牙齿阴影映射的制作方法

专利名称：牙齿阴影映射的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及用于牙齿颜色测量的方法和系统，并且更具体地，本发明涉及一种数字方法和系统，用于确定用于天然牙齿、参考阴影样本以及人造假牙的颜色阴影信息。
背景技术：
现代的牙齿修复程序通常需要精确的颜色匹配，例如用于填充材料和诸如牙冠、 植入物、固定的部分假牙以及牙罩冠等修复物的制造。用于这些程序的材料，例如陶瓷和其他材料，可以被精巧地成形和处理，以紧密地匹配天然牙齿的形状、纹理、颜色和半透明性。广泛使用的用于确定和传达牙齿颜色信息的技术是称作“阴影匹配”的工艺，由此，牙医或技师在视觉上将病人的牙齿与一组或多组标准化的色标(shade guide)内的大量参考阴影样本或阴影标签中的一个相匹配。执行所述匹配的人员记录下匹配阴影标签的识别并将该信息传输到牙科实验室，然后在该牙科实验室中制造修复物或假体。该实验室然后使用其自身的一组相同的色标来贯穿整个制造过程执行修复物或假体的视觉颜色评价。视觉阴影匹配过程可以是高度主观的，并且遭遇大量问题。初始匹配程序通常是困难且冗长的，并且该过程耗费二十分钟或更长是常有的事情。在很多情况下，不存在完美地匹配病人牙齿的阴影标签。对牙齿的颜色进行精确建模的问题比使用阴影标签获得紧密的颜色匹配更为复杂。基于仪器和基于视觉的阴影匹配系统的固有缺点和限制能够通过考虑在匹配人的牙齿的外观时涉及的困难而更加全面地注意到。牙齿颜色本身源自多种有机和无机成分的反射、透射、折射、荧光作用以及散射的相对复杂的相互作用。其受到齿髓体积、牙齿状况、珐琅质成分的不同以及牙齿组织的组分、结构和厚度的不同的影响。这种复杂性的一个结果是，颜色表现和颜色测量受到照明几何体、光谱、周围颜色以及其他环境因素极大的影响。更为复杂的是，单个牙齿内的颜色通常不统一。颜色的不统一性通常源自组分、结构、厚度、内部和外部应力、表面纹理、裂缝、裂纹以及湿度的空间差异。结果，在相对较大区域上采取的措施产生可能不能代表牙齿的主要颜色的平均值。此外，天然颜色差异和不统一性使得不太可能通过任何单个阴影标签来精确地匹配给定的牙齿。这意味着需要一种用于传输牙齿内的颜色分布而不仅仅是其平均颜色的方法。另外，牙齿颜色很少在牙齿与牙齿之间是统一的。因此，修复物的理想颜色与相邻牙齿或病人口腔内的任何其他单个牙齿的颜色可能在视觉上不一致。另外，人们通常特别关注其牙齿的外观。能够理解的是，人们非常不能容忍在颜色上不合适的修复物。在装饰性牙科学中，制造实验室通常需要附加的信息以在除了简单的阴影匹配以外更精确地映射牙齿颜色。在实际中，牙医或技师除了阴影标签之外还可提供照片，使得制造实验室能够在牙齿的不同部分上调节颜色特性。这有助于提供一种类型的用于主观使用的颜色映射，并且具有与阴影标签相关的信息，该信息表示牙齿的其他部分中的颜色如何与阴影标签的颜色不同。
通常难以决定哪个标签最紧密地匹配(或者相反地，哪个标签具有最少的错配) 以及提供关于牙齿表面上的颜色差异的精确信息。医师常常判定病人的牙齿特别难以匹配，需要病人亲自来到将制造修复物的实验室。在该处，受过训练的实验室人员能够执行颜色匹配和颜色映射。在很多情况下，病人可能甚至需要返回到牙医和实验室处两次、三次或者甚至更多次，因为假体的颜色被顺序添加的陶瓷或其他着色材料细调。在多数情况下，对于一些假牙估计接近10%，，视觉颜色匹配程序仍然失败，并且已经制造的假牙被牙医或病人否认颜色或视觉一致。考虑到颜色匹配任务的相对难度以及颜色映射的进一步复杂性，高失败率丝毫不足为奇。相对较小色差的视觉颜色评价始终困难，并且牙齿颜色评价所必须进行的条件很可能导致大量复杂化的心理物理效果，如局部颜色适应性、局部亮度适应性以及侧向亮度适应性。另外，阴影标签至多提供对真正牙齿的同质异性(即，非光谱的)匹配；因此，匹配是照明敏感的，并且容易由于诸如例如观察者同质异性的人类颜色视觉的正常差异而有变化的倾向。响应于对牙科应用中改进的颜色匹配和颜色映射的需要，已经尝试了大量的方法。一些对此问题的解决方案具有下面的综合类型(i)基于RGB的装置。利用该方法，整个牙齿的图像在白色光照明下利用颜色传感器被捕捉。在牙齿表面的区域上根据传感器的3色信道的RGB (红色、绿色、蓝色)值，利用颜色校准转换，计算三色刺激值。基于RGB装置的颜色分析严重依赖捕捉图像的质量，并且需要稳健的校准并且可能需要使用相同的照相机用于牙齿和假体装置的匹配。这一要求可以是由于照相机本身的校准以及由于在照相机内执行的为了提供RGB数据的颜色预处理； 该预处理可以在一个照相机与下一个照相机之间显著不同，甚至对于来自同一制造商的照相机也不同。保持精度由于同质异性而趋于困难，其中测得的颜色高度取决于发光体。这是特别麻烦的，因为牙科测量和成像通常在与自然光照条件显著不同的条件下执行。以这种方式使用RGB测量并采用相应的颜色转换的示例包括=Murljacis的名为“牙齿阴影分析器系统和方法”的美国专利No. 5，766，006 ；Breton等人的名为“用于确定物体外观的方法和装置”的美国专利No. 