述較亮區(qū)域)因體數(shù)據(jù)中的偽像而被檢測到。

本發(fā)明的目的是提供一種方法和系統(tǒng)，所述方法和系統(tǒng)可以用于有效地確定借助于表面確定方法從體數(shù)據(jù)記錄中提取的表面數(shù)據(jù)的局部質量。

就方法而言，根據(jù)本發(fā)明，該目的通過權利要求1的特征來實現(xiàn)。就系統(tǒng)而言，根據(jù)本發(fā)明，該目的通過權利要求10的特征來實現(xiàn)。在從屬權利要求和隨后的描述中提出了本發(fā)明的有利配置和開發(fā)，其皆就自身而言(部分地)為獨創(chuàng)性的。

根據(jù)本發(fā)明的方法用于借助于表面確定方法確定從體數(shù)據(jù)記錄中提取的表面數(shù)據(jù)的局部質量。

如常規(guī)的，體數(shù)據(jù)記錄包括體素的三維矩陣，每個體素具有分配給它的灰度值。表面數(shù)據(jù)包括從體數(shù)據(jù)記錄中提取的許多表面點。這里，從體數(shù)據(jù)記錄中提取的表面數(shù)據(jù)尤其被組合在例如以所謂的STL格式可用的表面數(shù)據(jù)記錄中。以這種數(shù)據(jù)格式，單個的表面點被合并為三角形面的拐角，由此構成表面–理想地完全封閉的表面。這里，針對每個三角形面，存儲所述拐角的3D坐標和垂直于各自的三角形面的法向矢量的方向。這里，該法向矢量的取向分別指定三角形面的哪一側指“向內”和“向外”。

一般來說，在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍內，針對從體數(shù)據(jù)記錄提取的表面點，在每種情況下，確定表征各自考慮的表面點的質量的至少一個質量特征。一般來說，將直接或間接地包含關于從體數(shù)據(jù)記錄提取的該表面點再現(xiàn)所記錄的對象的實際表面的準確度的信息項的變量稱為各自的表面點的“質量”(局部質量)。

這里，針對這些表面點中的每一個，以循環(huán)方式執(zhí)行下述過程。各自的方法循環(huán)涉及的表面點(即，對于其來說，在相關方法循環(huán)中獲得至少一個質量特征)在這里被表示為“所考慮的表面點”，以便將其與各自的其它表面點區(qū)分開。

根據(jù)所述方法，根據(jù)每個方法循環(huán)中的預定標準，針對各自考慮的表面點確定體數(shù)據(jù)中的鄰域。這里，該鄰域通過體數(shù)據(jù)記錄的一組體素形成在該體數(shù)據(jù)記錄的參考點附近，所述參考點就其3D坐標而言對應于所考慮的表面點。通常，該參考點不精確地對應于一個體素的坐標，但通常位于多個體素之間。

根據(jù)所述方法，基于來自該鄰域的體素的灰度值的曲線(尤其基于空間變化)導出至少一個質量特征。作為該方法的結果，由此確定的所述質量特征或者每個質量特征與所考慮的表面點的坐標一起輸出。尤其是，表面點連同相關聯(lián)的質量特征或者每個各自的關聯(lián)的質量特征被存儲在經修改的表面數(shù)據(jù)記錄中，其在下面也被稱為“合格表面數(shù)據(jù)記錄”。質量特征的值優(yōu)選地隨著相關聯(lián)的表面點的質量提高而增加。然而，另選地，質量特征也可以以這樣的方式定義，即，它們以相反的方式指定相關聯(lián)的表面點的質量(即，量值隨著相關聯(lián)的表面點的質量劣化而增加)。在后一情況下，質量特征尤其被定義為單個點不確定性(其指定為特定長度單位的表面點的空間誤差，例如，以毫米為單位)。

由此，根據(jù)本發(fā)明，來自體數(shù)據(jù)的信息項在已經提取的表面點的鄰域中使用，尤其是借助于用于確定表面的前述方法之一來提取，以估計所述表面點的質量。這針對所有提取的表面點來執(zhí)行。其結果是，表面點不僅包含關于各自的表面點沿x、y和z的坐標的信息，而且還包含表征分別提取的表面點的質量(即精度或可靠性)的一個或更多個質量特征。

優(yōu)選地，考慮下述標準中的一個或更多個標準來計算質量特征：

-將搜索射束確定為所考慮的表面點的鄰域，所述搜索射束以直角與根據(jù)所述表面點確定的表面相交(或者偏離其達到某一角度)。下述標準通過評估由沿著所述搜索射束的體素(可能從多個體素插值)形成的灰度值分布圖來確定：

ο評估灰度值分布圖的銳度

這里，在有利的實施方式中，表面點的質量被評估得越高，灰度值分布圖的轉變從高到低的值就越劇烈，尤其是灰度值分布圖在該表面點的位置處的梯度就越大。為此，將針對灰度值分布圖的梯度的測量優(yōu)選地確定為針對沿著搜索射束的各自考慮的表面點的質量的標準。尤其是，通過使用所存儲的參考分布圖擬合灰度值分布圖來確定該測量。這里，例如將誤差函數(shù)或者(如果考慮沿著搜索射束的灰度值的導數(shù))高斯曲線存儲為參考分布圖(將預期的分布圖)，其中各自的函數(shù)通過調節(jié)其參數(shù)以盡可能最大程度地被擬合到所確定的灰度值分布圖。在這種情況下，根據(jù)所擬合的參考分布圖的至少一個參數(shù)(例如，可能擬合的高斯函數(shù)的最大值)來確定針對梯度的測量。該梯度可選地與灰度值分布圖的對比度有關地加以考慮，即，尤其是，通過對比度劃分(即，低吸收區(qū)域與高吸收區(qū)域之間的灰度值差)。為了防止質量特征的確定被異常影響的梯度(例如，受噪聲或偽像影響)篡改，所確定的梯度在計算質量特征時優(yōu)選地與噪聲分量(信噪比)和/或與灰度值分布圖的單調性相關。另選地，將擬合到灰度值分布圖的空間導數(shù)的高斯曲線的寬度用作針對該灰度值分布圖的銳度的測量。

ο評估灰度值分布圖的對比度

為此，將針對灰度值分布圖的對比度的測量確定為針對沿著搜索射束的所考慮的表面點的質量的標準。尤其是，為了計算對比度，–例如，通過比較平均值或漸近極限值–將通過所述表面點劃分的灰度值分布圖的兩側(對應于低吸收區(qū)域和高吸收區(qū)域)–彼此進行比較。由此，例如，將位于所述表面點右側的灰度值分布圖的部分的平均值與位于所述表面點左側的灰度值分布圖的部分的平均值進行比較，例如，這些(右側的和左側的)平均值的差被用作針對對比度的測量。可選地，當形成該平均值時，圍繞所提取的表面點的灰度值分布圖的區(qū)域保持不被考慮。在有利的實施方式中，所確定的對比度越大，表面點的質量被評估得就越高。在該方法的精煉變型例中，所確定的對比度越好地對應于預定的期望值，表面點的質量被評估得就越高。當計算質量特征時，所確定的對比度可選地與灰度值分布圖的噪聲分量(再次對應于信噪比)相關。

ο評估灰度值分布圖的噪聲

為此，將針對灰度值分布圖的噪聲的測量確定為針對沿著搜索射束的所考慮的表面點的質量的標準。這里，在本發(fā)明的各種配置變型例中，噪聲被確定為在整個灰度值分布圖上，或者被確定為僅在通過表面點劃分的灰度值分布的一側上(即，僅在灰度值分布圖的低吸收區(qū)域中或者僅在高吸收區(qū)域中)。在該配置的改進中，灰度值分布圖的噪聲在每種情況下都針對灰度值分布圖的低吸收區(qū)域和高吸收區(qū)域單獨地被確定，其中由此確定的噪聲值被相互比較和/或與各自分配的預期值進行比較。這是有利的，尤其是由于噪聲分量在從體數(shù)據(jù)提取的灰度值分布的低吸收區(qū)域中和高吸收區(qū)域中有規(guī)律地突出到不同程度的事實。由此，以灰度值的絕對值測量的灰度值分布圖在低吸收區(qū)域中比在高吸收區(qū)域中有規(guī)律地具有更低的噪聲分量。相反，相對地考慮，即，考慮與灰度值的局部平均絕對值有關的相應噪聲幅度，灰度值分布圖通常在低吸收區(qū)域中比在高吸收區(qū)域中具有更高的噪聲分量。

ο評估灰度值分布圖與所存儲的參考分布圖的偏差

這里，例如誤差函數(shù)或者(如果考慮沿著搜索射束的灰度值的導數(shù))高斯曲線被再次存儲為參考分布圖，其中各自的函數(shù)可選地首先通過調節(jié)其參數(shù)以盡可能最大程度地被擬合到所確定的灰度值分布圖。舉例來說，所確定的灰度值分布圖的單個值與參考分布圖的對應值的平方偏差的總和或平均值被用作針對該偏差的測量。在有利的實施方式中，灰度值分布圖偏離參考分布圖越小，表面點的質量在這種情況下被評估得就越高。

ο評估灰度值分布圖的對稱性

這里，在有利的實施方式中，灰度值分布圖相對于所提取的表面點的位置越對稱，表面點的質量被評估得就越高。舉例來說，將所確定的灰度值分布圖的單個值與在參考體素處或在作為對稱點的分布圖轉向點處鏡像的灰度值分布圖的對應值的平方偏差的平均值用作針對灰度值分布圖的對稱性的測量。

ο評估灰度值分布圖的單調性

為此，將針對灰度值分布圖的單調性(即，梯度的均勻性)的測量確定為針對沿著搜索射束的所考慮的表面點的質量的標準。這里，在有利的實施方式中，灰度值分布圖偏離灰度值的單調(即，僅減小或增加)曲線越小，表面點的質量被評估得就越高。可選地，單調性的評估被限制在所提取的表面點周圍的灰度值分布圖的預定范圍，因此，為此考慮的不是整個灰度值分布圖。

