牙科用三维测量设备的制作方法

牙科用三维测量设备的制作方法
【专利摘要】用于牙科领域的三维测量装置定位于非活性或者结构化光投影环境下的测量，包括图像捕获技术以及对图像的数据处理技术，而且图像捕获技术中的特点是设计上支持近乎同时的捕获至少两张图像，其中一张全部或者部分包含另一张。被包含的图像描述的域要窄于另外一张，但是准确性高于另外一张。
【专利说明】牙科用三维测量设备

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新的安全测量装置，该装置通过非接触式、高精度、宽视场的非结 构化活性光投射的光色效果投射实现，尤其适用于牙科领域。
[0002] 本发明确保了获取人体结构图像的完整性，并具有1微米范围内的精度。适用于 医疗和牙科领域获取口腔内的图片，也适用于作为诊断的辅助手段。
[0003] 其包括：
[0004] 1. 一种小型三维读取系统，该系统没有使用活性光投影或结构光投影来测量组成 物的尺寸，包括：
[0005] a) -个或多个CXD-型或CMOS型电子传感器以及相关光学系统，
[0006] b)最后，具有一个或几个波长的一个LED或OLED照明光源，诊断牙齿或牙龈表面 的病症，
[0007] c) -个或多个加速器/陀螺仪/3D-磁力计用于辅助、限定、甚至更换一个或多个 传感器。
[0008] 2. -个用于模拟/数字数据转换和数据管理的中央处理单元，
[0009] 3.相关软件实时地实现三维空间分析，用时间分析法分析所述被测物体的运动， 用比色分析法分析所述被测物体的被三维测量的表面的实时相关的颜色，通过精心挑选的 LED/0LED光辐射的全面性或选择性的渗透辅助诊断，
[0010] 4. 一个IKM通讯"硬件"和"软件"装置(屏幕，键盘，调制解调器）
[0011] 本发明旨在解决系统3D光学记录效果中面临的基本问题，它提供了用于牙科的 真实色彩和实时信息。测量的对象没有投射任何结构化活性光，位于照相机前透镜IOmm 以内的牙齿，在景深不小于15毫米，表面不小于20X30毫米的情况下，测量精度至少为 10-15 μ m〇

【背景技术】
[0012] 目前已经存在大量用于获取口腔的光学影像的方法、制造假肢模型的方法或诊断 方法。
[0013] 术语"影像"由该项技术的
【发明者】Francois Duert于1973年在他第二周期(周期 No. 273)标题为"影像"的论文中第一次提出，通过非接触式光学手段(实现）三维测量和诊 断分析口腔和医药环境，用复制或探测取代了传统的曝光方法。
[0014] 在牙科领域，Duert博士的作品中描述了这些技术，他的多篇文章和专利 dd. May9, 1980 (FR80. 10967or US4,663, 720and4, 742, 464), April 14,1982 (), November3 0, 1982, March27, 1984(), Februaryl3, 1987 ()or also June26, 1992 (FR92. 08128or PCT W094/00074)自80年代初就已得到许多学者的支持，这些技术已经应用于多个领域，总结 如下：
[0015] 1.该技术使用活性或结构化光源投射。
[0016] 这些系统使用的最简单的方法包括投射到对象上的光是结构化的，它可能是一个 点，一条线，甚至是完整的网格。光源的扫描对象后面是一个或几个CCD或CMOS的2D相机， 相机定位在相对于所述光投影轴线3度到10度范围内对对象进行拍摄。
[0017] 几十年来，这些技术已被广泛公知，并在G Hausler and Col的文章中做过很好地 描述。
[0018] 在Appl. Opt. 27(1988)发表的具有大景深和高分辨率的光切法，一直是众多领域 的发展目标，尤其是在牙科实验室用桌面扫描仪的应用研究中。
[0019] 一个更复杂的方法在于投影到牙齿上的结构化活性光采用的是一种变间距网格 的形式。
[0020] 用于这种条纹投影的最基本的技术首次由M.和C.做过介绍，
[0021] 自题目为"数字立体照相机" SPIE《机器感知》第2833-D (1981)出版以来，得到 了包括M和C在内的其他学者的支持。
[0022] 《三维漫反射对象的自动相位测量》中所述的具体做法是投影一系列变间距的网 格。
[0023] 具有更宽间距的网格用于提供一般信息和z轴的全局字线，即精炼读数的准确性 最好的一条线
[0024] 所有这些著作和发明有了许多实施例，且全国有二十多个商业可用系统 (F. Duret, the dental floss No. 63, May2011," CAD CAM 在科隆 IDS 的重大探索，14-26。）
[0025] 例如使用点扫描的系统（Cera系统来自剑桥能源研究协会，GNl来自GC和尼康)， 或线扫描系统(即一个变间距帧扫描系统)，系统速度都非常慢，所以不能在口腔中使用。
[0026] 患者或操作者轻微的动作都会干扰到数据的读取和图片从一个2D剖面显示转换 成三维图像，而且，对于需要一系列不同方向读数的数据线之间却没有任何信息，每颗牙齿 需要长达4分钟的时间才能完成读数。
[0027] 最后，目前为了更容易地确定投影条纹的空间位置，采用了色度轮廓测定技术，
[0028] 色度轮廓测定技术使用了不同颜色的条纹，并已被Cohen F2758076描述为轮廓， 且被市场命名为pro50 (Cynovad-Canada)
[0029] 为了实现口腔数据的读取，已有了更快的系统，第一个叫做Duret的系统已经在 法国销售，并应用 了专利（FR82. 06707 或 US4,611，288)和（FR82. 20349 或 US5,092,022) 中所述的圆锥投影相位系统。
[0030] 在 Moexmann 和 fcandestini 的专利 575, 805 或 4, 837, 732 或在 1989 年的书籍《处 理"切雷克计算机重建模具"》中所介绍的技术取得了非常成功的运用。在1996年的"CAD/ CM的美容牙科"或在2006年的"国家CAD/CM恢复艺术"或在1999年的(相关）专利中， 我们可以看到该方法已逐步得到完善，
[0031] 这是一个活性结构化光投影技术，采用依据小幅相位平移或锥形辐射的框架投影 形式投射到牙齿表面，并采集一系列的二维图像(在100毫秒时间内）。第三维上可以发现， 在录制连续图像的时候，病人和相机是完全静止的，（这）导致临床操作依然困难，尤其是在 照相机的光电部件是移动的时候。
[0032] 其他稍有不同的系统，已经用于口腔内的结构化活性投影的有：
[0033] 最简单的一种是法国专利FR84. 05173中描述的"oralmettix"，它采用单一类型 网格投射的形式投影到牙齿表面。
[0034] 因此，这是一种与结构光单一投影相关的主动式三角测量。
[0035] 用单台相机读取变形的网格（的信息），与存储网格相比，由它派生的距离z，以每 秒6张的速度采集与变形网格的二维视图相关的图像，使系统在整个影像录制过程中既不 准确也不稳定。
[0036] 第二个系统是来自美国埃尔斯公司的"direct scan"，它结合了条纹投影和相位 关系，这种方法需要两个步骤：
[0037] 依次投影到两个系列的具有不同间距的正交网格上，然后根据点的位置得到图 片，这些点高度与CXD的像素相同。
[0038] 第三个是de公司的iTeo系统，iTero系统，Cadent (us. 0109959)遵循"并行共焦 图像"规则，即有许多50微米的激光点以不同景深进行投射。