6，008, 905 ；以及Giorgiarmi等人的名为“牙齿颜色成像系统”的美国专利 No. 7，064，830。(ii)比色测定装置。这类装置被设计成直接测量人眼察觉到的颜色。利用这类装置，照明光或反射光(在白色光照明下)在对应于眼睛的光谱响应特性或颜色匹配功能的三个波长带下被过滤，并且测得的反射信号被直接转化成三色刺激值。与(i)中描述的基于RGB的装置一样，这种类型的装置的测量也经受同质异性。一些使用该方法的示例包括Vieillef0sse的名为“用于确定诸如牙齿的半透明物体的颜色的方法和装置”的美国专利No. 5，383，020中所公开的(其需要光谱仪)和Overbeck等人的名为“光学测量装置和相关工艺”的美国专利No. 6，867，864中所公开的。(iii)光谱光度测量装置。这些装置使用光谱反射系数(spectral reflectance) 用于获得颜色数据。照明或反射光以光谱方式被扫描，并且被牙齿反射的光利用光传感器被记录作为波长的函数。然后从测得的光谱反射系数曲线计算视觉颜色，即CIE(国际照明委员会)三色刺激颜色信息。光谱光度测量装置不经受比色测定装置和基于RGB装置所固有的相同的同质异性趋势，并且潜在地带来更精确的颜色测量。然而，重要的是注意到光谱光度仪不是成像装置。光谱光度仪是使用光传感器在小区域内测量入射光的光谱内容的仪器。使用光谱光度测量装置的牙齿颜色测量的示例包括Berner的名为“用于确定特别是假牙的颜色的方法和装置”的美国专利No. 4，836，674和名为“用于确定物体的颜色刺激规格的方法和装置”的美国专利No. 6，038，024。尽管使用光谱光度测量方法获得的数据比比色测定和RGB方法提供了更精确颜色匹配的优点(包括同质异性的消除)，但是已经发现该方法难以在实际中实施。用于测量不同光谱分量的光扫描部件的使用——通常使用光栅或滤光轮——容易使光谱光度测量系统相当庞大和复杂。这使得难以例如朝嘴的后面测量牙齿。减轻该问题的尝试没有表现出很大的成功。作为一个示例，Jung等人的名为“用于确定物体的光学特性的装置”的美国专利No. 5，745，229提供了一种紧凑的光谱光度测量装置，其使用光纤将反射光引导到传感器的阵列，其中每个传感器使用不同的光谱过滤器。然而，如同通常的光谱光度测量装置一样(上面的iii)，该装置一次仅仅测量小面积的牙齿表面。为了获得整个牙齿表面的颜色映射，该方法需要大量单独的测量。图像捕捉过程是耗时的，并且不提供一致的结果。使用这种方法，颜色映射会不精确，因为在成像过程期间，存在对照明和成像捕捉角度以及探针方位的显著的敏感性。通常，传统的使用滤色器——无论是在发光体端或是在传感器端——的方法都是较不理想的，因为它们受到滤色器本身的限制。因此，存在对改进的测量装置的需要，该装置在执行简单的过程中提供牙齿阴影匹配和映射，具有高精度，但是没有高成本或复杂的部件。

发明内容
本发明的目的是推动牙科应用中的颜色阴影映射领域。在以此目的为构想下，本发明提供一种装置和方法，其使用光谱仪从牙齿的多颜色图像获得光谱反射系数数据而不具有复杂性。本发明的优点在于，其使用成像阵列用于在整个图像上获得光谱光度测量。这使得本发明的实施例能够容易地适用于口腔内照相机用途。此外，所提供的输出光谱光度测量颜色数据不经受同质异性，该同质异性会影响使用比色测量和RGB颜色匹配技术的方案。在本发明的实施例中使用的方法对牙齿图像的每个像素获取光谱反射系数数据，允许牙齿颜色的精确映射，包括牙齿的不同部分上的颜色差异。这些目的仅通过示例性的例子给出，并且这些目的可以是本发明的一个或多个实施例的示例。所公开的本发明固有地实现的其他理想目的和优点可以出现或者变得对本领域普通技术人员显而易见。本发明由所附权利要求限定。根据本发明的一个方面，提供了一种用于对牙科物体产生颜色映射的方法，该方法至少部分地由控制逻辑处理器来执行，所述方法包括根据用于牙齿的静态有效取样的一组光谱反射系数数据生成变换矩阵；在至少第一、第二和第三波长带上将照明引向牙科物体，一次一个波长带；对成像阵列中的多个像素中的每一个获取对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值；应用所述变换矩阵，从而通过根据获取的图像数据值以及根据在所述至少第一、第二和第三波长带下从参考物体获取的图像数据值对所述多个像素中的每一个生成一组视觉颜色值来形成颜色映射；以及将颜色映射存储在计算机可存取电子存储器中。


