专利名称：用于三维成像的数据获得方法
技术领域：
本发明一般涉及口腔三维(3D)成像。更具体地，本发明涉及利用多个3D测量扫描获得物体场景的3D图像数据以及从该扫描生成完整的3D图像的方法。
背景技术：
在通常的牙科或医用3D摄像机或扫描器成像系统中，获得物体场景中的一个或多个物体表面的一系列二维OD)亮度(intensity)图像/灰度图像，其中用于每个图像的照明可以变化。在一些系统中，结构光图案投影在每个2D亮度图像的表面上并且在每个2D 亮度图像中被检测。例如，投影的光图形可以通过将一对相干光束投影在物体表面上并且得到在连续的2D图像之间变化的干涉条纹图形来产生。替代地，投影的光图形可以是利用亮度掩模(mask)和在连续的2D图像之间的位置中移动的投影图形产生的一系列投影的平行线。在其他种类型的3D成像系统中可以采用诸如共焦成像的技术。在动态3D成像系统中，在摄像机或扫描器相对于物体场景运动时获得一系列3D 数据组。例如，成像系统可以是使用者相对于物体场景手动定位的识别棒(wand)或其他手持式装置。在一些应用中，多个物体表面通过相对于物体移动该装置来测量，以便在一个位置由于该装置的视场而被遮蔽的表面在另一个位置可以被该装置观察。例如，在牙科应用中，在静态视场中牙齿或其他牙科特征的存在能够遮蔽其他牙齿的视场。处理单元记录 (register)所有获得的3D数据的重叠区，以在测量过程期间得到全部被观察表面的全部 3D数据组表示。
发明内容
一方面，本发明以获得物体场景的3D表面数据为特征。定位3D成像装置，使得测量视场在物体场景中的开始点包括该物体场景的定向视野(directional view)的第一部分，并且获得该测量视场的3D数据。在保持物体场景的定向视野的同时平移3D成像装置， 使得该测量视场平移经过该物体场景的定向视野的其余部分。在平移期间，3D成像装置获得该平移的测量视场的3D数据，该平移的测量视场的3D数据与在物体场景中的开始点的 3D数据一起被记录。定位和平移的测量视场的3D数据形成骨干/主要3D数据组。定位该 3D成像装置，使得该测量视场包括该物体场景的定向视野的第二部分，并且3D成像装置获得测量视场的3D数据，该3D数据重叠该骨干3D数据组的一部分。重叠该骨干3D数据组的一部分的3D数据被加入/连接于该骨干3D数据组。操作3D成像装置，使得测量视场包
5括物体场景的正交的定向视野的一部分，并且3D成像装置获得被记录于该骨干3D数据组的测量视场的3D数据。另一方面，本发明以获得牙弓的3D表面数据的方法为特征。定位3D测量装置， 使得由该3D测量装置产生的结构光图案在第一开始点照明牙弓的咬合面的一部分。获得该咬合面的被照明部分的3D数据。平移该3D测量装置，使得结构光图案照明该牙弓的咬合面的其余部分。获得该咬合面其余部分的3D数据并且记录于该咬合面的该部分的3D数据。咬合面的该部分和其余部分的3D数据形成关于牙弓的骨干3D数据组。定位3D测量装置，使得结构光图案照明该牙弓的咬合面的一部分，从而获得重叠该骨干3D数据组的一部分的3D数据。重叠该骨干3D数据组的一部分的3D数据被加入骨干3D数据组。转动3D 测量装置，使得结构光图案入射在牙弓的颊面的一部分或舌面的一部分中的一个上，从而获得该颊面或舌面的一部分的3D数据，该3D数据被记录于骨干3D数据组。在又一方面，本发明以获得口腔的3D表面数据的方法为特征。将3D测量装置定位在口腔中，使得该3D测量装置的测量视场在开始点包括牙弓的咬合面的一部分，并且获得该测量视场的3D数据。平移该3D测量装置，使得测量视场包括牙弓的咬合面的其余部分。获得的该平移的测量视场的3D数据被记录于咬合面的该部分的3D数据。咬合面的该部分和用其余部分的3D数据形成该牙弓的骨干3D数据组。定位3D测量装置，使得测量视场包括该咬合面的一部分，从而获得重叠该骨干3D数据组的一部分的3D数据。重叠该骨干3D数据组一部分的3D数据被加入该骨干3D数据组。移动该3D测量装置，使得该测量视场包括与该牙弓的咬合面分开的口腔的一部分，从而获得记录于该骨干3D数据组的该口腔的一部分的3D数据。
