带有倒凹的义齿窝洞预备体的扫描装置及其三维重建方法
【专利摘要】本发明公开了一种带有倒凹的义齿窝洞预备体的扫描装置，包括箱体、激光扫描机构、电动平移台、电动角位台、牙冠夹具基台、牙冠夹具，所述电动平移台设置在箱体内部的底面上，所述电动角位台设置在电动平移台上，所述电动角位台上表面设置有弧形凹陷，所述弧形凹陷上设置有旋转台支架，所述旋转台支架上方通过电动旋转台与牙冠夹具基台连接，所述牙冠夹具设置在牙冠夹具基台上方；所述电动平移台的后部设置有倒L型支架，所述倒L型支架上方端部设置有固定面板，所述激光扫描机构设置在固定面板上；本发明还公开了一种带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维重建方法，本发明可对义齿窝洞预备体内的倒凹进行扫描，扫描精度较高，扫描精度小于0.1mm。
【专利说明】带有倒凹的义齿窝洞预备体的扫描装置及其三维重建方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于义齿的扫描【技术领域】，具体涉及一种带有倒凹的义齿窝洞预备体的扫 描装置及其三维重建方法。
【背景技术】
[0002] 倒凹由牙体或其它组织的外形轮廓，以及相对的位置关系体现；形成倒凹应具备 两个条件，一是物体的端面积和底面积不相等，二是物体长轴与基准平面不垂直，即存在轴 向上的范围之差，或处于倾斜状态，用数学的说法是从梯形的上边的两头，做一条垂直于下 边的直线，这样形成了左右两个三角形，和中间一个矩形，那么两边的三角形就叫做倒凹 区。
[0003] 现有技术中的KaVoPREPassistant系统在义齿窝洞预备体扫描重建及参数测量 方面耗时较长，且由于设备结构的局限性，投影线无法进入倾斜的义齿窝洞预备体的倒凹， 使得重建图像缺失倒凹部分，实际应用中有明显的局限性。
[0004] 目前对于义齿窝洞预备体的扫描采用非接触式的光栅扫描，由于义齿窝洞预备体 内倒凹位于牙体内部被外周围的牙体进行遮挡，用光栅水平扫描，激光线无法到达内部。
【发明内容】
[0005] 为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种带有倒凹的义齿窝洞预备体 的扫描装置及其三维重建方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
[0007] 本发明实施例提供一种带有倒凹的义齿窝洞预备体的扫描装置，包括箱体、激光 扫描机构、电动平移台、电动角位台、牙冠夹具基台、牙冠夹具，所述电动平移台设置在箱体 内部的底面上，所述电动角位台设置在电动平移台上，所述电动角位台上表面设置有弧形 凹陷，所述弧形凹陷上设置有旋转台支架，所述旋转台支架上方通过电动旋转台与牙冠夹 具基台连接，所述牙冠夹具设置在牙冠夹具基台上方；所述电动平移台的后部设置有倒L 型支架，所述倒L型支架上方端部设置有固定面板，所述激光扫描机构设置在固定面板上， 所述激光扫描机构包括成角度对称设置的一对CCD摄像头、设置在固定面板中心的激光 器。
[0008] 上述方案中，所述一对C⑶摄像头通过USB接口与计算机连接，所述激光器通过 RS232接口与计算机连接。
[0009] 本发明实施例还提供一种带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维重建方法，该方法包 括：扫描装置扫描义齿窝洞预备体的水平方向和正负45度方向，将扫描获得的义齿窝洞预 备体水平方向的图像数据和窝洞预备体内倒凹的图像数据拼合获得带有倒凹的义齿窝洞 预备体的三维点数据。
[0010] 上述方案中，所述将扫描获得的义齿窝洞预备体水平方向的图像数据和义齿窝洞 预备体内倒凹的图像数据拼合获得带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维点数据为：对义齿窝 洞预备体水平方向的图像数据和窝洞内倒凹的图像数据依次进行图像预处理、图像配准、 图像融合。
[0011] 上述方案中，所述图像预处理为：根据中值滤波算法将窝洞内倒凹的点云数据中 随机噪声和脉冲干扰减少或去除。
[0012] 上述方案中，所述图像配准为：将扫描装置从不同的垂直水平面位置进行义齿窝 洞预备体扫描获得不同角度的义齿窝洞预备体内倒凹的图像数据完整进行拼接，把不同角 度的图像数据统一到同一坐标系下。
[0013] 上述方案中，所述图像配准具体为：设带有倒凹的义齿窝洞预备体的某一位置下 为参考统一坐标系，其他位置的坐标系通过坐标变换矩阵统一到统一坐标系下，根据Screw 理论，空间向量分步求解变换矩阵，坐标变换矩阵可分解为旋转矩阵和平移向量为统一 坐标，Rw为旋转矩阵，&为另一位置下的坐标，Τ 1?(1为平移向量
[0014] X〇 = Ri,〇 * Χι+Τ1；〇
[0015] 和的求解由以下实现：
【权利要求】