从下面对如附图所示的本发明实施例的更具体的描述中，本发明的上述及其他目的、特征和优点将显而易见。图中的元件相对于彼此并非一定成比例。图1是示意图，示出了用于获取牙齿的颜色测量的传统基于图像的装置中部件的布置。图2是示意图，示出了使用用于获取牙齿颜色值的颜色校正变换的早期方法。图3是示意性框图，示出了根据本发明的一个实施例的颜色映射装置。图4A是示出与特定波长相关的强度测量的图。图4B是示出用于在一个实施例中使用的光源的典型光谱特性的图。图4C是示出用于一个实施例中的宽频带传感器阵列的光谱响应特性的图。图5A是示意图，示出了使用传统的颜色匹配对每个像素获取的三色刺激数据。图5B是示意图，示出了使用本发明的装置和方法对每个像素获取的光谱反射系数数据。图6A是用于获取来自牙齿的视觉颜色映射数据的步骤的逻辑流程图。图6B是用于在替代性实施例中获取来自牙齿的光谱反射系数数据的步骤的逻辑流程图。图7是逻辑流程图，示出了根据本发明的一个实施例的用于形成变换矩阵的过程。图8是逻辑流程图，示出了根据本发明的替代性实施例的用于形成变换矩阵的过程。图9是逻辑流程图，示出了根据本发明的另一个替代性实施例的用于形成变换矩阵的过程。图10是逻辑流程图，示出了根据本发明的又一个替代性实施例的用于形成变换矩阵的过程。
具体实施例方式下面是参照附图进行的对本发明优选实施例的详细描述，在附图中，相同的附图标记指代多个图中每一个中的结构的相同元件。在本申请的上下文中，术语“窄带”用来描述在窄的波长范围内(如20-50nm宽) 发射其大部分输出光的LED或其他照明源。术语“宽带”用来描述在至少从大约400nm延伸到大约700nm的宽波长范围内对入射光表现出高敏感性的光传感器。由于这种类型的传感器响应于光但不区分颜色，所以其通常称作“单色”传感器，或者稍微不太精确地称作“黑白”传感器。在本申请的上下文中，术语“像素”对于“像素元件”具有如该术语为图像处理领域的普通技术人员所理解的共同的含义。物体的电子图像由一系列的光敏元件来捕捉，其中每个光敏元件提供用于形成图像数据的像素的信号。提供这里所示和描述的附图以便示出根据本发明的关键操作原理以及部件沿其相应的光学路径的关系，并不是为了示出实际尺寸或比例的目的而绘制的。为了强调基本结构关系或操作的原理，一些放大可能是必要的。为了实施所描述的实施例所需的一些传统部件(如各种类型的光学支架)未在图中示出，以便简化本发明自身的描述。在下面的附图和文本中，相似的部件被指定相似的附图标记，并且省略了关于已经描述的部件和部件的设置或相互作用的相似描述。在使用术语“第一”、“第二”等的情况下，其并不必然表示任何顺序或优先级关系，而是仅仅用来更清楚地彼此区分元件。术语“颜色”和“波长带”在本公开的上下文中基本上是同义地使用。例如，激光或其他固态光源由其一般颜色如红色来指代，而不是由其峰值输出波长(如635nm)或其波长带(如630-640nm)来指代。如这里使用的，术语“集合”指的是非空集合，因为组的元件或元素的集合的概念在初等数学中是被广泛理解的。除非另外明确说明，否则术语“子集”在此处用来指代非空的真子集，即较大集合的子集，具有一个或多个元素。对于集合S，子集可以包括全集S。然而，集合S的“真子集”严格地包含在集合S中，并且排除集合S的至少一个元素。在本公开的上下文中，术语“牙科物体”指的是用于口腔内使用或应用的物体、材料或者其他元件，并且包括牙齿、诸如牙冠、牙托、矫正器以及其他支撑物和修复桥的假体装置、填充材料、阴影匹配标签等。相比于旨在描述牙齿颜色的特征的一些尝试，本发明的装置和方法考虑了影响颜色测量的因素以及使精确地描述颜色的特征的任务复杂化的因素的组合。本发明的特定实施例识别并补偿诸如照明波长和检测器响应特性的可变因素，以便得到精确的颜色数据。 为了这样做，在本发明的实施例中使用的方法对牙齿或其他牙科物体的图像中的每个像素获取光谱反射系数数据，该光谱反射系数数据(spectral reflectance data)基本不受测量装置的光谱响应约束，并且能够用来提供适用于波长的任何组合上的发光体的颜色的客观测量。结果，当在取自具有已知光谱分布的一组可用发光体的任何发光体下观察时，在本发明中为牙齿颜色映射获取的数据能够用来重建物体的视觉颜色。为牙科物体生成的颜色映射然后被用于生成显示图像或与用于另一个物体或材料(如牙冠或其他牙科假体装置或填充材料)的颜色映射数据相比较。为牙科物体生成的颜色映射还能够例如用于设计和形成牙科假体装置。用于牙齿或其他牙科物体的颜色映射可以由相当大的量的数据构成， 并且一般作为数据文件存储在计算机可存取存储器中。参照图1，示出了用于获取牙齿颜色数据的传统成像装置10的示意性框图。照明源12将光导向牙齿20。捕捉模块18然后执行图像捕捉并向颜色重建模块22提供图像数据。输出是对应于牙齿表面上的点的一组视觉颜色值。图1的基本布置用于前面在背景技术部分中描述的基于图像的颜色测量方法中的每一种。例如，图2示出了用于执行在前面引用的Giorgiarmi等人的’ 830专利中描述的系统的示意图。在成像装置30中，照明源12向牙齿20提供白色光照明。透镜32将反射光导向传感器34，传感器34向每个像素提供相应的红色、绿色和蓝色值。颜色校正变换 36然后生成视觉颜色值作为用于每个图像点的输出。相比于图1和2所示的方法，本发明的装置和方法提供基于光谱反射系数使用颜色重建的颜色映射装置。该方法通过提供固有地更精确的一组关于牙齿的实际颜色特性的数据而优于基于RGB的装置和比色测量装置。有利地，该方法不经受同质异性(metamerism)，否则同质异性将导致取决于测量系统的发光体的测量。与普通的光谱光度测量装置不一样，本发明的装置和方法为牙齿图像中的每个像素获取光谱数据。