专利名称：提高对目标的三维观测的显著性的方法
技术领域：
本发明涉及提高用光学检取元件(pick-up)、投影图案和三角测量计算对目标作三维观测的显著性的方法，其中，把一个编码的图案投影在目标上，以避免估算图象数据的变化。
为了进行观测，根据光学原理工作的方法提供了大量的好处。能够迅速而不接触地进行观测。现有技术包括电子图象变换器(例如，CCD阵列)，在对它的输出信号进行数字化之后，能够直接对其进行存储或估算。
用于对空间表面的表示和三维的光学观测的方法和装置是已知的。它们根据三角测量方法，其中，把点、线或任何其他图形以已知的角度投影在观测面上，并且从一个不同于投影角的观测角用光学系统和图象变换器来检取投影图案。在投影方向和检取方向之间的已知的几何关系允许对该表面的内插点进行三维计算。
例如，如果把一个规则的线状图案投影在一个具有空间广度的目标上，当观测方向与投影方向不同时，取决于目标的表面形状而产生一个畸变的线状图案。如果用一个合适的光学系统使这个目标根据这个观测方向在CCD阵列上成象，并且如果图象信号被数字化并可提供给一个数据处理装置，则可以对图象中的不同位置处的线段加以识别，而当光束路径已知，并且考虑投影线状图案的几何结构时，可以通过三角测量来计算3D坐标。
对于目标的简单的空间结构，根据成象的线段的相互隔开的相对距离能够计算增量坐标。
然而，人们知道，在某些几何条件下，要被观测的表面的高度轮廓能够导致显著的误差。如果目标相对于投影和/或检取方向具有凹入部分(undercut)，则图象中相邻的线在实际上并不绝对显然是相邻投影的线。如果不曾表示个别的线，则有多少条线被“取消”也是不知道的。在本文中，把“凹入部分”理解为这样一种三维轮廓的结构，作为观看或投影方向的结果，该轮廓被目标本身的一些部分覆盖，因而不能为观看或投影所接受。
在欧洲专利申请第0 250 993号中，描写了一种制造陶瓷镶嵌物的系统，其中，使用光学的三维(3D)测量装置来观测牙齿中的蛀洞。这里，强调“最佳观看”的重要性的理由有二。首先，为了能把检取装置相对于观看和投影方向对准，从而目标的有关的表面部分能够用单个图象检取装置检取，第二，为了不进行由于凹入部分引起的3D坐标的错误计算。在这方面，由于可部分得到对比物数据，建议在计算中对线段“加权”。然而，当目标的表面结构相对于对比物有不同时，这只能部分地减少错误计算的可能性、把三维表面的部分数据组合成总体数据在现有技术中是已知的，该部分数据是用所谓的“匹配算法”，使用相应的表面部分的3D坐标，根据从不同方向检取的单个图象得到的。显然，关于所包含的坐标的正确性的变更和疑问使有用的数字计算变得不可能，在检取过程期间，当自动和在线进行这种计算时，尤其如此。
因此，本发明的目的是提供提高目标的三维观测的显著性的方法，目标的类型在引言中描述，用这种方法，当进行观看时，投影图案的每个区域能够在图象检取装置中被清楚地识别，要求是，按上面描述的方式，关于观看和投影方向没有表面连续性。
按照本发明，用这样的方法可以达到这个目的，其中，为进行目标(它具有空间广度)的三维观测(按三角测量方法)而投影的图案区域被编码，从而使用部分的图象，即可识别与投影图案的相应区域的关系。通过已知光束路径和投影图案的几何结构，以及通过已知在图象检取装置中的相应的图案部分的位置，用简单的三角测量计算能确定3D绝对坐标。
现在当投影图案的部分落入阴影区域时，仍能部分地识别图案，因而能进行严格的3D计算。虽然不可能相对于阴影区域进行表面的三维观测，但对于其他区域却是可能的，因为图案的有关部分有清楚的关联性。
可以想象，在某些条件下，与简单的条形图案相比，编码图案的结构减少了可计算的3D数据的数目。然而，不管是否补充在个别图象中由于凹入部分而丢失的数据，或者不受在单个图象中检取装置的视场的限制，而代表比可能的目标更大的目标，如果检取装置相对于目标作低速运动，并且在此期间，取得不同的单个图象的一个序列，通过把与单个图象相关联的数据作适当的组合，就能缩减3D数据，并连续地完成。
