当3d扫描刚性对象时可移动对象的检测的制作方法
【专利摘要】公开一种当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的方法，其中该方法包含：通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第一3D表示；通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第二3D表示；为第一3D表示确定没有表面会存在的空间中的第一排除体积；为第二3D表示确定没有表面会存在的空间中的第二排除体积；如果第一3D表示中的表面的一部分位于第二排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第一3D表示中的表面的该部分，和/或如果第二3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第二3D表示中的表面的该部分。
【专利说明】当3D扫描刚性对象时可移动对象的检测
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及一种当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在某一位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的方法。更具体地，本发明涉及借助于手持式扫描器对患者的嘴巴中的患者的一副牙齿的扫描。
【背景技术】
[0002]在传统的牙科学中，当患者需要齿冠、齿桥、假牙、活动体(removable)、正畸治疗等时，牙科医生制作患者的牙齿的牙印模。通常在牙印模托盘中，通过将粘性液体材料放置到嘴巴中来完成印模。然后通常是藻酸盐(alginate)的材料开始变成弹性固体，并且当从嘴巴中移除时，提供牙齿的精细且稳定的复制。当制成印模时，脸颊牵开器(cheekretractor)设置在患者的嘴巴中，从而避免柔软可移动的脸颊影响牙齿的印模。
[0003]现今可以利用口内手持式3D扫描器代替制作有形牙印模来获得患者的牙齿的直接3D扫描。
[0004]当扫描处在某一位置的刚性对象用于获得刚性对象的虚拟3D模型时，例如借助于手持式扫描器扫描患者的嘴巴中的牙齿，会发生在辅助扫描中捕捉到例如患者的脸颊、舌头或牙科医生的仪器或手指这样的可移动对象，因为这些可移动对象位于例如牙齿的表面和扫描器之间，由此可移动对象妨碍了扫描器对牙齿的观察。由于可移动对象是可移动的，所以它们典型地将移动，因此很可能仅在一个或很少的辅助扫描中捕捉到可移动对象。由于典型地获取多个辅助扫描用于获得虚拟3D模型，很可能还会获取刚性对象的相同部分的辅助扫描，但没有妨碍刚性对象的可移动对象。典型地，可移动对象将非常快速地移动或被移动，因为患者知道当扫描他的牙齿时他的舌头不应当触摸牙齿或离牙齿很近，并且牙科医生也知道他的仪器不应当妨碍对牙齿的视觉接近。因此可移动对象典型地将仅妨碍牙齿的视觉接近很短的时间，并且这意味着典型地将仅在一个或很少的辅助扫描中捕捉到可移动对象。此外，如果牙科医生在他扫描牙齿的一部分时注意到可移动对象存在，则他会返回扫描可移动对象之前所在的牙齿的相同部分，因此在大多数情况下，还将会有可移动对象不存在的辅助扫描。然后问题是区分可移动对象的表面和刚性对象的表面，使得当生成虚拟3D模型时仅使用源自刚性对象的表面。
[0005]在现有技术中，几何形状和颜色数据用于区分第一和第二组织，例如如同牙齿那样的硬组织和如同牙床(gums)、舌头、脸颊和嘴唇这样的软组织。
[0006]EP1607041B公开了一种提供在与口腔关联的程序中有用的数据的方法，该方法的特征在于包含:提供至少两个数值实体(numerical entities) (I1, I2,..., In)，每一个所述数值实体代表内部口腔的至少部分的三维表面几何形状和颜色，其中所述数值实体包含与内部口腔的所述部分关联的表面几何形状和颜色数据；其中所述实体(I1, I2,...In)的至少一部分包含重叠的空间数据，重叠的空间数据包含:
[0007].(a)为每一个实体提供包含包括表面几何形状和颜色数据的第一组织数据集的至少一个子实体(IS’ 1； IS’2，...1S’n)，其中其所述颜色数据与代表第一组织的颜色有关；以及
[0008].(b)基于包含所述重叠空间数据(I1, I2,...1n)的所述数据集的配准部分将所述第一组织数据集连接在一起，以及
[0009]处理所述实体以从中提供期望的数据。
[0010]此外,在图像处理中，称为空间雕刻(space carving)的方法用于建立3D模型。[0011 ] 由贝斯尔(Besl)和麦凯(McKay)发表在电气与电子工程师协会模式分析与机器智倉泛汇干1J (IEEE Transactions of Patten Analysis and Machine Intelligence)1992^2月第2期第14卷的文章“一种3D形状的配准的方法(A Method for Registration of3_DShapes)”公开了一种3D形状的准确并计算有效的配准的方法。
[0012]然而，现有技术没有考虑在位置中的一些对象是可移动的情况。
[0013]因此，当可移动对象和刚性对象存在于某一位置时，当扫描该位置用于获得刚性对象的虚拟3D模型时，存在区分可移动对象和刚性对象的问题。
【发明内容】
[0014]公开一种当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时， 用于检测处在该位置的可移动对象的方法，其中该方法包含:
[0015]-通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第一3D表示；
[0016]-通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第二3D表示；
[0017]-为第一3D表不确定没有表面会存在的空间中的第一排除体积；
[0018]-为第二3D表示确定没有表面会存在的空间中的第二排除体积；
[0019]-如果第一3D表示中的表面的一部分位于第二排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表不中的表面的该部分,和/或
[0020]-如果第二3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的该部分。
[0021]因而，从一个表示中忽视表面部分是一种优势，前提是该表面部分位于另一表示的排除体积中的空间中，因为在排除体积中检测到的表面部分代表不是刚性对象的部分的可移动对象。
[0022]因此，优势是该方法通过检测第一表示中和第二表示中的表面部分的空间，提供检测到的表面部分是否是应当没有表面存在的空间中的点的确定。如果表面部分仅存在于表示中的一个中，并且表示覆盖表面部分的相同空间，那么表面部分必然代表仅当获取表示中的一个时存在的对象，因此表面部分必然源于可移动对象，该可移动对象在两个表示的获取过程中已经移动。
[0023]当扫描表面时，那么没有被表面占据的所有空间可以被定义为空的空间，并且如果在后来的扫描中，在空的空间中检测到表面，那么忽视该表面。
[0024]同样地,如果在后来的扫描中，体积区(volume region)被看作是空的,但该体积区在之前的扫描中被表面覆盖，那么从3D虚拟模型中忽视该表面。
[0025]忽视意味着不考虑，例如当生成3D虚拟模型时删除或不增加。如果来自第一表示的表面部分已经增加到虚拟3D模型中，如果发现该表面部分处在第二排除体积中，则其又可以被从中删除。如果发现来自第二表示的表面部分处在第一排除体积中，则该表面部分不增加到虚拟3D模型。
[0026]如果一个表示或辅助扫描(subscan)中的体积区是空的，那么即使后来的表示或辅助扫描显示体积区中存在表面，其也被排除在新的表面的增加之外。如果后来的表示或辅助扫描显示体积是空的，那么从3 D模型中移除在该体积中的来自之前的辅助扫描的表面。
[0027]可以定义共同扫描体积(common scan volume),其是其中第一扫描体积(firstscan volume)和第二扫描体积(second scan volume)重叠的空间中的体积。因此可以将其定义为其中所有体积单元包含在第一扫描体积中和第二扫描体积中的空间中的体积。
[0028]如果第一 3D表示中的表面的一部分没有位于第二排除体积中的空间中，和/或如果第二 3D表示中的表面的一部分没有位于第一排除体积中的空间中，则没有表面部分被忽视，并且可以通过提供第三表示、第四表示等等继续扫描。
[0029]典型地当扫描对象时，例如一副牙齿，可以在完整的扫描过程中提供更多的表示(representation)或辅助扫描，例如 10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000 等等。
[0030]在一些实施例中，刚性对象是患者的一副牙齿，并且位置是患者的嘴巴。
[0031 ] 在一些实施例中，可移动对象是患者的嘴巴的软组织部分，例如脸颊的内部、舌头、嘴唇、牙床和/或松动的牙龈。
[0032]在一些实施例中，可移动对象是暂时地存在于患者的嘴巴中的牙科医生的仪器或药物，例如牙科吸引装置、棉卷(cotton roll)和/或棉垫(cotton pad)。
[0033]在一些实施例中，可移动对象是手指，例如牙科医生的手指或牙科助理的手指。
[0034]在一些实施例中，3D扫描器是配置为获取对象的表面的扫描以用于生成对象的虚拟3D模型的扫描器。
[0035]在一些实施例中，在第一表示中捕捉到的表面的至少部分和在第二表示中捕捉到的表面的至少部分在刚性对象上重叠相同表面部分。
[0036]在一些实施例中，表面的至少部分的第一表示被定义为表面的至少第一部分的第一表示，并且表面的至少部分的第二表示被定义为表面的至少第二部分的第二表示。
[0037]表面的第一部分和表面的第二部分可以是两个不同的部分，或者可以是相同的部分，或者可以是部分地相同的部分。
[0038]在一些实施例中，表面的第一部分和表面的第二部分至少部分地重叠。
[0039]在一些实施例中，表面是位置中的表面。
[0040]在一些实施例中，表面是刚性对象的表面的至少部分和/或可移动对象的表面的至少部分。
[0041]扫描的目的是获取例如牙齿这样的刚性对象的虚拟3D模型，但当扫描时如果在该位置存在可移动对象，例如患者的嘴巴，那么在一些辅助扫描中还会捕捉到该可移动对象。
[0042]在一些实施例中，该方法包含确定在与表面的至少部分的第一表示有关的空间中的第一扫描体积，以及确定在与表面的至少部分的第二表示有关的空间中的第二扫描体积。
[0043]扫描体积可以是相对于扫描器位于捕捉到的表面前面的空间中的体积。[0044]在一些实施例中，扫描体积由3D扫描器中的聚焦光学器件(focusing optics)和距离捕捉到表面的距离定义。
[0045]扫描体积可以被定义为扫描器适应于相对于扫描器的观察位置和定向扫描的物理体积，例如相对于扫描器的扫描头。
[0046]此外，扫描器包含扫描头，并且扫描体积可以被定义为表面和扫描头之间的空间中的距离乘以扫描头的开口的面积。扫描头可以包含扫描器的聚焦光学器件。
[0047]可以考虑在光方向上投射的表面的面积代替扫描头的开口的面积。
[0048]在一些实施例中，与表面的至少部分的第一表示有关的第一扫描体积是3D扫描器的聚焦光学器件和在第一表示中捕捉到的表面之间的空间中的体积；并且与表面的至少部分的第二表示有关的第二扫描体积是3D扫描器的聚焦光学器件和在第二表示中捕捉到的表面之间的空间中的体积。
[0049]在一些实施例中，如果第一或第二表示中的至少部分中没有捕捉到表面，那么第一或第二扫描体积是3D扫描器的聚焦光学器件和扫描体积的纵向范围之间的空间中的体积。