[0039] 目标扫描区域具有沿着轴线记录图像和录影像的优势，但需要大约300毫秒的时 间。且设备在影像的录制过程中必须不能移动。此外，由于该技术的复杂性，且iTeo系统 尤其的繁琐，限制了系统进入口腔内记录图像的深度。
[0040] 第四个系统已由G.在US2010. 0303341中提出。该系统中不同方向的结构性光栅 被投射到牙弓上。这使得可以通过第一和下一个变形网格之间的相关性能立刻寻找到第三 个维度。
[0041] 这种方法只能记录一个图像，但具有只能测量变形网格的点而不能测量对象本身 具有的所有的点的缺点。
[0042] 在这些基于主动和结构光投影的方法中，我们通过得到的一些2D图像可以重建 分析对象的三维模型。
[0043] 在投射光精细校准和移动的人体器官在测量过程中一直保持静止的情况下，上述 方法的测量结果才会精确。
[0044] 遗憾的是，上述方法没有一个测量对象本身的所有点，而仅仅测量投射光变形的 点，
[0045] 这就限制了测量点的数量，并且可能会遗漏掉精确重建所需要的三维表面分析的 重要的区域。
[0046] 而且，它经常需要将被测量对象涂上白色涂层，或者在模型测量时使用专用的膏 药。
[0047] 实际上，牙齿表面的镜面反射是非常灵敏的，并能根据自身的颜色以不同的方式 来回应结构光投射。
[0048] 测量的准确度方面也是一个主要的缺点。因为结构化活性光的功率(较大)，会穿 过牙齿表层，导致了外表面准确性判定的不精确性。
[0049] 这些装置的校准是复杂，而安装非常复杂和昂贵。
[0050] 最后，由于投影角度与图像的角度通常是不同的，阴影效应可能会导致未编码阴 影区域的存在，这将会需要更多的操控。还应当注意的是，对于在扫描线之间的区域我们得 不到任何信息。
[0051 ] 有些系统试图限制结构光的投影而不是将其移除。
[0052] 为此，（这些系统）将一个非常小的投影部分与传统的2D立体视觉相关联。
[0053] (有系统）使用两个相同的相机在物体上投射一个具有变化形态的线路或目标， 并且在扫描整个物体表面期间移动这两个相机。
[0054] 这两个2D相机形成常规的立体装置，且由于投影的目标在两幅图像中是可 见的，这两台相机的信息都是相关联的。被命名为"T-scan3传感器"的系统，来自于 Steinbichler opt.或者说由Uneo.发明。这些方法和上面所描述的方法一样具有相同的 缺点，除了缺乏精度外，还特别要求预测目标总是可见的，这在高度镜面或均匀表面，如在 牙齿表面存在困难，所以绝不能应用于牙科，
[0055] 2、不使用活性或结构光投影的技术。
[0056] D. Rekow第一个提议使用立体口腔系统，在这个系统中，需要进行一些信息采集， 即先在牙齿上固定一个参考点，然后由柯达装置来读取这些帧。
[0057] 传统的被熟知的stereoscopic方法，用起来不准确且耗费时间，这种方法最近被 DENZEN在美国专利US2009. 0227875 (sandy-usa)和Steinbichler光学公司在欧洲专利 EP2, 166, 303 (N-G)提出，但没有对由REKOW提出的老系统上做任何改进。
[0058] 特别是景深的分辨率、基准点和准确性的判定，在口腔内记录近于立体的图像的 过程中是一个关键问题，且没有得到解决。将物体放置在镜头前5毫米内，如果想达到在 20mm的景深时有20微米的精度，这样的系统是不能在口腔内使用的。
[0059] 使用了动态三维技术的系统也有同样的效果。
[0060] 例如，C. Tomsi 和 Col.在文章 《Shape and motion from image streams under Orthography :a Method》dans Int.J. of Computer Vision9(2) 1992.中（提到的系统），该 系统不再采用如前面所述的活性光源，但是只有由传统立体视法测量的被动照明区域，传 统立体视法由具有相同分辨率的两个照相机组成。
[0061] 不幸的是，如作者所述的常规情况下，没有投射目标的图片导致大量区域没有编 码使得本系统不可能在牙齿上使用，这个系统并没有解决RekOW所提出的问题。
[0062] 这就是为什么最近由Active Wavefront Semplin制作的系统在2008年就已被引 入市场，该系统基于Biris系统，使用了它的Lava Cos相机的3M技术。相关技术的描述可 见 Rohaly and Co.所有的美国专利 USP7, 372, 642。
[0063] 本系统采用单一视图扫描，由于设有转盘，该对象的一个非常小的部分，通过直径 的位置在焦平面上的视图以及焦距相对于光轴的安装位置的机械变化，可以知道在小景深 状态下测量的小区域的空间位置。
[0064] 不幸的是，该系统的实施是复杂和昂贵的，且其扫描的区域非常小，这要求操作者 慢慢地移过所有区域进行测量。
[0065] 无论它们是实验室系统或已经在临床中应用于口腔内的相机，包括我们开发的， 这些系统都不具备为获取用于修复牙齿或诊断的高品质信息的特质，更深入的分析表明， 相机系统使用的原理中有几个非常严重的缺点，这些缺点是不可避免的，因为它们与这些 方法的选择有关联。。
[0066] a.所有这些系统中，是否用在口腔中，在皮肤上或在实验室中模型上使用机械法、 光学或电光学方法进行表面扫描。虽然这个条纹或帧的扫描速度非常快，事实上是它需要 相机本身的移动，而相机的运动可能会导致模糊区域或寄生运动，这往往会导致图像的部 分缺失。
[0067] b.这种扫描显著限制了在肉眼可见画面内已经大量减少过的景深。
[0068] c.测量对象表面的点不会被测量，但对象表面上变形的投射光该是测定的。第 一就要求开发以覆盖牙齿的被称为"涂层"的白层，原则上，使用涂层会降低对象的实际 测量值。这事实上在口腔内相机系统的应用中经常降低测量精度并引起不便，详见文献 (Beuttel，J Int. J. Computerized Dent.19981:35 ?39)。
[0069] 此外，如果我们不希望有任何的穿透的话，这个涂层一般是必须要有的，因而在测 量齿面准确位置时存在精度问题，在有足够的信号噪声比的情况下，结晶性器官有优势。
[0070] d.这导致了一些厂商采用辐射，使牙齿不透明，就像蓝光或紫外线，这就是为什么 本发明人在1985年向ADF提出使用氩激光，因为可以限制用户，甚至对患者的风险。
[0071] e.甚至更多，不对需要测量的对象进行测定，而是测定变形的投射光，无论是一个 点，一条线，一个具有不同形状的帧或该投射光的相位。这样做失去了实时获得被测对象的 色彩、色度和测量结果之间的精确匹配的可能性。在实时测量时，我们能够获得的唯一的色 彩是投射光的色彩。
[0072] f.如果组件失灵，是没有快速的解决方案允许外科医生继续外科手术的。这对牙 科手术过程是十分重要的。
[0073] g.用于牙科诊断时，从3D读取转换到2D彩色读取是完全不可行的，因为我们只能 恢复表示条纹的光的单色图像。最后，基于轮廓测定或者扫描技术的分析技术需要记录一 个点的多个图像来获取第三个维度。这可能引发多张图像的数据之间发生错位，进而导致 正确性和准确性上的重大错误。这种"移动"是这类技术的天敌。
