一種適用于牙頜模型三維測量的定位系統(tǒng)及其標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于牙頌模型三維測量的定位系統(tǒng)及其標定方法，尤其涉及一種掃描傳感器相對于被測量牙頌模型俯仰運動的定位系統(tǒng)以及用相機標定板進行轉(zhuǎn)軸標定的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來口腔數(shù)字化發(fā)展迅速，各種涉及固定義齒修復、正畸方案制定的新型業(yè)務模式不斷出現(xiàn)。三維測量與數(shù)字幾何處理是支撐上述業(yè)務模式的兩大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。其中，三維測量通常采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)，能夠一次性獲取高密度曲面采樣數(shù)據(jù)。針對牙科應用的三維掃描系統(tǒng)，技術(shù)上，具體可以稱為光柵投影系統(tǒng)。相對于其結(jié)構(gòu)光技術(shù)例如散斑重建具有精度高的優(yōu)勢，因而更加適合在牙科領(lǐng)域應用。光柵投影系統(tǒng)通?？梢耘浜蠁蝹€或者多個黑白相機進行三維重建。
[0003]上述技術(shù)能夠以較低的成本獲取高質(zhì)量點云數(shù)據(jù)，然而由于遮擋的原因，單次測量無法得到牙頌模型的整體數(shù)據(jù)。對于這一問題，2014年的專利申請”基于兩周旋轉(zhuǎn)平臺的三維數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及獲取方法”公開了基于兩軸轉(zhuǎn)臺的三維掃描系統(tǒng)；該專利與2009年的期刊文獻“Automatic scanning of dental impress1ns”具有相同的技術(shù)思路。由于掃描傳感器在全局坐標系統(tǒng)中的方位固定不變，因而視域范圍的大小固定不變，使得比較容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的問題，需要通過手動補掃的方式填充數(shù)據(jù)。本發(fā)明針對這個問題設計了掃描傳感器相對于被掃描牙頌模型俯仰運動的定位系統(tǒng)技術(shù)方案，擴大了掃描傳感器在多次測量中的整體視域范圍，使得獲取整體三維數(shù)據(jù)的過程更穩(wěn)定。此外本發(fā)明提供了該定位系統(tǒng)的標定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對穩(wěn)定獲取牙頌模型完整三維數(shù)據(jù)這一問題，提出了技術(shù)方案如下: 一種掃描傳感器相對于被測量牙頌模型俯仰運動的定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)包括掃描傳感器定位擺臂、載物自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、標定方法；
進一步地，掃描傳感器定位擺臂末端連接投影光機與黑白相機，共同繞擺動軸轉(zhuǎn)動，擴大了掃描傳感器的視域范圍；
進一步地，載物自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺搭載牙頌模型或者相機標定板繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在掃描傳感器固定姿態(tài)的情況下，調(diào)整牙頌模型或者相機標定板相對于掃描傳感器的可見區(qū)域；
進一步地，利用本發(fā)明所提供的標定方法計算得掃描傳感器定位擺臂擺動軸、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動軸的標定信息，根據(jù)該標定信息實現(xiàn)多次測量的單片三維數(shù)據(jù)在全局坐標系中進行拼合；
本發(fā)明還包括對上述定位系統(tǒng)的標定方法，其包括步驟如下:
將帶有標志點的相機標定板固定在自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺上，固定自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸，繞掃描傳感器擺臂擺動軸間歇性旋轉(zhuǎn)8次，同時拍攝8副相機標定板圖像； 進一步地，接著固定掃描傳感器擺臂擺動軸，繞自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸間歇性旋轉(zhuǎn)5次，同時拍攝5副標定板圖像；
進一步地，利用前8副圖像擬合掃描傳感器擺臂擺動軸，利用后5副圖像擬合自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸。
[0005]進一步地，求出掃描傳感器擺臂擺動軸、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸到全局坐標系的剛體變換矩陣。
[0006]進一步地，對標準牙頌模型進行多角度測量，利用上一步中的缸體變換矩陣獲得，單片數(shù)據(jù)在全局坐標系中的朝向。
[0007]進一步地，利用迭代最近點算法對多片三維數(shù)據(jù)進行拼接優(yōu)化，調(diào)整上述單片數(shù)據(jù)的朝向。
[0008]進一步地，以掃描傳感器擺臂擺動軸、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸在全局坐標系中的矢量表示作為參數(shù)，優(yōu)化該參數(shù)，使得利用定位系統(tǒng)獲得的單片數(shù)據(jù)朝向盡可能接近迭代最近點優(yōu)化獲得的單片數(shù)據(jù)朝向。
【附圖說明】
[0009]圖1:本發(fā)明提供的三維測量定向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
I 一三維掃描傳感器 2—定位擺臂 3—自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺
4 一計算機系統(tǒng) 101—投影光機 102—黑白相機。
【具體實施方式】
[0010]以下結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明中提及的技術(shù)方案進一步說明，以進一步闡釋其目的與優(yōu)點:
如圖1所示，本發(fā)明提供了一種掃描傳感器相對于被測量牙頌模型俯仰運動的定位系統(tǒng)，包括三維掃描傳感器1、定位擺臂2、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺3以及計算機系統(tǒng)4。其中三維掃描傳感器I由投影光機101、黑白相機102組成，通過投影光機101向被掃描牙頌投射結(jié)果圖案，并由黑白相機102獲取上述圖案，計算被測量牙頌的三維數(shù)據(jù)。在牙頌的掃描過程中，定位擺臂2帶動三維掃描傳感器I擺動，切換掃描視域范圍；自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺3帶動牙頌模型轉(zhuǎn)動，切換牙頌模型相對于固定姿態(tài)的三維掃描傳感器I的可見區(qū)域。通過定位擺臂與自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺共12種的姿態(tài)組合，完成整體牙頌數(shù)據(jù)的測量。
[0011]上述牙頌模型的多次測量過程中所使用的朝向信息，由本發(fā)明中的定位系統(tǒng)標定方法計算獲得。如圖1所示，首先將標定板固定在自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺3上。首先將三維掃描傳感器繞定位擺臂擺動軸旋轉(zhuǎn)，并拍攝8副標定板圖像擬合掃描傳感器擺動軸，拍攝的8副標定板圖像中存在的每一標定點，在全局坐標系中構(gòu)成了同心圓中的8個三維點。由這8個三維點就可以擬合出它們對應的圓心。于是對于標定板上存在的標志點，依據(jù)最小二乘法可以擬合出一條直線即擺動軸。
[0012]其次擬合自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸，原理同擬合掃描傳感器擺動軸，拍攝5副標定板圖片，利用標定板上標志點的軌跡，擬合出自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的方向矢量。
[0013]至此，求出了定位擺臂擺動軸向矢量以及自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動軸向矢量，上述方向矢量都處于全局坐標系中，根據(jù)驅(qū)動定位擺臂以及自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺的電機不進角度即可對被測量牙頌模型的朝向進行計算。
[0014]最后，將標準牙頌置于自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺3上，并利用上述方向矢量，對多次測量的單片三維數(shù)據(jù)進行初步定向，在利用迭代最近點算法優(yōu)化單片三維數(shù)據(jù)的朝向。并以與迭代最近點算法獲得的朝向之間的誤差函數(shù)優(yōu)化定位擺臂擺動軸向矢量與自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動軸向矢量。
【主權(quán)項】