[0050]在一些实施例中，在没有表面会存在的空间中的第一排除体积和第二排除体积分别对应于第一扫描体积和第二扫描体积。
[0051]3D扫描器的聚焦光学器件和捕捉到的表面之间的空间必须是空的空间，除非3D扫描器不能检测到的透明对象位于扫描体积中。
[0052]扫描体积可以被定义为可以进行扫描的最大体积，例如可以从扫描头传播的光的最大体积。在该情况下，如果捕捉到的表面位于扫描体积的端部或边缘处，则排除体积将仅对应于扫描体积。但在大多数情况下，如果扫描体积的定义是最大体积，则排除体积将小于扫描体积。
[0053]在一些实施例中，3D扫描器本身的体积被定义为排除体积。
[0054]在一些实施例中，3D扫描器本身的体积包含在第一排除体积中和第二排除体积中。
[0055]在一些实施例中，定义近阈值距离(near threshold distance),其确定距第一表示中和第二表示中的捕捉到的表面的距离，其中在虚拟3D模型的生成中分别没有忽视分别位于距离捕捉到的表面的近阈值距离中并且位于第一排除体积中或第二排除体积中的空间中的第二表不中或第一表不中的表面部分。
[0056]近阈值定义在虚拟3D模型的生成中可能的可移动对象距辅助扫描中的表示或表面有多远被忽视。为了避免不正确地忽视表面的太多表示，定义近阈值距离，因为在表示中会存在噪音并且由于表示或辅助扫描之间的配准/对齐会不完全准确。由于不同辅助扫描中的不同噪音级或者由于辅助扫描的不准确的配准/对齐，相同表面的两个辅助扫描会不正确地看起来像两个不同的表面。
[0057]近阈值距离可以是例如0.01mm、0.05mm、0.09mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm 等等。
[0058]在一些实施例中，定义远阈值距离(far threshold distance),其确定距捕捉到的表面的距离，其中远阈值距离以外的体积不包括在表示的排除体积中。
[0059]因此远阈值距离以外的体积不包括在第一 3D表示的第一排除体积中，并且远阈值距离以外的体积不包括在第二 3D表示的第二排除体积中。[0060]根据该实施例，存在或位于远阈值距离以外的第一或第二表示的任何获取的数据或表面或表面点分别不用于确定或定义第一或第二排除体积。
[0061]这是一种优势，因为在没有被扫描器检测到的情况下，由于扫描器的几何形状和光学性质，来自可移动对象或来自牙齿表面的另一部分的表面或表面点实际上可以存在于远阈值距离以外。来自扫描器头的光线可以在任何方向上并且以与扫描器头的法相平面的任何角度或倾角传播，因此当可移动对象或牙齿表面的另一部分部分地存在于扫描器头的前面时，光线可以从扫描器头传播至放置在可移动对象或牙齿表面的另一部分后面的点。
[0062]因此，远阈值距离以外的体积不包括在排除体积中，因为在远阈值距离以外的体积中，即使没有表面被扫描器检测到，也可以存在表面。
[0063]远阈值距离定义或确定距捕捉到的表面的距离，其中远阈值距离中的体积或区域包括在排除体积中。
[0064]因此如果利用或应用远阈值距离，与如果没有应用远阈值距离相比，表示的排除体积将较小，并且因此可以排除较少体积。
[0065]然而，应用远阈值距离的优势是将排除仅可以真正被排除的体积，意味着通用扫描数据(general scan data)将具有较高品质。
[0066]因此即使在扫描器和牙齿表面之间的体积或区域中已经检测到没有表面或表面点，也不能将整个区域定义为排除体积，因为来自或到达扫描器的光线可以以相对于扫描头的法线倾斜的角度传播，其意味着即使牙齿的另一部分至少部分地实际上放置在检测到的牙齿表面和扫描器之间，扫描器也可以检测牙齿表面上的点。因此定义远阈值距离，并且距牙齿表面的该远阈值距离以外没有检测到的数据用于定义表示的排除体积。仅远阈值距离内检测到的数据用于定义排除体积，因为仅在该距离内可以确定检测到的数据实际上对应于真实物理情景。
[0067]扫描器可以检测牙齿表面和扫描器之间的远阈值距离以外的体积或区域中没有表面存在，但是该数据或信息不能用于定义表示的排除体积，因为在扫描器检查的该区域或体积中由于其倾斜的光线，可以实际上存在可移动对象或牙齿表面的另一部分。
[0068]此外，扫描器可以检查表面部分，即使该表面部分处在扫描体积中。这可以通过表面部分在扫描器的焦点区域以外引起，例如如果表面部分太接近扫描器头和/或扫描器体的开口，因为焦点区域会产生距扫描器头和/或扫描器体的一些距离。备选地和/或附加地，这可以由照明条件引起，这对表面的给定材料来说不是最佳的，由此不能适当地照明表面并且因此表面会变得对扫描器不可见。因此在任何情况下，扫描器可以检查或仔细查看表面部分。空间中的体积以此方式会被错误地排除，因为扫描器检测到没有表面存在，因此将忽视在另一 3D表示或扫描中在该排除体积中捕捉到的表面部分。如果表面部分是真实的牙齿表面，这该情况将是不利的，为了避免该情况发生，可以定义远阈值距离，使得排除体积变得较小，使得排除仅实际上可以被排除的体积。
[0069]优势是没有错误地忽视牙齿的真实表面点，由此在扫描中产生较少的洞，即，没有扫描数据的区域。因此借助于远阈值距离减小排除体积以用于避免不正确地忽视太多表面信息。
[0070]来自扫描器的扫描头的光线可以在任何方向上传播或散射或色散。
[0071]即使例如可移动对象的对象设置在扫描头和例如牙齿这样的刚性对象的表面之间，由于呈一定角度或倾斜的光线，扫描器依然可以捕捉到存在或隐藏在对象“下面”的牙齿表面上的表面点。为了使表面点或区域被检测到，表面点或区域可以正好必定对来自和/或到达扫描器的一条或少数光线可见。
[0072]由于远阈值距离确定表示中距捕捉到的表面的距离，其中存在于或位于远阈值距离以外的任何获取的数据或表面或表面点没有用于定义表示的排除体积，所以在远阈值距离和扫描头之间的体积中的任何获取的数据或表面或表面点没有包括在排除体积的定义中。
[0073]远阈值的实际距离可以取决于扫描器的光学器件或可以基于扫描器的光学器件计算远阈值的实际距离。远阈值距离可以是固定数，例如大约0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm 或 10Omnin 备选
地，远阈值距离可以是扫描体积的长度的百分数或分数，例如扫描体积的长度的大约20%、25%、30%、35%、40%、45%或50%，或者例如扫描体积的长度的1/2、1/3、1/4、1/5。
[0074]远阈值距离可以基于距表面的检测到的点的距离有多远可能进行扫描的确定，即，在对扫描器可见的检测到的点的周围有多少表面。如果在一个方向上距表面点的可见距离短，那么与如果在所有方向上距表面点的距离长相比，远阈值距离将较小。
[0075]在一些实施例中，表面的至少部分的第一表示是位置的至少部分的第一辅助扫描，并且表面的至少部分的第二表示是位置的至少部分的第二辅助扫描。
[0076]在一些实施例中，表面的至少部分的第一表示是包含已经获取的位置的辅助扫描的临时虚拟3D模型，并且表面的至少部分的第二表示是位置的至少部分的第二辅助扫描。
[0077]在一些实施例中，获取的位置的辅助扫描适应于在辅助扫描的获取同时增加到临时虚拟3D模型中。
[0078]在一些实施例中，当刚性对象的扫描完成时，临时虚拟3D模型称为虚拟3D模型。
[0079]在一些实施例中，该方法包含:
[0080]-通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第三3D表示；
[0081]-为第三3D表示确定没有表面会存在的空间中的第三排除体积；
[0082]-如果第一3D表示中的表面的一部分位于第三排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表不中的表面的该部分,和/或
[0083]-如果第二3D表示中的表面的一部分位于第三排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的该部分，和/或
[0084]-如果第三3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中和/或第二排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第三3D表示中的表面的该部分。
[0085]在一些实施例中，临时虚拟3D模型包含表面的至少部分的第一表示和表面的至少部分的第二表示，并且其中表面的至少部分的第三表示增加到临时虚拟3D模型中。
[0086]因此，可以结合从时间上说不一定是第一表示的第一获取的表示以及从时间上说不一定是第二表示的第二获取的表示，以产生临时虚拟3D模型，并且每次获取或提供新的表示，新的表示可以增加到临时虚拟3D模型中，由此临时虚拟3D模型为每一个增加的表示扩大。
[0087]在一些实施例中，虚拟3D模型用于虚拟地设计一个或多个患者的牙齿的修复。
[0088]因此，扫描的目的是获得患者的牙齿的虚拟3D模型。如果患者应该接受修复，例如齿冠、齿桥、假牙、局部活动等等，可以在3D虚拟模型上数字地或虚拟地设计修复或相对于3D虚拟模型数字地或虚拟地设计修复。
[0089]在一些实施例中，虚拟3D模型用于虚拟地计划并设计患者的正畸治疗。
[0090]在一些实施例中，确定扫描器和刚性对象的相对运动。
[0091]在一些实施例中，借助于运动传感器确定扫描器和刚性对象的相对运动。
[0092]如果用于获取辅助扫描的扫描器是手持式扫描器，那么扫描器和扫描的对象的相对位置、定向或运动必须是已知的。扫描器的相对位置、定向和运动可以借助于位置、定向和/或运动传感器确定。然而，如果对于该目的，这些传感器没有足够准确，则扫描器和对象的精确相对位置可以通过比较辅助扫描中获得的3D表面来确定，例如借助于对齐/配准。
[0093]运动传感器是可以完成运动测量的装置，例如加速计。此外，运动传感器可以被定义为还担任位置和定向传感器的装置。
[0094]位置传感器是允许位置测量的装置。其可以是绝对位置传感器或相对位置传感器，还指位移传感器。位置传感器可以是线性的或角度的。
[0095]定向传感器是可以完成定向测量的装置，例如陀螺仪。
[0096]在一些实施例中，通过配准/对齐第一表不和第二表不确定扫描器和刚性对象的相对运动。
[0097]在一些实施例中，在确定第一排除体积和第二排除体积之前，对齐/配准第一表示和第二表示。
[0098]因此，在提供第一和第二表示之后，可以对齐/配准它们，并且在这之后，可以确定第一和第二排除体积，然后检测第一 3D表不中或第二 3D表不中的表面的一部分是否分别位于第二排除体积中或第一排除体积中的空间中，使得在虚拟3D模型的生成中忽视表示中的表面的这样的部分。
[0099]对齐或配准可以包含在共同参考系统中将3D表示或辅助扫描放在一起，然后将它们合并从而产生虚拟3D模型或临时虚拟3D模型。对于对齐/配准到临时虚拟3D模型的每一个表示或辅助扫描，模型扩大并且其最终变成对象的虚拟3D模型。
[0100]在一些实施例中，核实借助于运动传感器确定的扫描器和刚性对象的相对运动，并通过配准/对齐第一表示和第二表示潜在地调整借助于运动传感器确定的扫描器和刚性对象的相对运动。
[0101]在一些实施例中，运动传感器用于扫描器和刚性对象的相对运动的初步确定，并且其中配准/对齐用于扫描器和刚性对象的相对运动的最终确定。
[0102]因此在实践中，运动传感器可以用作运动的第一推测，并且基于该第一推测，对齐/配准可以用于测试确定的运动和/或确定精确运动或调整确定的运动。
[0103]在一些实施例中，扫描器的光学系统是远心的(telecentric)。
[0104]远心系统是以这样的方式提供成像的光学系统:主光线平行于所述光学系统的轴线。在远心系统中，焦点没对准的点具有与焦点对准的点实质上相同的放大倍率。这可以在数据处理中提供优势。理想远心光学系统可能会难以实现，然而，实质上远心或接近远心的光学系统可以通过仔细的光学设计提供。因此，当涉及远心光学系统时，应当理解的是其可以是仅仅接近远心的。[0105]由于远心光学系统中的主光线平行于光轴，扫描体积变成矩形或圆柱形。