[0074] 最后，如果牙齿可以被测量，大多数情况下，是对投射光进行测量，而不是对牙齿 本身进行测量。在没有使用投射光的情况下，我们必须使用复杂而昂贵的散焦系统。这就 解释了提案费用巨大的原因。作为唯一一项被提出来几十年的三维系统，由于缺乏革新，因 而不够准确，处理耗时且复杂，实施起来非常昂贵。在以上提到的所有安全方案以及其他简 单方案都不能满足牙科照相测量的要求，牙科照相测量要求实施快速、高精度且要在一个 相当大的表面上测量真彩和景深。


【发明内容】

[0075] 本发明的目的是提供一种新的且高度安全的立体成像方法来解决前述的缺陷，结 合根据目标应用测量相应的景深、以及几乎实时的真实3D或者2D彩色成像，实现口腔内扫 描和快速甚至瞬间的动态3D扫描。所有这些最终能实现高精度的数字化，数据存储和转 换，而且不需要使用结构化活性光或者额外的牙齿涂层。
[0076] 本发明中用于牙科领域的三维测量装置定位于非活性或者结构化光投影环境下 的测量，包括图像拍摄装置以及对图像进行数据处理的数据处理装置，其特征在于：所述的 图像拍摄装置同时或几乎同时拍摄至少两张图像，其中一张图像全部或者部分被包含在另 一张图像。被包含的图像描述的区域要窄于另外一张，但是相对地具有较高的精度。本发 明解决了前述的问题，通过提供一种可以在所有牙科和医药办公室适用的、不昂贵的设备。 也可以用作假牙实验室中简易的且便于病人使用的手持设备。
[0077] 特别指出，提到的很多前述问题都被解决了 ：
[0078] 1)通过对于传统牙科体视力术的新的和原创性的组织，我们将对应于两个光轴 之间不同的两个图像间的盲区做了限定，这个对于拍摄时靠近装置前端镜头的物体至关重 要，而口腔中的牙齿总是如此。
[0079] 2)通过使用原创软件处理技术，在临床手术过程出现一个传感器失效的时候，可 以仅用一个传感器获取三维立体成像。用于口腔手术，这个方案简单，廉价且不太笨重。
[0080] 3)最后增加加速器/陀螺仪/磁力计，可以加速并促进图像间的相关性，这在一个 传感器失效的时候尤其重要。
[0081] 4)通过选择不同的焦点线，能够解决对口腔中痕迹的临床光学图像记录的精度和 速度问题。也能视乎临床手术的需要，组合或者分离一张普通的、宽视场的，精度稍差的图 像，与一张快速的、窄视场的、高精度的图像。
[0082] 5)通过选择新的透镜，尤其是液体透镜，可以省去复杂的机械校准仪器，这样保证 在狭小的口腔中能够对那些十分靠近测量设备的物体牙科上的测量在有效景深下进行。
[0083] 6)未使用结构化活性光的变形测量，而是直接在真实表面和身体图像的色彩上工 作。这样可以手动或者半手动地选择人体特定的部位，例如分别辨识牙齿和牙龈。
[0084] 这也保证：
[0085] 不用去测量带涂层的物体，这不仅不准确且耗时，由于放弃使用结构活性光投影， 不用在牙齿内部投射用于测量的光，使用扫描区域的颜色来简化类似点的匹配，这对表面 标尺规则且一致的口腔至关重要
[0086] 为了获取高效率，减少测量复杂表面(全颚）及其运动(上颚和下颚）的扫描时间，
[0087] 为了确保自校准，消除任何时间方面的调整，
[0088] 避免由记录图像时的"移动"引发的模糊效果，
[0089] 7)在实施装置方面，这种装置的制造如此简单，使得它非常的耐用。
[0090] 这样保证了：
[0091] 显著减少了制造成本，因此售价也低，尤其是其使用的电子组件已经广泛使用，t匕 如 CCD，CMOS 及 LED。
[0092] 降低电力供应，这样可以使用USB兼容线与各种电脑连接充电或者是用电池供 电。
[0093] 根据预先设CMOS或者是CCD传感器，在制作过程中使它们相互间的位置固定且不 能更改，这样就不需要知道物体或者照相机相互间的运动，将一个不一致性上的难题简化 为简单的散列图上的密度相关性问题。
[0094] 能够从一个3D图像的空间分析，转变到2D图像的平面的分析，且不使用软件，非 常适用于牙科中的一般性诊断。
[0095] 本发明涉及一种新的三维实时测量装置，在口腔中通过彩色光学影像装置确保其 结构的完整性，即适用于牙科领域的口腔内图片扫描，也确保作为针对这些区域的牙科诊 断的辅助技术。协同当前的硬件设备，提供了一种软件手段来满足口腔专家的既快速又准 确的需求，而且只需要一个或者两个传感器就能实现三维立体视觉。
[0096] 它包含：
[0097] 1) -个微型的原创的立体成像系统，由至少两个传感器组成：其中第一传感器具 有一般精度的宽视场，第二传感器具有高精度的窄视场，后者全部或者部分的被前者包含。
[0098] 宽视场囊括了一个足够大且一般性的图像记录，这样可以免去医师长时间且单调 地对口腔进行扫描。
[0099] 因为有一些领域非常关键且要求高精度，所以宽视场中囊括一个窄视场，这样可 以在需要的时候去检查特定的信息，而不用再次扫描整个口腔。这样也能更好的定义某些 特定的重要同源点来获取图像间的相关性。
[0100] 它使得软件可以几乎实时操作，因为宽视场部分或者全部包含窄视场，使查找特 定局部区域中的位置变得非常迅速
[0101] 如果希望测量更大的临床领域，很明显传感器数目是可以加倍的，在宽视场和窄 视场上都是可以的。
[0102] 2)这个光学系统配备不同的传感器会具有不同的焦距，可以获得不同级别的精 度。由安装在照相机头部的传感器，例如CCD或CMOS，采集到的是精度一般的图像，精度范 围在20um。作为这张宽视场图像的补充，另外一张全部或者部分的包含在宽视场图像之中 的辅助图像拥有更多的信息和更高的精度（5-lOum)。这样就不需要为了获取小于5%的总 面积上的准确信息而去扫描整个口腔。
[0103] 3)本系统的优势在于有利于使两个被测视场相互关联，因为它们非常相似。而同 时在没有时钟和脉冲扫描系统的情况下限制住传感器的残留。当然，两个视场的相似程度 表明：可以在没有任何复杂电子系统的情况下使用单个宽视场传感器或者双传感器。系统 也避免采用传回光或者影像的反射镜，反射镜系统在嘴里易碎而且显得过于庞大。
[0104] 4)区域可以由一个或者多个电子传感器读取，可以用彩色或者单色CMOS或CCD生 成信息用于计算3D色彩或者灰度。这些传感器可以测量实时彩色或者黑白强度。被测量 的颜色就是牙齿和牙龈的真实颜色。
[0105] 这很重要，因为它保证：
[0106] a自动区分图像中的牙齿和牙龈
[0107] b为CADCAM软件识别出关键的颜色
[0108] c在三维面上测量牙齿的颜色
[0109] 5)这些信息被当作视频来处理，以便让操作人员和他的助手实时跟进口腔中摄像 头地移动；或者，也经过模拟到数字信息转换后，可以用数字方式进行几乎实时的彩色3D 重建，而且可以利用牙科GAD / CAM软件；或者用双视频和数字处理为操作人员提供所有存 在的信息。
[0110] 还允许操作者，我们将在"软件"的层面上进一步描述，认知和返回那些在实时测 量中没有被充分测量的区域。
[0111] 扫描场景的光学系统有两个不同的焦距。这个设备的优势在于：
[0112] a. -个焦距的要求精度不高，可以使用固定焦距且不要调节系统。事实上它在距 离镜头IOmm的地方拥有一个20x30x15mm的拍摄区域及20-25 μ的精度。
[0113] b.另一个高精度（5-10μπι)的焦距，但是其景深包含在前一个焦距的景深范围 中。Z轴扫描总是简单且可以预判。Z轴(景深）扫描被限定在5至10个不同的级别。
[0114] c.高精度焦距和可变焦距容许自由的选择，并增加所需的精度。
[0115] 7)为了让使用者能够容易的检查口腔且不需要一边盯牢屏幕，系统预先设置了可 以在被包含图像区域和/或另一个图像区域的周围投射了至少一加色光圈的装置：
