一种稳定快速的腔内物体表面3d成像系统的制作方法
【专利摘要】一种稳定快速的腔内物体表面3D成像系统，该成像系统可以测量物体表面的三维结构信息。该成像系统由于使用了分组格雷码结构光技术和空间相位展开技术，在同样精度要求下，这就大大减少了投影结构光的次数，并且降低对投影仪投影光度线性的依赖，进而提升系统的成像速度和精度。系统结构简单，计算简单，结果稳定，测量精度高，特别适应于牙科领域的光学数字印模应用，也可应用在其他领域的腔内光学3D数字印模获取。
【专利说明】
一种稳定快速的腔内物体表面3D成像系统
技术领域
[0001]本发明专利描述了一种稳定快速的腔内物体表面3D成像系统，可适应于牙科领域3D成像。
【背景技术】
[0002]在牙科领域，牙齿的3D模型的获取是牙齿修复手术一个关键的步骤。现在一些通用方法有牙齿印模技术或者牙齿光学印模技术。牙齿印模技术有很多缺点，例如使用不便，给患者造成不适感，精度很难保证等。牙齿光学印模采用光学测量技术进行牙齿印模获取，不需要直接接触物体，精度高，这种技术逐渐成为主流技术。牙齿光学印模技术一般采用主动三角测量原理，该技术通过计算两束光线的交点来计算对应点的三维位置。
[0003]在牙科光学印模领域，处于领先地位的是西诺德公司，其主要原理是主动三角测量，其使用线偏振光束来对所测量物体进行照射进而进行测量，但是由于其线偏振光束使用电磁压力机械结构或者LCD来驱动来获得参考图像模式，由于机械结构精度存在精度有限的问题，并且其使用的LCD对比度低、线性度差，所以存在测量精度低、测量结果不稳定的问题。后来，西诺德公司为了改善LCD照明的线性度差的问题，提出来使用多次测量，平均测量结果，来降低测量时的周期性干扰，但是该方法会要求多次照明取像，所以测量时间长，并且存在计算误差大的问题，出错率高，还有测量器和用户的相对运动等因素，导致测量失败，这对于实际操作将带来很多不便。
[0004]本发明专利描述了一种稳定快速物体表面3D成像系统，该成像系统利用投影仪产生多帧格雷码结构光，结构光经过投影光学光路，照射目标物体。该格雷码图像是经过特定设计的图像序列。光反射后，经过成像光学光路，进入相机，相机获取物体的图像。利用主动三角测量原理进行计算，进而获得物体的3D结构信息，计算简单，结果稳定。
【发明内容】
[0005]为克服牙科光学印模系统存在的系统稳定性差，系统获取光学印模时间长的问题，本发明专利描述了一种稳定快速的物体表面3D成像系统。首先根据要求设计特定的格雷码图像序列，格雷码图像序列输入到投影仪中，投影仪产生多帧格雷码结构光，结构光经过投影光学系统，照射目标物体；光经过反射后，经过成像光路，进入相机，进而获取物体的图像；利用主动三角测量原理进行计算，进而获得物体的3D结构信息。该系统结构简单，计算间单，结果稳定。
[0006]本发明解决其技术问题采用的技术方案是:
(1)根据需要产生格雷码图像序列:pl，p2，……pn，每个格雷码图像都是由多组格雷码图像组成；
(2)利用投影仪将格雷码图像Pl转换为结构光，经过投影光学系统照射到物体上；
(3)利用相机拍摄物体图像；
(4)重复步骤(2)(3)获得物体的格雷码序列图像； (5)利用格雷解相技术获得图像的相对相位；
(6)利用空间相位展开技术获得图像的绝对相位；
(7)利用标定的相机和投影仪数据，使用三角测量原理获得物体的光学3D印模；
(8)如果一次光学印模不能覆盖要求的物体表面，可以调整取像角度，重复(2)-(7)，获得另一个角度的光学3D印模；
(9)通过配准、融合技术，将多次获得的3D光学印模生成一个完整的物体光学3D印模。
[0007]本发明专利的有益效果是，该物体表面3D成像系统，由于利用了格雷码空间解相技术，计算简单，并且对于投影仪的光照性能要求低，系统结构简单，计算简单，结果稳定，测量精度高。
【附图说明】
[0008]下面结合附图和实施对本发明进一步说明。
[0009]图1描述了一种根据三角测量原理的3D成像系统；图1中，I表示测量物体；2表示投影光；3反射光。
[0010]图2描述了腔内物体表面3D光学成像系统的结构图；图2中，I表示投影仪；2表示相机；3反射镜；4表示测量物体。
[0011]图3描述了格雷码解相获得的相位图；图3中，a表TK相对相位图；b表TK绝对相位图。
[0012]
【具体实施方式】
