一种适用于牙颌模型三维测量的定位系统及其标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于牙颂模型三维测量的定位系统及其标定方法，尤其涉及一种扫描传感器相对于被测量牙颂模型俯仰运动的定位系统以及用相机标定板进行转轴标定的方法。
【背景技术】
[0002]近年来口腔数字化发展迅速，各种涉及固定义齿修复、正畸方案制定的新型业务模式不断出现。三维测量与数字几何处理是支撑上述业务模式的两大关键技术领域。其中，三维测量通常采用结构光技术，能够一次性获取高密度曲面采样数据。针对牙科应用的三维扫描系统，技术上，具体可以称为光栅投影系统。相对于其结构光技术例如散斑重建具有精度高的优势，因而更加适合在牙科领域应用。光栅投影系统通常可以配合单个或者多个黑白相机进行三维重建。
[0003]上述技术能够以较低的成本获取高质量点云数据，然而由于遮挡的原因，单次测量无法得到牙颂模型的整体数据。对于这一问题，2014年的专利申请”基于两周旋转平台的三维数据获取系统及获取方法”公开了基于两轴转台的三维扫描系统；该专利与2009年的期刊文献“Automatic scanning of dental impress1ns”具有相同的技术思路。由于扫描传感器在全局坐标系统中的方位固定不变，因而视域范围的大小固定不变，使得比较容易出现数据缺失的问题，需要通过手动补扫的方式填充数据。本发明针对这个问题设计了扫描传感器相对于被扫描牙颂模型俯仰运动的定位系统技术方案，扩大了扫描传感器在多次测量中的整体视域范围，使得获取整体三维数据的过程更稳定。此外本发明提供了该定位系统的标定方法。
【发明内容】
[0004]本发明针对稳定获取牙颂模型完整三维数据这一问题，提出了技术方案如下: 一种扫描传感器相对于被测量牙颂模型俯仰运动的定位系统，该定位系统包括扫描传感器定位摆臂、载物自转转台、标定方法；
进一步地，扫描传感器定位摆臂末端连接投影光机与黑白相机，共同绕摆动轴转动，扩大了扫描传感器的视域范围；
进一步地，载物自转转台搭载牙颂模型或者相机标定板绕自转轴旋转，在扫描传感器固定姿态的情况下，调整牙颂模型或者相机标定板相对于扫描传感器的可见区域；
进一步地，利用本发明所提供的标定方法计算得扫描传感器定位摆臂摆动轴、自转转台转动轴的标定信息，根据该标定信息实现多次测量的单片三维数据在全局坐标系中进行拼合；
本发明还包括对上述定位系统的标定方法，其包括步骤如下:
将带有标志点的相机标定板固定在自转转台上，固定自转转台的转轴，绕扫描传感器摆臂摆动轴间歇性旋转8次，同时拍摄8副相机标定板图像； 进一步地，接着固定扫描传感器摆臂摆动轴，绕自转转台转轴间歇性旋转5次，同时拍摄5副标定板图像；
进一步地，利用前8副图像拟合扫描传感器摆臂摆动轴，利用后5副图像拟合自转转台转轴。
[0005]进一步地，求出扫描传感器摆臂摆动轴、自转转台转轴到全局坐标系的刚体变换矩阵。
[0006]进一步地，对标准牙颂模型进行多角度测量，利用上一步中的缸体变换矩阵获得，单片数据在全局坐标系中的朝向。
[0007]进一步地，利用迭代最近点算法对多片三维数据进行拼接优化，调整上述单片数据的朝向。
[0008]进一步地，以扫描传感器摆臂摆动轴、自转转台转轴在全局坐标系中的矢量表示作为参数，优化该参数，使得利用定位系统获得的单片数据朝向尽可能接近迭代最近点优化获得的单片数据朝向。
【附图说明】
[0009]图1:本发明提供的三维测量定向系统结构示意图；
I 一三维扫描传感器 2—定位摆臂 3—自转转台
4 一计算机系统 101—投影光机 102—黑白相机。
【具体实施方式】
[0010]以下结合附图与实施例对本发明中提及的技术方案进一步说明，以进一步阐释其目的与优点:
如图1所示，本发明提供了一种扫描传感器相对于被测量牙颂模型俯仰运动的定位系统，包括三维扫描传感器1、定位摆臂2、自转转台3以及计算机系统4。其中三维扫描传感器I由投影光机101、黑白相机102组成，通过投影光机101向被扫描牙颂投射结果图案，并由黑白相机102获取上述图案，计算被测量牙颂的三维数据。在牙颂的扫描过程中，定位摆臂2带动三维扫描传感器I摆动，切换扫描视域范围；自转转台3带动牙颂模型转动，切换牙颂模型相对于固定姿态的三维扫描传感器I的可见区域。通过定位摆臂与自转转台共12种的姿态组合，完成整体牙颂数据的测量。
