专利名称：一种计算机双目视觉义齿扫描装置及其三维重建方法
技术领域：
本发明涉及测量、测试技术领域的义齿扫描技术，具体的说是一种计算机双目视 觉的义齿扫描装置及其三维重建方法。
背景技术：
计算机视觉技术的发展为非接触式三维测量技术在逆向工程、工业检测和质量控 制等方面的应用提供了有力的技术支撑，同时，在这些领域日益广泛的应用也促进了视觉 三维测量技术的发展。如结构光测量仪，采用线激光或光谱式激光的三角测量法。计算机视 觉测量技术以其方便、快捷和测量精确等特点在义齿扫描设备中获得了广泛的应用。目前， 采用非接触式计算机视觉三维测量技术的义齿扫描设备主要采用两种方法，一种是在测量 义齿时，向义齿的表面投射面光栅，由一个CCD相机拍摄图像，提取义齿表面的三维点采样 数据，在测量过程中义齿及相机都没有移动，这种方法需要复杂的光栅投射装置。另一种方 法是，向义齿表面投射线结构光，然后由一个CCD相机拍摄图像，提取光条在义齿表面的三 维采样点，随着放置义齿的底座的不断旋转，就获得了义齿整个表面的三维点采样点数据， 每旋转一定的角度CCD相机拍摄一张图像，通过计算机精确控制的旋转角度将所有数据融 合在一起，这种方法要求有精确控制的旋转机构，结构复杂，造价昂贵，维护费用也高。
发明内容
针对当前义齿扫描设备结构复杂、价格昂贵的不足，本发明要解决的技术问题是 提供一种采用简单的机械结构和控制方法便可以实现高精度测量的计算机双目视觉义齿 扫描装置及其三维重建方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是本发明计算机双目视觉义齿扫描装置包括线结构光视觉采集部分、旋转测量台 及其控制部分以及箱体，其中线结构光视觉采集部分包括2台高分辨率数字CCD摄像机，一个线结构光线激光 器，2台高分辨率数字CCD摄像机位于旋转测量台及其控制部分中心侧上方，以线结构光线 激光器为中心对称分布；旋转测量台及其控制部分包括旋转测量台及其驱动机构和第1、2附件，第1、2附 件设于旋转测量台上，第1附件为一用于放置并夹持义齿牙模的平台，第2附件通过紧固件 安装于旋转测量台上，第2附件上设置有标志点，旋转测量台通过驱动机构旋转；上述结构 安装于箱体中；上述CCD摄像机及镜头的数据输出端、线激光器的控制端以及旋转测量台 及其控制部分的控制端与外部控制计算机相连。本发明还具有照明部分，安装于箱体内顶部，其控制端与外部控制计算机相连；所 述驱动机构为交流变频调速电机；所述箱体内分为2层，上层容纳线结构光视觉采集部分， 下层容纳旋转测量台及其控制部分，第1、2附件及旋转测量台与其控制部分通过隔板隔 离，箱体正面设有门；门上对应第1、2附件及旋转测量台空间的位置为封闭玻璃。
本发明计算机双目视觉义齿扫描装置的三维重建方法包括以下步骤将义齿通过第2附件夹持放置在旋转测量台上的CXD摄像机的有效拍摄范围内；线结构光线激光器向义齿投射激光，在义齿表面形成一条曲线光条；启动驱动机构带动旋转测量台连续旋转；两个CCD摄像机摄取图像，通过图像接口卡将图像数据传输至外部控制计算机进 行处理，得到整个义齿表面的三维点数据。外部控制计算机对图像进行处理包括以下步骤对已接收到的旋转测量台旋转一周的所有图像提取标志点中心和光条中心线；利用双目立体视觉方法计算每帧图像标志点的中心点和光条的中心线三维坐标， 获得该光条在义齿表面的三维数据点集；利用标志点中心点三维坐标的特征矢量获得标志点之间的对应关系，根据上述对 应关系计算各帧图像形成的坐标系之间的变换矩阵，通过变换矩阵将各个坐标系下的光条 在义齿表面的三维数据融合在一个坐标系下，得到义齿完整表面的三维采样数据。所述光条中心线提取包括对摄取的所有图像采用中值滤波器消除图像中的孤立噪声点；利用大津阈值法求出整幅图像二值化的阈值，对图像进行二值化处理；对二值化的图像进行细化处理，利用改进的OPTA细化算法，构建5 8个消除模 板和4 6个保留模板，对光条进行细化；细化得到的光条的骨架进行剪枝处理，得到粗略的线结构光条骨架；以细化得到的光条骨架为中心线，沿骨架上每个点的法线方向在光条上取η个 点，组成一个像素点集；利用该像素点集的坐标和灰度值拟合二次曲线方程；依次遍历骨架上的其他点， 求出整个光条的亚像素中心点。所述计算每帧图像标志点中心和光条中心线的三维坐标0(w，Yw，zw)通过以下公式
实现
权利要求