[0106]在一些实施例中，扫描器的光学系统是透视的。
[0107]如果光学系统是透视系统(perspective system),主光线相对于光轴呈角度，并且扫描体积因此变成圆锥形。注意到扫描体积典型地是3D形状。
[0108]在一些实施例中，扫描器的扫描头中的镜子提供扫描器中来自光源的光线以相对于扫描头的开口的一定角度传播。
[0109]扫描体积可以不限定为矩形而是限定为类似于平行四边形。
[0110]从表面上的点反射回来的光可以投射为形成圆锥形的光线或投射为平行光线。
[0111]在一些实施例中，3D扫描器是手持式扫描器。
[0112]3D扫描器可以例如是手持式口内扫描器。
[0113]在一些实施例中，扫描器是针孔扫描器。
[0114]针孔扫描器包含具有单个小孔的针孔照相机。孔的尺寸可以例如是其与投射的图像之间的距离的1/100或更少。此外，针孔尺寸可以由公式d=2 V (2?.λ)确定，其中d是针孔直径，f是焦距，即从针孔到图像平面的距离，并且λ是光的波长。
[0115]利用本方法来检测针孔扫描器中处在一定位置的可移动对象是一种优势，因为由于其中扫描器的照相机和光源/投射模式分别是相对于捕捉到的表面的空间中的很好定义的点的针孔设置，确定第一排除体积和第二排除体积非常快速、简单和准确。
[0116]此外，如果扫描器是针孔扫描器，则与如果扫描器不是针孔扫描器相比排除体积可以更大。这样的理由是因为当利用针孔扫描器时，没有远阈值距离可以或应当被定义，因为由于扫描器的几何形状和光学性质，扫描器和捕捉到的牙齿表面之间没有体积可以包括在排除体积中。针孔扫描器由于其几何形状和光学性质不能检查来自例如可移动对象的表面或表面点。
[0117]在一些实施例中，扫描器包含孔，并且孔的尺寸小于孔和投射的图像之间的距离的 1/100。
[0118]孔的该尺寸对应于针孔扫描器。
[0119]在一些实施例中，扫描器包含孔，并且孔的尺寸大于孔和投射的图像之间的距离的 1/100。
[0120]孔的该尺寸对应于不是针孔扫描器的扫描器。
[0121]其它方面
[0122]根据本发明的另一方面，公开了一种当借助于用于生成一副牙齿的虚拟3D模型的3D扫描器扫描嘴巴中的患者的这副牙齿时，用于检测患者的嘴巴中的可移动对象的方法，其中该方法包含:
[0123]-通过扫描牙齿的至少部分提供表面的至少部分的第一3D表示；
[0124]-通过扫描牙齿的至少部分提供表面的至少部分的第二3D表示；
[0125]-为第一3D表不确定没有表面会存在的空间中的第一排除体积；
[0126]-为第二3D表示确定没有表面会存在的空间中的第二排除体积；
[0127]-如果第一3D表示中的表面的一部分位于第二排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表不中的表面的该部分,和/或
[0128]-如果第二3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的该部分。
[0129]根据本发明的另一方面，公开了一种当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的方法，其中该方法包含:
[0130]-通过扫描刚性对象提供表面的至少部分的第一表示；
[0131]-确定与表面的至少部分的第一表示有关的空间中的第一扫描体积；
[0132]-通过扫描刚性对象提供表面的至少部分的第二表示；
[0133]-确定与表面的至少部分的第二表示有关的空间中的第二扫描体积；
[0134]-如果存在共同扫描体积，其中第一扫描体积和第二扫描体积重叠，那么:
[0135]-确定在共同扫描体积中是否存在在第一表示或第二表示的至少一个中是空的并且不包含表面的体积区；以及
[0136]-如果在共同扫描体积中存在在第一表示或第二表示的至少一个中是空的并且不包含表面的体积区，那么通过在虚拟3D模型的生成中分别忽视第二表示中或第一表示中的任何表面部分排除体积区，其在排除体积区中检测，因为在排除体积区中检测到的表面部分代表不是刚性对象的部分的可移动对象。
[0137]根据本发明的另一方面，公开了一种当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的方法，其中该方法包含:
[0138]-通过扫描刚性对象提供第一表面；
[0139]-确定与第一表面有关的第一扫描体积；
[0140]-通过扫描刚性对象提供第二表面；
[0141]-确定与第二表面有关的第二扫描体积；
[0142]其中第一扫描体积和第二扫描体积在重叠/共同扫描体积中重叠；
[0143]-如果第一表面的至少一部分和第二表面的一部分在重叠/共同扫描体积中不一致，那么忽视在重叠/共同扫描体积中最接近3D扫描器的聚焦光学器件的第一表面或第二表面的该部分，因为第一表面或第二表面的该部分代表不是刚性对象的部分的可移动对象。
[0144]根据本发明的另一方面，公开了一种当借助于用于生成一副牙齿的虚拟3D模型的3D扫描器扫描患者的这副牙齿时，用于检测患者的嘴巴中的可移动对象的方法，其中该方法包含:
[0145]-通过扫描这副牙齿提供第一表面；
[0146]-确定与第一表面有关的第一扫描体积；
[0147]-通过扫描这副牙齿提供第二表面；
[0148]-确定与第二表面有关的第二扫描体积；
[0149]其中第一扫描体积和第二扫描体积在重叠/共同扫描体积中重叠；
[0150]-如果第一表面的至少一部分和第二表面的一部分在重叠/共同扫描体积中不一致，那么忽视重叠/共同扫描体积中最接近3D扫描器的聚焦光学器件的第一表面或第二表面的该部分，因为第一表面或第二表面的该部分代表不是这副牙齿的部分的可移动对象。
[0151]根据本发明的另一方面，公开了一种当借助于用于生成一副牙齿的虚拟3D模型的扫描器扫描这副牙齿时，用于检测记录在辅助扫描中的可移动对象的方法，其中虚拟3D模型由已经获取的这副牙齿的表面的辅助扫描组成，并且其中当获取新的辅助扫描时，它们适应于增加到3D虚拟模型中，其中该方法包含:
[0152]-获取这副牙齿的部分的至少第一表面的至少第一辅助扫描，其中至少第一辅助扫描被定义为3D虚拟模型；
[0153]-获取这副牙齿的部分的第一表面的第一辅助扫描；
[0154]-确定第一辅助扫描的第一扫描体积；
[0155]-确定虚拟3D模型的扫描体积；
[0156]-如果第一辅助扫描的第一扫描体积和虚拟3D模型的扫描体积在共同扫描体积中至少部分地重叠，那么:
[0157]-计算第一表面的至少一部分是否位于共同扫描体积中；
[0158]-计算虚拟3D模型的表面的至少一部分是否位于共同扫描体积中，以及
[0159]-确定表面的至少一部分是否仅在一个辅助扫描中而不是另一个辅助扫描/3D虚拟模型中存在于重叠体积中；
[0160]-如果表面的至少一部分仅在一个辅助扫描中存在，那么忽视在重叠体积中最接近扫描器的聚焦光学器件的表面的该部分，因为表面的该部分代表不是这副牙齿的部分的可移动对象，并且在这副牙齿的虚拟3D模型的产生中忽视表面的该部分。
[0161]根据本发明的另一方面，公开了一种当借助于用于生成一副牙齿的虚拟3D模型的扫描器扫描这副牙齿时，用于检测记录在辅助扫描中的可移动对象的方法，其中该方法包含:
[0162]a)提供这副牙齿的部分的第一表面的第一辅助扫描；
[0163]b)计算第一辅助扫描的第一扫描体积；
[0164]c)提供这副牙齿的部分的第二表面的第二辅助扫描；
[0165]d)计算第二辅助扫描的第二扫描体积；以及
[0166]e)如果第一扫描体积和第二扫描体积在共同扫描体积中至少部分地重叠，那么:
[0167]f)计算第一表面的至少一部分是否位于共同扫描体积中；
[0168]g)计算第二表面的至少一部分是否位于共同扫描体积中，以及
[0169]h)如果第一表面的至少一部分或第二表面的至少一部分位于共同扫描体积中，并且第一表面的该部分或第二表面的该部分分别位于扫描器和第二表面的至少一部分或第一表面的至少一部分之间的空间中，
[0170]那么表面的该部分代表不是这副牙齿的部分的可移动对象，并且在这副牙齿的虚拟3D模型的产生中忽视表面的该部分。
[0171 ] 在一些实施例中，上述方法进一步包含:
[0172]-提供这副牙齿的部分的第三表面的第三辅助扫描；
[0173]-计算第三辅助扫描的第三扫描体积；
[0174]-如果第三扫描体积在共同扫描体积中与第一扫描体积和/或与第二扫描体积至少部分地重叠，那么相对于第一辅助扫描和/或第二辅助扫描为第三辅助扫描重复步骤f ) _h)。
[0175]在以下部分中公开另外的实施例:[0176]焦点扫描和运动确定
[0177]在一些实施例中，3D扫描包含以下步骤:
[0178]-生成探测光，
[0179]-朝对象传播探测光，由此照明对象的至少一部分，
[0180]-将从对象返回的光传播至包含传感器元件的阵列的照相机，
[0181]-借助于光学系统，使从对象返回到照相机的传播的光的至少部分在照相机上成像，
[0182]-借助于聚焦光学器件，改变对象上焦平面的位置，
[0183]-从所述传感器元件的阵列获得至少一个图像，
[0184]-确定以下的焦点对准位置:
[0185]-焦平面位置的序列的多个传感器元件中的每一个，或者
[0186]-焦平面位置的序列的多组传感器元件中的每一组。
[0187]在用于生成3D表面的焦平面图像的序列中，可以存在例如超过200个焦平面图像，例如225个焦平面图像。焦平面图像是2D图像。
[0188]图像传感器、照片传感器等等可以用于在扫描器中获取图像。通过扫描总体上意味着利用激光、白光等的光学扫描或成像。
[0189]在一些实施例中，焦平面图像的序列是沿光轴的方向捕捉到的深度图像。
[0190]在一些实施例中，对象的至少一部分在焦平面图像的序列中的至少一个焦平面图像中焦点对准。
[0191]在一些实施例中，每一个焦平面图像的获取之间的时期是固定的/预先确定的/已知的。
[0192]在获取之前的焦平面图像之后的一段时间，可以获取每一个焦平面图像。焦点光学器件可以在每个图像的获取之间移动，因此可以在距对象而不是之前的焦平面图像的不同距离中获取每个焦平面图像。
[0193]一个焦平面图像捕捉的循环可以从当焦点光学器件处在位置P直到焦点光学器件再次处在位置P。该循环可以指扫频(sweep)。可以存在例如每秒15次扫频。
[0194]然后可以结合多个3D表面或辅助扫描以产生对象的全扫描以用于生成对象的3D模型。
[0195]在一些实施例中，在焦平面图像的序列的获取过程中的扫描器的相对运动通过序列本身的分析完成。
[0196]借助于硬件的运动检测
[0197]在一些实施例中，在焦平面图像的序列的获取过程中的扫描器的相对运动通过扫描器中和/或扫描器上的传感器和/或通过对象上的传感器和/或通过扫描器和对象所在的房间中的传感器完成。
[0198]运动传感器可以是小型传感器，例如微型电机系统(MEMS)运动传感器。运动传感器可以测量3D中的所有运动，即，三个主坐标轴的平移和转动。益处是:
[0199]-运动传感器可以检测运动，还有振动和/或震动。这样的影响的扫描可以例如通过所描述的补偿技术的利用得到修正。
[0200]-运动传感器可以帮助将部分扫描彼此连接和/或配准。当扫描器的视场小于将要扫描的对象时，该优势是有重大意义的。在该情况下，扫描器适用于之后进行结合以获得全扫描的对象的小区域(一次一个)。在理想情况下，运动传感器可以提供在部分扫描的局部坐标之间的需要的相对刚性运动转换，因为它们测量在每一个部分扫描中的扫描装置的相对位置。具有有限的准确性的运动传感器依然可以基于例如运算法则的迭代最近点类别提供部分扫描的基于软件的连接(stitching) /配准的第一推测,导致减少的计算时间。