[0013]本发明专利描述了一种稳定的物体3D成像系统，该成像系统可以测量物体表面的三维结构信息，特别是针对牙科领域的光学数字印模应用。该成像系统利用投影仪产生多帧格雷码结构光，该结构光通过投影光路照射目标物体，通过成像光学光路，相机获取物体的图像，利用主动三角测量原理进行计算，进而获得物体的3D结构信息。
[0014]在图1中，描述了一种根据三角测量原理的3D成像系统。图1中2表示投影光，投影光由投影仪产生，投影光经过投影光路照射到图1中物体I。图1中3表示物体的反射光，反射光经过成像光路进入相机中，相机成像。经过投影序列结构光和相机多次成像，根据三角测量原理可以计算物体的三维结构，进而进行三维成像。
[0015]图2表示了腔内3D光学成像系统的结构图。投影仪4根据输入图像生成结构光，经过投影光路，经过反射镜3照射到被测量物体I上。物体的反射光线经过反射镜3，经过成像光路，在相机2上成像。经过多次投影结构光序列和多次成像，获得对应的结构光照射物体的结构光图像，利用三角测量原理，就可以获得当前物体的3D结构信息。
[0016]图3表示经过格雷码解相技术获得的物体相位。图3.a表示相对相位,该示例中使用了 8个分组，也可以根据需求使用不同数目的分组。图3.b表示绝对相位。绝对相位是由相位相对经过空间相位展开技术获得的。
[0017]由于测量的口腔最大的容忍精度大概是100微米，由于测量过程中其他步骤可能带来不确定因素，所以牙科用3D成像系统的精度若能达到25微米，那么是满足口腔应用的。由于测量的物体存在各种弯曲和不平坦表面，为了兼顾精度和光线遮挡，投影光路中心光路和成像光路中心光路的夹角一般要求小于十度，该测量夹角如图2中的α ο测量夹角直接和测量精度有关，一个可以接受的测量夹角范围是2度到10度。
[0018]本发明解决其技术问题采用的技术方案是:
(1)根据需要产生格雷码图像序列:pl，p2，……pn，每个格雷码图像都是由多组格雷码图像组成；
(2)利用投影仪将格雷码图像piU=l，2，……η}转换为结构光，经过投影光学系统照射到物体上；
(3)利用相机拍摄物体图像；
(4)重复步骤(2)、(3)获得物体的格雷码序列图像；
(5)利用格雷解相技术获得图像的相对相位；
(6)利用空间相位展开技术获得图像的绝对相位；
(7)利用标定的相机和投影仪数据，使用三角测量原理获得物体的光学3D印模；
(8)如果一次光学印模不能覆盖要求的物体表面，可以调整取像角度，重复(2)-(7)，获得另一个角度的光学3D印模；
(9)通过配准融合技术，将多次获得的3D光学印模生成一个完整的物体表面光学3D印模。
[0019]由于牙科口内图像的对比度，投影仪的光度线性度差，投影光的均匀度也比较差，这里采用格雷结构光进行3D结构信息获取，将大大提升3D结构重建的稳定性，提高效率。由于使用了分组格雷码结构光技术和空间相位展开技术，在同样精度要求下，这就大大减少了投影结构光的次数，进而提升系统的成像速度。
[0020]本发明专利的有益效果是，该物体表面3D成像系统，由于利用了格雷码解相和空间相位展开技术，系统对于投影仪的光照性能要求低，系统结构简单，计算简单，结果稳定，测量精度高。
【主权项】
1.一种稳定快速的物体表面3D成像系统，根据要求设计特定的格雷码图像序列，格雷码图像序列输入到投影仪中，投影仪产生多帧格雷码结构光照射目标物体，光经过反射后，经过成像光路，进入相机，进而获取物体的图像，利用主动三角测量原理进行计算，进而获得物体的3D结构信息，该系统结构简单，计算简单，结果稳定。2.根据权利要求1所描述的系统，其特征在于该系统包含投影光路和成像光路，也就是说包含两套光学系统:投影光学系统和成像光学系统。3.根据权利要求1所描述的系统，其特征在于该系统为了达到测量口腔内物体表面结构的目的，在成像系统前端使用反射镜。4.根据权利要求1所描述的系统，其特征在于投影光路中心光路与成像光路中心光路所成的测量夹角范围是2度到10度。5.根据权利要求1所描述的系统，其特征在于投影结构光由投影仪产生。6.根据权利要求1所描述的系统，其特征在于计算图像的相位时采用分组格雷码解相技术。7.根据权利要求1所描述的系统，其特征在于计算图像的相位时采用采用分组格雷码解相技术和空间相位展开技术。8.根据权利要求1所描述的系统，其特征在于该系统可以应用在牙科光学印模获取，但也可应用于其他腔内光学印模获取的应用中。
【文档编号】A61C9/00GK105982751SQ201510052803
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月2日
【发明人】王辉
【申请人】王辉