Study on segmentation techniques for geometric measurements in industrial computed tomography

X-ray computed tomography (XCT) is a non-destructive technique that has gained significant importance, particularly in the context of additive manufacturing. With the ability to capture detailed information about complex-shaped parts, XCT offers valuable insights that conventional measuring systems often struggle to provide. However, the XCT process involves multiple steps, each contributing to uncertainties. One crucial aspect are the segmentation techniques, which focuses on distinguishing different materials or regions of interest within the scanned object. Despite the availability of numerous segmentation algorithms in the literature, there is a lack of standardization and guidelines for selecting the most appropriate method for specific scenarios. This thesis aims to bridge this gap by conducting a comprehensive review of existing research on segmentation in industrial XCT. By examining the state of the art we sought to gain a deeper understanding of the current landscape, including the methods employed and the research groups involved. Subsequently, we identified a set of commonly used segmentation methods in XCT and performed a comparative analysis among them. To facilitate this analysis, an aluminum stepped cylinder was utilized as a test object, and evaluations were conducted based on three distinct features: diameter, cylindricity, and height. Furthermore, we propose a subvoxeling technique that leverages Taylor Expansion series up to the third order to refine the measurement accuracy of the segmentation methods at a subvoxel level. The results of the comparisons demonstrated varying behaviors among the applied methods depending on the specific feature of interest and the chosen scan conditions and parameters. Notably, the subvoxeling technique exhibited remarkable efficacy, particularly in the case of cylindricity, surpassing both other methods and those that inherently incorporate subvoxeling. Overall, this thesis contributes to the understanding of segmentation in industrial XCT by comprehensively surveying the existing literature, identifying commonly employed methods, and conducting comparative evaluations.

La tomografia computerizzata a raggi X (XCT) è una tecnica non distruttiva che ha acquisito un'importanza significativa, in particolare nella produzione additiva. Con la capacità di catturare informazioni dettagliate su parti di forma complessa, la XCT offre una visione che i sistemi di misurazione convenzionali spesso faticano a fornire. Tuttavia, il processo di XCT coinvolge molteplici fasi, ciascuna delle quali contribuisce a incertezze. Un aspetto cruciale sono le tecniche di segmentazione, che si concentrano sulla distinzione di materiali diversi o regioni di interesse all'interno dell'oggetto scansionato. Nonostante l'esistenza di numerosi algoritmi di segmentazione nella letteratura, manca una standardizzazione e linee guida per selezionare il metodo più adatto per scenari specifici. La tesi si propone di colmare questa lacuna mediante una revisione delle ricerche esistenti sulla segmentazione nella XCT industriale. Esaminando lo stato dell'arte, compresi i metodi impiegati e i gruppi di ricerca coinvolti, abbiamo cercato di ottenere una comprensione più approfondita del panorama attuale. Successivamente, abbiamo identificato un insieme di metodi di segmentazione comunemente usati nella XCT e abbiamo effettuato un'analisi comparativa tra di essi. Per agevolare questa analisi, è stato utilizzato un cilindro gradinato in alluminio come oggetto di prova, e sono state condotte valutazioni basate su tre distinte caratteristiche: diametro, cilindricità e altezza. Inoltre, proponiamo una tecnica di "subvoxeling" che sfrutta la serie di espansione di Taylor fino al terzo ordine per affinare l'accuratezza di misurazione dei metodi di segmentazione a livello di "subvoxel". I risultati delle comparazioni mostrano comportamenti variabili tra i metodi applicati a seconda della caratteristica considerata e delle condizioni e parametri di scansione scelti. In particolare, la tecnica di "subvoxeling" ha dimostrato un'efficacia notevole, soprattutto nel caso della cilindricità, superando sia gli altri metodi sia quelli che incorporano intrinsecamente il "subvoxeling". In generale, questa tesi contribuisce alla comprensione della segmentazione nella XCT industriale mediante una revisione completa della letteratura esistente, l'individuazione dei metodi comunemente impiegati e la conduzione di valutazioni comparative.