ο評估所提取的所考慮的表面點(其借助于給定表面確定方法被提取)離借助于另一表面確定方法沿著搜索射束提取的(至少)一個另選表面點(另選點)的距離。這里，在有利的實施方式中，借助于各種方法確定的表面點之間存在的距離越小，所考慮的表面點的質量被評估得就越高。這里，確定表面點(分配給公共搜索射束)優(yōu)選地是根據(jù)本發(fā)明的方法的一部分。作為針對其的另選方案，外部確定的表面點被用作根據(jù)本發(fā)明的方法的輸入變量，使得在這種情況下，借助于多種方法確定表面點本身不是根據(jù)本發(fā)明的方法的一部分。用于確定表面點的方法可以可選地使用局部和全局閾值。

可選地，針對每個所考慮的表面點確定多個搜索射束而不是單個搜索射束，所述多個搜索射束垂直于從表面點確定的表面(或偏離其達到某一角度)。在這種情況下，從沿著所述多個搜索射束的灰度值分布圖(可選地從多個體素插值)確定上述標準。

-沿著從表面點確定的表面延伸的切片平面被確定為所考慮的表面點的鄰域。下述標準通過評估來自該切片平面(可選地從多個體素插值)的體素的灰度值分布圖來確定：

ο評估噪聲

為此，將針對所述切片平面內的灰度值分布圖的噪聲的測量確定為針對所考慮的表面點的質量的標準。這里，在有利的實施方式中，噪聲越低或者灰度值在該切片平面內越均勻，表面點的質量被評估得就越高。優(yōu)選地，在這種情況下僅評估圍繞所考慮的表面點的切片平面的區(qū)域。因此，優(yōu)選地不考慮來自位于該區(qū)域之外的切片平面的區(qū)域的噪聲分量。

ο評估灰度值的均勻性

為此，將針對所述切片平面內的灰度值分布圖的均勻性的測量確定為針對所考慮的表面點的質量的標準。這里，在有利的實施方式中，灰度值在該切片平面內越均勻，并且因此這些灰度值波動(即，在空間上變化)越小，表面點的質量被評估得就越高。這是基于如下發(fā)現(xiàn)：在所述切片平面內的灰度值的顯著梯度將指示對象的邊緣，其中，根據(jù)經驗，可以預期所提取的點的相對較大的偏差。這里也優(yōu)選地僅評估圍繞所考慮的表面點的切片平面的區(qū)域。因此，不考慮位于該鄰域之外的切片平面的區(qū)域的灰度值。為了在確定均勻性時最大可能程度地抑制噪聲分量，在計算前述測量之前，可選地對在該切片平面內考慮的灰度值進行空間平滑。

前述切片平面是放置在所考慮的表面點處的切向平面。在本發(fā)明的另選實施方式中，選擇圍繞參考體素的彎曲切向區(qū)域(尤其是具有球殼的形狀、橢圓體的形狀或者–尤其是在邊緣區(qū)域中–側圓柱面的形狀)作為鄰域，而不是平面切向區(qū)域。在本發(fā)明的又一不同的實施方式變型例中，選擇圍繞參考體素的球體或圓柱體作為鄰域。同樣在這些變型例中，優(yōu)選地將針對相應鄰域中的灰度值的均勻性的測量和/或針對噪聲的測量用作用于計算質量特征的標準。

上述標準中的每個都可以被單獨地(以孤立的方式)用于計算本發(fā)明的范圍內的質量特征。這里，可以在本發(fā)明的范圍內將多個質量特征分配給每個提取的表面點，所述質量特征均在考慮一個標準的情況下被確定。然而，優(yōu)選地，在考慮上述多個標準的組合的情況下來確定每個表面點的質量特征或每個質量特征，例如，作為單個數(shù)字的加權和，其分別使用單個標準被確定。

為了節(jié)省計算時間，在該方法的有利配置中，在表面確定期間(與其并行地)確定該質量特征。在這種情況下，確定表面點(借助于一個或更多個不同的表面確定方法)是根據(jù)本發(fā)明的方法和所分配的系統(tǒng)的組成部分。在本發(fā)明的另選實施方式中，在時間上在確定表面之后計算質量特征。在這種情況下，確定表面點(借助于一個或更多個不同的方法)同樣是根據(jù)本發(fā)明的方法和所分配的系統(tǒng)的組成部分。另選地，根據(jù)本發(fā)明的方法和相關聯(lián)的系統(tǒng)可以被限制成在后一種情況下計算質量特征。在這種情況下，除了對象的體數(shù)據(jù)之外，該方法還使用表面數(shù)據(jù)作為輸入變量，所述表面數(shù)據(jù)借助于一個或更多個外部算法從這些體數(shù)據(jù)中導出。