用按照本发明的方法，在上述意义下，避免了三角测量计算中的改变因而提高了这些计算的显著性。
在本发明的意义中，“编码”意思是指投影图案的区域，这些区域对于它们的几何结构和/或范围和/或它们其他的(例如，有色的)结构而言可明显地加以区别。
如果用直线图案作为投影图案，当这些直线被固定在观看和投影的方向之间的平面平行的一个实质的分量所破坏时，可以得到与3D计算相关的数据。
当使用直线图案时，按照本发明，能对这些直线有利地编码，例如，通过在各条直线内改变线的粗细。为此，可以使用二进制、其它的离散和模拟的编码。
如果，例如，首先，把亮的直线投影在目标上，其次，在数据处理装置的存储器中的数字化的图象数据的对比数据是平面的，即，按行和列组织，以及第三，列数据例如代表沿固定在检取和投影方向之间的平面方向的图象数据，能用合适的算法为计算3D绝对坐标的数据进行自动估算，从而沿图象中的空隙检查对比数据，以与暗/亮/晴图案序列相应。对于次象素(sub-pixel)估算，合适的统计和数字方法(诸如互相关、Wiener滤波器等等)也是已知的。
如果现在已知图案相关性的列位置，即，已识别一条直线，通过边缘跟踪，现在能够考察在相邻列中的线的走向和结构。使用现有技术中对于图案识别已知的方法，可以对直线本身相对于其结构并由此相对于其编码进行研究。
结果，首先，已知列位置，在那里已记录了图案的直线以及它的主要集中点，以及其次，对相应的线段已译码；因此线段能被清楚地分派给用作投影的未畸变图案中的图案的相应位置。根据这些数据，用三角测量计算，能够确定目标的被观看表面的相应点的3D坐标。
如果用所述的方法还对同一列中的其他直线进行了识别，并且如果把这种方法用于其他列，则能得到许多坐标，它们在一起相应于目标的表面上的各别的点，在现有技术中已知这种用以描述结构的所谓“散布”(scatter)。根据现有技术也已知对散布的进一步的数据处理，例如，为了形成网格系统结构或表面片段。
特别，对于医学应用，用本方法可以作出准确的三维数字描述，使之可以无需空间模拟(诸如，例如，石膏型铸造)即可以三维内容提供发现或报告，或计算机辅助生产治疗装置(诸如，例如，牙托、补换牙、种牙)。
按照本发明，沿观看的有关直线交替地以单倍和双倍的线粗细安排线段的做法是有利的。如果，例如，再加上使用长、短线段，则类似于Morse代码就能对直线作不同的编码，其做法是用具有单倍/双倍的线粗细对长、短线段作改变。现在，当直线落入阴影区域时，仍然能够对于每个各别的可见线段(它包含了完整的编码)进行3D绝对坐标的计算，而不需要对于其他直线或线段的数据。
按照本发明，特别改变清楚地几何结构中的特定图案部分的黑/白比值是有利的，以能够用有关的黑/白比值把图案的一部分与其他部分区分开来。按照本发明，特别有利的是，把带有不同的黑色含量的线段按直线或同心的方式排列。
按照本发明，在特定的图案部分中的直线中安排间隙，以及由这些间隙的不同结构改变图案部分是有利的。
按照本发明，除了图案的黑/白结构之外，采取图案的有色编码特别有利。当把直线用作图案时，按照本发明，例如，每条直线做成不同的颜色是有利的。这样，每条直线的数据密度完全被保留；仍然清楚地识别每条直线，只要检取的表面的颜色含量允许作这种区分。
在本发明的意义中，“颜色”是指可见、红外和/或紫外光的谱线和光谱范围的选择。在这种定义的意义下，是由特定的光谱或光谱范围所产生和可选地由加色混合(additive colour mixing)还是由吸收来滤光或从一较宽的光谱可选地作减色混合(subtractive colour mixing)形成颜色的，并不重要。
