一種穩(wěn)定快速的腔內(nèi)物體表面3d成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種穩(wěn)定快速的腔內(nèi)物體表面3D成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)可以測量物體表面的三維結(jié)構(gòu)信息。該成像系統(tǒng)由于使用了分組格雷碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)和空間相位展開技術(shù)，在同樣精度要求下，這就大大減少了投影結(jié)構(gòu)光的次數(shù)，并且降低對投影儀投影光度線性的依賴，進(jìn)而提升系統(tǒng)的成像速度和精度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，計算簡單，結(jié)果穩(wěn)定，測量精度高，特別適應(yīng)于牙科領(lǐng)域的光學(xué)數(shù)字印模應(yīng)用，也可應(yīng)用在其他領(lǐng)域的腔內(nèi)光學(xué)3D數(shù)字印模獲取。
【專利說明】
一種穩(wěn)定快速的腔內(nèi)物體表面3D成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明專利描述了一種穩(wěn)定快速的腔內(nèi)物體表面3D成像系統(tǒng)，可適應(yīng)于牙科領(lǐng)域3D成像。
【背景技術(shù)】
[0002]在牙科領(lǐng)域，牙齒的3D模型的獲取是牙齒修復(fù)手術(shù)一個關(guān)鍵的步驟?，F(xiàn)在一些通用方法有牙齒印模技術(shù)或者牙齒光學(xué)印模技術(shù)。牙齒印模技術(shù)有很多缺點(diǎn)，例如使用不便，給患者造成不適感，精度很難保證等。牙齒光學(xué)印模采用光學(xué)測量技術(shù)進(jìn)行牙齒印模獲取，不需要直接接觸物體，精度高，這種技術(shù)逐漸成為主流技術(shù)。牙齒光學(xué)印模技術(shù)一般采用主動三角測量原理，該技術(shù)通過計算兩束光線的交點(diǎn)來計算對應(yīng)點(diǎn)的三維位置。
[0003]在牙科光學(xué)印模領(lǐng)域，處于領(lǐng)先地位的是西諾德公司，其主要原理是主動三角測量，其使用線偏振光束來對所測量物體進(jìn)行照射進(jìn)而進(jìn)行測量，但是由于其線偏振光束使用電磁壓力機(jī)械結(jié)構(gòu)或者LCD來驅(qū)動來獲得參考圖像模式，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)精度存在精度有限的問題，并且其使用的LCD對比度低、線性度差，所以存在測量精度低、測量結(jié)果不穩(wěn)定的問題。后來，西諾德公司為了改善LCD照明的線性度差的問題，提出來使用多次測量，平均測量結(jié)果，來降低測量時的周期性干擾，但是該方法會要求多次照明取像，所以測量時間長，并且存在計算誤差大的問題，出錯率高，還有測量器和用戶的相對運(yùn)動等因素，導(dǎo)致測量失敗，這對于實際操作將帶來很多不便。
[0004]本發(fā)明專利描述了一種穩(wěn)定快速物體表面3D成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)利用投影儀產(chǎn)生多幀格雷碼結(jié)構(gòu)光，結(jié)構(gòu)光經(jīng)過投影光學(xué)光路，照射目標(biāo)物體。該格雷碼圖像是經(jīng)過特定設(shè)計的圖像序列。光反射后，經(jīng)過成像光學(xué)光路，進(jìn)入相機(jī)，相機(jī)獲取物體的圖像。利用主動三角測量原理進(jìn)行計算，進(jìn)而獲得物體的3D結(jié)構(gòu)信息，計算簡單，結(jié)果穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服牙科光學(xué)印模系統(tǒng)存在的系統(tǒng)穩(wěn)定性差，系統(tǒng)獲取光學(xué)印模時間長的問題，本發(fā)明專利描述了一種穩(wěn)定快速的物體表面3D成像系統(tǒng)。首先根據(jù)要求設(shè)計特定的格雷碼圖像序列，格雷碼圖像序列輸入到投影儀中，投影儀產(chǎn)生多幀格雷碼結(jié)構(gòu)光，結(jié)構(gòu)光經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)，照射目標(biāo)物體；光經(jīng)過反射后，經(jīng)過成像光路，進(jìn)入相機(jī)，進(jìn)而獲取物體的圖像；利用主動三角測量原理進(jìn)行計算，進(jìn)而獲得物體的3D結(jié)構(gòu)信息。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，計算間單，結(jié)果穩(wěn)定。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:
(1)根據(jù)需要產(chǎn)生格雷碼圖像序列:pl，p2，……pn，每個格雷碼圖像都是由多組格雷碼圖像組成；
(2)利用投影儀將格雷碼圖像Pl轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)光，經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)照射到物體上；
(3)利用相機(jī)拍攝物體圖像；
(4)重復(fù)步驟(2)(3)獲得物體的格雷碼序列圖像； (5)利用格雷解相技術(shù)獲得圖像的相對相位；
(6)利用空間相位展開技術(shù)獲得圖像的絕對相位；
(7)利用標(biāo)定的相機(jī)和投影儀數(shù)據(jù)，使用三角測量原理獲得物體的光學(xué)3D印模；
(8)如果一次光學(xué)印模不能覆蓋要求的物體表面，可以調(diào)整取像角度，重復(fù)(2)-(7)，獲得另一個角度的光學(xué)3D印模；
(9)通過配準(zhǔn)、融合技術(shù)，將多次獲得的3D光學(xué)印模生成一個完整的物體光學(xué)3D印模。
[0007]本發(fā)明專利的有益效果是，該物體表面3D成像系統(tǒng)，由于利用了格雷碼空間解相技術(shù)，計算簡單，并且對于投影儀的光照性能要求低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，計算簡單，結(jié)果穩(wěn)定，測量精度高。
【附圖說明】
[0008]下面結(jié)合附圖和實施對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0009]圖1描述了一種根據(jù)三角測量原理的3D成像系統(tǒng)；圖1中，I表示測量物體；2表示投影光；3反射光。
[0010]圖2描述了腔內(nèi)物體表面3D光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2中，I表示投影儀；2表示相機(jī)；3反射鏡；4表示測量物體。
[0011]圖3描述了格雷碼解相獲得的相位圖；圖3中，a表TK相對相位圖；b表TK絕對相位圖。
[0012]
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明專利描述了一種穩(wěn)定的物體3D成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)可以測量物體表面的三維結(jié)構(gòu)信息，特別是針對牙科領(lǐng)域的光學(xué)數(shù)字印模應(yīng)用。該成像系統(tǒng)利用投影儀產(chǎn)生多幀格雷碼結(jié)構(gòu)光，該結(jié)構(gòu)光通過投影光路照射目標(biāo)物體，通過成像光學(xué)光路，相機(jī)獲取物體的圖像，利用主動三角測量原理進(jìn)行計算，進(jìn)而獲得物體的3D結(jié)構(gòu)信息。
[0014]在圖1中，描述了一種根據(jù)三角測量原理的3D成像系統(tǒng)。圖1中2表示投影光，投影光由投影儀產(chǎn)生，投影光經(jīng)過投影光路照射到圖1中物體I。圖1中3表示物體的反射光，反射光經(jīng)過成像光路進(jìn)入相機(jī)中，相機(jī)成像。經(jīng)過投影序列結(jié)構(gòu)光和相機(jī)多次成像，根據(jù)三角測量原理可以計算物體的三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行三維成像。
[0015]圖2表示了腔內(nèi)3D光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。投影儀4根據(jù)輸入圖像生成結(jié)構(gòu)光，經(jīng)過投影光路，經(jīng)過反射鏡3照射到被測量物體I上。物體的反射光線經(jīng)過反射鏡3，經(jīng)過成像光路，在相機(jī)2上成像。經(jīng)過多次投影結(jié)構(gòu)光序列和多次成像，獲得對應(yīng)的結(jié)構(gòu)光照射物體的結(jié)構(gòu)光圖像，利用三角測量原理，就可以獲得當(dāng)前物體的3D結(jié)構(gòu)信息。
[0016]圖3表示經(jīng)過格雷碼解相技術(shù)獲得的物體相位。圖3.a表示相對相位,該示例中使用了 8個分組，也可以根據(jù)需求使用不同數(shù)目的分組。圖3.b表示絕對相位。絕對相位是由相位相對經(jīng)過空間相位展開技術(shù)獲得的。
[0017]由于測量的口腔最大的容忍精度大概是100微米，由于測量過程中其他步驟可能帶來不確定因素，所以牙科用3D成像系統(tǒng)的精度若能達(dá)到25微米，那么是滿足口腔應(yīng)用的。由于測量的物體存在各種彎曲和不平坦表面，為了兼顧精度和光線遮擋，投影光路中心光路和成像光路中心光路的夾角一般要求小于十度，該測量夾角如圖2中的α ο測量夾角直接和測量精度有關(guān)，一個可以接受的測量夾角范圍是2度到10度。