在本發(fā)明的改進中，提供有質量特征的表面數(shù)據(jù)被轉換為準備用于在屏幕上或在打印輸出中顯示的修改數(shù)據(jù)記錄，其中考慮所述質量特征來計算針對該表面點的經修改顏色值并將其分配給該表面點。當計算這些顏色值時，除了質量特征以外，優(yōu)選地還考慮原始體數(shù)據(jù)的灰度值。舉例來說，每個表面點的色調(例如，基本色紅色、綠色以及黃色的比率)由質量特征–根據(jù)預定顏色代碼–確定，而顏色亮度由原始灰度值確定。換句話說，原始灰度值根據(jù)表面確定的質量被不同地著色。在本發(fā)明的另選實施方式中，體數(shù)據(jù)記錄的3D可視化(場景)中的顏色亮度由體渲染(即，通過模擬照明情況的光影表示)來確定。

優(yōu)選地，質量特征僅被映射至具有少量灰度的不同色調。由此，如圖5所示，尤其根據(jù)三級顏色代碼將質量特征映射到三個色調G(綠色，對應于良好的質量特征，即，超過上閾值的質量特征)、Y(黃色，對應于平均質量特征，即，位于上閾值和下閾值之間的質量特征)以及R(紅色，對應于差的質量特征，即，下降到低于下閾值的質量特征)。

基于由此獲得的顏色值，使用反映單個表面點的精度或可靠性的偽色，將所提取的表面描繪為切片圖像或經渲染的3D可視化(場景)。在這方面，圖4示出了從根據(jù)圖4的體數(shù)據(jù)記錄導出的表面數(shù)據(jù)記錄的表示，其中，由偽像造成的球體表面的變形(以下稱為“犄角(horn)”)通過著色為低質量區(qū)域的黃色和紅色被突出顯示。

這有助于提供關于表面提取的哪些區(qū)域可以被信任以及哪些區(qū)域被期望具有相對較大偏差的清楚說明。在該示例中，受偽像影響的表面點被可靠地標識。這對于CT的工業(yè)應用來說是最相關的，因為通過CT獲得的數(shù)據(jù)的有效性仍經常受到質疑。

另外，可以進行回到體數(shù)據(jù)的步驟，以便評估被標記為差(如受偽像所擾)的表面點鄰域中的體素。

在本發(fā)明的進一步發(fā)展中，在隨后的方法步驟中，借助于優(yōu)化方法(例如，借助于Levenberg-Marquardt算法)，將一個或更多個幾何元素擬合到提供有質量特征的表面數(shù)據(jù)(或者所述表面數(shù)據(jù)的選定部分)。這里，幾何元素表示在位置、取向、大小等方面可參數(shù)化的數(shù)學函數(shù)，并且其分別描述預定的幾何形狀，例如，點、線、圓、平面、球體、圓柱體、圓錐體或環(huán)面。這里，以這樣的方式選擇幾何元素，即，使它們在其整體方面或者在其體積部分方面對應于或接近于真實對象的幾何形狀(或者對象的圖形、CAD模型或規(guī)格)。因此，例如，根據(jù)圖4有利地將兩個球形幾何元素擬合到表面數(shù)據(jù)記錄，其表示根據(jù)圖4的體數(shù)據(jù)記錄的由兩個金屬球構成的對象。

為了避免因偽像而造成的表面數(shù)據(jù)記錄中的誤差(在根據(jù)圖4的表面數(shù)據(jù)記錄的情況下由偽像造成的“犄角”)對擬合的干擾影響，或者為了至少保持這些干擾影響盡可能低，在借助被評估為不準確(或者被完全忽略或者被較少地加權)的表面點的擬合期間，另外還考慮分配給表面數(shù)據(jù)的質量特征。這有助于特別精確地擬合幾何元素，這在尺寸度量中是最重要的。

作為針對其的另選方案，通過仿射坐標變換(尤其是旋轉、位移和/或縮放)，將表面數(shù)據(jù)擬合到至少一個幾何元素。以這種方式，表面數(shù)據(jù)以及可選地基礎體數(shù)據(jù)記錄被擬合到例如在體數(shù)據(jù)記錄中成像的對象的CAD模型。此外，測量數(shù)據(jù)因此可以關于期望的坐標系來對準，以便隨后能夠在清楚限定的位置處執(zhí)行測量。在表面數(shù)據(jù)的坐標變換中，如上所述，有利地考慮先前確定的質量特征(即，尤其是，通過被完全忽略或較少地加權的不準確的表面點)。

可以預期，即使其它測量點具有良好的質量特征，所述其它測量點在具有低質量特征的表面點的直接鄰域中也具有相對較大的不確定性。為此，在本發(fā)明的有利的實施方式中，將平滑濾波器應用于質量特征，使得還包括相鄰測量點的原始計算的質量特征。