另外，该信息利用成像阵列而非光传感器获得。本发明的实施例中使用的成像阵列是单色传感器，尽管如此，可以替代性地使用彩色传感器。本发明的装置和方法不仅为单个像素或相邻像素的组群获取精确的颜色测量，而且还由于使用成像装置而提供适当的信息用于在牙科物体的整个图像上进行精确的颜色映射。通过使用成像阵列获取光谱测量数据，本发明的实施例获得了允许对牙齿图像的每个像素生成光谱数据的测量。参照图3的示意图，颜色测量和映射装置40使用能够提供单独颜色的光的照明装置对。在一个实施例中，照明装置M由多个窄带光源14b、14g、14y和14r构成，示出为分别具有波长带λ1、λ2、λ3和λ4的彩色LED。在图3的实施例中，通过示例的方式示出了 4个LED ；可以存在任何数量的不同颜色，并且对于每种颜色可以存在多于单个的LED或其他光源。本实施例中的宽带成像传感器阵列44、CCD(电荷耦合装置)或CMOS(互补型金属氧化物半导体)成像阵列为每个像素提供一组对应于来自每个窄带光源的反射的输出值。 参考目标观是为了获取在修正系统中的强度波动时使用的参考强度测量而可选地设置的物体，这将在后面描述。在一个实施例中，参考目标观是灰色色标(gray patch)，其具有已知的光谱反射系数特性。参考目标观和牙齿20都位于成像透镜32的视场内。在替代性实施例中，参考目标观是不出现在像场内的物体，但却是用于获取参考和校正数据的单独装置。
为了利用图3所示的装置获取光谱数据，能够根据颜色组来激励LED或其他光源， 以每次一个颜色组的方式连续地快速激励，并且反射光的相应测量由成像传感器阵列44 获得。如图3中的拇指形式所示，这为牙齿图像的每个像素有效地提供了大量图形上的点， 其中在该示例中一个强度读数对应于波长带λ 1、λ 2、λ 3和λ 4中的每个。基于统计的变换矩阵50用来使用这些点生成完整光谱反射系数曲线。结果是用于牙齿图像的每个单独像素的光谱反射系数曲线。这些数据提供与其他方法相比更精确地表示颜色阴影的颜色映射，这些其他方法仅仅试图直接测量三色刺激值，或者执行从RGB到标准颜色空间(如色调-饱和度-亮度值(HSF)或国际照明委员会实验室(CIELAB)颜色空间)的颜色转化。在图3中还示出了控制逻辑处理器38，其执行控制逻辑处理并含有支持性的计算机可存取电子存储器部件，这些部件执行这些处理功能并存储中间和最终结果。这些部件是成像领域的普通技术人员所熟悉的。图4A的图形示出了这样的示例，其中为像素获取4个离散的强度测量，其中每个光源14b、14g、14y和14ι 一个测量，分别对应于波长带λ1、λ2、λ3和λ 4。如图所示，这产生强度对比波长的图形中的四个点。进行精确的测量需要知道系统中的不同能量等级和测量灵敏度。如图4Β所示，每个窄带光源(本实施例中为LED)在受约束的范围内提供输出强度。波长带λ 、λ2、入3 和λ4由这些强度曲线出现峰值时的标定波长来识别。宽带传感器阵列44可以是任何类型的传感器阵列，其测量对应于被激励并为每个像素提供测量值的照明装置M的部件的反射光的量。在一个实施例中，宽带传感器阵列 44在可见光波长范围内具有宽光谱响应特性。这与眼睛的“颜色匹配功能”或彩色传感器阵列的光谱响应——这两者仅在孤立的可见光波长带中具有显著值——截然不同。例如， 单色CCD成像阵列可以具有如图4C的示例中所示的典型量子效率曲线。该装置在被照射时测量对应于每个光源14b、14g、14y和14r的反射光的量，并且提供表示所接收的感测光强度的输出信号。由于LED光源的峰值波长和带宽是已知的，所以测得的值能够容易地与波长相关联，无需颜色过滤器阵列(CFA)或其他过滤部件。相比于一些颜色匹配方案，本发明的方法和装置提供了光谱光度测量或光谱反射系数颜色映射，其对于牙齿图像中的每个像素有效地存储估算的光谱反射系数数据值 R(t。。th)，该R(t。。th)能够用来精确地描绘牙齿表面的颜色。通过与依赖RGB校正变换或比色测定测量的传统方法相比，本发明的方法能够产生包括用于牙齿图像的每个像素的相当大的量的数据的映射。这在图5A和5B中示意性地表示出。图5A示出了使用传统的颜色测量方法为单个像素P采集的颜色数据。在所示的示例中，为红色、绿色和蓝色平面中的每个提供单个数据值。作为对比，图5B示出了使用本发明的方法为每个像素获得的光谱反射系数映射数据的性质。这里，每个像素P有效地具有相关联的光谱反射系数曲线，该曲线提供相当量的关于其实际颜色内容的信息，能够从这些信息得到三色刺激值X、Y、Z或其他颜色数据。在实际中，对于每个遵循该处理的像素P，仅仅少量的数据实际上可以存储在存储器中； 光谱反射系数曲线本身可以利用按照之前描述获得的系数的存储矩阵来重建。然后，在存储器中，每个像素能够与一组光谱反射系数值相关联，并且可选地，还具有用于能够重新创建该像素的完整光谱反射系数曲线的矩阵的链接或其他标识符。可替代地，可以为每个像素P存储计算的三色刺激值、CIELAB值、或者其他标准颜色空间中的值。具有光谱反射系数数据值的一个有益效果是，改进了牙科物体之间(如牙齿和假体装置或材料之间)的颜色匹配。使用本发明的数据获取和处理序列，能够使用大量数学技术中的任何一种来完成颜色匹配。