1.一种计算机双目视觉义齿扫描装置，其特征在于包括线结构光视觉采集部分(1)、 旋转测量台及其控制部分⑵以及箱体(3)，其中线结构光视觉采集部分(1)包括2台高分辨率数字CCD摄像机(11)，一个线结构光线 激光器(1 ，2台高分辨率数字CCD摄像机(11)位于旋转测量台及其控制部分O)中心侧 上方，以线结构光线激光器(12)为中心对称分布；旋转测量台及其控制部分( 包括旋转测量台及其驱动机构和第1、2附件02、 23)，第1、2附件(22、2；3)设于旋转测量台Ql)上，第1附件0 为一放置并夹持义齿牙 模的平台，第2附件03)上设置有标志点，旋转测量台通过驱动机构旋转；上述结构 安装于箱体(3)中；上述CCD摄像机及镜头(11)的数据输出端、线激光器(12)的控制端以 及旋转测量台及其控制部分的控制端与外部控制计算机相连。
2.按权利要求1所述的计算机双目视觉义齿扫描装置，其特征在于还具有照明部分， 安装于箱体内顶部，其控制端与外部控制计算机相连。
3.按权利要求1所述的计算机双目视觉义齿扫描装置，其特征在于所述驱动机构为 交流变频调速电机。
4.按权利要求1所述的计算机双目视觉义齿扫描装置，其特征在于所述箱体(3)内 分为2层，上层容纳线结构光视觉采集部分(1)，下层容纳旋转测量台及其控制部分，第 1、2附件(22、23)及旋转测量台与其控制部分(2)通过隔板隔离，箱体(3)正面设有 门。
5.按权利要求4所述的计算机双目视觉义齿扫描装置，其特征在于所述门上对应第 1、2附件(22、23)及旋转测量台空间的位置为封闭玻璃。
6.一种计算机双目视觉义齿扫描装置的三维重建方法，其特征在于包括以下步骤将义齿通过第2附件夹持放置在旋转测量台上的CCD摄像机(11)的有效拍摄范围内；线结构光线激光器(12)向义齿投射激光，在义齿表面形成一条曲线光条；启动驱动机构带动旋转测量台连续旋转；两个CCD摄像机(11)摄取图像，通过图像接口卡将图像数据传输至外部控制计算机进 行处理，得到整个义齿表面的三维点数据。
7.按权利要求6所述的计算机双目视觉义齿扫描装置的三维重建方法，其特征在于外 部控制计算机对图像进行处理包括以下步骤对已接收到的旋转测量台旋转一周的所有图像提取标志点中心和光条中心线；利用双目立体视觉方法计算每帧图像标志点的中心点和光条的中心线三维坐标，获得 该光条在义齿表面的三维数据点集；利用标志点中心点三维坐标的特征矢量获得标志点之间的对应关系，根据上述对应关 系计算各帧图像形成的坐标系之间的变换矩阵，通过变换矩阵将各个坐标系下的光条在义 齿表面的三维数据融合在一个坐标系下，得到义齿完整表面的三维采样数据。
8.按权利要求7所述的计算机双目视觉义齿扫描装置的三维重建方法，其特征在于步 骤所述光条中心线提取包括对摄取的所有图像采用中值滤波器消除图像中的孤立噪声点；利用大津阈值法求出整幅图像二值化的阈值，对图像进行二值化处理；对二值化的图像进行细化处理，利用改进的OPTA细化算法，构建5 8个消除模板和 4 6个保留模板，对光条进行细化；细化得到的光条的骨架进行剪枝处理，得到粗略的线结构光条骨架； 以细化得到的光条骨架为中心线，沿骨架上每个点的法线方向在光条上取η个点，组 成一个像素点集；利用该像素点集的坐标和灰度值拟合二次曲线方程；依次遍历骨架上的其他点，求出 整个光条的亚像素中心点。
9.按权利要求8所述的计算机双目视觉义齿扫描装置的三维重建方法，其特征在于 步骤所述计算每帧图像标志点中心和光条中心线的三维坐标0(W，YW，Zff)通过以下公式实 现
10.按权利要求8所述的计算机双目视觉义齿扫描装置的三维重建方法，其特征在于 步骤所述利用标志点中心三维坐标的特征矢量获得标志点之间的对应关系包括利用标志点中心的三维坐标计算在每个坐标系下每个标志点中心与其他标志点中心 的矢量，并计算每个标志点的矢量积形成的特征矢量；比较各个坐标系下每个标志点的特征矢量，得到各个坐标系之间的标志点的对应关系。
全文摘要
本发明涉及一种计算机双目视觉的义齿扫描装置及其三维重建方法，包括线结构光视觉采集部分、旋转测量台及其控制部分以及箱体，其中线结构光视觉采集部分中2台高分辨率数字CCD摄像机位于旋转测量台及其控制部分中心侧上方，以线结构光线激光器为中心对称分布；旋转测量台及其控制部分中第1、2附件设于旋转测量台上，旋转测量台通过驱动机构旋转；上述结构安装于箱体中；方法为将义齿放置在旋转测量台上；线结构光线激光器向义齿投射激光；驱动机构带动旋转测量台连续旋转；两个CCD摄像机摄取图像，传输至外部控制计算机进行处理，得到义齿表面的三维点数据。本发明机械结构和控制方法不需要变速控制，并且对电机的主轴转动没有精度要求，便于操作，扫描精度高。
文档编号G01B11/25GK102062588SQ200910219799
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者于彦凤, 付生鹏, 刘伟军, 夏仁波, 赵吉宾 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所