附加地或另選地，在本發(fā)明的有利配置中，在具有低質量特征的表面點周圍設立安全距離，在該安全距離內不考慮另外的測量點。

另一方面，如果由于太差的質量特征而從某個區(qū)域丟棄太多的表面點，則將幾何元素擬合到測量數(shù)據(jù)可能導致不穩(wěn)定的結果。舉例來說，如果在將圓擬合到測量點時僅考慮來自小圓弧段的區(qū)域的點(因為在剩余區(qū)域中出現(xiàn)強的偽像)，則圓參數(shù)(即中心點的坐標和圓的半徑)的擬合根據(jù)經驗會受到相對較大的不確定性的影響。正因為如此，在本發(fā)明的優(yōu)選配置中，在計算單個表面點的加權因子時也考慮相鄰表面點的權重。以這種方式，如果在相對靠近的鄰域中存在極少量具有良好質量特征的測量點，則可以優(yōu)選地處理測量點而不管差質量特征。

在將至少一個幾何元素擬合到表面數(shù)據(jù)或者將表面數(shù)據(jù)擬合到至少一個幾何對象的另一另選方案中最后規(guī)定，在考慮所分配的質量特征的情況下，將表面數(shù)據(jù)記錄擬合到另一表面數(shù)據(jù)記錄(數(shù)據(jù)融合)。因此，例如，可以利用不同的記錄參數(shù)來執(zhí)行對對象的多個測量，其中，在每種情況下，針對該對象的特定區(qū)域，測量具有更準確的測量結果。單個測量的優(yōu)點通過融合數(shù)據(jù)記錄而被組合(或者，換句話說，測量的缺點得以補償)。

這里，質量特征可以按兩種不同的方式使用：

-當計算數(shù)據(jù)記錄相對于彼此的對準(坐標系的平移和旋轉)時，主要是考慮在可能的情況下在所有測量中具有高質量的那些點。這實現(xiàn)了更準確的對準。

-在數(shù)據(jù)記錄相對于彼此對準之后，必須關于在最終結果中將單個測量的測量點并入哪些位置做出決定。針對其中僅一個測量具有高局部質量的區(qū)域，如果采用該測量的表面信息項，則是有利的。如果多個測量在該區(qū)域中具有可比較的局部質量，則有利地確定和使用來自單個測量的表面信息項的平均值(或加權平均值)。

在本發(fā)明的進一步改進中，根據(jù)質量特征針對每個單個表面點估計不確定性或不確定的貢獻，根據(jù)該不確定性或不確定的貢獻，可以隨后估計對象特定測量不確定性。

在本發(fā)明的進一步改進中，質量特征被用于確定測量或測量系列的理想記錄參數(shù)。由于其復雜性，計算機斷層掃描是其中測量結果非常強烈地依賴于用戶的經驗的測量方法。CT中的待測量對象的取向和所選擇的記錄參數(shù)(尤其是x射線電壓、x射線的預濾波以及記錄投影圖像時的角增量)尤其是重要的影響因素，它們當前在很大程度上根據(jù)用戶的經驗進行設置。為了能夠在沒有操作者輔助的情況下，在很大程度上對這些影響因素中的一個或更多個進行優(yōu)化，有必要客觀地且盡可能多地自動化地評估單個投影數(shù)據(jù)記錄的質量，對此，所需的信息由根據(jù)本發(fā)明的方法提供。確定待測量對象的優(yōu)化取向或確定優(yōu)化的記錄參數(shù)在本發(fā)明的范圍內尤其通過以下方式執(zhí)行：待測量的組件的測試測量實際上利用不同的取向或變化的記錄參數(shù)來執(zhí)行或模擬。為了能夠確定優(yōu)化的取向或優(yōu)化的記錄參數(shù)，然后關于取向或記錄參數(shù)的哪種變化提供最滿意的結果做出決定。為此，使用關于單個表面點的質量的信息。針對優(yōu)化過程，在此情況下限定，應針對對象的哪些區(qū)域或待測量的特征來優(yōu)化取向或記錄參數(shù)。隨后，優(yōu)化所有參數(shù)，其目的是體積或表面在數(shù)據(jù)的度量評估方面具有良好的質量，尤其是在這些區(qū)域中。因此，如果不感興趣的區(qū)域對實際尺寸測量沒有負面影響，則可以接受在不感興趣的區(qū)域中出現(xiàn)的偽像。

要優(yōu)化的記錄參數(shù)尤其是x射線管的加速電壓、x射線輻射的預濾波、旋轉臺上的組件的取向、角增量的數(shù)量和分布以及x射線斑點的尺寸。

在本發(fā)明的進一步發(fā)展中，在迭代地操作表面提取算法的情況下，質量特征被用作輸入。舉例來說，在表面點被評估為差的情況下，搜索射束的長度被延長，以便盡可能精確地找到正確的位置。相比之下，搜索射束在被評估為良好的表面點處被縮短，以便節(jié)省計算時間。另選地或附加地，在表面的迭代尋找期間，針對單個表面點，質量特征被優(yōu)選用作中止標準。這有助于在受偽像所擾的區(qū)域中進行更大數(shù)量的迭代，而不會過度延長計算時間。