在一个实施例中，用于牙科物体A的光谱反射系数曲线与用于牙科物体B的光谱反射系数曲线相比较，并且针对拟合的紧密程度或其他量度来评价这两个曲线之间的差别。例如，可以评价两个曲线之间在不同波长范围内的重合区域。 在其他实施例中，对牙科物体中的每一个获取三色刺激数据值或CIELAB颜色值并进行比较。利用来自多光谱照相机的多窄带测量为图像中的像素获取光谱反射系数数据的一般理论和原理由Peter D. Burns和Roy S. Berns阐释并描述在名为“多光谱图像捕捉分析(Analysis Multispectral Image Capture) ”的文章中，见1996年的第4届颜色成像会议的“颜色科学系统和应用(Color Science Systems and Applications)，，，第 19-22 页。 这些研究人员使用具有七个干涉光谱过滤器(被接连地切换到位)的白色光源来从不同波长下的一组颜色参考样本获取图像数据。然后应用主成分分析(PCA)以提供一组标量值， 所述一组标量值可用于使用类似获取的一系列彩色图像重建用于未知色标的光谱反射系数数据。尽管这些研究人员的工作表明了使用少量测量获取精确的光谱反射系数数据的可行性，但是所采用的系统对于牙齿以及其他牙科物体和材料的颜色映射是不实际的。使用多个切换干涉过滤器的多光谱照相机的设计与牙科成像的大小和访问约束是不兼容的。图6A的逻辑流程图示出了在本发明的一个实施例中，图3的用于为牙齿生成视觉颜色值的颜色测量和映射装置40中的控制逻辑处理部件所执行的步骤。变换矩阵生成步骤SlOO —开始执行使用来自牙齿的统计有效采样的光谱反射系数数据，如接下来所描述的。循环程序对每个源颜色执行一次，这里对每个LED颜色或其他窄带照明源执行。在照明步骤SllO中，LED或其他窄带照明源被激励。图像捕捉步骤S120在给定的照明下获取牙齿20的图像，并且可选地获取参考目标观的图像。产生的图像由从牙齿反射并在图像捕捉步骤S120中对每个像素捕捉的光构成。然后在获取值步骤S130中获取并存储从宽带传感器阵列测得的一系列图像值。由步骤S110、S120和S130构成的循环一直重复，直到LED 或其他窄带光源的每个颜色组都已经被激励。净结果是对于用于牙齿或其他牙科物体的图像的每个像素的一组图像值。获取值步骤S130产生用于N个图像波长值的N个信号的集合，s = Is1, S2,…， %}。可替代地，步骤S130可以包括基于上面信号值的变换的附加信号值，例如多项式变换， 8 = {5142,...而, ,..41，其中6是实数。可替代地，可以使用具有
的范围内的指数的简单指数定律来计算图像样本测量的变换值。继续参照图6A的逻辑流程，矩阵应用步骤S160对测量的图像值应用变换矩阵。获取视觉颜色值步骤S174根据变换矩阵从图像数据生成视觉颜色值。生成的颜色映射然后在存储步骤S190中由控制逻辑处理器38存储在电子存储器中。该存储器本身可以是用于短期存储的随机存取装置，或者是用于长期存储的光学或磁性存储单元。颜色映射可以根据需要生成，使得如图6A所示的存储器存储是临时“工作空间”，并且仅在例如执行颜色匹配或比较期间或图像的显示期间被控制逻辑处理器38使用。可替代地，存储步骤S190可以更长期存储颜色映射，例如诸如颜色映射的数据库的一部分，由发光体的类型来标引。一旦颜色映射形成并且在计算机可存取存储器中可用，其便可用于例如与用于假体装置或材料的颜色映射数据相比较。图6B的逻辑流程图示出了用于在一个实施例中生成颜色映射的扩展步骤。步骤 S100-S160与参照图6A所描述的步骤相似。在步骤S160中应用变换矩阵之后，步骤S170 利用在步骤S160中获得的混合系数和先前计算的主要分量来生成光谱反射系数数据或曲线。颜色值提取步骤S180然后基于期望发光体的光谱分布提取用于颜色映射的视觉颜色值。有利地，用于牙齿和其他牙科材料的光谱反射系数表现良好并且遵循特性图案。 用于牙齿和牙科材料的光谱反射系数曲线表现出平滑、一致的形状，仅仅在相对有限的范围内具有差异。该特性使得能够使用统计技术来提供比利用传统方法可获得的颜色匹配更精确的颜色匹配所需的工具。生成变换矩阵50如图3所示，变换矩阵50用于基于用于牙齿的相对少量测量值提供视觉颜色数据。本发明的实施例从用于大量牙齿的光谱反射系数数据的统计有效采样生成变换矩阵 50。“统计有效采样”中的牙齿数量具有足够多个以代表较大的牙齿群体。将样本大小增加到超过统计上充分或统计上有效的数量个样本趋向于对从采样分布获得的结果数据没有显著的影响。参照图7，示出了在生成变换矩阵步骤SlOO中形成变换矩阵50的过程。一开始， 利用分光光度计获取光谱反射系数曲线52的采样集合。该采样集合含有用于足够数量的牙齿M的光谱反射系数曲线52，用作统计有效样本；例如在一个实施例中，M = 100。在M 处示出的主成分分析(PCA)然后被用来分析该数据，以识别具有最大的统计重要性的主成分56，以及相应的混合系数60。经验数据表明，用于牙齿和其他牙科物体的光谱反射系数的重要主成分的数量大约为4。