[0201]即使感测平移运动太不准确，3轴加速计也可以提供相对于扫描装置的重力方向。磁力计也可以提供相对于扫描装置的方向信息，在该情况下，来自地球的磁场。因此，这样的装置可以帮助连接/配准。
[0202]在一些实施例中，借助于纹理图像传感器确定运动，其中纹理图像传感器的焦深大于聚焦光学器件的景深。
[0203]在一些实施例中，通过确定一个或多个传感器的位置和定向确定运动。
[0204]在一些实施例中，借助于设置在手持式扫描器中的一个或多个物理组件确定运动。
[0205]在一些实施例中，借助于3D位置传感器确定运动。
[0206]在一些实施例中，借助于光学追踪确定运动。光学追踪可以包含LED和照相机，其中LED可以闪烁并且可以通过照相机检测到该闪烁。
[0207]在一些实施例中，借助于一个或多个陀螺仪确定运动。
[0208]陀螺仪是基于角动量守恒的原则用于测量或维持定向的装置。机械陀螺仪本质上是旋转的轮或盘，其轴自由地采取任何定向。用于确定传感器的定向的陀螺仪可以是机械陀螺仪、电子的、微芯封装的MEMS陀螺仪装置、固态环形激光器、光纤陀螺仪、量子陀螺仪和/或类似物。
[0209]在一些实施例中，借助于一个或多个加速计确定运动。
[0210]在一些实施例中，借助于一个或多个磁力计确定运动。
[0211 ] 在一些实施例中，借助于一个或多个电磁线圈确定运动。
[0212]在一些实施例中，借助于计算机化的测量臂确定运动。
[0213]测量臂可以例如来自FARO技术。在测量臂中可以存在角度计以用于测量臂的移动。
[0214]在一些实施例中，借助于一个或多个轴确定运动，其中传感器配置为在该一个或多个轴上移动。
[0215]基于系统的轴的示例是坐标测量机(CMM)，其是用于测量对象的物理几何特征的装置。该机器可以是计算机控制的。典型的CMM由三个轴X、Y和Z组成，并且这些轴在典型的三维坐标系统中彼此正交。每一个轴具有指示该轴的位置的尺度系统。可以通过附接在该机器的第三动轴的探针限定测量，并且机器将读出来自触摸式探针的输入。探针可以是机械的、光学的、激光或白光和其它等。
[0216]在一些实施例中，传感器配置为在其上移动的轴是平移和/或转动轴。
[0217]对于获取的每一个焦平面图像，存在六自由度的传感器，例如手持式扫描器，因为扫描器是刚性体，其可以在三维空间中完成运动，其中运动可以在三个垂直轴X、1、Z中平移，其向前/向后、向上/向下、向左/向右移动，并且这与围绕三个垂直轴的转动相结合。因此由于沿三个轴中的每一个的移动彼此独立并且独立于围绕这些轴中的任何一个的转动，运动具有六自由度。
[0218]3D 建模
[0219]3D建模是通过专用软件开发被称为3D模型的任何三维对象的数学、线框表示的过程。模型可以自动产生，例如3D模型可以利用多种方法产生，例如利用NURBS曲线生成准确且平滑的曲面片、多边形网格建模(所述多边形网格建模是有小面的几何形状的处理)或者多边形网格细分(其是高级的多边形的曲面细分)，产生与NURBS模型类似的平滑表面。
[0220]通过在3D扫描器中扫描对象获得对象的表面的三维表示可以指3D建模，其是通过专用软件开发对象的三维表面的数学表示的过程。产品称为3D模型。3D模型代表利用3D空间中的由例如三角形、线条、曲面等各种几何实体连接的点的集合3D对象。3D扫描器的目的通常是在对象的表面上产生几何样品的点云(point cloud)。
[0221]3D扫描器收集关于其视场内的表面的距离信息。由3D扫描器产生的“图片”可以描述图片中距每一个点处的表面的距离。
[0222]对于大多数情况，单个扫描或辅助扫描将不产生对象的完整模型。可以需要例如
5、10、12、15、20、30、40、50、60、70、80、90或在一些情况下甚至数百个这样的来自许多不同方向的多个辅助扫描来获得关于对象的每一侧的信息。将这些辅助扫描带到共同参考系统中，一个可以称为对齐或配准的过程，然后将它们合并以产生完整的模型。
[0223]3D扫描器可以是固定(fixed)或固定式(stationary)台式扫描器,例如牙印模、耳道印模或牙齿的浇注石膏模型可以放置到这样的台式扫描器中用于扫描。3D扫描器还可以是用于直接在嘴巴中扫描患者的手持式口内扫描器或者是用于直接在耳朵中扫描患者的手持式或固定的耳朵扫描器。
[0224]因此3D扫描器可以是其中扫描器和对象没有相对于彼此固定设置并且其中相对运动可以是无限的手持式扫描器、其中对象和例如光源和照相机这样的扫描装置相对于彼此固定设置的台式扫描器、其中对象例如可以相对于固定式扫描器等移动的固定式扫描器。
[0225]三角测量3D激光扫描器(triangulation3D laser scanner)利用激光探测环境或对象。三角测量激光器把激光投向对象并利用照相机寻找激光点的位置。根据激光撞击表面有多远，激光点出现在照相机的视场中的不同地方。该技术称为三角测量，因为激光点、照相机和激光发射器形成三角形。可以使用激光条而不是单个激光点，然后横跨对象扫过激光条以加速获取过程。
[0226]结构光3D扫描器在对象上投射一种光的图案并查看对象上的图案的变形。图案可以是一维或二维的。一维图案的示例是线条。线条利用例如LCD投影仪或扫频激光投射到对象上。稍微偏移图案投影仪的照相机查看线条的形状并利用与三角测量类似的技术计算线条上每一个点的距离。在单线图案的情况下，横跨视场扫线条从而以每次一条的方式搜集距离信息。
[0227]二维图案的示例是网格或线条图案。照相机用于查看图案的变形，并且运算法则用于计算图案中每一个点处的距离。可以使用多条激光三角测量的运算法则。
[0228]还可以使用共焦扫描或焦点扫描，其中在不同深度需要焦点对准的图像以重建3D模型。
[0229]迭代最近点(ICP)是用于最小化两个点云之间的差的运算法则。ICP可以用于从不同的扫描或辅助扫描重建2D或3D表面。该运算法则概念简单并且通常实时使用。其迭代地修改最小化两个原始扫描或辅助扫描的点之间的距离需要的转换，即，平移和转动。输入是:来自两个原始扫描或辅助扫描的点、转换的初始估计、用于停止迭代的标准。输出是:改进的转换。运算法则步骤本质上是:
[0230]1.通过最近邻标准联合点。
[0231]2.利用均方代价函数估计转换参数。
[0232]3.利用估计的参数转换点。
[0233]4.迭代，即再次联合点等等。
[0234]对齐/配准
[0235]在一些实施例中，至少两个随后的3D表面之间的运动通过对齐/配准该至少两个随后的3D表面确定。
[0236]这可以借助于迭代最近点(ICP)的方法或类似方法完成。迭代最近点(ICP)的方法可以用于对齐，并且将其用于最小化两个点云之间的距离。ICP可以用于从不同扫描重建2D或3D表面。ICP迭代地修改最小化两个原始扫描或辅助扫描的点之间的距离需要的转换，即，平移或转动。ICP的输入可以是来自两个原始扫描或辅助扫描的点、转换的初始估计和用于停止迭代的标准。输出因此将是改进的转换。
[0237]对齐可以在两个步骤中完成，其中第一步骤是辅助扫描到辅助扫描对齐，并且第二步骤是辅助扫描到临时虚拟3D模型(结合的模型)对齐。对齐的开始推测可以通过利用陀螺仪、扫描器的估计的速度等等确定。
[0238]附加地和/或备选地，最小二乘法拟合的方法可以用于对齐。
[0239]在一些实施例中，对齐/配准通过在至少两个3D表面上选择对应的点以及最小化至少两个3D表面之间的距离完成。
[0240]对应的点可以是两个表面上最接近的点，或由法向量从另一表面上的点中确定的
d坐坐W、寸寸ο
[0241]对于平移和转动，可以最小化距离。
[0242]在一些实施例中，在迭代过程中继续对齐/配准以获得提高的运动估计。
[0243]在一些实施例中，基于对齐确定每一个序列的传感器位置。
[0244]在一些实施例中，对齐包含对齐至少两个3D表面的坐标系统。
[0245]在一些实施例中，对齐包含借助于匹配/比较一个或多个特定特征来对齐，例如至少两个3D表面共同的一个或多个特定特征，例如限界线。
[0246]在一些实施例中，对齐包含借助于匹配/比较至少两个3D表面的一个或多个外围特征来对齐。
[0247]在一些实施例中，对齐包含至少两个3D表面的配准。
[0248]在一些实施例中，对齐包含对配准中的最大允许误差应用预定的标准。
[0249]在一些实施例中，运动补偿包含重建自相一致的表面模型和或扫描器相对于来自对象的两个或更多个扫描的对象的运动和/转动，其中两个逐行扫描至少部分地重叠。
[0250]焦点扫描
[0251]3D扫描器可以用于利用光作为非接触式探测剂提供对象的3D表面配准。可以以照明图案的形式提供光，从而在对象上提供光振荡。图案中的变化/振荡可以是空间的(例如静态棋盘图案)以及/或者其可以是例如通过横跨被扫描的对象移动图案随时间变化的。本发明提供焦平面位置的范围上的图案的焦平面的变化，同时维持扫描器和对象的固定空间关系。这并不意味着扫描必须配备有扫描器和对象的固定空间关系，但仅意味着焦平面可以随扫描器和对象的固定空间关系变化(扫描)。这提供基于本发明的手持式扫描器解决方案。
[0252]在一些实施例中，来自传感器元件的阵列的信号是光强度。
[0253]本发明的一个实施例包含用于朝对象传播探测光的第一光学系统和用于使从对象返回的光到照相机中成像的第二光学系统，其中第一光学系统例如透镜装置。在本发明的优选实施例中，仅一个光学系统将图案成像到对象上并且使对象成像到照相机上，或者使对象的至少一部分成像到照相机上，优选沿相同的光轴，但沿相反的光程。
[0254]在本发明的优选实施例中，光学系统提供到被探测的对象上以及从被探测的对象到照相机的图案的成像。优选地，以这样的方式调整焦平面:被探测的对象上的图案的图像沿光轴转移，优选地，以等同的步骤从扫描区的一端到另一端。包含图案的探测光在对象上提供明暗的图案。具体地，当对于固定焦平面，图案在时间上变化时，那么对象上的焦点配准区域将显示明暗的振荡图案。焦点没对准区域将显示较小或无对比度的光振荡。
[0255]总体上我们考虑入射到对象上的光从对象的表面漫射地和/或镜面反射地反射的情况。但应当理解的是扫描设备和方法不限于该情况。它们还适用于例如以下情况:其中入射光在对象中穿透表面以及反射和/或散射和/或引起荧光和/或磷光。还可以由照明图案照明足够半透明的对象中的内表面并且足够半透明的对象中的内表面可以成像到照相机上。在该情况下，容积扫描是可能的。一些浮游有机体是这样的对象的示例。
[0256]当应用随时间变化的图案时，单个辅助扫描可以通过在焦平面的不同位置处和图案的不同示例中收集多个2D图像。当焦平面在单个像素位置与扫描表面一致时，图案将投射到焦点对准的表面点上并且具有高的对比度，由此产生随时间的流逝像素值的大的变化或振幅。对于每一个像素，因此可以识别每一个像素将焦点对准的聚焦平面的单独设置。通过利用使用的光学系统的知识，可以在单独像素基础上将与焦平面的位置相对的对比度信息转换为3D表面信息。
[0257]因此，在本发明的一个实施例中，焦点位置通过确定焦平面的范围的多个传感器元件中的每一个的光振荡幅度来计算。
[0258]对于静态图案，单个辅助扫描可以通过收集焦平面的不同位置处的多个2D图像来获得。当焦平面与扫描表面一致时，图案将投射到焦点对准的表面点上并具有高对比度。高对比度在对象的表面上产生静态图案的大的空间变化，由此在一组邻近像素上提供像素值的大的变化或振幅。对于每一组像素，因此可以识别每一组像素将焦点配准的聚焦平面的单独设置。通过利用使用的光学系统的知识，可以在单独像素组基础上将与焦平面的位置相对的对比度信息转换为3D表面信息。
[0259]因此，在本发明的一个实施例中，焦点位置通过确定焦平面的范围的多组传感器元件中的每一个的光振荡幅度来计算。
[0260]图像数据的2D到3D变换可以以所属【技术领域】公知的多种方式完成。即，被探测的对象的3D表面结构可以通过当记录不同焦平面的范围的光振幅时在照相机的传感器阵列中找出对应于每一个传感器兀件或每一组传感器兀件的最大光振荡幅度的平面来确定。优选地，在等同的步骤中从扫描区的一端到另一端调整焦平面。优选地，焦平面可以在足够大到至少与被扫描的对象的表面一致的范围内移动。
