用于校準(zhǔn)牙科攝像機(jī)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(jī)的方法和校準(zhǔn)設(shè)備，所述牙科攝像機(jī)是基于用于在三個(gè)維度中光學(xué)地測(cè)量牙科對(duì)象的條紋投影法的，所述牙科攝像機(jī)包括用于產(chǎn)生由多個(gè)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(cè)量的對(duì)象上的光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]從用于在三個(gè)維度中光學(xué)地測(cè)量的現(xiàn)有技術(shù)中已知多個(gè)條紋投影法。在這些方法中，投影圖案被投影到有待測(cè)量的對(duì)象上。隨后，使用三角測(cè)量法，基于變形的投影圖案來(lái)計(jì)算對(duì)象上的測(cè)量點(diǎn)的3D坐標(biāo)。隨后根據(jù)一大群測(cè)量點(diǎn)來(lái)計(jì)算對(duì)象的3D模型。
[0003]此方法的缺點(diǎn)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(duì)象的實(shí)際尺寸相比具有測(cè)量誤差。投影格網(wǎng)的顯影誤差可能例如導(dǎo)致錯(cuò)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(jī)以補(bǔ)償顯影誤差或光學(xué)成像誤差所導(dǎo)致的測(cè)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(jī)的方法，所述牙科攝像機(jī)是基于用于在三個(gè)維度中光學(xué)地測(cè)量牙科對(duì)象的條紋投影法的。牙科攝像機(jī)包括用于產(chǎn)生由多個(gè)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(cè)量的對(duì)象上的光學(xué)系統(tǒng)。在該方法的第一步驟中，通過(guò)牙科攝像機(jī)使用條紋投影法來(lái)測(cè)量具有已知尺寸的參考表面。在參考表面上確定多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)。隨后，將所確定的實(shí)際坐標(biāo)與具有已知尺寸的參考表面上的測(cè)量點(diǎn)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(shí)際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差出發(fā)，針對(duì)投影圖案的個(gè)體條紋計(jì)算多個(gè)補(bǔ)償值。隨后，在測(cè)量牙科對(duì)象時(shí)將這些計(jì)算出的補(bǔ)償值考慮在內(nèi)以補(bǔ)償實(shí)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(gè)標(biāo)記的校準(zhǔn)板，并且標(biāo)記用來(lái)確定校準(zhǔn)板相對(duì)于牙科攝像機(jī)的精確位置和對(duì)準(zhǔn)。隨后，沿垂直于校準(zhǔn)板的方向確定實(shí)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(bǔ)償值構(gòu)成的矩陣，所述補(bǔ)償值在測(cè)量由平行條紋構(gòu)成的投影圖案上的對(duì)象時(shí)用在補(bǔ)償方法步驟中以校正投影圖案，并且隨后通過(guò)使用條紋投影法，基于校正后的投影圖案來(lái)計(jì)算對(duì)象的三維圖像。
[0008]在條紋投影法中，由多個(gè)平行條紋構(gòu)成的圖案被投影到有待測(cè)量的對(duì)象上，并且使用三角測(cè)量法產(chǎn)生對(duì)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(jìn)行顏色編碼以實(shí)現(xiàn)識(shí)別。鑒于此，將由多個(gè)有色條紋構(gòu)成的圖案投影到對(duì)象上。隨后，確定受測(cè)點(diǎn)的深度坐標(biāo)，并且產(chǎn)生對(duì)象的3D模型。有色條紋可以通過(guò)其顏色來(lái)清楚地識(shí)別。例如，可以使用四個(gè)有色條紋和/或三個(gè)顏色過(guò)渡來(lái)將有色條紋進(jìn)行顏色編碼。有色條紋可以例如使用幻燈片來(lái)產(chǎn)生。
[0010]此類條紋投影法的條紋寬度在有待測(cè)量的對(duì)象的測(cè)得體積中可以例如是150 Mffl。
[0011]對(duì)于光學(xué)測(cè)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(qiáng)度、顏色、偏振、相干性、相位、對(duì)比度、位置或傳播時(shí)間)來(lái)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(guò)該幻燈片并且平行條紋借助于該幻燈片來(lái)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(cè)量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差。為了進(jìn)行補(bǔ)償，針對(duì)個(gè)體條紋計(jì)算補(bǔ)償值。這些補(bǔ)償值可以被保存在存儲(chǔ)器中或者稍后在校準(zhǔn)之后在使用校正后的投影圖案來(lái)計(jì)算三維圖像之前的測(cè)量期間用于投影圖案上。這會(huì)補(bǔ)償實(shí)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(duì)于彼此的固定距離處的矩形標(biāo)記。這允許由計(jì)算機(jī)使用標(biāo)記之間的距離來(lái)計(jì)算參考表面相對(duì)于攝像機(jī)的距離以及對(duì)準(zhǔn)。不需要通過(guò)使用測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)來(lái)擬合，因?yàn)橐呀?jīng)使用標(biāo)記來(lái)確定了位置。因此，可以使用計(jì)算機(jī)直接計(jì)算實(shí)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(xiàn)中出現(xiàn)的已知的Tsai校準(zhǔn)方法(“用于使用現(xiàn)成攝像機(jī)和鏡頭的高精確度3D視覺(jué)測(cè)量的通用攝像機(jī)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(xiàn)中出現(xiàn)的已知的 Zhang方法(“用于攝像機(jī)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(diǎn)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(bǔ)償，并且圖像質(zhì)量由此得到改進(jìn)。