主成分分析(PCA)是公知的矢量空间变换技术，其用来在统计学中为多维数据集减少总维度数，以便更好地表示多位数据集中的关系。对于多变量数据，如光谱反射系数数据，PCA分析数据变量的协方差，以帮助发现能够用来更好地理解数据并简化其使用的数据中的趋势。PCA涉及通过生成特征向量(以I2规范手动地正交)进行数据的分解，所述特征向量提供用于数据的替代基础或坐标系。PCA确定特征向量的有顺序的集合，其中顺序的排布基于减少与相应的特征向量相关联的特征值进行。由于特征向量能够按比例变成单位向量并且是正交的，所以获得了从其原始坐标系到特征向量的替代坐标系的正交线性转换。利用这种类型的数据分解，低阶成分(即，依次为第一、第二、第三和后续主成分)表示数据的最重要方面；较高阶的成分表示关于数据的方差的逐渐减少的信息。这实现了比原始获得数据的形式简单的形式(即，以较少的维度)的数据统计特性描述。往回参照图7，在56处生成一组低阶主成分连同相应的一组混合系数60。混合系数用来对主成分特征向量进行按比例变换或加权，用于生成用于反射系数曲线52的样本集合的牙齿光谱反射系数曲线集合中的每一个曲线。简单地说，混合系数形成由PCA特征向量确定的向量空间中的向量。仍然参照图7的逻辑流程，在一个实施例中，通过在先前记录光谱反射系数曲线的相同位置使用颜色测量和映射装置40 (图幻取样本集合中M个牙齿的图像值测量62来生成变换矩阵50。用于M个牙齿中的每个的四个测量在图7中表示在测量62处；对每个牙齿获得的测量的数量对应于照明装置M中光源(LED)的数量。然后在混合系数60的集合和测得的图像数据、测量62之间执行最小二乘法拟合程序，以生成变换矩阵50，该变换矩阵50提供用于将测量的图像数据62转换成混合系数60的最佳拟合矩阵。根据图7描绘的实施例，变换矩阵50生成步骤生成用于将来在颜色映射中使用的变换矩阵。该矩阵和主成分56的集合然后被存储在颜色测量和映射装置40的控制逻辑处理器38中。然后，每次在未知的牙齿上使用颜色测量和映射装置40时，存储的变换矩阵 50被应用到在牙齿图像的像素处获取的图像值，以计算一组混合系数(步骤S160)，该一组混合系数然后能够与存储的主成分56使用，以生成光谱反射系数数据(图6B中的步骤 S170)。然后，生成的光谱反射系数曲线能够与任何观察发光体的光谱特征和视觉颜色匹配功能使用，以计算牙齿的三色刺激值XYZ (图6B中的步骤S180)。在步骤SlOO中生成变换矩阵的替代性实施例中，如图8的逻辑流程图所示，PCA 64在用于统计有效样本集的测量图像数据62上执行，以代替在来自样本集的光谱反射系数数据52上执行。利用映射装置40(图幻获取测量的图像数据62中的值。结果是用于测量的图像数据62的重要主成分66以及相应的混合系数70的集合。XYZ颜色值63直接从光谱反射系数数据的样本集中的每条曲线获得，利用先前描述的分光光度计测量。在获取的XYZ值63与混合系数70之间执行最小二乘法拟合程序78，以生成用于变换矩阵72 的值。在该实施例中，变换矩阵72是用于将混合系数70(对应于测量的图像数据62的主成分)转换为三色刺激值的最佳拟合矩阵。该实施例对预定的观察发光体直接计算视觉颜色；其并不提供完整的光谱反射系数信息。图9描绘了用于在不执行PCA的情况下生成变换矩阵的步骤SlOO的另一个替代性实施例。XH颜色值63首先从光谱反射系数数据的样本集中的每条曲线获取，利用先前描述的分光光度计记录。利用映射装置40(图幻获取测量的图像数据62中的值。然后在获取的XYZ值63和测量的图像值62之间执行最小二乘法拟合，以生成用于变换矩阵74的值。本实施例中的变换矩阵74是用于将测量的图像值62直接转换为三色刺激值的最佳拟合矩阵。其实施起来比前面关于图7和8描述的两个实施例简单。但是与图7中的实施例不同，而且与图8中的实施例相似，该序列仅仅产生用于预定的观察条件的CTZ颜色值。图10描绘了用于在不执行PCA的情况下生成变换矩阵的步骤SlOO的又一个替代性实施例。CTZ颜色值63首先从光谱反射系数数据的样本集中的每条曲线获取，如前所述， 利用分光光度计记录。对每组MZ值计算视觉颜色值200。这些视觉颜色值能够选择为使得其代表近似统一的视觉颜色空间(如CIELAB)中的坐标。利用映射装置40(图3)获取测量的图像数据62中的值。然而，在步骤S130的该实施例中，测量的图像数据的集合被扩
展以包括每个测量的图像值的多项式变换值，s = Jy1,..&, ，..<1，其中e是实数，如前所述。然后在获取的XYZ值63和测量的图像值210的扩展集合之间执行最小二乘法拟合， 以生成用于变换矩阵76的值。本实施例中的变换矩阵76是用于将扩展的测量图像值210 直接转换为视觉颜色值的最佳拟合矩阵。与图7、8和9中的实施例不同，该序列仅仅产生用于预定的观察条件的视觉颜色值。如前面已经注意到的，使用传统方法获取精确的颜色测量的任务由于照明和传感器响应的差异而受挫。这些问题通过本发明改进的方法得到了解决。使用颜色测量和映射装置40对于下面的等式中的LED照明针对特定波长λ获得的一般化测量信号51(—能够表示如下Si(t00th) = / Ilem ( λ ) Rci ( λ ) D ( λ ) d λ (1)其中，Rtl是牙齿或其他牙科物体的实际反射系数。