[0011]上述牙颂模型的多次测量过程中所使用的朝向信息，由本发明中的定位系统标定方法计算获得。如图1所示，首先将标定板固定在自转转台3上。首先将三维扫描传感器绕定位摆臂摆动轴旋转，并拍摄8副标定板图像拟合扫描传感器摆动轴，拍摄的8副标定板图像中存在的每一标定点，在全局坐标系中构成了同心圆中的8个三维点。由这8个三维点就可以拟合出它们对应的圆心。于是对于标定板上存在的标志点，依据最小二乘法可以拟合出一条直线即摆动轴。
[0012]其次拟合自转转台转轴，原理同拟合扫描传感器摆动轴，拍摄5副标定板图片，利用标定板上标志点的轨迹，拟合出自转转台转轴的方向矢量。
[0013]至此，求出了定位摆臂摆动轴向矢量以及自转转台转动轴向矢量，上述方向矢量都处于全局坐标系中，根据驱动定位摆臂以及自转转台的电机不进角度即可对被测量牙颂模型的朝向进行计算。
[0014]最后，将标准牙颂置于自转转台3上，并利用上述方向矢量，对多次测量的单片三维数据进行初步定向，在利用迭代最近点算法优化单片三维数据的朝向。并以与迭代最近点算法获得的朝向之间的误差函数优化定位摆臂摆动轴向矢量与自转转台转动轴向矢量。
【主权项】
1.一种适用于牙颂三维测量的定位系统，其特征在于，包括:扫描传感器定位摆臂、载物自转转台、标定方法； 所述扫描传感器定位摆臂包括摆动轴、摆动支撑；所述摆动支撑由两侧组成，其末端固定有由投影光机与黑白相机构成的三维扫描传感器；所述定位摆臂摆动轴的轴线垂直于两侧摆动支撑，其轴线上的中心点位于距两侧摆动支撑等距的位置，以该中心点作为定位摆臂局部坐标系的原点，以摆动轴的轴线作为该局部坐标系的Z轴，在过中心点垂直于摆动轴的平面上，选取载物自转转台的方向作为Y轴，以垂直于Y、Z两轴的方向作为X轴； 所述载物自转转台包括单一旋转轴；该自转转轴驱动牙颂模型在扫描传感器姿态固定的情况下，变换在固定视域范围内的被扫描牙颂的可见区域；以自转转轴作为自转转台局部坐标系的Z轴，在该轴上任选一点作为该坐标系原点，并在过原点垂直于Z轴的平面内，任选两垂直轴线作为该局部坐标系的X、Y轴； 所述标定算法包括定位摆动臂转轴标定、载物转台转轴标定；两种转轴标定的基本过程一致，标定技术方案包括利用相机标定板获得粗略转轴方向(以下称为转轴计算)，再利用测量模型拼接优化对粗略计算的转轴方向进行优化(以下称为转轴优化)； 基于本发明中的三维测量定位系统，以及标定方法获得的转轴标定信息，将从不同角度拍摄的单片牙颂测量数据在全局世界坐标系中形成初步定位。2.如权利要求1所述的三维扫描传感器，其特征在于，所述三维扫描传感器包括黑白相机与短焦投影光机，可以由单个黑白相机构成单目测量系统或者由两个黑白相机构成双目测量系统；所述投影光机与黑白相机的朝向与视域范围的交集决定了三维扫描传感器的单一姿态扫描范围；当所述投影光机向被扫描物体投射一系列图像时，所述黑白相机从多个角度拍摄被扫描物体的图像。3.如权利要求1所述的三维扫描传感器，其特征在于，能够根据所述被扫描牙颂多个角度的黑白图像通过计算机多目视觉成像原理重建出被扫描牙颂模型的三维立体模型。4.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于，扫描传感器摆臂绕其摆动轴转动，带动扫描传感器视域范围的变化；自转转台绕自转轴转动，带动相机标定板相对于扫描传感器转动；标定过程包括三步:采集相机标定板图像及识别其中的标志点、轴线拟合、借助扫描数据拼接优化的轴向优化。
【专利摘要】本发明涉及数字化齿科行业与三维测量技术领域，尤其涉及一种扫描传感器相对于被测量牙颌俯仰运动的三维测量定位系统及其标定方法。本发明的技术方案主要包括1.扫描传感器与载物转台联动的完整牙颌三维测量系统；2.扫描传感器定位摆动臂标定方法；3.载物转台标定方法。本发明针对桌面式牙颌三维扫描仪的数据缺失问题，采用扫描传感器相对于载有牙颌的自转转台俯仰运动的技术方案，扩大了多次测量的总体扫描范围。相对于扫描传感器固定的两轴旋转转台牙颌三维测量技术方案，具有能够稳定获取完整三维数据、避免数据缺失的优点。利用本发明提供的三维测量定位系统、扫描传感器定位摆动臂标定参数、自转转台标定参数，能够将多次测量的单片数据统一到全局坐标系下，完成牙颌三维数据的拼合。
【IPC分类】G01B11/25
【公开号】CN105004283
【申请号】CN201510441102
【发明人】秦国斌
【申请人】东莞市叁的打印技术科技有限公司
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年7月25日