[0016]此類矩陣的補(bǔ)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(duì)相應(yīng)條紋補(bǔ)償實(shí)際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差的位移向量。在計(jì)算三維圖像時(shí)，由補(bǔ)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(lái)計(jì)算對(duì)象上的測(cè)量點(diǎn)的3D坐標(biāo)。
[0017]有利地，參考表面可以是平面，并且實(shí)際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差可以通過(guò)使用實(shí)際坐標(biāo)借助于最小二乘法擬合參考平面來(lái)確定，并且隨后可以沿垂直于參考平面的方向確定實(shí)際坐標(biāo)與參考平面之間的偏差。
[0018]因此，通過(guò)擬合來(lái)確定參考表面相對(duì)于牙科攝像機(jī)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(shí)際坐標(biāo)將與目標(biāo)坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)。
[0019]有利地，可以通過(guò)針對(duì)參考表面相對(duì)于牙科攝像機(jī)的不同距離和對(duì)準(zhǔn)的多個(gè)圖像來(lái)確定實(shí)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(shí)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(duì)于牙科攝像機(jī)的距離而改變。通過(guò)針對(duì)不同距離確定補(bǔ)償值，也可以補(bǔ)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(lái)獲取圖像，所述校準(zhǔn)設(shè)備具有用于牙科攝像機(jī)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(gè)步驟將第二保持設(shè)備相對(duì)于第一保持設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。
[0022]此類校準(zhǔn)設(shè)備使得可以逐步改變攝像機(jī)相對(duì)于參考表面的距離和對(duì)準(zhǔn)。因此，可以針對(duì)參考表面與牙科攝像機(jī)之間的不同距離和角度獲取圖像，并且隨后可以針對(duì)每個(gè)圖像的個(gè)體條紋確定補(bǔ)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(lái)連接。
[0023]有利地，對(duì)于條紋的每個(gè)邊緣，可以僅計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償值，以用于指示此邊緣在投影格網(wǎng)的平面中用以補(bǔ)償此邊緣的偏差的必要位移。
[0024]在條紋投影法中，評(píng)估每個(gè)條紋的兩個(gè)邊緣以計(jì)算沿這些邊緣的測(cè)量點(diǎn)的3D坐標(biāo)?？梢岳缤ㄟ^(guò)針對(duì)相應(yīng)邊緣的所有測(cè)量點(diǎn)確定實(shí)際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差并且隨后形成(計(jì)算)這些偏差的平均值來(lái)計(jì)算邊緣的補(bǔ)償值。隨后，使用偏差的此平均值來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償值。
[0025]有利地，可以將條紋的每個(gè)邊緣劃分為多個(gè)區(qū)段，其中針對(duì)每個(gè)區(qū)段計(jì)算補(bǔ)償值，該補(bǔ)償值指示此區(qū)段在投影格網(wǎng)的平面中用以補(bǔ)償此區(qū)段的偏差的必要位移。
[0026]因此，將每個(gè)邊緣劃分成多個(gè)區(qū)段以改進(jìn)補(bǔ)償[功能]。如果邊緣是波狀的，則將整個(gè)邊緣位移是不足夠的。相反，針對(duì)每個(gè)區(qū)段計(jì)算獨(dú)立的補(bǔ)償值以補(bǔ)償該相應(yīng)區(qū)段的誤差。
[0027]有利地，可以通過(guò)獲取相對(duì)于牙科攝像機(jī)處于相同的位置和對(duì)準(zhǔn)的參考表面的多個(gè)三維圖像來(lái)確定實(shí)際坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差，其中將來(lái)自個(gè)體圖像的偏差進(jìn)行平均以減少由噪聲信號(hào)產(chǎn)生的非系統(tǒng)性誤差。
[0028]由噪聲信號(hào)導(dǎo)致的誤差由此最終達(dá)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(gè)額外目的是一種用于校準(zhǔn)牙科攝像機(jī)的校準(zhǔn)設(shè)備，所述牙科攝像機(jī)是基于用于在三個(gè)維度中光學(xué)地測(cè)量牙科對(duì)象的條紋投影法的，其中牙科攝像機(jī)包括用于產(chǎn)生由多個(gè)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(cè)量的對(duì)象上的光學(xué)系統(tǒng)。校準(zhǔn)設(shè)備具有用于牙科攝像機(jī)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(duì)于第二保持設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，使得可以在牙科攝像機(jī)與參考表面之間產(chǎn)生多個(gè)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(lái)執(zhí)行牙科攝像機(jī)的校準(zhǔn)。借助于此校準(zhǔn)設(shè)備，可以針對(duì)牙科攝像機(jī)與參考表面之間的不同距離和/或?qū)?zhǔn)獲取多個(gè)圖像。