用于三维计量系统的强度和彩色显示的制作方法
【专利说明】用于三维计量系统的强度和彩色显示
本申请是申请日为2010年2月19日、申请号为201080009286.X、发明创造名称为“用于三维计量系统的强度和彩色显示”的申请的分案申请。
[0001]相关申请
本申请要求保护以下专利申请的较早提交日期的权益并且将它们全文合并在此以作参考:2009年2月25日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/155，200，其标题为“Lofting a Two-Dimens1nal Image onto a Three-Dimens1nal Metrology Surface(将二维图像提升到三维计量表面上)”；2009年2月25日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/155，260，其标题为‘‘Integrating True ColorImaging into a Three-Dimens1nalMetrology System(将真彩色成像集成到三维计量系统中)”；以及2009年5月20日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/179，800，其标题为“Shape and Shade True ColorDisplay in a Dynamic Three-Dimens1nalMetrology System(动态三维计量系统中的形状和阴影真彩色显示)”。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及无接触三维计量的领域，并且更具体地涉及生成对于三维表面测量数据的灰度和彩色显示。
【背景技术】
[0003]已经针对各种应用(比如牙齿和医疗3D成像应用)开发了基于共焦成像、结构化光投影以及条纹干涉的精确无接触三维(“3D”)计量技术。一般来说，这些技术基于采集二维图像集合，并且对所述图像进行处理以便生成表示被测量的对象的表面上的各点的点云。用户通常难以解释显示在监视器上的3D点云，尤其在所显示的表面的至少一部分处于所显示的表面的另一部分后方的情况下。有经验的用户常常依赖于所引发的显示运动来更好地区别或解释不同的表面层。
[0004]可以对3D点云中的每一点应用人工描影或着色来改进解释。可替换地，可以通过在每一个3D点与其在3D点云中的三个靠近点之间产生三角曲面而生成人工表面。可以对所述三角曲面人工描影或着色以帮助解释。虽然这些技术可以改进正确地解释所显示的3D数据的能力，但是结果得到的图像通常看起来明显不同于对象表面的直接观察。
【发明内容】
[0005]在一个方面，本发明的特征在于一种用于生成3D计量表面的显示的方法。所述方法包括:在点75:坐标空间内确定对象表面的3D点75:表不。在摄影机坐标空间内米集对象的图像。将所述图像映射到所述3D点云表示上，以便生成所述对象表面的显示。在一个实施例中，在把图像映射到3D点云表示上之前，将所述图像从摄影机坐标空间变换到点云坐标空间。
[0006]在另一方面，本发明的特征在于一种用于生成3D计量表面的显示的设备。所述设备包括计量系统、成像系统以及处理器。所述计量系统在点云坐标空间内确定对象表面的3D点云表示。所述成像系统被配置成在摄影机坐标空间内采集所述对象表面的图像。所述处理器与计量系统和成像系统进行通信。所述处理器被配置成将所述对象表面的图像映射到所述3D点云表示上，从而生成所述对象表面的显示。
【附图说明】
[0007]通过结合附图参考下述描述可以更好地理解本发明的上述和其它优点，在附图中相似的数字指示各个图中相似的结构元件和特征。所述图不一定按比例，反而将重点放在说明本发明的原理上。
[0008]图1是根据本发明的用于生成3D计量表面的显示的设备的一个实施例的框图。
[0009]图2是根据本发明的用于生成3D计量表面的显示的方法的一个实施例的流程图表不。
[0010]图3图示了本领域内已知的无接触3D计量系统的一个示例配置。
[0011]图4图示了根据本发明的一个实施例的图1的成像系统。
[0012]图5图示了根据本发明的另一个实施例的图1的成像系统。
[0013]图6是根据本发明的用于生成3D计量表面的显示的方法的另一个实施例的流程图表示。
[0014]图7是根据本发明的用于生成3D计量表面的显示的设备的另一个实施例的框图。
[0015]图8是根据本发明的用于生成3D计量表面的显示的方法的另一个实施例的流程图表示。
[0016]图9是根据本发明的用于生成3D计量表面的显示的方法的另一个实施例的流程图表示。