[0018]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:
(1)根據(jù)需要產(chǎn)生格雷碼圖像序列:pl，p2，……pn，每個格雷碼圖像都是由多組格雷碼圖像組成；
(2)利用投影儀將格雷碼圖像piU=l，2，……η}轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)光，經(jīng)過投影光學(xué)系統(tǒng)照射到物體上；
(3)利用相機(jī)拍攝物體圖像；
(4)重復(fù)步驟(2)、(3)獲得物體的格雷碼序列圖像；
(5)利用格雷解相技術(shù)獲得圖像的相對相位；
(6)利用空間相位展開技術(shù)獲得圖像的絕對相位；
(7)利用標(biāo)定的相機(jī)和投影儀數(shù)據(jù)，使用三角測量原理獲得物體的光學(xué)3D印模；
(8)如果一次光學(xué)印模不能覆蓋要求的物體表面，可以調(diào)整取像角度，重復(fù)(2)-(7)，獲得另一個角度的光學(xué)3D印模；
(9)通過配準(zhǔn)融合技術(shù)，將多次獲得的3D光學(xué)印模生成一個完整的物體表面光學(xué)3D印模。
[0019]由于牙科口內(nèi)圖像的對比度，投影儀的光度線性度差，投影光的均勻度也比較差，這里采用格雷結(jié)構(gòu)光進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)信息獲取，將大大提升3D結(jié)構(gòu)重建的穩(wěn)定性，提高效率。由于使用了分組格雷碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)和空間相位展開技術(shù)，在同樣精度要求下，這就大大減少了投影結(jié)構(gòu)光的次數(shù)，進(jìn)而提升系統(tǒng)的成像速度。
[0020]本發(fā)明專利的有益效果是，該物體表面3D成像系統(tǒng)，由于利用了格雷碼解相和空間相位展開技術(shù)，系統(tǒng)對于投影儀的光照性能要求低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，計算簡單，結(jié)果穩(wěn)定，測量精度高。
【主權(quán)項】
1.一種穩(wěn)定快速的物體表面3D成像系統(tǒng)，根據(jù)要求設(shè)計特定的格雷碼圖像序列，格雷碼圖像序列輸入到投影儀中，投影儀產(chǎn)生多幀格雷碼結(jié)構(gòu)光照射目標(biāo)物體，光經(jīng)過反射后，經(jīng)過成像光路，進(jìn)入相機(jī)，進(jìn)而獲取物體的圖像，利用主動三角測量原理進(jìn)行計算，進(jìn)而獲得物體的3D結(jié)構(gòu)信息，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，計算簡單，結(jié)果穩(wěn)定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包含投影光路和成像光路，也就是說包含兩套光學(xué)系統(tǒng):投影光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)為了達(dá)到測量口腔內(nèi)物體表面結(jié)構(gòu)的目的，在成像系統(tǒng)前端使用反射鏡。4.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的系統(tǒng)，其特征在于投影光路中心光路與成像光路中心光路所成的測量夾角范圍是2度到10度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的系統(tǒng)，其特征在于投影結(jié)構(gòu)光由投影儀產(chǎn)生。6.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的系統(tǒng)，其特征在于計算圖像的相位時采用分組格雷碼解相技術(shù)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的系統(tǒng)，其特征在于計算圖像的相位時采用采用分組格雷碼解相技術(shù)和空間相位展開技術(shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)可以應(yīng)用在牙科光學(xué)印模獲取，但也可應(yīng)用于其他腔內(nèi)光學(xué)印模獲取的應(yīng)用中。
【文檔編號】A61C9/00GK105982751SQ201510052803
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月2日
【發(fā)明人】王輝
【申請人】王輝