[0116] a.最后，优选地，存在标志，例如一个红色圈，投射到图像的情景中，标识出在宽视 场中需要精确扫描的位置。
[0117] b.最后，优选地，存在标志，例如一个蓝色圈，投射到图像的情景中，标识出宽视场 的边缘位置。
[0118] 8)为了在临床口腔扫描中避免不舒服和危险的中断，优选地增加了一个3D的加 速计/陀螺仪/磁力仪，也方便了图像间的关联，甚至可以弥补单个传感器的意外失效。本 装置放置在传感器附近，提供关于摄像头的空间位置的一般性的和连续的信息。
[0119] 因为引进了作为本发明不可分割的一部分的"软件"，本发明可以仅使用一个传感 器工作。所述的单一的传感器可以是宽视场的也可以是窄视场的，取决于临床需求，因为一 些操作如牙齿正畸，仅仅需要通用的检查，而局部组织的统一重建修复则需要非常精确的 检查。
[0120] 9)在石膏上的测量一般可以获得好的照明，但是这在口腔扫描中不成立。有利地， 通过具有一个或多个波长的LED提供一个额外的被动的非结构化光源，可以测量镜面或者 朗伯光滑表面，而且不需要在口腔表面放置涂料。
[0121] 不使用结构化光源也避免了操作人员关闭他的专业照明光源，极大地方便了他的 临床操作。
[0122] 10)同时的信息检测或者是经过极短转换后进行的信息检测，可以避免移动引发 的图像模糊。这些移动可能是操作人员或者病人带来的。
[0123] 11)为了控制模糊现象，一个去模糊硬件系统，或者一个附带非结构化LED光源的 快速脉冲的"快闪LED"，或者适用于防模糊系统的软件，最终被增加进来。
[0124] 12)本发明还包含下列用于处理和展示来自传感器的数据的装置：
[0125] a. -个中央处理和模数转换单元，不使用任何机械的、光学或者电光扫描及结构 光投影，可以计算3维空间和与被测物体移动的时间相对应的第四维度。
[0126] b.原创的软件容许仅使用一个传感器进行近乎实时的3D检测，可以应对补偿单 个传感器失效的情况或者缩小照相机体积。
[0127] c.通过电缆，电话或者无线传输的数据传输。
[0128] d. -个补充处理过程，与操作人员的对话/显示，用于数据传输和存储的硬件系 统。
[0129] 一个原创软件系统包括：
[0130] 1) 一个实时3D重建图表，基于两个摄像头的两个2D图像数据流；
[0131] 2) -个实时3D重建图表，基于单一摄像头的一个2D图像数据流和一个来自加速 计的加速的数据流；
[0132] 3) -个算法，通过计算兴趣点和匹配图像，来寻找用于搜索光轨迹的三个算法的 兴趣点，即不同摄像头上同一个3D点的投影；
[0133] 4) 一个算法，用于实时地将图像流自动排序为空间连续序列；
[0134] 5) -个算法，根据光的轨迹来评估空间中平行的摄像头的位置和3D点的坐标；
[0135] 6) -个算法，用于3D散列图的插值；
[0136] 7) -个算法，将三维散列图进行布尔运算并计算质地；
[0137] 8) -个算法，将三维重建进行缩放；
[0138] 9)两种算法，用于增加空间精度。
[0139] 这种算法的整体结构组：
[0140] 当用户在物体的附近移动本系统，由摄像头提供的图像数据流被实时处理并产生 第一个3D重建影像，该3D重建影像可以向用户显示。实时3D影像重建方案和数据的组织 随两个摄像头的可用性的变化而变化。
[0141] 每个新获得的图像首先由一个搜索光轨迹的算法来处理。从对应关系出发，一个 排序算法然后更新视频流的顺序来获取更好的实时的效果。有了这个光轨迹，一个平行的 评估算法做到：
[0142] a)在获取图像的时候找到摄像头的具体的位置
[0143] b)产生投影在光轨迹上的3D散列图
[0144] 产生的散列图需要进行插值，以便获取更加浓密的图表，还计算内在的插值函数。 因为有这个函数，一个表面的质地多变形可以通过重建获取。在这一步也可以计算出最终 散列图的质量指标。它们中的一些或者一些区域可以被标注为无效的。
[0145] 这种有质地的表面然后被展示在屏幕上，并配有合适的注解标明无效的区域的范 围。
[0146] 实时产生的表面是没有空间维度的一种表征，所述的空间维度表示重建区域附近 的比例因子。这个比例因子是在影响获取完成之时由一个算法计算出来的。
[0147] 最后，这种3D模型可以通过一个算法大大提供其精确度，以便获得最可能的精确 的重建。这种算法考虑到所有获取到的图像，重新计算3D散列图。然后散列图被算法插值。 最后，一个"space carving"算法重新组织整个3D模型。
[0148] 因而提供了一种其应用领域的通用设备，该设备满足牙科和医药领域中的多数要 求，尤其是在成本，精确性和诊断成像方面。
[0149] 该系统可以以一种逐渐进化的形式应用在：1，要求良好精度的3D采集，如人体表 面的3D扫描；2,对建筑物进行高精度的数据扫描采集；3,制造业生产流程。我们可以通过 一个或多个传感器来扫描待测试对象，扫描时，可以把待测试对象安置在传感器前面，同时 仅仅移动待测试对象，或者同时移动传感器和待测试对象。
[0150] 值得注意的是，该系统允许我们实时并且以不同精度来测量测试对象。我们甚至 还可以改进针对某特定区域的扫描，这要归功于窄视场相机。另外，我们还可以同时快速关 联其他拍摄的图像，这要归功于宽视场相机。

【专利附图】

【附图说明】
[0151] 图Ia是本发明的系统的整体示意图，该系统包括了相机，连接器，电脑(这里用的 是笔记本电脑)，以及最终的原型产品，封装了处理器芯片的盒子。
[0152] 图Ib给出了本发明的系统原理图。
[0153] 图2显示的是本发明的的原型系统的外观，重点突出了摄像模块，摄像模块的尺 寸非常小，归功于本发明所选择的技术，摄像模块可以深入人的口腔中进行扫描。
[0154] 图3是相机1的纵向剖视图，包括了位于头部的图像采集系统(光学系统CCD或 CMOS传感器)，见图3a和图3b。
[0155] 图4根据我们刚才在图1、2、3中所见的配置，正面显示了相机1头部的截面图，并 且指示了宽视场和窄视场的覆盖范围。。
[0156] 图5显示了宽视场相机和窄视场相机的分析范围。
[0157] 图6显示了通过使用可变焦距镜或液体透镜，由宽视场相机和窄视场相机分析输 出的不同层次的景深。
[0158] 图7分别显示了宽视场相机和窄视场相机中获得的图像以及3D建模的结果。
[0159] 图8a，8b和8c分别显示软件自动绘制的基于石膏模型的同源点阵（图8a)和在口 中的同源点阵（图8b)，以及所得的离散点形成的点阵（图8c)。
[0160] 图9a和9b分别显示了在被动照明中LED灯的布局（图9a)和投影到牙齿上的靶 子（图％)，这样医生就可以知道高精度摄像头扫描过了哪些区域。
[0161] 图10a，IOb和IOc分别显示了在白光（图10a)，蓝光（图IOb)以及蓝白复合光（图 IOc)的照射下获得的成像。
[0162] 图11显示了摄像头顶端的空隙，该空隙可以喷出空气，以除去唾液或血液和防护 热玻璃，这样可以避免水汽干扰摄像头在口腔中光学成像的录制过程。
[0163] 图12是本发明的软件部分的总流程图，从拍摄的图像的整合到最终按比例3D重 建。
[0164] 图13a，13b和13c显示了，在两个照相机同时使用的情况下，对所获取图像进行实 时处理、整合微图像和宏图像的三种方法，其中图13a是在2个相机、没有加速器的情况下； 图13b是在有加速器和区域重建的情况下；图13c是有加速器和区域重建的情况下。