通过结合附图参考下面的说明能够更好地理解本发明的上述和其他优点，其中， 在各图中相似的附图标记表示相似结构元件和特征。附图不需要按比例绘制，而将重点放在示出本发明的原理上。图1是示出能够用于获得物体场景的3D图像的测量系统的例子的框图。图2示出容易操作的识别棒，其是用来获得口腔的3D测量数据的3D测量系统的一部分。图3示出如何用诸如图2的易操作的识别棒的手持式3D测量装置测量上牙弓。图4是根据本发明获得牙弓的3D表面数据的方法的实施例的流程图。图5示出根据图4的方法在获得咬合扫描(scan)的3D数据期间在沿着上牙弓的 5个不同位置的测量视场。图6A和图6B分别是在颊面的扫描段期间，识别棒和测量视场的相应位置的咬合视图和颊视图。
具体实施例方式下面将参考在附图中示出的本发明的示范性实施例更加详细地描述本发明。虽然本发明与各种实施例和例子一起进行描述，但不是想要将本发明限制于这些实施例。相反， 正如本领域的技术人员所理解的，本发明包含各种替代方案、修改和等同物。已经接触此中教导的本领域的普通技术人员将会认识到在此处公开的本发明的范围内的附加的补充、修改和实施例以及其他使用领域。本发明的方法可以包括以可操作方式的任何描述的实施例或所描述的实施例的组合。简言之，本发明方法的实施例能够进行一个或多个物体表面的精确的3D测量。在下面描述的各个实施例中，该方法涉及在3D测量过程期间获得3D数据。该方法关于口腔测量被描述，诸如通过牙科应用中的临床医生进行的测量，其中被测量的表面可以包括牙齿的釉质表面，牙齿的牙质底部结构、牙龈组织和各种牙结构(例如，桩(posts)、植入物 (inserts)和填充物(filling))。应当明白，该方法也可以用于医疗应用和其他应用，其中 3D测量数据在操作者的直接操作的或者通过控制系统操作的3D扫描装置获得。在下面描述的实施例中，3D测量系统利用通过干涉条纹投影或其他技术产生的结构照明图形。成像部件基于物体的结构照明获得用于确定该物体表面上的点的位置信息的 2D图像。通过参考合并于此的美国专利No. 5，870，191描述了一种叫做可折叠干涉条纹 (AFI)的技术，这种技术基于干涉条纹投影能够用于高精度3D测量。基于AFI的3D测量系统通常采用两个紧密间隔的相干光源，以将干涉条纹图形投影在物体的表面上。获得该条纹图形的至少三个空间相位的条纹图形的图像。图1示出基于AFI的3D测量系统10，其用来获得一个或多个物体22的3D图像。 由条纹投影仪18产生的两个相干的光束14A和14B用来以干涉条纹沈的图形照明物体22 的表面。在物体22上的条纹图形的图像由成像系统或透镜30形成在包括光电探测器阵列 34的成像器上。例如，探测器阵列34可以是二维电荷耦合器件(CXD)成像阵列。由探测器阵列34产生的输出信号被提供给处理器38。输出信号包括关于阵列34中的每个光电探测器接收的光的强度的信息。可选的偏振器42被定向成与散射光的主偏振分量一致。控制模块46控制从条纹投影仪18辐射的两个相干光束14的参数。控制模块46包括调节两个光束14的相位差的相移控制器50和调节在物体22上的干涉条纹沈的间距或间隔的空间频率控制器M。条纹图形的空间频率通过在条纹投影仪18中的相干光辐射的两个虚拟源的间隔、从虚拟源到物体22的距离和辐射的波长被确定。尽管实际的光辐射源可以位于别处， 但是虚拟源是光辐射看起来像是从其发生的点。处理器38和控制模块46通信以关于相位差和空间频率的变化协调来自光电探测器阵列34的信号的处理，并且处理器38根据条纹图形图像确定物体表面的3D信息。处理器38基于该条纹图形的连续相位移之后产生的一系列2D图像中的像素的强度值计算从成像系统30和探测器阵列34到每个像素的物体表面的距离。因此处理器产生能够显示为表示物体表面的点云或表面映射的一组3D坐标。处理器38与用于存储在测量过程期间产生的3D数据的存储器模块58通信。用户接口 62包括输入装置和显示器，以能够为诸如临床医师的操作者提供操作指令并且使操作者能够以近实时的方式观察获得的 3D信息。例如，当物体22的表面的不同区被测量并且获得额外的3D测量数据时，操作者能够观察点云或表面映射的图形表示的增长/扩展(growth)的显示。图2以可操纵的识别棒66的形式示出手持式3D测量装置，该装置用来获得口腔的3D测量数据。识别棒66包括通过柔性电缆连接到处理器和系统其他部件(未示出)的主体部分70。识别棒66产生从投影端82附近投影的结构光图案78，以照明将被测量的表面。例如，结构光图案78可以是基于如上面图1所描述的AFI测量系统的原理的干涉条纹图形。识别棒66可以用来获得牙弓的一部分的3D数据。识别棒66由临场医生在口腔内操作，因此获得被结构光图案78照明的所有表面的3D数据。图3示出口腔应用，其中上牙齿弓使用诸如图2的识别棒的手持式3D测量装置被测量。还参考图4，图4是获得关于牙弓的3D表面数据的方法100的实施例的流程图表示。 测量得到精确地表示病人全部牙弓的完整3D数据组，即，从在牙弓一侧上的后磨牙到牙弓相对侧上的后磨牙。在数据处理期间，结合(stitch)误差和运动引起的误差能够使测量结果变差。对于包括相对于全部牙弓具有小测量视场(FOV)(例如，13mmX10mm)的2D成像器的3D测量装置，成百上千的3D数据组可以被结合(stitch)在一起，以获得牙弓的完整数据组。根据方法100，许多重叠的3D数据组在共同的坐标参考系中结合在一起。3D数据以优选的方式或顺序获得，以便从所有的3D数据得到的“最终” 3D数据组更精确地表示牙弓。具体地，骨干3D数据组首先被产生并且额外顺序的3D数据被随后加入该骨干3D数据组。单个扫描段被用来获得最终点云的3D数据的子组。在获得每个扫描段的3D数据期间识别棒的受限制的运动产生减小的测量误差并且增加测量精度。临床医生通过定位识别棒(步骤105)使得结构光图案在开始位置(例如，在牙弓的端部)照明牙弓咬合面的一部分来执行3D测量方法100。获得咬合面的被照明部分的 3D数据。在这个例子中，数据获得通过从病人上牙弓的左后磨牙90处的测量视场86A内获得数据开始，如图3所示。然后识别棒从病人的左后磨牙90沿着该牙弓被移动到右后磨牙(步骤110)同时保持基本咬合视图。图5示出沿着上牙弓的多个位置(从A到E的五个位置)的测量视场86A至86E。在这部分3D测量过程期间，完全的咬合扫描不需要识别棒显著的转动。与牙弓的其他视图通过操纵识别棒获得的扫描相比，转动和聚焦引起的误差因此被减少。在一些实施例中，识别棒的运动基本上沿着平行于结构光图案的条或条纹的方向。在咬合扫描期间识别棒的主要运动基本上被限制在单一平面。有利的，咬合视图包括比其他视图具有明显较高的空间频率范围的特征。也就是，咬合视图更容易示出快速改变的结构(例如，牙齿之间的间隙)，相对于其他扫描视野(即，颊和舌)这提高了 3D数据结合的精度。因此，对应于咬合扫描的3D数据形成骨干，必要时该骨干可以用来被其他方向扫描视野期间获得的3D数据组连接，以获得该牙弓的完整3D数据组。为了继续测量过程，临床医生定位识别棒(步骤115)，使得结构光图案照明牙弓咬合面的一部分，例如牙弓的一端附近或牙弓的一端，并且获得重叠该骨干3D数据组的一部分的3D数据。优选地，当结构光图案的实时位置的新的3D数据被“锁定(lock on)以显示骨干3D数据组的点云时，3D测量系统为临床医生提供肯定的可视或可听的指示。然后新获得的3D数据被记录或加入骨干3D数据(步骤120)并且用作牙弓的颊扫描段的开始。然后识别棒绕其主轴线转动并且移动(步骤125)，使得用结构光图案照明牙弓颊面的一部分结构光图案并且获得3D数据。然后识别棒被临床医生操作(步骤130)使得结构光图案沿着颊面的一段移动。例如，识别棒可以被移动使得结构光图案在从病人的左后磨牙到刚好超过颊面的中点的时间被扫描。图6A和图6B分别示出部分通过颊面的扫描段的识别棒的投影端82的位置和测量视场(和结构光图案)的相应位置的咬合视图和颊视图。可选地，临床医生可以转动识别棒(步骤135)使得结构光图案照明咬合面的中点。以这种方式，结构光图案被用来获得咬合视图中的3D数据，该3D数据重叠骨干3D数据组中的数据，以更精确地“记录”于共同的坐标参考系统中现有的3D数据。现在可以进行补充的颊扫描段。临床医生定位识别棒(步骤140)使得结构光图案照明牙弓的相对端的咬合面的一部分，并且获得重叠骨干3D数据组的一部分的3D数据。 在这个位置的3D数据被加入3D骨干数据组(步骤14 并且用作牙弓的补充的颊扫描段的开始。然后识别棒被绕其主轴线转动(步骤150)，使得该牙弓颊面的其余部分用该结构光图案照明，并且获得3D数据。随后，由临床医生操作识别棒(步骤155)，使得结构光图案沿着该颊面段的剩余部分移动。例如，识别棒可以被移动使得结构光图案在从病人的右后磨牙到刚好超过颊面中点的时间移动。可选地，临床医生可以转动识别棒(步骤160)使得结构光图案照明咬合面的中点区，并且在咬合视图中获得3D数据，该3D数据重叠骨干3D 数据组中的数据。因此，这个颊段的3D数据被精确地记录在骨干3D数据组的共同的参考系统中。为了完成牙弓的3D测量，临床医生以类似于用于获得颊面的3D数据的方式，获得该牙弓的舌面的3D数据。更具体地，通过用舌面的参考替代对颊面的所有的参考，执行步骤125至步骤160。总起来说，执行五个扫描段以获得该牙弓的最终3D数据组的全部的3D 数据组。实际上，将3D数据加入骨干3D数据组的步骤允许单个3D图像的序列能够被在骨干3D数据组中涉及按时间顺序次序的3D图像的子组连接。这种加入技术“准备好结合器 (primes the stitcher) ”使得随后的扫描适当地记录于该骨干3D数据组并且精确地分享相同的总的坐标系统。在可选的实施例中，扫描段的次序可以不同。例如，两个舌段的3D数据的获得可以先于颊面的3D数据的获得。在其他的实施例中，临床医生可以用较大数目的颊和舌面扫描段并且每个段的范围可以比较小。在这样的实施例中，测量系统显示骨干3D数据组的各个部分，以允许在其他位置加入该骨干3D数据组。在上面描述的方法100的实施例中，用于获得3D数据的结构光图案和测量视场沿着牙弓的各个表面移动，并且通过操作识别棒的位置和转动被重新定位。该方法可以适于其他类型的3D测量系统。例如，该方法可以利用识别棒或可操作的3D测量装置的测量视场来执行，该识别棒和3D测量装置能够以类似于结构光图案的方式被平移、转动和定位， 使得在该过程期间最初产生的3D数据能够用于产生骨干3D数据组，并且随后的3D数据可以被加入该骨干3D数据组，以获得物体场景的高精度3D数据表示。而且，该方法优选首先获得定向视野的3D测量数据，这基本上仅仅需要测量视场的二维平移，并且其中该高空间频率范围是可观察的，以产生骨干3D数据组，并且随后的定向视野用来产生能够连接于该骨干3D数据组的额外的3D数据。虽然参考具体实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的思想和范围的情况下可以在形式和细节上进行各种变化。
权利要求
1.一种获得物体场景的三维表面数据的方法，该方法包括定位3D成像装置，使得测量视场在物体场景中的开始点包括物体场景的定向视野的第一部分，并且获得所述测量视场的3D数据；平移所述3D成像装置同时保持所述物体场景的定向视野，使得所述测量视场平移经过所述物体场景的定向视野的其余部分，并且所述3D成像装置获得已平移的测量视场的 3D数据，已平移的测量视场的3D数据与在所述物体场景中的开始点的3D数据一起被记录， 已定位和平移的测量视场的3D数据形成骨干3D数据组；定位所述3D成像装置，使得所述测量视场包括所述物体场景的定向视野的第二部分， 并且所述3D成像装置获得所述测量视场的3D数据，该3D数据重叠所述骨干3D数据组的一部分；将重叠所述骨干3D数据组的一部分的所述3D数据加入所述骨干3D数据组；操作所述3D成像装置，使得所述测量视场包括所述物体场景的正交的定向视野的一部分，并且所述3D成像装置获得所述测量视场的3D数据，该3D数据被记录于所述骨干3D 数据组。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括操作所述3D成像装置，使得所述测量视场扫描经过所述物体场景的正交的定向视野的一段，并且所述3D成像装置获得所述测量视场的 3D数据，该3D数据被记录于所述骨干3D数据组。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括显示所获得的3D数据，用于观察。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所获得的3D数据被显示为3D点云。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所获得的3D数据被显示为一个或更多个物体表
6.根据权利要求3所述的方法，其中定位所述3D成像装置使得所述测量视场包括所述物体场景的定向视野的第二部分包括重叠所述第二部分的所述测量视场的二维图像，以显示所述骨干3D数据组。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体场景包括口腔的至少一部分。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体场景包括牙弓。
9.一种获得牙弓的三维表面数据的方法，该方法包括定位3D测量装置，使得由所述3D测量装置产生的结构光图案在第一开始点照明牙弓的咬合面的一部分，并且获得该咬合面的被照明的部分的3D数据；平移所述3D测量装置，使得所述结构光图案照明所述牙弓咬合面的其余部分，并且获得所述咬合面的其余部分的3D数据，该3D数据被记录于所述咬合面的所述部分的3D数据，所述咬合面的所述部分和其余部分的3D数据形成所述牙弓的骨干3D数据组；定位所述3D测量装置，使得所述结构光图案照明所述牙弓的咬合面的一部分，从而获得重叠所述骨干3D数据组的一部分的3D数据；将重叠所述骨干3D数据组的一部分的3D数据加入所述骨干3D数据组；以及转动所述3D测量装置，使得所述结构光图案被入射在所述牙弓的颊面的一部分或舌面的一部分的其中一个上，从而获得所述颊面或舌面的该部分的3D数据，该3D数据被记录于所述骨干3D数据组。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述3D测量装置平移期间，所述3D测量装置的角度取向基本上不改变。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括显示所获得的3D数据，用于观察。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所获得的3D数据被显示为3D点云。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所获得的3D数据被显示为一个或更多个物体表