[0261]优选地，扫描器包含位于光程中的至少一个分束器。例如，对象的图像可以借助于分束器在照相机中形成。分束器的示例性使用在附图中表示。
[0262]在本发明的优选实施例中，光在包含透镜系统的光学系统中传播。该透镜系统可以朝对象传播图案并且使从对象反射到照相机的光成像。
[0263]在远心光学系统中，焦点没对准的点具有与焦点对准的点相同的放大倍率。远心投射因此明显减轻获取的2D图像到3D图像的数据映射。因此，在本发明的优选实施例中，光学系统在被探测的对象的空间中实质上是远心的。光学系统在图案和照相机的空间中也是远心的。
[0264]本发明涉及包括以上和以下描述的方法和对应的方法、装置、设备、系统、用途和/或产品装置的不同方面，每一个产生连同第一提到的方面描述的一个或多个益处和优势，并且每一个具有对应于连同第一提到的方面描述的和/或权利要求中公开的实施例的一个或多个实施例。
[0265]这里尤其公开一种借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的系统，其中该系统包含:
[0266]-用于通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第一3D表示的装置；
[0267]-用于通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第二3D表示的装置；
[0268]-用于为第一3D表示确定没有表面会存在的空间中的第一排除体积的装置；
[0269]-用于为第二3D表示确定没有表面会存在的空间中的第二排除体积的装置；
[0270]-如果第一3D表示中的表面的一部分位于第二排除体积中的空间中，用于在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表示中的表面的该部分的装置，和/或
[0271]-如果第二3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中的空间中，用于在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的该部分的装置。
[0272]此外，本发明涉及一种包含程序代码装置的计算机程序产品，当所述程序代码装置在数据处理系统上执行时，该计算机程序产品致使数据处理系统完成根据任何实施例的方法，还涉及一种计算机程序产品，包含存储在程序代码装置上的计算机可读介质。
【专利附图】
【附图说明】
[0273]本发明的以上和/或附加目的、特征和优点将参照附图、通过以下对本发明的实施例的说明性和非限制性详细说明得到进一步解释，附图中:
[0274]图1示出了当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在某一位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的方法的流程图的示例；
[0275]图2示出了扫描一副牙齿的口内3D扫描器的扫描头的示例；
[0276]图3示出了手持式3D扫描器的示例；
[0277]图4示出了在辅助扫描中可以被覆盖的嘴巴中的一段牙齿的示例；
[0278]图5示出了生成3D表面的不同的辅助扫描如何横跨一副牙齿分布的示例；
[0279]图6示出了配准/对齐3D表面的表示和补偿3D表面中的运动的示例；
[0280]图7示出了其中重叠的辅助扫描被标示的3D表面的示例；[0281 ] 图8示出了排除体积的示例；
[0282]图9示出了扫描牙齿并获取牙齿的表面的第一和第二表示的示例，其中没有可移动对象存在；
[0283]图10示出了扫描牙齿并获取牙齿的表面的第一和第二表示的示例，其中在第一表示的部分中捕捉到可移动对象；
[0284]图11示出了扫描牙齿并获取牙齿的表面的第一和第二表示的示例，其中在第二表示中捕捉到可移动对象；
[0285]图12示出了获取诸如牙齿的对象的表面的第一和第二表示的示例，其中在第一表示中捕捉到可移动对象；
[0286]图13示出了获取对象的表面的第一和第二表示的示例，其中没有可移动对象存在；
[0287]图14示出了获取对象的表面的第一和第二表示的示例，其中在第一表示的排除体积中存在第二表示的可移动对象；
[0288]图15示出了获取对象的表面的第一和第二表示的示例，其中在第二表示中而不是第一表示的排除体积中存在可能的可移动对象；
[0289]图16示出了近阈值距离的示例，近阈值距离定义在虚拟3D模型的生成中可能的可移动对象距表示有多远被忽视；
[0290]图17示出了排除体积如何确定的示例；
[0291]图18示出了可移动对象可以如何在辅助扫描中查看的示例；
[0292]图19示出了针孔扫描器的示例；
[0293]图20示出了距定义没有包括在表示的排除体积中的体积的捕捉到的表面的远阈值距离的原则的示例。
【具体实施方式】
[0294]在以下说明中，参考附图，附图通过举例说明可以如何实践本发明。
[0295]图1示出了当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置可移动对象的方法的流程图的示例。在步骤101中，通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第一 3D表示。
[0296]在步骤102中，通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第二 3D表示。
[0297]在步骤103中，为第一 3D表示确定没有表面会存在的空间中的第一排除体积。
[0298]在步骤104中，为第二 3D表示确定没有表面会存在的空间中的第二排除体积。
[0299]在步骤105中，如果第一 3D表示中的表面的部分位于第二排除体积中的空间中，在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表示中的表面的部分，以及/或者如果第二 3D表示中的表面的部分位于第一排除体积中的空间中，在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的部分。
[0300]图2示出了扫描一副牙齿的口内3D扫描器的扫描头的示例。
[0301]包含扫描头207的口内手持3D扫描器(未示出)正在扫描牙齿208。扫描通过在牙齿208上传播光线完成。光线形成扫描体积(scan volume)211，在该示例中扫描体积是圆锥形。[0302]扫描体积211的长度203，即从扫描头的开口 202到扫描体积的端部的距离可以例如是大约 5mm> 10mm.15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm、25mm、30mmo
[0303]扫描体积可以是大约20mm x20mm。
[0304]图3示出了手持式3D扫描器的示例。
[0305]手持式扫描器301包含用于发射光的光源302、分束器304、例如透镜这样的可移动的焦点光学器件(focus optic)305、图像传感器306以及用于扫描对象308的尖端或探针307。在该示例中，对象308是在内部口腔的牙齿。
[0306]扫描器包含可以进入用于扫描对象308的空腔中的扫描头或尖端或探针307。来自光源302的光来回地通过光学系统。在该通道中，光学系统使被扫描的对象308成像到图像传感器306上。可移动的焦点光学器件包含聚焦元件，可以调整该元件以在被探测的对象308上转移焦点成像平面。体现聚焦元件的一个方式是沿光轴来回地物理地移动单个透镜元件。装置可以包括偏振光学器件(polarization optics)和/或折叠光学器件(folding optics),偏振光学器件和/或折叠光学器件引导光在不同于透镜系统的光轴的方向上离开装置，例如，在与透镜系统的光轴垂直的方向上。总的来说，光学系统提供到被探测的对象上以及从被探测的对象到例如照相机的图像传感器的成像。装置的一个应用可以是用于确定口腔中的牙齿的3D结构。另一应用可以是用于确定耳道和耳朵的外部的3D形状。
[0307]图3中的光轴是由通过光源的直线、光学系统中的光学器件和透镜限定的轴。这还对应于图3中所示的扫描器的纵轴。光程是光从光源到对象并且回到照相机的路径。光程可以例如借助于分束器和折叠光学器件改变方向。
[0308]以这样的方式调整焦点元件:沿光轴转移被扫描的对象上的图像，例如在等同的步骤中从扫描区的一端到另一端。图案可以在对象上成像，并且当对于固定的焦点位置，图案以周期的方式及时变化时，对象上的焦点配准区将显示空间变化的图案。焦点没配准区将显示较小或没有对比的光变化。被探测的对象的3D表面结构可以通过在记录不同焦点位置的范围的相关度时，找出对应于图像传感器阵列中的每一个传感器或图像传感器阵列中的每一组传感器的相关度中的极值的平面来确定。优选地，在等同的步骤中将焦点位置从扫描区的一端移动至另一端。从扫描区的一端到另一端的距离可以是例如5mm、10mm、15mm、16mm、20mm、25mm、30mm 等等。
[0309]图4示出了可以在辅助扫描中被覆盖的嘴巴中的一段牙齿的示例。
[0310]在图4a)中，所示为牙齿408的俯视图，图4b)中，所示为牙齿408的透视图。
[0311]焦平面图像的一个序列的扫描体积411的示例通过透明盒(transparent box)标示。扫描体积可以是例如17x15x20mm，其中15mm可以是对应于焦点光学器件可以移动的距离的扫描体积的“高度”。
[0312]图5示出了生成3D表面的不同的辅助扫描如何横跨一副牙齿分布的示例。
[0313]在附图上标示四个辅助扫描512。每一个辅助扫描提供扫描的牙齿的3D表面。3D表面可以是部分地重叠的，由此在辅助扫描的获取过程中执行的扫描器的运动可以通过比较两个或更多个3D表面的重叠部分来确定。
[0314]图6示出了配准/对齐3D表面的表示和补偿3D表面中的运动的示例。
[0315]图6a)示出了 3D表面616，其例如可以由多个焦平面图像生成。[0316]图6b )示出了另一个3D表面617，其可能已经在焦平面图像的随后的序列中生成。
[0317]图6c)示出了尝试被对齐/配准的两个3D表面616、617。由于两个3D表面616、617具有对应于牙齿的相同区域的3D点，可以通过ICP、通过比较两个3D表面中的对应的点等等完成配准/对齐。
[0318]图6d)示出了当两个3D表面616、617已经合并在一起时产生的3D表面618。
[0319]图6e)示出了基于产生的3D表面618，可以确定在辅助扫描的获取过程中或生成3D表面616和617的焦平面图像的获取过程中由扫描器执行的相对运动，并且基于该确定的运动，可以将产生的3D表面618改为最终“正确的” 3D表面619。
[0320]图7示出了其中标示重叠的辅助扫描的3D表面的示例。
[0321]多个3D表示或辅助扫描在3D表面713上由数字1-11以及分部标记(subdivisionmarker)712标示。辅助扫描1、3、5、7、9和11的分部标记712利用虚线标记，辅助扫描2、4、
6、8、10的分部标记利用实线标记。辅助扫描以相同的距离全部重叠，但对于每一对辅助扫描，重叠距离可以是不同的。由于典型地，牙科医生将握住扫描器并横跨患者的牙齿移动扫描器，重叠距离取决于牙科医生移动扫描器多快以及每一个扫描的获取之间的时帧(timeframe)，因此如果时帧是恒定的，并且牙科医生没有精确地利用恒速移动扫描器，则对于所有辅助扫描来说，重叠距离将并不相同。
[0322]图8示出了排除体积的示例。
[0323]排除体积821是可以没有表面存在的空间中的体积。排除体积821的至少一部分可以对应于3D表不的扫描体积811,因为扫描头807或3D扫描器的聚焦光学器件和捕捉到的表面816之间的空间必须是空的空间，除非3D扫描器不能检测到的透明对象位于扫描体积中。此外，扫描头807和3D扫描器801的体积可以定义为排除体积823，因为扫描器和扫描头占据了空间中它们自己的体积，由此那里可以没有表面存在。此外，被扫描的牙齿808也占据空间中的体积，但由于牙齿808的表面816正被扫描器捕捉，不认为是在表面816“后面”的东西。