1. 一种带有倒凹的义齿窝洞预备体的扫描装置，其特征在于：包括箱体（11)、激光扫 描机构（10)、电动平移台（1)、电动角位台（2)、牙冠夹具基台（5)、牙冠夹具（6)，所述电动 平移台（1)设置在箱体（11)内部的底面上，所述电动角位台（2)设置在电动平移台（1)上， 所述电动角位台（2)上表面设置有弧形凹陷，所述弧形凹陷上设置有旋转台支架（3)，所述 旋转台支架（3)上方通过电动旋转台（4)与牙冠夹具基台（5)连接，所述牙冠夹具（6)设 置在牙冠夹具基台（5)上方；所述电动平移台（1)的后部设置有倒L型支架（9)，所述倒L 型支架（9)上方端部设置有固定面板，所述激光扫描机构（10)设置在固定面板上，所述激 光扫描机构（10)包括成角度对称设置的一对(XD摄像头（7)、设置在固定面板中心的激光 器⑶。
2. 根据权利要求1所述的带有倒凹的义齿窝洞预备体的扫描装置，其特征在于：所述 一对(XD摄像头（7)通过USB接口与计算机连接，所述激光器（8)通过RS232接口与计算 机连接。
3. -种带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维重建方法，其特征在于，该方法包括：扫描 装置扫描义齿窝洞预备体的水平方向和正负45度方向，将扫描获得的义齿窝洞预备体水 平方向的图像数据和窝洞预备体内倒凹的图像数据拼合获得带有倒凹的义齿窝洞预备体 的三维点数据。
4. 根据权利要求3所述的带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维重建方法，其特征在于， 所述将扫描获得的义齿窝洞预备体水平方向的图像数据和义齿窝洞预备体内倒凹的图像 数据拼合获得带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维点数据为：对义齿窝洞预备体水平方向的 图像数据和窝洞内倒凹的图像数据依次进行图像预处理、图像配准、图像融合。
5. 根据权利要求4所述的带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维重建方法，其特征在于， 所述图像预处理为：根据中值滤波算法将窝洞内倒凹的点云数据中随机噪声和脉冲干扰减 少或去除。
6. 根据权利要求4所述的带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维重建方法，其特征在于， 所述图像配准为：将扫描装置从不同的垂直水平面位置进行义齿窝洞预备体扫描获得不同 角度的义齿窝洞预备体内倒凹的图像数据完整进行拼接，把不同角度的图像数据统一到同 一坐标系下。
7. 根据权利要求6所述的带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维重建方法，其特征在于： 所述图像配准具体为：设带有倒凹的义齿窝洞预备体的某一位置下为参考统一坐标系，其 他位置的坐标系通过坐标变换矩阵统一到统一坐标系下，根据Screw理论，空间向量分步 求解变换矩阵，坐标变换矩阵可分解为旋转矩阵和平移向量：Χ〇为统一坐标，R 1;(l为旋转矩 阵，&为另一位置下的坐标，Tw为平移向量 X〇 = Rl,0 * Xl+Τι,ο Ri，。和Ti，。的求解由以下实现： 旋转矩阵R的求解过程如下： 假设Pi和P2为给定的两个空间特征点，其连线构成了一空间量 根据空间向量与其位置无关的性质，￥在两个坐标系W和W'下可分别表示为X和 X'，当不考虑位移的影响时，有： X = R · X， 由Screw理论的旋转变换关系等式，存在一个旋转轴u= (ux，uy，uz)由旋转轴构成的 旋转矩阵为U，使得X = R · X'满足 X-X' = U · (X+X，） 其中U与u构成的关系为
由Cayley定理，U与R的关系为 R = [1+U] · [1_U] 1 ; 由数学分析可知，当已知另一空间向量，设为Μ，在W和W'下分别表示为Y和Y'， Χ-Χ' = U · (Χ+Χ'）式可改写为
只要向量（Χ+Χ'）与（Υ+Υ'）不共线，则 Σιι = Λ必然存在，其中：
由以上的公式可以求得旋转矩阵R ; 平移向量Τ的求解： X。= &〇 · Xi+TVo式中的Tw，实质上是两个坐标系％和Wi原点之间的位移，当由立体 视觉确定了点P在％和Wi下的表达\和Xi时，位移Tw可直接由二者的差计算 Tl,〇 = X〇-Ri,〇 * Xl 根据上面公式求得旋转矩阵R和平移向量T，这样就可以使图像数据统一到统一坐标 系Wu下。
8.根据权利要求4所述的带有倒凹的义齿窝洞预备体的三维重建方法，其特征在于， 所述图像融合为：根据加权平均法使两幅图像进行融合，首先对重叠区域的水平方向的图 像数据和义齿窝洞预备体内倒凹的图像数据进行权重赋值；然后根据赋的权重值进行叠加 平均得到像素值；假设水平方向和倒凹的图像数据的权重值取为和α 2，αι和α2都满足条 件e (0，1)，且〇1+〇2= 1 ;假设&和4分别是倒凹和水平方向待拼接的图像，f是融合后的 像素，那么，重叠区域处的像素灰度值的表达式为：
【文档编号】G06T17/00GK104299266SQ201410571140
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】刘宝龙, 孙波, 郭怡, 孙萍 申请人:西安工业大学