该变量还关于牙齿材料表达为 Rtooth ；D(A)是传感器响应；1_是第i个LED或其他窄带光源的强度。能够发现，无论是使用RGG或是白色光源以及无论图像传感器阵列是(XD、CM0S或是其他类型的感光装置，等式(1)对于普通的牙齿颜色测量都有效。特别有指导性的是注意到诸如基于RGB颜色测量装置和比色测定测量装置的传统牙齿颜色测量装置从测量的信号Si(t。。th)生成牙齿颜色值。然而，如等式(1)所示，该信号本身是三个变量因素的乘积 实际牙齿反射系数Rtl,发光强度，以及传感器响应。正是由于该测量对光源和传感器响应的依赖导致利用传统的基于RGB的装置或比色测定测量装置不能获得精确的颜色计算。然而，与传统的方案不同，本发明的方法将牙齿反射系数Rtl与测量信号中的其他两个因素孤立。获得的反射系数Rtl然后能够用来在任何照明条件下精确地描绘颜色的特性。这样，本发明的方法使用光谱光度测量方法来进行颜色特性化描述。然而，与传统的光谱光度测量仪器(其获取一个或多个测量以在物体上的一个位置提取用于单个光传感器的该数据)不同，本发明的装置和方法利用具有单色传感器阵列的良好地描述了特性的窄带光源来获取该数据，其中所述单色传感器阵列对整个物体捕捉光谱光度测量数据的映射。在本发明的实施例中，获取多个信号值Si(t。。th)，其中用i(i = 1,2,…，N)标引的 N个LED彩色光源中的每个光源一个信号值。如等式(1)所示，为了使用Si(t。。th)提供精确而一致的测量，必须补偿装置中的短期变化，如发光强度和/或传感器响应D(X)的波动。 为此，作为成像过程的一部分，可选地获取参考目标测量Sifef)以用作校正参考
Si (ref) = / ILEDi ( λ ) Rref ( λ ) D ( λ ) d λ(2)其中，Rref是参考目标观的反射系数。该值利用来自参考目标观(图3)的图像读数来获取，该参考目标观在一个实施例中定位在与牙齿相同的捕捉视场内。在替代性实施例中，来自参考目标观的图像读数被单独地获取，例如在成像过程的开始时获取。在给定了值Si(t。。th)和Sifef)的情况下，用于执行本发明的方法的更有用的量是下式给定的修正测量值
权利要求
1.一种生成用于牙科物体的颜色映射的方法，所述方法至少部分地由控制逻辑处理器执行，所述方法包括根据用于牙齿的统计有效采样的一组光谱反射系数数据生成变换矩阵； 在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向所述牙科物体，一次一个波长带； 对成像阵列中的多个像素中的每个获取对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每个的图像数据值；应用所述变换矩阵，从而通过根据获取的图像数据值以及根据在所述至少第一、第二和第三波长带下从参考物体获取的图像数据值对所述多个像素中的每一个生成一组视觉颜色值来形成颜色映射；以及将所述颜色映射存储在计算机可存取电子存储器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，引导照明包括激励一个或多个LED。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成像阵列是下列各项中的一种(a)CMOS或 CCD传感器阵列；(b)宽带或单色传感器阵列；或者(c)彩色传感器阵列。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考物体(a)在与所述牙科物体相同的图像内获得；或者(b)从与所述牙科物体的图像分开的图像获取。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述变换矩阵包括通过对用于牙齿的统计有效采样的所述一组光谱反射系数数据应用主成分分析来生成多个混合系数；通过在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向每个牙齿来获取用于牙齿的统计有效采样中的元素的一组图像样本测量，一次一个波长带，以及在成像阵列中的多个像素中的每一个处从每个牙齿获取对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值，其中所述一组图像样本测量在与所述一组光谱反射系数数据相同的位置处获取； 以及利用最小二乘法拟合在所述多个混合系数与所述一组图像样本测量之间形成所述变换矩阵。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述变换矩阵包括从用于牙齿的统计有效采样的所述一组光谱反射系数数据生成一组三色刺激值； 通过在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向每个牙齿来获取用于牙齿的统计有效采样中的牙齿的测量样本集，一次一个波长带，以及在成像阵列中的多个像素中的每一个处从每个牙齿获取对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值，其中所述一组图像样本测量在与所述一组光谱反射系数数据相同的位置处获取； 通过对所述测量样本集应用主成分分析来生成多个混合系数；以及利用最小二乘法拟合在所述多个混合系数与所述一组三色刺激值之间形成所述变换矩阵。