[0165] 图14显示了当单使用一个相机时，两种可能的3D重建策略。
[0166] 图15给出了一个计算示例，即通过追踪离散兴趣点来获得光学轨迹。
[0167] 图16给出了实时三维重建建模方法的简化步骤。
[0168] 图17显示了通过方法的有效组织来提高精度。

【具体实施方式】
[0169] 在下面的描述中，我们将清晰阐述本发明的其它方面及其优点。文中我们以一种 非限制性的叙述方式，给出了一个实例化方法，这种描述将有助于理解。附图参考：
[0170] 如图1所示，本发明，以一个原型系统来呈现，并且通过之后的一系列附图来进一 步图解其设计。该设计涉及了一种测量和诊断设备，将在牙科领域引起特别的关注。
[0171] 如图Ia所示，该装置包括以下部件：1，使用了文中所述技术的焦距相机1 ;2,连接 相机1和缆线3的第一连接部件2,缆线3用于用于传输数据；3,连接缆线3、配置USB 口和 机匣6的计算机（5)的第二连接部件4,机匣6可以放置在两者之间，以便安装计算机的处 理器的驱动卡和/或在相机或计算机内部没有这样的处理器时直接处理图像。
[0172] 同样地，相机可以使用WiFi无线传输图像或者图像处理后的数据。另外，相机也 可以使用充电系统，来给电池充电，从而向相机提供稳定电源。
[0173] 整个系统的电子部分，它可以完全包括在相机机身内，参见部件9-12,或者，在相 机、机匣6和计算机5之间共享。它包含了一个位于传感器背后或周围的电子系统，用来管 理传感器，以及用来照亮成像记录区的LED灯。该电子系统还包括 ：
[0174] 中央处理单元，可以以一种通用PC机语言能理解的格式来收集、储存和排序传感 器接收的数据。如果远程PC机不具备模数转换功能，那么中央处理单元也能实现模数转换 功能。不需要运行一个投影掩膜或条纹的系统，显著地将中央管理器的尺寸减少到最小：这 是对立体彩色图像相机的设计。
[0175] 在中央处理单元和/或PC的软件的控制下，LED控制卡可以根据安装的程序更好 地触发特定的LED。实际中，按照被执行的程序LEDs可以交替、或者一起、或者一个变化的 顺序被控制。可以用简单次序的形式实现这个功能，但是提及它仍然是有益的。
[0176] 标准能量供应卡可以在USB上或者电池上操作,可以是直流电也可以是交流电。 视乎我们有一个无线系统或者一个有线的系统，考虑到所安装的组件的能耗很低，标准能 量供应卡可以维持照明。我们的相机将第一个使用无线连接的。
[0177] 最后，相机中包含了一个微型的内存卡，可以存储图像并使用一个可运输的媒介、 在不使用USB连接或者无线连接的情况下将图像传送到计算机上。
[0178] 当不是所有的东西都包含在相机或(和）作为中间体的机匣6的时候，一台安装有 处理程序和数据处理软件的笔记本电脑、上网本或台式机可以添加到本发明系统中。本发 明可以以视屏上可见的2D或3D形式复制信息，而且也可以采用互联网，Wifi，以太网等形 式、采用语言翻译软件、用类似CAD/CAM格式将测量结果发送到远程的中心。在系统中其他 部分没有微型控制单元时，所加入的这个计算机中需要安装3D影像重建和相机控制软件。
[0179] 相机和电脑之间可以用无线或者有线方式连接。
[0180] 按照本发明，优选地，线缆3通过自带电源的USB第二连接件4、通过第一连接件2 将计算机5和相机1一侧进行的有线连接。而且这种特殊的第一连接件2适用于任何款式 的相机。
[0181] 与上类似，按照本发明，本发明的设备间的连接可以是无线的，例如使用Wifi模 式，这是非限制性的。在这个情况下，天线内置或者连接在相机上，而不需要第一连接件2。 同样的，在计算机5或者作为中间体的机匣6上有一个天线插在USB接口上，用来发送和接 受数据，响应相机、计算机或者机匣上内置的程序所发的指令。这种安排可以实现快速、友 好、容易的通讯，无论牙医诊所或牙科实验室的结构是怎样的。
[0182] 同样根据本发明，由处理卡、CPU和显示器组成的单元将被安装在中间体机匣上， 这样本发明的单元能够被集成到为专业的设备插件，例如称为牙医或者技师的工作台的插 件。
[0183] 按照本发明，计算机5可以配置内置的屏显或独立的屏显，就像PC或苹果电脑。这 个计算机将使用特别编程的标准卡，以控制相机或安置在汽车上的特殊控制卡。
[0184] 如果不能安装计算机或者牙科诊疗工作台上已经有了计算机，中间体机匣6将被 安装在相机和电脑之间来弥补这个缺陷。类似地，为了获取相同的功能，这个中间体机匣将 被设置在计算机的下游，作为USB接口的第二连接件4连接计算机的USB端口，中间无需转 接。这样可以生成专业语言，然后被专业工作场合的CAD或者CAM应用所解释。
[0185] 图Ib展示了本发明的配置细节。图表中包含了两个主要部件：相机1和计算机5， 计算机5可以用专业的定制的中间体机匣6替代。
[0186] 在选择了计算机48上的HM界面上的菜单后，通过相机自身的人机（HM)界面18 启动相机。相机上的图像软件45对宽视场传感器和窄视场传感器的读取过程进行初始化。
[0187] 同时，它触发LED15进行照明，是否对LED15进行特别选择由菜单选项决定。这个 过程也会启动加速度计52,加速器52在整个过程中间断或者连续发送数据流到图片软件 45,来辅助图像关联。加速计可以取代任何一个在诊疗期间失效的传感器。
[0188] 宽视场20的光学系统38可以让图像软件获知景深并作出调整，在没有使用液体 透镜的情况下，控制件42在微型马达22辅助下自动调整口腔结构21上的窄视场19的光 学组件41的景深。两个图像的分别由宽视场20的C⑶和窄视场29的CXD拍摄。它们然 后被模数转换器43、44转化成数字数据，可以模拟信号呈现在显示控制屏49上。
[0189] 如果支持图像软件45过多占用了硬件的容量而无法装载到相机1中，图像软件的 第二部分46可以装载到一个标准的或者专用的计算机5或中间体机匣6中。
[0190] 经过这个处理过程后信息可以用现今已知的渠道51，如互联网、以太网、Wifi或电 话等可能的技术手段，赋予地址，可以是用于诊断，也可以是用于CAD/CAM。这些都可以通过 一个调制解调器50用有线信道(互联网和以太网、Wifi或者电话线）双向传送信息来完成，
[0191] 本发明各部分的详细介绍请参考图2,其展示了牙科诊所的各方面的功能的选项。 为了方便记录口腔内图像，一个3D读取相机的体积需要非常小。和已知的系统不一样，现 在的配置容许我们拥有一个尺寸非常小的3D彩色相机，因为它的尺寸在20至25cm之间， 主体足够大(例如2至4cm)确保可以良好地抓握，而且厚度不超过2cm。相机还拥有一个5 至6厘米的延伸臂，以便在记录口腔深处的影像时穿过嘴唇。读取头呈无害的卵形，包含整 个光学系统、LED和(XD/CM0S传感器，约有1至2厘米厚、大约2厘米宽、3厘米长。
[0192] 图3中的截面图让我们可以更好地了解这款相机的详细组成部分。在此配置中， 但非限制性地，我横截面显示出了相机的头部7,可插入口腔中臂部8和一般留在口腔外面 身体9。头部的截面图显示：其中包含了两个的光学系统10,光学系统10由三个部件组成， 即透镜、用于调整焦距长度的马达22和2个CCD类型或CMOS类型的传感器，所述的传感器 通过屏蔽电缆11连接到图像传输卡12,以避免被传输的信息的质量遭受干扰。图像传输 卡12通过设置在相机1上的特定的连接器13连接到计算机5或至中间体机匣6。同样的 纵向的剖视图显示了朝向光学系统10设置的LED14、15，LED14、15被放置在由防护玻璃17 内的头部7的内部，防护玻璃17位于光学系统10的外围。当我们不使用脚踏板的时候，按 钮18可以激活录像。使用无补偿的图片记录系统，使我们能够利用按钮18、没有任何模糊 风险地拍摄3D图像，这种图像模糊通常是非自主运动造成的。