[0324]图9示出了扫描牙齿并获取牙齿的表面的第一和第二表示的示例，其中不存在可移动对象。
[0325]图9a)示出了利用3D扫描器901扫描牙齿908以获取牙齿908的表面的第一 3D表不916的不例。空间中的第一扫描体积911与第一表不有关,并且第一排除体积921对应于第一扫描体积911。
[0326]图9b)示出了利用3D扫描器901扫描牙齿908以获取牙齿908的表面的第二 3D表示917的示例。空间中的第二扫描体积912与第二表示有关，并且第二排除体积922对应于第二扫描体积912。利用扫描器和牙齿之间的与第一表不不同的角度获取第二表不。
[0327]没有第一表不916的表面部分位于第二排除体积922中，并且没有第二表不917的表面部分位于第一排除体积921中，因此在该情况下在虚拟3D模型的生成中没有表面部分被忽视。
[0328]图10示出了扫描牙齿并获取牙齿的表面的第一和第二表示的示例，其中在第一表示的部分中捕捉到可移动对象。
[0329]图1Oa)示出了利用3D扫描器1001扫描牙齿1008以获取牙齿1008的表面的第
一3D表不1016的不例。可移动对象1030存在，并且第一表不1016的一部分1016b包含可移动对象1030的表面。第一表不1016的部分1016a包含牙齿的表面。空间中的第一扫描体积1011与第一表不有关,并且第一排除体积1021对应于第一扫描体积1011。
[0330]图1Ob)示出了利用3D扫描器1001扫描牙齿1008以获取牙齿1008的表面的第二 3D表示1017的示例。空间中的第二扫描体积1012与第二表示有关，并且第二排除体积1022对应于第二扫描体积1012。利用扫描器和牙齿之间的与第一表示不同的角度获取第二表不O
[0331]由于第一表不1016的表面部分1016b位于第二排除体积1022中，在虚拟3D模型的生成中忽视该表面部分1016b。
[0332]图11示出了扫描牙齿并获取牙齿的表面的第一和第二表示的示例，其中在第二表示中捕捉到可移动对象。
[0333]图1la)示出了利用3D扫描器1101扫描牙齿1108以获取牙齿1108的表面的第
一3D表不1116的不例。空间中的第一扫描体积1111与第一表不有关，并且第一排除体积1121对应于第一扫描体积1111。
[0334]图1lb)示出了利用3D扫描器1101扫描牙齿1108以获取牙齿1108的表面的第
二3D表示1117的示例。可移动对象1130存在，并且第二表示1117包含可移动对象1130的表面。空间中的第二扫描体积1112与第二表不有关,并且第二排除体积1122对应于第二扫描体积1112。利用扫描器和牙齿之间的与第一表示不同的角度获取第二表示。
[0335]由于第二表 示1117的表面位于第一排除体积1121中，在虚拟3D模型的生成中忽视第二表不1117的该表面。
[0336]图11中的附图以2D示出，但应当理解的是附图代表3D附图。
[0337]图12示出了获取例如牙齿的对象的表面的第一和第二表示的示例，其中在第一表示中捕捉到可移动对象。
[0338]图12a)不出了包含两部分:部分1216a和部分1216b的第一 3D表不1216。第一扫描体积1211由垂直线标不。第一排除体积1221对应于第一扫描体积。
[0339]图12b)示出了第二 3D表示1217。第二扫描体积1212由垂直线标示。第二排除体积1222对应于第二扫描体积。
[0340]第一表不1216的部分1216a对应于第二表不1217的第一部分，而第二表不1216的部分1216b没有对应于第二表示1217的第二部分。
[0341]第一表示1216的部分1216b位于第二排除体积1222中，因此在虚拟3D模型的生成中忽视部分1216b。
[0342]图12c)示出了产生的3D表示1219，其对应于第二表示。
[0343]图12中的附图以2D示出，但应当理解的是附图代表3D附图。
[0344]图13示出了获取对象的表面的第一和第二表示的示例，其中不存在可移动对象。
[0345]图13a)示出了获取对象(未示出)的表面的第一 3D表示1316的示例。空间中的第一扫描体积1311与第一表不有关。第一扫描体积1311由虚垂直线标不。第一排除体积1321对应于第一扫描体积1311。
[0346]图13b)示出了获取对象(未示出)的表面的第二 3D表示1317的示例。空间中的第二扫描体积1312与第二表示有关。第二扫描体积1312由虚垂直线标示。第二排除体积1322对应于第二扫描体积1312。[0347]利用扫描器和牙齿之间的与第一表示不同的角度获取第二表示。此外，在空间中相对于第一表不移开第二表不，因此第一和第二表不不代表对象的相同的整个表面部分，但表示的部分是重叠的。
[0348]图13c)示出了其中对齐/配准第一表示1316和第二表示1317，使得表示的对应部分设置在相同位置的示例。
[0349]图13d)示出了其中第一表示1316和第二表示1317的重叠共同扫描体积1340标示为阴影区的示例。如果表示中的一个的表面部分位于重叠共同扫描体积1340中，那么这对应于表面部分位于另一表示的排除体积中。然而，在该情况下，没有第一表示1316或第二表示1317的表面部分位于重叠共同扫描体积1340中，因此在该情况下在虚拟3D模型的生成中没有表面部分被忽视。
[0350]为了能够区分第一表示的表面和第二表示的表面，稍微移开这两个表面，但在真实情况下，第一表示的表面和第二表示的表面可能会恰好彼此重叠，以致不能区分来自第一表不的表面部分和来自第二表不的表面部分。
[0351]图13e)示出了产生的虚拟3D表面1319的示例。
[0352]图13中的附图以2D示出，但应当理解的是附图代表3D附图。
[0353]图14示出了获取对象的表面的第一和第二表示的示例，其中在第一表示的排除体积中存在第二表示的可移动对象。
[0354]图14a)示出了获取对象(未示出)的表面的第一 3D表示1416的示例。空间中的第一扫描体积1411与第一表不有关。第一扫描体积1411由虚垂直线标不。第一排除体积1421对应于第一扫描体积1411。
[0355]图14b)示出了获取对象(未示出)的表面的第二 3D表示1417的示例。空间中的第二扫描体积1412与第二表示有关。第二扫描体积1412由虚垂直线标示。第二排除体积1422对应于第二扫描体积1412。第二 3D表示1417包含两部分1417a和1417b。部分1417b位于部分1417a和扫描器(未不出)之间，扫描器设置在扫描体积的端部的某处。
[0356]利用扫描器和牙齿之间的与第一表示不同的角度获取第二表示。此外，在空间中相对于第一表不移开第二表不，因此第一和第二表不不代表对象的相同的整个表面部分，但表示的部分是重叠的。
[0357]图14c)示出了其中对齐/配准第一表示1416和第二表示1417，使得表示的对应的部分设置在相同位置的示例。第二表示的部分1417a中的一些与第一表示对齐/配准。部分1417b不能与第一表示1416对齐/配准，因为在表面1416和表面1417b之间不存在对应的表面部分。
[0358]图14d)不出了其中第一表不1416和第二表不1417的重叠共同扫描体积1440被标示为阴影区的示例。第二表示的表面部分1417b位于重叠共同扫描体积1440中，并且第二表不1417的表面部分1417b因此位于第一表不1416的排除体积1421中，并且部分1417b因此必然是可移动对象，其仅存在于第二表示中。
[0359]为了能够区分第一表示的表面和第二表示的表面，稍微移开这两个表面，但在真实情况下，第一表示的表面和第二表示的表面可能会恰好彼此重叠，以致不能区分来自第一表不的表面部分和来自第二表不的表面部分。
[0360]图14e)示出了产生的虚拟3D表面1419的示例，其中在虚拟3D模型的生成中忽视表面部分1417b，因此虚拟3D模型包含第一表示1416和第二表示1417的部分1417a。
[0361]图14中的附图以2D示出，但应当理解的是这些附图代表3D附图。
[0362]图15示出了获取对象的表面的第一和第二表示的示例，其中在第二表示中而不是第一表示的排除体积中存在可能的可移动对象。
[0363]图15a)示出了获取对象(未示出)的表面的第一 3D表示1516的示例。空间中的第一扫描体积1511与第一表不有关。第一扫描体积1511由虚垂直线标不。第一排除体积1521对应于第一扫描体积1511。
[0364]图15b)示出了获取对象(未示出)的表面的第二 3D表示1517的示例。空间中的第二扫描体积1512与第二表示有关。第二扫描体积1512由虚垂直线标示。第二排除体积1522对应于第二扫描体积1512。第二 3D表示1517包含两部分1517a和1517b。部分1517b位于部分1517a和扫描器(未不出)之间，扫描器设置在扫描体积的端部的某处。
[0365]利用扫描器和牙齿之间的与第一表不1516不同的角度获取第二表不1517。此外，在空间中相对于第一表示移开第二表示，因此第一和第二表示不代表对象的相同的整个表面部分，但表示的部分是重叠的。
[0366]图15c)示出了其中对齐/配准第一表示1516和第二表示1517，使得表示的对应部分设置在相同位置的示例。第二表示的部分1517a中的一些与第一表示1516对齐/配准。部分1517b不能与第一表示1516对齐/配准，因为在表面1516和表面1517b之间不存在对应的表面部分。
[0367]图15d)不出了其中第一表不1516和第二表不1517的重叠共同扫描体积1540被标示为阴影区的示例。第二表示的表面部分1517b没有位于重叠共同扫描体积1540中，并且第二表不1517的表面部分1517b因此没有位于第一表不1516的排除体积1521中。
[0368]为了能够区分第一表示的表面和第二表示的表面，稍微移开这两个表面，但在真实情况下，第一表不的表面和第二表不的表面会恰好彼此重叠，以致不能区分来自第一表不的表面部分和来自第二表不的表面部分。
[0369]图15e)示出了产生的虚拟3D表面1519的示例，其中在虚拟3D模型的生成中没有忽视表面部分1517b，因此虚拟3D模型包含第一表示1516以及第二表示1517的两部分1517a 和 1517b。
[0370]即使表面部分1517b或许是可移动对象的表示，如果在该情况下对象是牙齿则至少这是可以假定的，因为牙齿不大可能具有像表示的部分1517b示出的这样的突出，也不能忽视表面部分1517b，因为也没有发现表面部分1517b位于来自任何表示的任何排除体积中。但是当对象的表面的扫描继续时，可能会获取第三表示，该第三表示具有与第二表示重叠的共同扫描体积，并且如果表面部分1517b位于第三表示的排除体积中，那么表面部分1517b可以被从虚拟3D模型忽视。
[0371]图15中的附图以2D示出，但应当理解的是这些附图代表3D附图。
[0372]图16示出了阈值距离的示例，阈值距离定义在虚拟3D模型的生成中可能的可移动对象距表示或捕捉到的表面有多远被忽视。
[0373]定义近阈值距离1650，其确定第一表示中距捕捉到的表面1616的距离，其中在虚拟3D模型的生成中没有忽视位于距捕捉到的表面1616的近阈值距离1650以内并且位于第一排除体积1611的空间中的第二表示(未示出)中的表面部分。[0374]定义近阈值距离用于避免不正确地忽视表面的过多表示，因为表示中可能有噪音并且因为表示之间或辅助扫描之间的配准/对齐可能不是完全准确的。
[0375]附图标记1607是扫描器1601的扫描头，并且附图标记1608是牙齿的体积。
[0376]图20以2D示出，但应当理解的是附图代表3D附图。
[0377]图17示出了如何确定排除体积的示例。