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述变换矩阵包括从用于牙齿的统计有效采样的所述一组光谱反射系数数据生成一组三色刺激值； 通过在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向每个牙齿来获取用于牙齿的统计有效采样中的牙齿的测量样本集，一次一个波长带，以及在成像阵列中的多个像素中的每一个处从每个牙齿获取对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值，其中所述一组图像样本测量在与所述一组光谱反射系数数据相同的位置处获取；以及利用最小二乘法拟合在所述一组三色刺激值与所述测量样本集之间形成所述变换矩阵。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述变换矩阵包括从用于牙齿的统计有效采样的所述一组光谱反射系数数据生成一组三色刺激值； 通过在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向每个牙齿来获取用于牙齿的统计有效采样中的牙齿的测量样本集，一次一个波长带，以及在成像阵列中的多个像素中的每一个处从每个牙齿获取对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值，其中所述一组图像样本测量在与所述一组光谱反射系数数据相同的位置处获取；通过添加所述图像样本测量中的一个或多个的变换值来生成图像样本测量的扩展集；以及利用最小二乘法拟合在生成的一组视觉颜色值与扩展的测量样本集之间形成所述变换矩阵。
9.一种获取用于牙科物体的颜色映射的装置，包括照明装置，其能够被激励，以将至少第一、第二和第三波长带中的照明以一次一个波长带的方式引导向所述牙科物体；单色图像传感器阵列，其具有在至少所述第一、第二和第三波长带上的宽的光谱响应， 相对于光学系统布置并且能够被致动，以在每个照明波长带下捕捉所述牙科物体的图像， 从而形成所述牙科物体的一组图像；参考目标，其设置在所述光学系统的物体场内并且相对于所述图像传感器阵列基本对焦；以及控制逻辑处理器，其与所述照明装置和单色图像传感器阵列操作性地连接，并且响应于存储的指令以激励所述照明装置顺序地提供所述至少第一、第二和第三波长带，并且进一步地响应于存储的指令以在每个波长带下捕捉并存储图像，从而对每个像素计算图像数据值，并且根据光谱反射系数数据的样本集以及根据来自所述样本集的测量图像值生成和存储颜色映射。
10.一种生成用于牙科物体的颜色映射的方法，所述方法至少部分地由控制逻辑处理器执行，所述方法包括根据用于牙齿的统计有效采样的一组光谱反射系数数据生成变换矩阵； 在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向所述牙科物体，一次一个波长带； 对成像阵列中的多个像素中的每个获取对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每个的图像数据值；通过根据生成的变换矩阵以及根据在所述至少第一、第二和第三波长带下从参考物体获得的图像数据值处理用于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值对所述多个像素中的每一个生成光谱反射系数数据；通过根据对所述多个像素中的每一个生成的光谱反射系数数据值以及根据观察发光体的光谱分布值重建所述牙科物体的视觉颜色来形成所述颜色映射；以及将所述颜色映射存储在电子存储器中。
全文摘要
一种生成用于牙科物体的颜色映射的方法和装置。所述方法包括根据用于牙齿的统计有效采样的一组光谱反射系数数据生成变换矩阵。照明在至少第一、第二和第三波长带上被引导向所述牙科物体，一次一个波长带。对于成像阵列中的多个像素中的每个，获取对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每个的图像数据值。变换矩阵被应用，从而通过根据获取的图像数据值以及根据在所述至少第一、第二和第三波长带下从参考物体获取的图像数据值对所述多个像素中的每一个生成一组视觉颜色值来形成颜色映射。所述颜色映射能够被存储在电子存储器中。
文档编号G01J3/52GK102331301SQ20111021083
公开日2012年1月25日 申请日期2011年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者J·R·米尔奇, L·A·雷, P·D·伯恩斯, V·C·王 申请人:卡尔斯特里姆保健公司