【具体实施方式】
[0017]简短地概括来说，本发明涉及一种用于生成3D计量表面的显示的方法和设备。所述方法包括:在点云坐标空间内确定对象表面的3D点云表示。在摄影机坐标空间内采集对象的图像，并且将其映射到所述3D点云表示上，以便生成所述对象表面的显示。如果必要的话，在所述图像被映射到3D点云表示上之前，将其从摄影机坐标空间变换到点云坐标空间。
[0018]下面将参照如如附图中所示的其各示例性实施例更加详细地描述本教导。虽然结合各个实施例和示例描述了本教导，但是不意图将本教导限制于这样的实施例。相反，正如本领域技术人员将会认识到的那样，本教导包含各种替换、修改以及等效。可以获得这里的教导的本领域普通技术人员将认识到落在如这里所描述的本公开内容的范围内的附加实现方式、修改和实施例以及其他使用领域。
[0019]图1示出了根据本发明的用于生成3D计量表面的显示的设备10的一个实施例。图2是用于生成3D计量表面的显示的方法100的一个实施例的流程图表示。设备10包括与处理器22进行通信的计量系统14和成像系统18。计量系统14确定(步骤110)被测量的对象26的表面的3D点云表示，并且成像系统18采集(步骤120)对象26的所述表面的二维(“2D”)图像。所述图像可以是具有灰度数据的单色图像。可替换地，所述图像可以是本领域内已知的彩色图像，比如RBG图像。图像数据被引用到摄影机坐标空间，所述摄影机坐标空间通常由成像单元(例如摄影机像素)阵列以及在所述阵列上生成对象的图像的光学组件来定义。
[0020]处理器22接收来自计量系统14的3D点云数据以及来自成像系统18的图像数据。处理器22把来自摄影机坐标空间的表面图像变换(步骤130)到3D点云的坐标空间中，并且把经过变换的图像映射(步骤140)到3D点云表示上。所述3D点云和经过映射的图像在显示模块30上作为单个显示被呈现给用户，从而使得用户能够更加容易地解释对于对象表面的3D测量数据。在一个实施例中，处理器22包括第一处理器和第二处理器。第一处理器执行图像从摄影机坐标空间到3D点云坐标空间的变换(步骤130)，并且第二处理器执行经过变换的图像到3D点云表示上的映射(步骤140)。
[0021]可以按照多种格式当中的任一种在用户显示器中呈现3D点云。举例来说，所述3D点云可以被呈现为丝网表面。所述丝网表面通常是通过渲染把所述点云中的每一个3D点与相邻各3D点连接起来的线而产生的。一般来说，所述丝网表面中的相邻点意味着三个最近点的其中之一。在另一个实施例中，所述3D点云被呈现为本领域内已知的人工表面，其是通过渲染3D点云中的每一点与其三个相邻点之间的三角曲面而产生的。
[0022]各种类型的3D计量系统可以被用来生成3D点云表示，其中包括基于共焦显微镜检查、结构化光图案(其在形状、尺寸、强度和/或颜色方面有变化)的投影以及干涉条纹投影的计量系统。图3示出了无接触计量系统14’的一个示例，其包括计量投影源34、计量摄影机38以及计量处理器42，正如本领域内已知的那样。投影源34和摄影机38在位置上相对于彼此固定，以便准确地保持其各自光轴36和40之间的三角测量角度α。投影源34被配置成利用不同的光学图案照明对象26，所述光学图案比如阴影掩模图案或干涉条纹图案。摄影机38是电荷耦合器件(CCD)摄影机或者本领域内已知的其他数字成像摄影机。典型地，由摄影机38采集三个或更多2D图像的集合，其中每一个2D图像对应于对象表面上的不同照明图案或者处于不同位置或相位的共同照明图案。计量处理器42接收来自摄影机38的图像并且对于每一个摄影机像素计算从摄影机38到对象26的距离。所计算的距离被用于生成3D点云数据，其包括处在对应于所述对象表面上的各点的坐标处的3D点。
[0023]在一些实施例中，计量系统14’生成动态3D点云表示。举例来说，计量系统14’可以是口内3D成像系统的一部分，其中所述计量系统在测量过程期间关于被测量对象(例如牙齿结构)移动。对于这样的系统，处理多个2D图像集合以便生成一系列部分重叠的3D点云。每一个3D点云通常与一个摄影机坐标空间相关联，该摄影机坐标空间不同于其他3D点云的摄影机坐标空间。计量处理器42利用3D相关技术或本领域内已知的其他技术配准相邻3D点云的重叠区域。因此，每一个相继的3D点云被编织(stitch)到对应于初始摄影机位置的坐标空间内。
[0024]图4示出了图1中所示的成像系统18的一个实施例，其包括彩色摄影机46、宽带光源50以及与摄影机46、光源50和处理器22进行通信的控制模块54。宽带光源50生成白色光或者生成其光谱分布足以照明对象26而不会显著更改对象26关于该对象26的真彩色的外观的光。宽带光源50可以是白色发光二极管