[0378]可以在3D体积网格(volume grid) 1760中量子化空间。3D网格1760中的角落1761之间的距离可以是等距的。网格中的单单元格(cell) 1763的每一个包含八个角落1761,并且当八个角落1761中的每一个已经被表示覆盖时,如图所示标记该单元格1763。因此如果单元格1763的所有八个角落1761处在表示的扫描体积中，那么该单元格1763可以标记为排除体积。在表示的空间中可以存在例如十个、一百个、数千个或数百万个单元格。
[0379]图18示出了可移动对象可以如何在辅助扫描中查看的示例。
[0380]图18a)表示其中已经在辅助扫描中捕捉到手指1870的指尖的辅助扫描。
[0381]图18b)表示其中已经在辅助扫描中捕捉到牙科仪器1871的示例。
[0382]图19示出了针孔扫描器的示例。
[0383]针孔扫描器1980包含照相机1982和光源1981，例如包含图案(未示出)。光源1981将光线1983从小孔传播至表面1961，即，传播至表面1961的所有光线1983从点传播。光线1984从表面1961反射回来并且通过小孔被照相机1982接收。
[0384]由于针孔设置，很好地限定了从光源传播至表面的光的点，并且也很好地限定了从表面接收的光的点。
[0385]因此表面的表示的排除体积通过光线1983和1984跨越的空间中的体积限定，并且由于针孔设置很好地限制了该体积。
[0386]图20示出了距捕捉到的表面的远阈值距离的原则的示例，该捕捉到的表面定义了没有包括在表示的排除体积中的体积。
[0387]来自扫描器2001的扫描头2007的光线2052 (以虚线表示)可以如图20a)所示在任何方向上传播或散射或色散，其中示出了许多光线。应当理解的是这里仅示出所有光线中的一些。其中光线冲击的牙齿表面上的表面面积具有附图标记2016。
[0388]在图20b)中，示出了即使例如可移动对象的对象2072设置在扫描头2007和牙齿的表面2016之间，由于呈一定角度或倾角的光线2052,扫描器2001依然可以在存在于或隐藏在对象2072 “下面”的牙齿表面2016上捕捉到表面点2053。为了使表面点得到检测，表面点2053需要正好对来自扫描器的一条光线可见。
[0389]图20c)示出了远阈值距离2051的示例，其确定表示中距捕捉到的表面2016的距离，其中存在或位于远阈值距离2051以外的任何获取的数据或表面或表面点没有包括在表示的排除体积中。因此远阈值距离2051和扫描头2007之间的体积2054中的任何获取的数据或表面或表面点不用于限定表示的排除体积。
[0390]图20d)示出了其中定义远阈值距离是用于避免错误地忽视真实牙齿表面部分的优势的示例。
[0391]扫描器2001原则上应当捕捉存在于扫描体积中的所有表面部分2016和2017，但在一些情况下，扫描器不能捕捉扫描体积中的所有表面部分。这会发生的情况例如因为表面部分存在于扫描器2001的焦点区域以外或扫描头2007的焦点区域以外或由于表面部分的差的照明条件。在这样的情况下，会没有捕捉到以及配准表面部分2017，并且将在其中牙齿表面的表面部分2017实际上存在的空间区域中确定排除体积。通过定义远阈值距离2051，排除较少的扫描体积，由此可以避免错误地忽视真实表面部分2017。
[0392]阈值的实际距离可以取决于扫描器的光学器件或基于扫描器的光学器件进行计算。远阈值距离可以是固定数，例如大约0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm 或 100mm。备选地，远阈值距离可以是扫描体积的长度的百分数或分数，例如扫描体积的长度的大约20%、25%、30%、35%、40%、45%或50%，或者例如扫描体积的长度的1/2、1/3、1/4、1/5。
[0393]远阈值距离可以基于可能扫描的距表面的检测点的距离有多远的确定，即，在对扫描器可见的检测点周围有多少表面。如果在一个方向上距表面点的可见距离短，那么与如果在所有方向上距表面点的距离相比，远阈值距离将较小。
[0394]图20中的附图以2D示出，但应当理解的是附图代表3D附图。
[0395]尽管已经详细描述并示出了一些实施例，但本发明并不限制于这些实施例，而是还可以在以下权利要求中限定的主题的范围中以其它方式体现。尤其应当理解的是可以利用其它实施例并且在不背离本发明的范围的情况下可以做出结构上和功能上的修改。
[0396]在列举若干装置的产品权利要求中，这些装置中的若干个可以通过一个且相同项目的硬件体现。在相互不同的从属权利要求中引用或在不同实施例中描述某些措施的不争的事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。
[0397]权利要求可以引用前述任何权利要求，并且“任何”理解为意味着前述权利要求的“任何一个或多个”。
[0398]应当强调的是术语“包含”当用在该说明书中时用来详述规定的特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、组件或它们的组合的存在或增加。
[0399]在上述以及以下中描述的方法的特征可以在软件中实施，并且可以在数据处理系统或由计算机可执行指令的执行致使的其它处理装置上执行。指令可以是通过计算机网络从存储介质或从另一计算机加载在存储器(例如RAM)中的程序代码装置。备选地，描述的特征可以通过硬接线电路(hardwired circuitry)而不是软件执行,或者通过与软件结合的硬接线电路执行。
【权利要求】
1.一种当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的方法，其特征在于，该方法包含: -通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第一 3D表示； -通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第二 3D表示； -为第一 3D表不确定没有表面会存在的空间中的第一排除体积； -为第二 3D表示确定没有表面会存在的空间中的第二排除体积； -如果第一 3D表示中的表面的一部分位于第二排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表不中的表面的该部分,和/或 -如果第二 3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的该部分。
2.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，刚性对象是患者的一副牙齿，并且位置是患者的嘴巴。
3.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，可移动对象是患者的嘴巴的软组织部分，例如脸颊的内部、舌头、嘴唇、牙床和/或松动的牙龈。
4.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，可移动对象是暂时地存在于患者的嘴巴中的牙科医生的仪器或药物，例如牙科吸引装置、棉卷和/或棉垫。
5.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，可移动对象是手指，例如牙科医生的手指或牙科助理的手指。
6.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，3D扫描器是配置为获取对象的表面的扫描以生成对象的虚拟3D模型的扫描器。
7.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，在第一表示中捕捉到的表面的至少部分和在第二表示中捕捉到的表面的至少部分在刚性对象上重叠相同表面部分。
8.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，表面的至少部分的第一表不被定义为表面的至少第一部分的第一表不，并且表面的至少部分的第二表不被定义为表面的至少第二部分的第二表示。
9.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，表面的第一部分和表面的第二部分至少部分地重叠。
10.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，表面是所述位置中的表面。
11.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，表面是刚性对象的表面的至少部分和/或可移动对象的表面的至少部分。
12.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包含确定在与表面的至少部分的第一表示有关的空间中的第一扫描体积，以及确定在与表面的至少部分的第二表示有关的空间中的第二扫描体积。
13.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，扫描体积由3D扫描器中的聚焦光学器件和距离捕捉到的表面的距离限定。
14.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，与表面的至少部分的第一表不有关的第一扫描体积是3D扫描器的聚焦光学器件和在第一表不中捕捉到的表面之间的空间中的体积；并且与表面的至少部分的第二表示有关的第二扫描体积是3D扫描器的聚焦光学器件和在第二表示中捕捉到的表面之间的空间中的体积。
15.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，如果在第一或第二表示中的至少部分中没有捕捉到表面，那么第一或第二扫描体积是3D扫描器的聚焦光学器件和扫描体积的纵向范围之间的空间中的体积。
16.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，在没有表面会存在的空间中的第一排除体积和第二排除体积分别对应于第一扫描体积和第二扫描体积。
17.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，3D扫描器本身的体积被定义为排除体积。
18.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，3D扫描器本身的体积包含在第一排除体积中和第二排除体积中。
19.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，定义近阈值距离，其确定距在第一表示中和第二表示中捕捉到的表面的距离，其中在虚拟3D模型的生成中分别没有忽视分别位于距捕捉到的表面的近阈值距离中并且位于第一排除体积中或第二排除体积中的空间中的第二表示中或第一表示中的表面部分。
20.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，定义远阈值距离，其确定距捕捉到的表面 的距离，其中远阈值距离以外的体积不包括在表示的排除体积中。
21.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，表面的至少部分的第一表示是位置的至少部分的第一辅助扫描，并且表面的至少部分的第二表示是位置的至少部分的第二辅助扫描。
22.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，表面的至少部分的第一表示是包含已经获取的位置的辅助扫描的临时虚拟3D模型，并且表面的至少部分的第二表示是位置的至少部分的第二辅助扫描。
23.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，获取的位置的辅助扫描适应于在辅助扫描的获取同时增加到临时虚拟3D模型中。