所確定的表面點的質量特征同樣可以被用于比較各種測量相對于彼此的質量或不確定性。所確定的表面點的質量特征同樣可以被用于比較各種提取算法相對于彼此的能力或優(yōu)化算法的參數(shù)。

所有提到的應用都不需要參考測量和先驗知識(例如，來自CAD數(shù)據(jù))，并且對于參考測量是不可能的或僅以可觀的費用可執(zhí)行的隱藏幾何形狀來說也是可執(zhí)行的。

原則上，本發(fā)明適用于所有體數(shù)據(jù)或斷層掃描數(shù)據(jù)，因此不僅限于x射線計算機斷層掃描。其它可想到的應用領域例如有磁共振成像和超聲斷層掃描。

在有利的實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)由被設置成執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的計算機程序(軟件)形成，使得當計算機程序在計算機上運行時自動執(zhí)行該方法。這里，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施方式此外還是其上存儲有前述計算機程序的機器可讀數(shù)據(jù)介質(例如，CD-ROM或硬盤驅動器)、以及其上以可執(zhí)行方式安裝有所述計算機程序的計算機。

實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的計算機程序在本發(fā)明的范圍內可以是例如可在個人計算機上單獨執(zhí)行的獨立軟件應用程序。然而，另選地，實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的計算機程序也可以具體實施為斷層掃描儀(尤其是工業(yè)計算機斷層掃描儀)的控制和評估軟件的可被更新的組件，尤其是軟件模塊。

因此，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的特定實施方式是斷層掃描儀，尤其是工業(yè)計算機斷層掃描儀，其包括實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的控制和評估軟件。

下面基于附圖來對本發(fā)明的示例性實施方式進行說明。在附圖中：

圖1示出了用于確定從體數(shù)據(jù)提取的表面數(shù)據(jù)的局部質量的系統(tǒng)的示意圖，

圖2示出了借助于根據(jù)圖1的系統(tǒng)執(zhí)行的方法的示意性流程圖，

圖3示出了在由計算機斷層掃描產生的體數(shù)據(jù)記錄內沿著搜索射束的灰度值分布圖的示意圖，

圖4示出了通過計算機斷層掃描產生的對象的體數(shù)據(jù)記錄的切片圖像，所述對象由彼此鄰接的兩個鋼球形成，

圖5按三維可視化示出了從根據(jù)圖4的體數(shù)據(jù)記錄導出的表面數(shù)據(jù)記錄，所述表面數(shù)據(jù)記錄的表面點根據(jù)其相應質量的規(guī)定被不同地著色，以及

圖6按一個在另一個之上成像的三個圖示出了通過根據(jù)圖4的體數(shù)據(jù)記錄沿著不同搜索射束的三個灰度值分布圖，其中上部圖示出了具有高質量的表面點的鄰域中的灰度值曲線，中間圖示出了具有平均質量的表面點的鄰域中的灰度值曲線，而下部圖示出了具有差質量的表面點的鄰域中的灰度值曲線。

彼此對應的部件、尺寸以及結構在所有附圖中總是設置有相同的附圖標號。

圖1以非常簡化的示意圖示出了用于確定從體數(shù)據(jù)提取的表面數(shù)據(jù)的質量的系統(tǒng)1。

系統(tǒng)1的核心元素是計算機程序2。在根據(jù)圖1的例示圖中，該計算機程序2以可執(zhí)行的方式安裝在工作計算機3中。舉例來說，工作計算機3是常規(guī)個人計算機(PC)，其以常規(guī)方式配備有輸入和輸出裝置，尤其是屏幕4。這里，工作計算機3和屏幕4在廣泛意義上同樣表示系統(tǒng)1的組成部分。

此外，工業(yè)計算機斷層掃描儀5是系統(tǒng)1的可選組件。如常規(guī)的，計算機斷層掃描儀5包括x射線源6、具有旋轉盤9的旋轉臺7(其可繞軸8旋轉，以可旋轉地支承對象10，圖1中以示例性方式示出)、平面x射線檢測器11以及其上以可執(zhí)行的方式安裝有控制軟件13的評估計算機12。

工作計算機3和計算機斷層掃描儀5直接或間接連接，以通過數(shù)據(jù)傳輸路徑14進行數(shù)據(jù)傳輸。該數(shù)據(jù)傳輸路徑14尤其是有線或無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，例如，LAN(局域網(wǎng))?？蛇x地，數(shù)據(jù)傳輸路徑14包含用于臨時或永久地存儲在計算機斷層掃描儀5和工作計算機3之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器(這里未明確描繪)。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的核心之前的處理中，借助于計算機斷層掃描儀5記錄體數(shù)據(jù)記錄V。為此，承載在旋轉盤9上的對象10繞軸8旋轉，并且在該處理中，借助于x射線源6通過x射線輻射R(更精確地：x射線錐形束)被照射。這里，在對象10的連續(xù)旋轉下，借助于與x射線源6相對地布置的x射線檢測器11記錄多個投影圖像P，所述多個投影圖像P示出了橫跨軸8的不同投影中的對象10。