[0193] 图4更精确地描述了本发明应用的基本原理。我们可以看到相机头部7的原理 图以及两个不同的光学系统10。这些系统从底部到顶部，是由调焦、图像传输透镜和CXD/ CMOS组成。这些透镜没有焦距调节系统。如果我们用传统的透镜，就需要拥有一个以1? 5厘米景深的焦距调整马达22进行Z轴扫描。
[0194] 有利的是，该镜头是法国公司Varioptic制造的液体型镜头、或者是在输入面部 上拥有瞳孔的模制玻璃或塑料镜头。
[0195] 焦距长度最好在0. 5和5mm之间，以满足在口腔环境展示的有限环境中的宽视场 和窄视场的要求。
[0196] 白色和蓝色LED15被布置在光学系统各处，紧靠在防护玻璃17的背后，不管是否 加热。最好基于所需照明颜色的类型，适当地选择LED15。
[0197] 应当指出这里没有结构光投影，只有光学系统和CCD的可视化的两个视场区域。
[0198] 值得一提的是，高精度的窄视场19被完全包含在通过光学影像测量的牙齿的低 精度的宽视场20中。正如我们所看到的，此方法的优点之一在于低精度的视场包含了高精 度的视场，这在很大程度上促进了两个立体图像的相关性。这也减少了未编码区域，因为一 个相机没有记录下来的内容会被另一个相机记录下来。相机减少运动会最终纠正缺乏编码 的情况。
[0199] 最终，在最好的情况下，狭视场也可以被部分地包含在以工业设计和划分为目的 的区域中。在这种情况下，高精度的狭视场将部分重叠的低精度的宽视场。
[0200] 特别有利地，为了便于阅读高精度的窄视场，可以增加一个移动马达使得在图像 的记录期间窄视场迅速扫描整个宽区域。该移动马达可能使用镜片位移的所有的技术。
[0201] 特别有利地，这个窄视场是可变焦距的，这使操作员能够在1和20 μ m之间改变窄 视场的精度，同时受惠于能够对宽视场进行大视野阅读。
[0202] 这样立体相机包括一个或多个传感器，图4中展示了其中的两个，放置在一个预 定的位置，传感器的类型可以是C⑶或CMOS，例如2百万像素分辨率为2. 2 μ m，确定阅读速 度为25到500张/秒。因而记录连续影像的速度满足相机的静态阅读或相机的动态阅读 的要求。因此，我们可以通过移动分析区域来获得动态视图，不像轮廓仪相系统需最少四个 图像中提取被测量对象表明的的立体形状。本发明的系统在测量中仅需要两个精度级别的 单帧或者双帧图像，避免测量中的任何移动，而且对传感器上信息的整合是立即且同时的。
[0203] 它也包括具有一个焦距或至少两个不同焦距的光学组件，其数值孔径（NA)可以在 0. 001到0. 1，允许不失真地将显现在两个或几个手术场所的数据传送到相机的传感器上。 例如，对于口腔内图片，如图4中的例子所示，这些区域可描述如下：
[0204] a.其中一个视场覆盖一个大的表面，但具有较低的分辨率，非限制性地例举，分辨 率为20 μ m(NA :0. 0125,即F/8的焦距当量）在一个30x20mm的区域上。
[0205] b.另一个视场较小，但更准确的，例如但不仅限于，分辨率是10μπι(Ν A :〇〇25， 艮P F/4的焦距当量）在15Χ IOmm的区域上。景深很小，这样可以得到一系列景深不同的图 片记录。
[0206] c.在各种水平上，无论是否位于中心，小视场是完全包含在大视场中的，以便检测 目标物体的三维坐标（x，y，z)的数据，并便于实时关联高精度的窄视场和一般精度的宽视 场。
[0207] d.物镜可以由数个玻璃或模塑玻璃/塑料元件组成，由微型马达进行调节。
[0208] 有利地，牙齿上景深的调节可以由液体透镜来完成，以便确保完美地适应内口腔 表面，并避免使用微型马达。
[0209] 有利地，它也可以包含一个透镜，例如被称为"自由形式"的热塑性透镜，包括着一 个由η个非对称面环绕的平顶，确保可以在一个图像记录中根据η个角度记录视化口腔环 境的η个不同的视场。多面部分被朝向传感器，同时平顶朝向口腔环境。该传感器会从不 同的角度接收N个略有不同的图像，这取决于该平面相对于平顶的切割的角度。因此，在图 像中的一次拍摄就可能获得和数字化N个瞬时相关的不同表面的立体视图，这样避免使用 第二个传感器和第二光学系统。
[0210] 有利地，如果我们有一个单一的传感器来拍摄所有的视野，正如我们之前看到的， 不再是通过传感器预先决定的位置，而是连续拍摄的顺序来定义视野。自动的图片记录的 顺序相关的位移运动定义了图片记录的不同平面。例如，第一个图像将在时刻TO被记录 下，一个导致观看的角度的变化的轻微的移动之后一个在时刻，例如Τ0+1秒，的记录将产 生，照此继续。
[0211] 有利地，一个加速器、一个陀螺仪或者一个3D磁力计52将被安装在(XD/CM0S传 感器旁边，为了增进关联性和补偿单个传感器失效的可能情况。为了避免临床操作中的任 何中断或者是为了替代其中一个视场(情况可能是宽视场或者窄视场)，本发明中的3D加速 计的频率至少50Hz，间隔是+/-IOg,和分辨率小于等于3mg。
[0212] 优选地，景深的总体信息由其中一个传感器指示，例如由宽视场的传感器指示，这 样，窄视场的传感器的焦距预设在靠近宽视场传感器分析区域的地方。
[0213] 附图5显示了在一个病人的嘴里测量的范围。牙医在这么小的范围内移动他的相 机，大大限制了同时具有大视场和高精度的可能性。用这里介绍的新的概念，并遵循光学物 理定律，可以在在宽视场的水平上，在20um的分别率下，以2毫米景深测量20X30毫米的 范围。窄视场的范围缩小到IOX 15X0. 5毫米，分辨率是10um。这仅仅是是作为一个例子 给出的，根据所使用的光学系统的质量可以显著地不同。这些性能的值与在制造良好的假 肢和良好的诊断时对口腔内获得的光学图像的要求是一致的。
[0214] 景深不足，但是它靠近牙齿放置，而光学系统放置在上齿和下齿之间。为了解决景 深的问题，通过对精确区域窄视场的10-20次的变化和宽视场的5-10次的变化，一系列的 图像以图6的方式记录下来。这样确保在高精度窄视场上分辨率达到IOum ;在精度其次的 宽视场上分辨率达到20um，同时景深在10-30mm，这样的性能在牙科临床应用中已经足够 了。
[0215] 优选地，宽视场和窄视场中的景深是否同步根据记录光学影像的需求决定。正如 我们将在软件处理中看到的那样，可以控制调整，因为CCD/CM0S可以识别出信息是否清 晰。这提供了相对于光学系统的牙齿的位置信息，能够自动调整景深。这样具备了限制扫 描深度和限制连续图片记录的优点。
[0216] 在图7中我们展示了一个被扫描区域的代表，图片23由宽视场扫描，图片24是由 高精度和窄视场扫描的一系列照片。正如我们在所给的例子中看到的一页，10张图片足够 覆盖整个视场，且分辨率达到l〇um。
[0217] 实际情况，牙科医生将精确视野放置在要求口腔最高精度的区域的中心。这个区 域可以看作是准备阶段的终点，也就是如图7所示的牙槽和牙尖。正如后面"软件"中将要 展示的，尤其是是在图13 (层叠面的策略)，明智地使用这种高精度区域带来高逼真的重建。 两个相机用于区域的重建，在很大程度上受益于精确视场提供的细节。另外一面，通过随机 移动头部和得益于获取图像的高频率，用户有机会覆盖由两个相机的公共部分重建得到的 整个区域。最后，当一个区域展示的精度不够的时候，用户能够得到可视化的反馈，然后用 户就可以将精准视场对准这个区域，以此来获取足够的精度。