24.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，当刚性对象的扫描完成时，临时虚拟3D模型称为虚拟3D模型。
25.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包含: -通过扫描所述位置的至少部分提供表面的至少部分的第三3D表示； -为第三3D表示确定没有表面会存在的空间中的第三排除体积； -如果第一 3D表示中的表面的一部分位于第三排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表不中的表面的该部分,和/或 -如果第二 3D表示中的表面的一部分位于第三排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的该部分，和/或 -如果第三3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中和/或第二排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第三3D表示中的表面的该部分。
26.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，临时虚拟3D模型包含表面的至少部分的第一表示和表面的至少部分的第二表示，并且其中表面的至少部分的第三表示增加到临时虚拟3D模型中。
27.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，虚拟3D模型用于虚拟地设计患者的一个或多个牙齿的修复。
28.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，虚拟3D模型用于虚拟地计划并设计患者的正畸治疗。
29.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，确定扫描器和刚性对象的相对运动。
30.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，借助于运动传感器确定扫描器和刚性对象的相对运动。
31.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，通过配准/对齐第一表示和第二表示确定扫描器和刚性对象的相对运动。
32.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，在确定第一排除体积和第二排除体积之前对齐/配准第一表示和第二表示。
33.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，核实借助于运动传感器确定的扫描器和刚性对象的相对运动，并通过配准/对齐第一表示和第二表示潜在地调整借助于运动传感器确定的扫描器和刚性对象的相对运动。
34.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，运动传感器用于扫描器和刚性对象的相对运动的初步确定，并且其中配准/对齐用于扫描器和刚性对象的相对运动的最终确定。
35.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，扫描器的光学系统是远心的。`
36.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，扫描器的光学系统是透视的。
37.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，扫描器的扫描头中的镜子提供扫描器中来自光源的光线以相对于扫描头的开口的一定角度传播。
38.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，3D扫描器是手持式扫描器。
39.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，扫描器是针孔扫描器。
40.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，扫描器包含孔，并且其中孔的尺寸小于孔和投射的图像之间的距离的I/100。
41.根据前述任何一项或多项权利要求所述的方法，其特征在于，扫描器包含孔，并且其中孔的尺寸大于孔和投射的图像之间的距离的1/100。
42.—种当借助于用于生成一副牙齿的虚拟3D模型的3D扫描器扫描患者的嘴巴中的这副牙齿时，用于检测患者的嘴巴中的可移动对象的方法，其特征在于，该方法包含: -通过扫描牙齿的至少部分提供表面的至少部分的第一 3D表示； -通过扫描牙齿的至少部分提供表面的至少部分的第二 3D表示； -为第一 3D表不确定没有表面会存在的空间中的第一排除体积； -为第二 3D表示确定没有表面会存在的空间中的第二排除体积； -如果第一 3D表示中的表面的一部分位于第二排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表不中的表面的该部分,和/或 -如果第二 3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中的空间中，则在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的该部分。
43.一种当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的方法，其特征在于，该方法包含: -通过扫描刚性对象提供表面的至少部分的第一表示； -确定与表面的至少部分的第一表示有关的空间中的第一扫描体积； -通过扫描刚性对象提供表面的至少部分的第二表示； -确定与表面的至少部分的第二表示有关的空间中的第二扫描体积； -如果存在共同扫描体积，其中第一扫描体积和第二扫描体积是重叠的，那么: -确定在共同扫描体积中是否存在在第一表示或第二表示的至少一个中是空的并且不包含表面的体积区；以及 -如果在共同扫描体积中存在在第一表示或第二表示的至少一个中是空的并且不包含表面的体积区，那么通过在虚拟3D模型的生成中分别忽视第二表示中或第一表示中的任何表面部分排除该体积区，所述任何表面部分在排除体积区中检测，因为在排除体积区中检测到的表面部分代表不是刚性对象的部分的可移动对象。
44.一种当借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的方法，其特征在于，该方法包含: -通过扫描刚性对象提供第一表面； -确定与第一表面有关的第一扫描体积； -通过扫描刚性对象提供第二表面； -确定与第二表面有关的第二扫描体积； 其中第一扫描体积和第二扫描体积在重叠/共同扫描体积中重叠； -如果第一表面的至少一部分和第二表面的一部分在重叠/共同扫描体积中不一致，那么忽视在重叠/共同扫描体积中最接近3D扫描器的聚焦光学器件的第一表面或第二表面的部分，因为第一表面或第二表面的该部分代表不是刚性对象的部分的可移动对象。
45.一种当借助于用于生成一副牙齿的虚拟3D模型的3D扫描器扫描患者的这副牙齿时，用于检测患者的嘴巴中的可移动对象的方法，其特征在于，该方法包含: -通过扫描这副牙齿提供第一表面； -确定与第一表面有关的第一扫描体积； -通过扫描这副牙齿提供第二表面； -确定与第二表面有关的第二扫描体积； 其中第一扫描体积和第二扫描体积在重叠/共同扫描体积中重叠； -如果第一表面的至少一部分和第二表面的一部分在重叠/共同扫描体积中不一致，那么忽视重叠/共同扫描体积中最接近3D扫描器的聚焦光学器件的第一表面或第二表面的该部分，因为第一表面或第二表面的该部分代表不是这副牙齿的部分的可移动对象。
46.一种当借助于用于生成一副牙齿的虚拟3D模型的扫描器扫描这副牙齿时，用于检测记录在辅助扫描中的可移动对象的方法，其中虚拟3D模型由已经获取的这副牙齿的表面的辅助扫描组成，并且其中当获取新的辅助扫描时，所述新的辅助扫描适应于增加到3D虚拟模型中，其中该方法包含: -获取这副牙齿的部分的至少第一表面的至少第一辅助扫描，其中至少第一辅助扫描被定义为3D虚拟模型； -获取这副牙齿的部分的第一表面的第一辅助扫描； -确定第一辅助扫描的第一扫描体积； -确定虚拟3D模型的扫描体积； -如果第一辅助扫描的第一扫描体积和虚拟3D模型的扫描体积在共同扫描体积中至少部分地重叠，那么: -计算第一表面的至少一部分是否位于共同扫描体积中； -计算虚拟3D模型的表面的至少一部分是否位于共同扫描体积中，以及-确定表面的至少一部分是否仅在一个辅助扫描中而不是另一个辅助扫描/3D虚拟模型中存在于重叠体积中； -如果表面的至少一部分仅在一个辅助扫描中存在，那么忽视在重叠体积中最接近扫描器的聚焦光学器件的表面的该部分，因为表面的该部分代表不是这副牙齿的部分的可移动对象，并且在这副牙齿的虚拟3D模型的产生中忽视表面的该部分。
47.一种当借助于用于生成一副牙齿的虚拟3D模型的扫描器扫描这副牙齿时，用于检测记录在辅助扫描中的可移动对象的方法，其特征在于，该方法包含: a)提供这副牙齿的部分的第一表面的第一辅助扫描； b)计算第一辅助扫描的第一扫描体积； c)提供这副牙齿的部分的第二表面的第二辅助扫描； d)计算第二辅助扫描的第二扫描体积；以及 e)如果第一扫描体积和第二扫描体积在共同扫描体积中至少部分地重叠，那么: f)计算第一表面的至少一部分是否位于共同扫描体积中； g)计算第二表面的至少一部分是否位于共同扫描体积中，以及 h)如果第一表面的至少一部分或第二表面的至少一部分位于共同扫描体积中，并且第一表面的该部分或第二表面的该部分分别位于扫描器和第二表面的至少一部分或第一表面的至少一部分之间的空间中， 那么表面的该部分代表不是这副牙齿的部分的可移动对象，并且在这副牙齿的虚拟3D模型的产生中忽视表面的该部分。
48.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，该方法进一步包含: -提供这副牙齿的部分的第三表面的第三辅助扫描； -计算第三辅助扫描的第三扫描体积； -如果第三扫描体积在共同扫描体积中与第一扫描体积和/或与第二扫描体积至少部分地重叠，那么相对于第一辅助扫描和/或第二辅助扫描为第三辅助扫描重复步骤f)_h)。
49.一种包含程序代码装置的计算机程序产品，当所述程序代码装置在数据处理系统上执行时，该计算机程序产品用于使数据处理系统完成前述任何一项或多项权利要求所述的方法。
50.一种根据前述权利要求的计算机程序产品，包含存储在程序代码装置上的计算机可读介质。
51.—种借助于用于生成刚性对象的虚拟3D模型的3D扫描器扫描处在一定位置的刚性对象时，用于检测处在该位置的可移动对象的系统，其特征在于，该系统包含: -用于通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第一 3D表示的装置； -用于通过扫描位置的至少部分提供表面的至少部分的第二 3D表示的装置； -用于为第一 3D表示确定没有表面会存在的空间中的第一排除体积的装置； -用于为第二 3D表示确定没有表面会存在的空间中的第二排除体积的装置； -如果第一 3D表示中的表面的一部分位于第二排除体积中的空间中，用于在虚拟3D模型的生成中忽视第一 3D表示中的表面的该部分的装置，和/或 -如果第二 3D表示中的表面的一部分位于第一排除体积中的空间中，用于在虚拟3D模型的生成中忽视第二 3D表示中的表面的该部分的装置。
【文档编号】G06T7/00GK103782321SQ201280042772
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2011年7月15日
【发明者】R·费斯克, M·温瑟, 亨里克·奥杰伦德 申请人:3形状股份有限公司