在本发明的意义中，把“黑色”用作基本上不点亮和/或由于吸收基本上没有后反射或透穿照射的分量的同义语。
在本发明的意义中，把“白色”用作具有宽的光谱频带的点亮和对于具有宽光谱频带的向后反射或透穿照射的分量的同义语。
按照本发明，在本发明中描述的方法的所有结构能以许多种不同的方式特别有利地相互组合。
从下面参照附图对较佳实施例的描述，将能明白本发明的其他优点、特征和可能的应用。
在附图中，
图1和图2部分示意地示出编码图案的实施例，用来对目标进行三维观测的光学检取，其做法是按照本发明进行图案投影和三角测量计算。
在图1所示的直线图案中，沿各条直线，线的粗细以单倍或双倍宽度(线的粗细)的有规则重复的序列交替地构成，从而在一个确定的直线部分中，具有单倍和双倍线的粗细的线段长度的比例是逐条直线不相同的。由于这一点，以类似的方式使用在信号处理中普通使用的表示，换言之，人们可以在图案的周期性中述及不同的黑-白脉冲占空比。
除了对图案的部分编码之外，示于图1的实施例的特点在于，由于图案的特殊结构，可以得到高密度的可计算内插点。
图2示出同心图案单元的一种安排，其中，对各个单元如此编码，从而，第一，内圆以90°段不同地变黑，第二，外同心环以90°段不同地变黑，以及第三，外同心环图案的角位置对其上的单元安排做得不同。示于图2的实施例除了对图案部分编码之外，还由于下述原因而显示出特色a)通过各个图案单元的不同结构的所述的三种可能性，能够得出编码的很高的显著性，b)能够相互可靠地区分大量的单元，和/或c)为了检验，可以表示冗余数据，d)图案单元的同心结构适合地自动图案识别，以及e)采用图案识别算法，内圆和不同结构适合于在投影图案的畸变图象中精确地确定位置。
权利要求
1．一种通过光学检取、投影图案和三角测度计算提高三维目标观测的显著性的方法，其特征在于，所述投影图案的不同区域具有不同的结构并由此被编码。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图案包括至少两个几何单元，由不同的结构对它们编码。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于，不同构造的所述几何单元大体上是按直线的方式延伸的。
4．如权利要求2所述的方法，其特征在于，不同构造的所述几何单元是大体上按同心的方式延伸的。
5．如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述图案的不同构造的区域相对于线的粗细具有差别，并因此被编码。
6．如权利要求2至5之一所述的方法，其特征在于，所述图案的不同构造的几何单元由于间隙而有差别，并因此被编码。
7．如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述图案的不同构造的图案区域相对于所着颜色和/或黑/白含量具有差别，并因此被编码。
8．如权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，根据图象数据，对来自被检取的目标的表面的至少两个区域的至少一点的每一点计算3D坐标，在检取期间，把所述图案的不同编码的区域投影在所述目标上。
9．把按照权利要求1至8之一的方法用于医学诊断、治疗或提供文件。
全文摘要
揭示了一种通过光学记录、投影样本和三角测量提高计算三维目标测量的显著性的方法,为此把编码样本投影在目标上,以在估算图象数据期间防止重复性。本方法对于医学诊断、治疗和提供文件特别有用。
文档编号G01B11/24GK1231724SQ97197836
公开日1999年10月13日 申请日期1997年8月19日 优先权日1996年9月12日
发明者吕德格·鲁伯特 申请人:叙林克斯医学技术有限公司