Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Untersuchung von Kompressionsalgorithmen für die industrielle Röntgen-CT

13.10.2023

Im Rahmen der Initiative QI-Digital, die sich Anfang der Woche in Berlin zu einem Austausch getroffen hat, wird im Use Case „Additive Fertigung“ industrielle Computertomographie (CT) für die Qualitätssicherung eingesetzt. Diese Messtechnik ermöglicht die Detektion von inneren Strukturen und präzises dimensionelles Messen. Dazu wird das Messobjekt zwischen einer Röntgenquelle und Detektor gedreht und dabei, je nach Messaufgabe, tausende Röntgenprojektionen aufgenommen. Diese Durchstrahlungsbilder geben Auskunft über die Abschwächung der Röntgenstrahlung und somit über die Dicke des Materials. Diese einzelnen Projektionen werden durch einen Rekonstruktionsalgorithmus zusammengeführt, sodass ein dreidimensionaler Volumendatensatz bestehend aus Voxeln entsteht, der die Abschwächung der Röntgenstrahlung im Raum zeigt. Mit Hilfe eines weiteren Algorithmus wird eine Messobjektoberfläche ermittelt, die zum dimensionellen Messen verwendet werden kann. Ein Volumendatensatz beansprucht bei aktuellen Computertomographen mindestens 20 GB Speicherplatz, was zu hohen Kosten bei der Datenspeicherung und langen Datenübertragungszeiten führt.

Der Ansatz dieses Projekts besteht darin, die Volumendatensätze mit einfachen Kompressions-algorithmen zu komprimieren, die Auswirkungen der Kompression auf die Bildqualität zu untersuchen und zu prüfen, wie die Kompression des Volumendatensatzes nach der Rekonstruktion die Messabweichungen der dimensionellen Messungen beeinflusst. In Abbildung 1 sind die Auswirkungen der JPEG-Kompression auf eine Materialkante dargestellt. Bedingt durch die Struktur des Algorithmus entstehen bei hohen Kompressionsfaktoren Block-Artefakte.

Um die Robustheit und Anwendbarkeit des Vorgehens zu gewährleisten, wurden umfassende Tests an diversen Prüfkörpern durchgeführt. Abbildung 2 zeigt beispielhaft für einen Prüfkörper die Messabweichung des Radius, gemessen an unterschiedlich großen Zylindern, und der Ebenheit mehrerer Flächen in Abhängigkeit unterschiedlicher Kompressionsfaktoren für den JPEG und JPEG2000 (JP2K) Algorithmus. Die Abweichung ist relativ zur Voxelgröße angeben. Der Kompressionsfaktor beschreibt das Verhältnis von original zu komprimierter Dateigröße.

Ein weiterer Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts liegt auf der Integration von neuronalen Netzen zur Korrektur von Kompressionsartefakten. Die kompressionsbedingten Änderungen der Grauwerte auf Voxelebene korrelieren mit Abweichungen der Position der Oberfläche. Daher sollen durch den Einsatz von neuronalen Netzen diese Abweichungen minimiert und somit die kompressionsbedingten Messabweichungen reduziert werden. Erste Machbarkeitsstudien zeigten bereits, dass Blockartefakte reduziert werden konnten und dadurch die Messabweichung bei Ebenheitsmessungen verbessert werden kann. In diesem ersten Versuch mit unspezifischen Trainingsdaten erhöhten sich jedoch die Abweichungen des Radius von Zylindern.

Insgesamt bietet dieses interdisziplinäre Forschungsprojekt einen vielversprechenden Ansatz für die Datenkompression und die Analyse der Auswirkungen auf die Messabweichungen von CT-Messungen, jedoch erfordern die aktuellen Korrekturverfahren weitere Verfeinerungen.

Bild einer Materialgrenze der Originalaufnahme, sowie in komprimierter Form durch den JPEG-Algorithmus und mit anschließender Bildverbesserung durch ein unspezifisches neuronales Netz. Block-Artefakte, die durch hohe Kompressionsfaktoren bei JPEG entstehen können, werden sichtbar entfernt.
Abb. 1: Auswirkungen der JPEG-Kompression auf eine Materialgrenze mit Bildung von Block-Artefakten und anschließender Bildverbesserung durch neuronale Netze

Messabweichung von Radien von Zylindern und der Ebenheit für zwei unterschiedliche Kompressionsalgorithmen. Es ist zu erkennen, dass die Messabweichungen mit steigender Kompression zunehmen. Für die Ebenheit sind zusätzlich Abweichungen mit JPEG komprimierten Daten und anschließender Bildverbesserung durch ein unspezifisches neuronales Netz gezeigt. Bei höheren Kompressionsfaktoren zeigt sich eine Verringerung der Messabweichung.
Abb. 2: Messabweichung des Radius an Zylindern und der Ebenheit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kompressionsfaktoren und -algorithmen.

Kontakt

Anschrift

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig