用于校準(zhǔn)牙科攝像機的校準(zhǔn)設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于校準(zhǔn)牙科攝像機的方法和校準(zhǔn)設(shè)備，所述牙科攝像機是基于用于在三個維度中光學(xué)地測量牙科對象的條紋投影法的，所述牙科攝像機包括用于產(chǎn)生由多個條紋構(gòu)成的投影圖案的投影格網(wǎng)以及將所產(chǎn)生的投影圖案投影到有待測量的對象上的光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]從用于在三個維度中光學(xué)地測量的現(xiàn)有技術(shù)中已知多個條紋投影法。在這些方法中，投影圖案被投影到有待測量的對象上。隨后，使用三角測量法，基于變形的投影圖案來計算對象上的測量點的3D坐標(biāo)。隨后根據(jù)一大群測量點來計算對象的3D模型。
[0003]此方法的缺點在于投影格網(wǎng)的顯影誤差或光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)誤差可能導(dǎo)致所產(chǎn)生的3D模型與對象的實際尺寸相比具有測量誤差。投影格網(wǎng)的顯影誤差可能例如導(dǎo)致錯誤的條紋寬度，或者導(dǎo)致條紋之間不正確的距離。光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)誤差可能例如是使得投影圖案變形的變形。
[0004]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于校準(zhǔn)牙科攝像機以補償顯影誤差或光學(xué)成像誤差所導(dǎo)致的測量誤差的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種用于校準(zhǔn)牙科攝像機的方法，所述牙科攝像機是基于用于在三個維度中光學(xué)地測量牙科對象的條紋投影法的。牙科攝像機包括用于產(chǎn)生由多個條紋構(gòu)成的投影圖案的投影格網(wǎng)以及將所產(chǎn)生的投影圖案投影到有待測量的對象上的光學(xué)系統(tǒng)。在該方法的第一步驟中，通過牙科攝像機使用條紋投影法來測量具有已知尺寸的參考表面。在參考表面上確定多個測量點的實際坐標(biāo)。隨后，將所確定的實際坐標(biāo)與具有已知尺寸的參考表面上的測量點的已知目標(biāo)坐標(biāo)(所期望的坐標(biāo))相比較。在隨后的方法步驟中，從實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差出發(fā)，針對投影圖案的個體條紋計算多個補償值。隨后，在測量牙科對象時將這些計算出的補償值考慮在內(nèi)以補償實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差。
[0006]參考表面是具備多個標(biāo)記的校準(zhǔn)板，并且標(biāo)記用來確定校準(zhǔn)板相對于牙科攝像機的精確位置和對準(zhǔn)。隨后，沿垂直于校準(zhǔn)板的方向確定實際坐標(biāo)與校準(zhǔn)板之間的偏差。
[0007]校準(zhǔn)的結(jié)果是由補償值構(gòu)成的矩陣，所述補償值在測量由平行條紋構(gòu)成的投影圖案上的對象時用在補償方法步驟中以校正投影圖案，并且隨后通過使用條紋投影法，基于校正后的投影圖案來計算對象的三維圖像。
[0008]在條紋投影法中，由多個平行條紋構(gòu)成的圖案被投影到有待測量的對象上，并且使用三角測量法產(chǎn)生對象的三維圖像，該三維圖像是基于條紋的變形的。
[0009]例如，可以將條紋進行顏色編碼以實現(xiàn)識別。鑒于此，將由多個有色條紋構(gòu)成的圖案投影到對象上。隨后，確定受測點的深度坐標(biāo)，并且產(chǎn)生對象的3D模型。有色條紋可以通過其顏色來清楚地識別。例如，可以使用四個有色條紋和/或三個顏色過渡來將有色條紋進行顏色編碼。有色條紋可以例如使用幻燈片來產(chǎn)生。
[0010]此類條紋投影法的條紋寬度在有待測量的對象的測得體積中可以例如是150 Mffl。
[0011]對于光學(xué)測量，也可以使用不同的條紋投影法，其中使用不同的光學(xué)性質(zhì)(諸如強度、顏色、偏振、相干性、相位、對比度、位置或傳播時間)來將條紋編碼。
[0012]用于產(chǎn)生投影圖案的投影格網(wǎng)可以例如是幻燈片，光穿過該幻燈片并且平行條紋借助于該幻燈片來產(chǎn)生。參考表面可以例如是平坦的或任何三維表面，諸如半球。投影格網(wǎng)的顯影誤差或光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差導(dǎo)致參考表面上的測量點的實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差。為了進行補償，針對個體條紋計算補償值。這些補償值可以被保存在存儲器中或者稍后在校準(zhǔn)之后在使用校正后的投影圖案來計算三維圖像之前的測量期間用于投影圖案上。這會補償實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差。
[0013]標(biāo)記可以例如是被布置在相對于彼此的固定距離處的矩形標(biāo)記。這允許由計算機使用標(biāo)記之間的距離來計算參考表面相對于攝像機的距離以及對準(zhǔn)。不需要通過使用測量點的實際坐標(biāo)來擬合，因為已經(jīng)使用標(biāo)記來確定了位置。因此，可以使用計算機直接計算實際坐標(biāo)與校準(zhǔn)板之間的偏差。