[0218] 正如图8a、8b和8c中能看见的，当能够将每个同时拍摄或者稍有时间差异的图像 中的同源点关联起来的时候，可以得到3D立体视图。图8a展示了牙科石膏26上同一个牙 齿的两个咬合面及舌头图像上的同源点的自动判定。这个自动判定可以有软件实现，该软 件是发明的一个重要集成部分。
[0219] 我们看到的线将两个图像上识别出来的一致且同源的点组织在一起。同样的展示 可以通过软件系统做成口腔内部视图(如图8b-27 )。
[0220] 最好的情况下，软件可以在景深视场里自动识别焦点区域，同时该视场之外的地 方一切就像被一个低通率的过滤器支配着，相对于视场中的区域。所以，局部功率谱具有较 舒缓的斜率。功率谱在图像上以小片计算(典型的是一个20*20像素的面积)，下降趋势的 斜率是根据一个下降趋势的指数模型估计得到。然后，可以计算比率（ap_aO)/aO,其中aO 是整个图像的斜率。如果比率低于特定于图像的某个阈值，这个小片就被认为在焦点区域 之外。
[0221] 其结果在空间的一个散列图表示(如图8c-28)，其中的一部分是非常准确的(分别 率小于10微米）
[0222] 优选地，基于图X中的3D重建技术，散列图得以完成。
[0223] 优选地，在Bezier曲线曲面上使用径向基函数、NURBs函数或者小波函数，效果图 也可以制作成致密的、多边形样式的且具有纹理的呈现，接近真实的可视化展现。
[0224] 在这种情况下，软件的处理过程如图X所示。为了表现这种建模，3D重建所产 生的稀疏散列图添加使用了图y所描述的技术。这种技术能够得到密度大的分布图，并 且使用径向基函数型曲线曲面建模。（不失一般性地，这种建模可以但不限于使用以下函 数，如Bezier曲线曲面、径向基函数、HURB函数或者小波函数）一旦提供了表面模型，使 用常规技术可实现多边形化，可以但不限于使用以下技术，如，Bloomenthal、旋转球（ball pivoting),泊松重建（Poisson reconstruction)等。最后计算和产生图z描述的质地。
[0225] 这些建模方法的优点是能够保证实时或准实时。从立体视图开始，立即将3D图像 显示到医生的屏幕上。他可以改变全部或部分图像的朝向和焦距，以便为了下一步临床操 作验证他的工作。
[0226] 图9展示了 LED为立体记录提供了足够的光线。为了得到正确且完整的度量，有 必要使现场拥有良好的照明。问题在于不仅是物体结构光，而是照明黑暗的口腔中的场景。
[0227] 最有利地，照明是LED照明，白光照明度介于10, OOOlux和500, OOOlux之间，蓝光 照明度介于5, OOOlux和300, OOOlux之间。
[0228] 这是少数LED就足够照明的原因。图9a展示了八盏白色LED(29)灯中必须有两 盏达到200, OOOlux的白光照明度，而四盏蓝色LED(30)灯中必须有一盏达到100, OOOlux 的蓝光照明度。
[0229] 优选地，需要增加其他LED，提供非结构化灯光，该LED需要在纯度(一致的或不一 致)、类型(指色彩)、强度(指功率)方面有精确的特征。如图9a所示，这是非限制性举例，一 个绿色LED (31)具有协助诊断3D图片的功能，3D图片转化为3D表面。更有趣的是，即使我 们不使用结构化照明，通常在粘膜（mucosa)层和牙齿的矿物质结构层或假牙材料都有可能 实时地对病人的口腔进行色彩分析。
[0230] 有利地，需要选择照明，以便做到突出牙齿的矿物质（mineral)或有机龋坏骨折 (organic carious fractures)或晶体（crystal)损伤。这部分内容展示不以2D图像的 方式进行，而是以3D图像的方式，同时突出显示需要分析、诊断和治疗的区域。这个功能可 以让医生跟进他的工作质量，同时根据3D图像确定他已经适当地处理了突出的疾病，有利 地，这允许凸出整形材料的断裂部，例如氧化锆材料的一道裂缝，并且评估是否需要对复原 进行新的干预。
[0231] 最佳情况下，除了增加 LED散射光，为了协助医生了解高精度的读取区域的位置， 也就是宽视场中的窄视场，围绕特别区域的目标投影（图9b-32a)可提前看到。
[0232] 有利地，需要增加提供具有纯度(一致的或一致的)、类型(颜色）和强度(功率）方 面的特征的非结构化照明LED灯。如图9a所示，作为一个非限制性例子，一个绿色LED (31) 发挥了协助在3D图像上进行诊断的功能，所述的3D图像转换到我们的3D表面。
[0233] 有利地，围绕宽视场（32b)的框架的投射避免了医生在记录口腔影像时跟随在屏 幕上的扫描。
[0234] 使用这些蓝色和或白色LED灯，有助于更简便地搜索同源点，以及在具有晶状和 稍有穿透结构的牙齿上判断大量同源点。有利地，虽然发散的LED灯在牙齿上的穿透上不 能与结构化光源比较，但是蓝光将被用于使牙齿呈现白垩状，这样可以避免使用覆盖层引 起涂料效果。
[0235] 有利地，使用多种波长或颜色的LED照明系统，并且可以选择多种颜色LED的混 合，以便创造牙齿结晶体或牙龈病理部位的荧光或磷光效。这将促使显示为蓝色或紫外线 的矿化组织表面显现出来，因为呈荧光的牙齿组织具有无光泽的特点，这样就可以避免在 牙齿表面使用如前述的覆盖层的油漆沉积。
[0236] 同样的应用最终允许我们穿透进入更加精细的牙龈区域，它们存在于牙沟。这样 允许手术操作者透过牙龈得到牙齿的视图。同样，明智地选择LED的颜色，可保证降低血液 和唾液对于摄影的影响，便于记录光学影像。
[0237] 有利地，这些LED灯具有可变的功率和颜色。在探测表面时，采用低功率灯光。穿 透微厚度的上皮组织时，采用高功率灯光。采用如图l〇a、10b、IOc所示的安装方法，使用白 光拍摄以获取口腔环境的正确颜色（33)，以及最终用互补光记录图片，所述的互补光可以 非限制性地采用蓝光（34)，或者采用互补光与白光混合的互补蓝光（35)。
[0238] 有利地，为了在屏幕上实时显示测得的口腔环境的颜色，被添加到白光中的一个 或多个颜色组分将被去掉。
[0239] 有利地，这个LED颜色的选择可以是预定的或自动的。如果在白光下拍摄时散列 图不够，系统会自动（或手动）激活补充光LEDs，例如蓝色LED，系统会再次记录相同的 图片。所增加的监光和白光的图片会提1?增加表面的彳目息和搜索同源点提1?的机会。
[0240] 有利地，这些LEDs也可以具有预定的波长，以便凸显自然解剖元素，用沟纹或颜 色区域来区分肿瘤，牙龈或牙齿的造影，或突出在记录观感之前的标记，这些标记是特定的 和预先指定的彩色标记。
[0241] 这些标记优选采用放置在测量领域礼不同形状的物体，例如粘着或附着在牙齿 上，在牙齿间的空隙或植入物之上，便于关联图像，也为了知道这些预定义的标记的具 体空间位置。在存在植入物或根管的情况下，我们将可以了解到在光学阅读难以接近的 区域。预定标记的识别和有关形状的现有知识将允许我们推导出隐藏部分的形状和空间位 置。
[0242] 光组合使得弱纹理区域的细节更加明显，而这些细节在在"自然"光下是不出现 的。在默认情况下将给用户提供一个最优组合。然而，我们也将提供一些预先建立的组合 (例如，那些可以突出标记的组合）。