14.根据权利要求9所述的方法，还包括移动所述3D测量装置，使得所述结构光图案的投影被移动经过所述颊面或舌面的第一段，从而获得所述第一段的3D数据。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括定位所述3D测量装置，使得所述结构光图案的投影在第二开始点入射在所述牙弓咬合面的一部分上，从而获得重叠所述骨干3D数据组的另一部分的3D数据；将重叠所述骨干3D数据组的另一部分的所述3D数据结合于所述骨干3D数据组；转动所述3D测量装置，使得所述结构光图案的投影被入射在所述牙弓的颊面或舌面的另一部分上，从而获得所述颊面或舌面的另一部分的3D数据；移动所述3D测量装置，使得所述结构光图案的投影被移动经过所述颊面或舌面的第二段，从而获得所述第二段的3D数据。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括转动所述3D测量装置，使得所述结构光图案的投影入射在所述咬合面的一部分上，从而获得重叠所述骨干3D数据组的3D数据。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括转动所述3D测量装置，使得所述结构光图案的投影入射在所述咬合面的一部分上，从而获得重叠所述骨干3D数据组的3D数据。
18.根据权利要求9所述的方法，其中定位所述3D测量装置使得所述结构光图案的投影入射在所述牙弓的咬合面的一部分上，从而获得重叠所述骨干3D数据组的一部分的3D数据包括将被所述结构光图案照明的所述咬合面的一部分的二维图像重叠在所述骨干3D数据组的图形显示上。
19.根据权利要求9所述的方法，其中所述结构光图案包括条状图形。
20.根据权利要求9所述的方法，其中所述结构光图案是干涉强度图形。
21.根据权利要求9所述的方法，其中所述3D测量装置在所述结构光图案平移经过所述牙弓咬合面的其余部分期间不转动。
22.根据权利要求9所述的方法，其中所述3D测量装置是手持式3D扫描器。
23.一种获得口腔的三维表面数据的方法，该方法包括将3D测量装置定位在口腔中，使得所述3D测量装置的测量视场在开始点包括牙弓咬合面的一部分，并且获得所述测量视场的3D数据；平移所述3D测量装置，使得所述测量视场包括所述牙弓咬合面的其余部分，并且平移测量视场获得的3D数据被记录于所述咬合面的该部分的3D数据，所述咬合面的该部分和其余部分的3D数据形成所述牙弓的骨干3D数据组；定位所述3D测量装置，使得所述测量视场包括所述咬合面的一部分，从而获得重叠所述骨干3D数据组一部分的3D数据；将重叠所述骨干3D数据组一部分的3D数据加入所述骨干3D数据组；以及移动所述3D测量装置，使得所述测量视场包括与所述牙弓的咬合面分开的口腔的一部分，从而获得所述口腔的该部分的3D数据，该3D数据被记录于所述骨干3D数据组。
全文摘要
本发明公开一种获得诸如口腔的物体场景的三维(3D)表面数据的方法的实施例。例如，被测量的表面可以包括牙齿的釉质表面，牙齿的牙质底部结构、牙龈组织和各种牙结构。该方法也可以应用于医疗应用和其他应用，其中3D测量数据用可操作的3D扫描装置获得。在一些实施例中，3D测量装置被定位和平移以能够获得用于骨干3D数据组的3D数据。该测量装置的随后的受控运动使额外的3D数据能够被获得并且将其精确地加入该骨干3D数据组。
文档编号A61C19/04GK102397113SQ20111027393
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月9日 优先权日2010年9月10日
发明者A·F·维斯普, R·F·迪伦, T·I·菲林 申请人:三维光子国际公司