[0014]為了確定參考表面的位置，可以使用在文獻中出現(xiàn)的已知的Tsai校準(zhǔn)方法(“用于使用現(xiàn)成攝像機和鏡頭的高精確度3D視覺測量的通用攝像機校準(zhǔn)技術(shù)(A VersatileCamera Calibrat1n Technique for High-Accuracy 3D Vis1n Metrology UsingOff-the-Shelf Cameras and Lenses)”，1987)或者也在文獻中出現(xiàn)的已知的 Zhang方法(“用于攝像機校準(zhǔn)的靈活的新技術(shù)(A flexible new technique for cameracalibrat1n)”，2000)。
[0015]這種[原文]方法的優(yōu)點在于，由于顯影誤差或光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差造成的偏差得到補償，并且圖像質(zhì)量由此得到改進。
[0016]此類矩陣的補償值可以例如是表示相應(yīng)平行條紋的必要位移以便針對相應(yīng)條紋補償實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差的位移向量。在計算三維圖像時，由補償值構(gòu)成的矩陣首先被用于投影圖案上，僅在隨后使用校正后的投影圖案來計算對象上的測量點的3D坐標(biāo)。
[0017]有利地，參考表面可以是平面，并且實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差可以通過使用實際坐標(biāo)借助于最小二乘法擬合參考平面來確定，并且隨后可以沿垂直于參考平面的方向確定實際坐標(biāo)與參考平面之間的偏差。
[0018]因此，通過擬合來確定參考表面相對于牙科攝像機的精確位置。藉由完美的投影格網(wǎng)和完美的光學(xué)系統(tǒng)，所有目標(biāo)坐標(biāo)將因此位于參考表面的平面中，使得實際坐標(biāo)將與目標(biāo)坐標(biāo)相對應(yīng)。
[0019]有利地，可以通過針對參考表面相對于牙科攝像機的不同距離和對準(zhǔn)的多個圖像來確定實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差。
[0020]光學(xué)誤差所導(dǎo)致的變形可以與深度有關(guān)，使得實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差可以取決于參考表面相對于牙科攝像機的距離而改變。通過針對不同距離確定補償值，也可以補償與深度有關(guān)的光學(xué)圖像誤差。
[0021]有利地，可以使用校準(zhǔn)設(shè)備來獲取圖像，所述校準(zhǔn)設(shè)備具有用于牙科攝像機的第一保持設(shè)備和用于參考表面的第二保持設(shè)備，可以用特定方式以多個步驟將第二保持設(shè)備相對于第一保持設(shè)備進行調(diào)整。
[0022]此類校準(zhǔn)設(shè)備使得可以逐步改變攝像機相對于參考表面的距離和對準(zhǔn)。因此，可以針對參考表面與牙科攝像機之間的不同距離和角度獲取圖像，并且隨后可以針對每個圖像的個體條紋確定補償值。第一保持設(shè)備和第二保持設(shè)備可以例如借助于螺紋接合來連接。
[0023]有利地，對于條紋的每個邊緣，可以僅計算一個補償值，以用于指示此邊緣在投影格網(wǎng)的平面中用以補償此邊緣的偏差的必要位移。
[0024]在條紋投影法中，評估每個條紋的兩個邊緣以計算沿這些邊緣的測量點的3D坐標(biāo)?？梢岳缤ㄟ^針對相應(yīng)邊緣的所有測量點確定實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差并且隨后形成(計算)這些偏差的平均值來計算邊緣的補償值。隨后，使用偏差的此平均值來計算對應(yīng)的補償值。
[0025]有利地，可以將條紋的每個邊緣劃分為多個區(qū)段，其中針對每個區(qū)段計算補償值，該補償值指示此區(qū)段在投影格網(wǎng)的平面中用以補償此區(qū)段的偏差的必要位移。
[0026]因此，將每個邊緣劃分成多個區(qū)段以改進補償[功能]。如果邊緣是波狀的，則將整個邊緣位移是不足夠的。相反，針對每個區(qū)段計算獨立的補償值以補償該相應(yīng)區(qū)段的誤差。
[0027]有利地，可以通過獲取相對于牙科攝像機處于相同的位置和對準(zhǔn)的參考表面的多個三維圖像來確定實際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差，其中將來自個體圖像的偏差進行平均以減少由噪聲信號產(chǎn)生的非系統(tǒng)性誤差。
[0028]由噪聲信號導(dǎo)致的誤差由此最終達到平均，使得僅留下系統(tǒng)性誤差，所述系統(tǒng)性誤差例如由投影格網(wǎng)的顯影誤差或由光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差導(dǎo)致。
[0029]本發(fā)明的一個額外目的是一種用于校準(zhǔn)牙科攝像機的校準(zhǔn)設(shè)備，所述牙科攝像機是基于用于在三個維度中光學(xué)地測量牙科對象的條紋投影法的，其中牙科攝像機包括用于產(chǎn)生由多個條紋構(gòu)成的投影圖案的投影格網(wǎng)以及將所產(chǎn)生的投影圖案投影到有待測量的對象上的光學(xué)系統(tǒng)。校準(zhǔn)設(shè)備具有用于牙科攝像機的第一保持設(shè)備和用于參考表面的第二保持設(shè)備，其中可以將第一保持設(shè)備相對于第二保持設(shè)備進行調(diào)整，使得可以在牙科攝像機與參考表面之間產(chǎn)生多個所限定的距離和/或?qū)?zhǔn)。
[0030]使用所描述的校準(zhǔn)設(shè)備，可以使用上述方法來執(zhí)行牙科攝像機的校準(zhǔn)。借助于此校準(zhǔn)設(shè)備，可以針對牙科攝像機與參考表面之間的不同距離和/或?qū)?zhǔn)獲取多個圖像。