1.一種適用于牙頌三維測量的定位系統(tǒng)，其特征在于，包括:掃描傳感器定位擺臂、載物自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、標定方法； 所述掃描傳感器定位擺臂包括擺動軸、擺動支撐；所述擺動支撐由兩側(cè)組成，其末端固定有由投影光機與黑白相機構(gòu)成的三維掃描傳感器；所述定位擺臂擺動軸的軸線垂直于兩側(cè)擺動支撐，其軸線上的中心點位于距兩側(cè)擺動支撐等距的位置，以該中心點作為定位擺臂局部坐標系的原點，以擺動軸的軸線作為該局部坐標系的Z軸，在過中心點垂直于擺動軸的平面上，選取載物自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺的方向作為Y軸，以垂直于Y、Z兩軸的方向作為X軸； 所述載物自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺包括單一旋轉(zhuǎn)軸；該自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動牙頌模型在掃描傳感器姿態(tài)固定的情況下，變換在固定視域范圍內(nèi)的被掃描牙頌的可見區(qū)域；以自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸作為自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺局部坐標系的Z軸，在該軸上任選一點作為該坐標系原點，并在過原點垂直于Z軸的平面內(nèi)，任選兩垂直軸線作為該局部坐標系的X、Y軸； 所述標定算法包括定位擺動臂轉(zhuǎn)軸標定、載物轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸標定；兩種轉(zhuǎn)軸標定的基本過程一致，標定技術(shù)方案包括利用相機標定板獲得粗略轉(zhuǎn)軸方向(以下稱為轉(zhuǎn)軸計算)，再利用測量模型拼接優(yōu)化對粗略計算的轉(zhuǎn)軸方向進行優(yōu)化(以下稱為轉(zhuǎn)軸優(yōu)化)； 基于本發(fā)明中的三維測量定位系統(tǒng)，以及標定方法獲得的轉(zhuǎn)軸標定信息，將從不同角度拍攝的單片牙頌測量數(shù)據(jù)在全局世界坐標系中形成初步定位。2.如權(quán)利要求1所述的三維掃描傳感器，其特征在于，所述三維掃描傳感器包括黑白相機與短焦投影光機，可以由單個黑白相機構(gòu)成單目測量系統(tǒng)或者由兩個黑白相機構(gòu)成雙目測量系統(tǒng)；所述投影光機與黑白相機的朝向與視域范圍的交集決定了三維掃描傳感器的單一姿態(tài)掃描范圍；當所述投影光機向被掃描物體投射一系列圖像時，所述黑白相機從多個角度拍攝被掃描物體的圖像。3.如權(quán)利要求1所述的三維掃描傳感器，其特征在于，能夠根據(jù)所述被掃描牙頌多個角度的黑白圖像通過計算機多目視覺成像原理重建出被掃描牙頌模型的三維立體模型。4.如權(quán)利要求1所述的標定方法，其特征在于，掃描傳感器擺臂繞其擺動軸轉(zhuǎn)動，帶動掃描傳感器視域范圍的變化；自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺繞自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，帶動相機標定板相對于掃描傳感器轉(zhuǎn)動；標定過程包括三步:采集相機標定板圖像及識別其中的標志點、軸線擬合、借助掃描數(shù)據(jù)拼接優(yōu)化的軸向優(yōu)化。
【專利摘要】本發(fā)明涉及數(shù)字化齒科行業(yè)與三維測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種掃描傳感器相對于被測量牙頜俯仰運動的三維測量定位系統(tǒng)及其標定方法。本發(fā)明的技術(shù)方案主要包括1.掃描傳感器與載物轉(zhuǎn)臺聯(lián)動的完整牙頜三維測量系統(tǒng)；2.掃描傳感器定位擺動臂標定方法；3.載物轉(zhuǎn)臺標定方法。本發(fā)明針對桌面式牙頜三維掃描儀的數(shù)據(jù)缺失問題，采用掃描傳感器相對于載有牙頜的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺俯仰運動的技術(shù)方案，擴大了多次測量的總體掃描范圍。相對于掃描傳感器固定的兩軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺牙頜三維測量技術(shù)方案，具有能夠穩(wěn)定獲取完整三維數(shù)據(jù)、避免數(shù)據(jù)缺失的優(yōu)點。利用本發(fā)明提供的三維測量定位系統(tǒng)、掃描傳感器定位擺動臂標定參數(shù)、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺標定參數(shù)，能夠?qū)⒍啻螠y量的單片數(shù)據(jù)統(tǒng)一到全局坐標系下，完成牙頜三維數(shù)據(jù)的拼合。
【IPC分類】G01B11/25
【公開號】CN105004283
【申請?zhí)枴緾N201510441102
【發(fā)明人】秦國斌
【申請人】東莞市叁的打印技術(shù)科技有限公司
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月25日