投影圖像P被提供給控制計算機12?？刂栖浖?3在那里利用數(shù)字反投影或任何其它重建算法從這些投影圖像P計算體數(shù)據(jù)記錄V。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，控制軟件13還利用開頭闡述的表面確定方法之一，根據(jù)體數(shù)據(jù)記錄V來計算表面數(shù)據(jù)記錄O，其表面點再現(xiàn)從體數(shù)據(jù)記錄V確定的對象10的表面。體數(shù)據(jù)記錄V和相關聯(lián)的表面數(shù)據(jù)記錄O由計算機斷層掃描儀5通過數(shù)據(jù)傳輸路徑14提供給工作計算機3。

用于確定表面數(shù)據(jù)記錄O的單個表面點的質量的方法(下面基于圖2進行更詳細地描述)在工作計算機3中執(zhí)行，同時運行在其中實現(xiàn)的計算機程序2。這里，體數(shù)據(jù)記錄V和相關聯(lián)的表面數(shù)據(jù)記錄O作為針對該方法的輸入變量被提供給計算機程序2。此外，作為用于執(zhí)行該方法的參數(shù)，計算機程序2采用規(guī)定測量M，其在空間上將表面數(shù)據(jù)記錄O的三維坐標與體數(shù)據(jù)記錄V的體素相關聯(lián)。因此，利用該規(guī)定測量M，計算機程序2被置于將表面數(shù)據(jù)記錄O的每個表面點與體數(shù)據(jù)記錄V的關聯(lián)體素相關聯(lián)的位置，所述關聯(lián)體素在對象10內再現(xiàn)所記錄的相同位置(空間點)。此外，計算機程序2采用與掃描增量S有關的規(guī)范和與掃描路徑W有關的規(guī)范作為用于執(zhí)行該方法的參數(shù)。

規(guī)定測量M、掃描增量S以及掃描路徑W可以在本發(fā)明的范圍內以不變的方式在計算機程序2中實現(xiàn)，或者可以在配置數(shù)據(jù)的范圍內存儲在工作計算機3中。作為針對其的另選方案，也可以規(guī)定這些參數(shù)可以通過用戶交互以可變的方式預先確定。作為針對其的又一另選方案，可以規(guī)定將規(guī)定測量M作為元數(shù)據(jù)提供給工作計算機3，例如，在表面數(shù)據(jù)記錄O或體數(shù)據(jù)記錄V的頭部中。

基于上述輸入數(shù)據(jù)，計算機程序2在第一步驟20中，針對從表面數(shù)據(jù)記錄O中選擇的特定表面點，以如下方式確定搜索射束(即，數(shù)學直線指定)：使得該搜索射束穿過所考慮的表面點，并且在該處理中垂直于由表面數(shù)據(jù)記錄O的表面點限定的表面。

隨后，計算機程序2基于掃描增量S和掃描路徑W確定多個空間點，所述空間點位于由體數(shù)據(jù)記錄V和表面數(shù)據(jù)記錄O覆蓋的空間體積內的由搜索射束限定的所考慮的表面點的鄰域中。這里，將灰度值分配給每個空間點，所述灰度值根據(jù)圍繞該空間點的體數(shù)據(jù)記錄V的體素的灰度值計算(例如，通過三線插值)。

計算機程序2組合這些體素的灰度值以形成灰度值分布圖G，如圖3中以示例性方式描繪的。因此，具體地，灰度值分布圖G是灰度值列表(在軟件技術的意義上尤其是陣列)，其再現(xiàn)沿著搜索射束選擇的體數(shù)據(jù)記錄V的體素的灰度值的序列。

針對由此確定的灰度值分布圖G，計算機程序在隨后的步驟21中計算相關聯(lián)的梯度分布圖D，所述梯度分布圖表示沿著搜索射束的灰度值分布圖G的數(shù)學數(shù)值導數(shù)。計算機程序2在隨后的步驟22中利用非線性優(yōu)化算法(尤其是Levenberg-Marquardt算法)將存儲為參考分布圖的高斯函數(shù)擬合到該梯度分布圖D。此外，在步驟23中，計算機程序2根據(jù)梯度分布圖D確定灰度值分布圖G的最大梯度MG(對應于梯度分布圖D的最大值)。

在步驟24中，計算機程序2基于梯度分布圖D，并且基于在步驟22中確定的擬合的高斯函數(shù)的參數(shù)F，確定該擬合的高斯函數(shù)與梯度分布圖D的平均偏差(余數(shù))。

與步驟21至24并行地，計算機程序2在步驟25中并且根據(jù)灰度值分布圖G來確定灰度值分布圖G與通過點鏡像從灰度值分布圖G導出的鏡像分布圖的偏差(余數(shù))。