[0243] 另一方面，光组合允许为每个光谱带附加信息。对我们来说，当我们提出用于搜 索图X中的光学痕迹的计算程序时，这个过程不是在全图像上执行的，而是并行的在三个 光谱波段上进行的。三维重建中所用的光学痕迹就是由这三个光谱波段的光学痕迹相结合 而来的。
[0244] 图11显示了在口腔中需要的两个额外的功能。通常，在一个光学影像的记录过 程中，会避免能够导致信息减少的三个光学元素。这三个元素分别是由于牙齿的准备产生 的血，在一个张开的嘴里自然流动的唾液，和出现在比口腔环境更冷的表面的薄雾。
[0245] 由于这个原因以及舒适性和精确性的原因，可以预见到与相机相关，在摄像头的 喷射孔中有空气或液体的喷射，喷射孔37朝向被拍摄区域，也与能够喷出气体或液体且能 够预测缝隙（37)位置的喷雾器有关，其朝向阅读区。这样就能够在拍摄照片时去除唾液或 血液。
[0246] 同样地，保护光学系统和相机头部的LEDs的玻璃和被设计成一个加热玻璃，例如 温度在20和35°之间，这取决于季节，以限制附着防护玻璃上的雾。
[0247] 图12显示了软件部分的总体设计图。该图即允许在图像采集过程中提供实时三 维重建，并确保最终模型的空间高保真。
[0248] 第一次重建在实时和后续进行：获取图像（53)时，局部三维重建从对这对图像 (在存在两个相机情况下）或一些前面的图像(在只有一个相机的情况下）计算获得，再加入 到全局图像重建中，因为它是在这对图像获取之前得到的。重建会立即显示在屏幕（55) 上，最终与局部质量的注释一起，让用户直观地识别需要进行第二遍拍摄的区域。这种后 续重建会一直进行直到用户完成图像的采集。
[0249] 图像获取完成后，我们对所重建的三维模型进行调整，以提高模型的精度和缩放 因子的估计。最后调整的总持续时间不超过5分钟。
[0250] 首先，当获取的图像是从一台相机中得到的时候，三维重建可能需要缩放（56)。被 应用到三维模型重建的缩放因子是通过一个滤波器实现的，非限制性的例子，卡尔曼滤波 器，但不局限于(卡尔曼滤波器)，并使用两个测量值，这两个测量值可以非限制性地来自加 速器和图像(相机的彼此相对位置)。
[0251] 此外，为了提高精确度（57)，对实时三维重建进行了改进。精密增益技术详见图 17。图13a，13b和13c示意性地给出如何使用从两个相机获取的图像。为此，非限制性地， 操作有三种方式。
[0252] 图13中，当一对图像新由两个摄像头获取的时候，我们在两个图像中寻找光学轨 迹(对应兴趣点）（如图15所示算法)。然后，对应的点根据三角测量计算出相应的三维点。 三角测量在两个相机的情况下极其简单，因为我们已校准设备的配置，我们知道关于焦距 和失真的内在的参数和根据相机的构造的多台相机相互的相对位置的外源性参数。
[0253] 生成的三维散列图被插值、多边形化和纹理化(如图16所示的算法)。然后，为多 边形化的三维重建的每个元素（例如，但不局限于，三角形或四面体）都计算一个有效性 索引指数q (57)。

【权利要求】
1. 用于牙科领域的、在缺少主动的和结构化的光的投射的环境下的三维测量设备，包 括拍摄图像的装置以及对所拍摄的图像进行处理的数据处理装置，其特征在于：所述的图 像拍摄装置（38,39)包含被设计成能够同时或几乎同时拍摄至少两张图像的装置，其中一 张图像被全部或者部分包含在另一张图像中；被包含的图像描述的区域要窄于另外一张图 像，并相对地具有较高的精度。
2. 如权利要求1所述的三维测量装置，其特征在于：所述图像拍摄装置包括至少两个 电子图像传感器，其中一个电子图像传感器（38)以一般精度扫视一个宽广的地域，另一个 电子图像传感器（39)以较高的精度扫视一个全部或部分包含于所述的宽广地域内的较窄 区域；所述的电子图像传感器装有光学系统。。
3. 如权利要求2所述的三维测量装置，其特征在于：与传感器相关的光学系统具有不 同焦距，如此可以得到两种不同级别的精度。
4. 如权利要求3所述的三维测量装置，其特征在于：所述传感器包括彩色或黑白的CCD 或CMOS电子传感器。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：所述三维测量装置 包括加速器/陀螺仪/3D磁力计（52)，用于提供图像拍摄装置的空间位置的一般和连续的 信息。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：所述三维测量装置 包括中央处理单元和模拟/数字数据转换单元， 通过电缆、电话线或无线的方式进行的数据传输单元； 进行附加处理、与操作者对话/显示、数据传输和存储的硬件系统； 由USB接口或电池（AC/DC)供电的电源供应卡。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：所述三维测量装置 通过具有一个或多个波长的LED提供一个被动的非结构化光源，可以测量镜面或者朗伯表 面，并且具有非结构光，但具有为了 3D图像的诊断功能的特征，所述的特征是三维图像在 纯度(一致的或不)、类型(色彩）和强度(功率)，所述的光源照亮3D表面。
8. 如权利要求7所述的三维测量装置，其特征在于：所述的LED的波长是预先设定的。
9. 如权利要求2至8中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：其中一个所述的传 感器显示景深上的一般信息，另一个传感器的焦距预设在一个接近前一传感器分析的实相 的区间内。
10. 如权利要求1至9中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：所述以更高的精度 拍摄最窄视场图像的拍摄装置与位移装置连接，允许所述拍摄装置可以快速扫描其他拍摄 装置所能涵盖的全部视场。
11. 如权利要求1至10中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：所述的以较高精 度拍摄最窄视场图像的拍摄装置设有可变焦镜头。
12. 如权利要求1至11中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：包括用于投射至 少一个彩色光环的部件，所述彩色光环围绕着相关图像所在区域和/或其它图像所在区 域。
13. 如权利要求1至12中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：包括一个具有快 速脉冲LED指示灯的闪光系统。
14. 如权利要求1至13中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：光学系统包括液 体型镜片。
15. 如权利要求1至13中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：光学系统包括在 外表面上设有光瞳的玻璃或模压玻璃/塑料镜片，并与调节景深的微电机相连。
16. 如权利要求1至13中任一项所述的三维测量装置，其特征在于：光学系统包括被 称为"自由形式"的热塑性透镜，所述热塑性透镜包括一个由非对称面包围的平坦的顶部。
【文档编号】A61C9/00GK104349710SQ201280043771
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2012年7月9日 优先权日:2011年7月8日
【发明者】弗朗索瓦·迪莱特, 奥利维尔·盖勒博, 维罗尼基·盖勒博-迪莱特 申请人:弗朗索瓦·迪莱特, 奥利维尔·盖勒博, 维罗尼基·盖勒博-迪莱特