根據(jù)從步驟25得到的均方根值RS、根據(jù)在步驟22中擬合的高斯函數(shù)的參數(shù)F(尤其是根據(jù)高斯函數(shù)的寬度)、根據(jù)在步驟24中確定的擬合的高斯函數(shù)與梯度分布圖D的均方根值RF、以及根據(jù)在步驟23中確定的最大梯度MG，計算機程序2在步驟26中分別確定一個質量特征Q_RS、Q_F、Q_RF以及Q_MG，其中，這些質量特征Q_RS、Q_F、Q_RF以及Q_MG各自包含關于所考慮的表面點的質量的聲明。為了確保單個質量特征Q_RS、Q_F、Q_RF以及Q_MG的可比性，這些變量總是歸一化到0與1之間的值范圍。不同于根據(jù)圖2的簡化圖示，其中針對擬合的高斯函數(shù)的參數(shù)F計算單個質量特征Q_F，這些參數(shù)F也可以映射到多個單個質量特征。

在隨后的步驟27中，計算機程序2通過加權平均從單個質量特征Q_RS、Q_F、Q_RF以及Q_MG計算總體質量特征Q。

通過計算機程序2對表面數(shù)據(jù)記錄O的每個表面點重復上面基于步驟20至27描述的方法循環(huán)。這里，在這種情況下，總體質量特征Q的相應所得到的值被存儲在合格表面數(shù)據(jù)記錄O'中，所述合格表面數(shù)據(jù)記錄針對表面數(shù)據(jù)記錄的每個表面點包含相應表面點的三維坐標(x、y、z)和相關聯(lián)的總體質量特征Q。

可選地，在每種情況下，計算機程序2包含下述功能模塊30、31以及32中的一個或更多個，通過所述功能模塊，自動地或者遵循工作計算機3的用戶的相應請求，以任何其它方式進一步顯示或處理所述合格表面數(shù)據(jù)記錄O'。

這里，功能模塊30用于包括其中包含的總體質量特征Q的合格表面數(shù)據(jù)記錄O'的直觀可理解顯示。在功能模塊30的范圍內，基于存儲的顏色方案或者基于可由用戶預定的顏色方案，將包含在表面數(shù)據(jù)記錄O'中的總體質量特征Q首先映射到用于在屏幕4上偽彩色顯示表面數(shù)據(jù)記錄O'的關聯(lián)顏色值。如上所述并且在圖6中清楚地闡明的，表面數(shù)據(jù)記錄O'的總體質量特征Q在該處理中被映射到以下三種顏色中的一種：

-用于具有高總體質量特征Q的表面點的綠色，

-用于具有平均總體質量特征Q的表面點的黃色，以及

-用于具有差總體質量特征Q的表面點的紅色。

圖5中示意性地描繪了由兩個金屬球以示例性方式形成的對象10的相應的偽彩色顯示。

功能模塊31被配置為利用優(yōu)化算法將預定的幾何元素擬合到表面數(shù)據(jù)記錄O的表面點。包含在表面數(shù)據(jù)記錄O'中的總體質量特征Q作為加權因子被包括在該擬合處理中。在擬合期間忽略其相關聯(lián)的總體質量特征Q下降到預定閾值以下的表面點。

最后，功能模塊32被配置為借助于仿射坐標變換(即，表面點的坐標的旋轉、位移以及縮放的可參數(shù)化組合)，將表面數(shù)據(jù)記錄O'的表面點擬合到一個或更多個預定的幾何元素或預定的模型(例如，CAD模型)。同樣在該擬合的情況下，包含在表面數(shù)據(jù)記錄O'中的總體質量特征Q作為加權因子被包括在內。

基于上述示例性實施方式，本發(fā)明變得特別清楚，但是其同樣不限于此。相反，本發(fā)明的進一步的實施方式可以從權利要求和上面的描述中導出。尤其是，基于圖2描述的方法的步驟20可以被修改成計算機程序2確定切向區(qū)域內的灰度值而不是由搜索射束限定的灰度值分布圖的程度，所述切向區(qū)域在表面數(shù)據(jù)記錄O的各自考慮的表面點處緊靠表面放置。作為用于確定分配給各自的表面點的總體質量特征Q的標準，在這種情況下，計算機程序2尤其確定表征所選擇的灰度值的均勻性和這些灰度值的噪聲的特征。

標號列表

1 系統(tǒng)

2 計算機程序

3 工作計算機

4 屏幕

5 計算機斷層掃描儀

6 x射線源

7 旋轉臺

8 軸

9 旋轉盤

10 對象

11 x射線檢測器

12 控制計算機

13 控制軟件

14 數(shù)據(jù)傳輸路徑

20-27 步驟

30-32 功能模塊

V 體數(shù)據(jù)記錄

R x射線輻射

P 投影圖像

O 表面數(shù)據(jù)記錄

M 規(guī)定測量

S 掃描增量

W 掃描路徑

G 灰度值分布圖

D 梯度分布圖

MG (最大)梯度

F 參數(shù)

RS 均方根值

RF 均方根值

Q_RS 質量特征

Q_F 質量特征

Q_RF 質量特征

Q_MG 質量特征

Q 總體質量特征

O' (合格)表面數(shù)據(jù)記錄