專利名稱：三維物體的空間色度測量設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在這點上，本發(fā)明涉及空間色度診斷領(lǐng)域，又稱色度計量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從現(xiàn)有技術(shù)中已知，存在允許分析二維物體色度特性的各種方案。例如，牙科醫(yī)師 和修復學家使用能精確限定牙齒色度繪圖(cartographie)的儀器，以制作與原牙具有基 本相同的色度特性的假牙。為此，有必要根據(jù)多個分析點精確地得到牙齒的色度。在這點上，專利文獻WO 05/0809 示出了一種設(shè)備，用于在二維空間中且在多個 點上測量牙齒的色度特性。同樣地，專利文獻WO 06/002703披露了一種設(shè)備，其由幾個發(fā)光二極管組成，這 些發(fā)光二極管向物體發(fā)射不同顏色的光束。隨后這些光束被物體反射，并且被探測系統(tǒng)和 中央圖像處理單元接收。因此，對圖像各點進行分析以確定由與發(fā)光二極管發(fā)出的不同波 長對應的各個色階(niveaux de couleurs)組成的光譜。基于這些色階，中央處理單元為被分析表面的各點計算相應的色度坐標。因此，該 專利文獻所描述的設(shè)備能夠確定被分析物體的二維色度繪圖。然而，由于在測量中未考慮被分析物體的起伏或形態(tài)結(jié)構(gòu)(topologie)，這些方案 并不令人滿意。因此，現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備只能計算被近似視為平面的物體的色度坐標。目前，三維物體的空間和色度測量的組合已廣泛應用于牙科領(lǐng)域、生物統(tǒng)計學、工 業(yè)或藝術(shù)計量等。更具體地，根據(jù)空間中的三個方向同時測量被分析物體的空間坐標和色 度坐標的事實充分提高了結(jié)果的質(zhì)量。事實上，由于物體接收的光量與該物體和這些照明裝置之間距離的平方成比例減 少，因此色度坐標的值直接取決于被測物體相對于照明裝置的位置。同樣地，光線與物體法 線的夾角越大，在漫反射的范圍內(nèi)反射的光的量就越少。因此，現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備實現(xiàn)的近似 產(chǎn)生了顯著誤差，該誤差至少部分地改變(d6natUrer) 了所實現(xiàn)的色度分析的質(zhì)量。另一個與色度測量相關(guān)的困難來自于待分析物體的照明選擇。事實上，優(yōu)選地使 用允許根據(jù)預定的幾何和色度標準進行光通量分布(^partition)的照明裝置。然而，該 選擇取決于質(zhì)量、成本、體積(encombrement)和壽命的標準。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三維物體的空間色度測量設(shè)備和方法來克服現(xiàn)有技 術(shù)的前述缺點，該設(shè)備和方法允許基于大量分析點對該物體的平緩起伏和色度坐標進行數(shù)
字化建模。此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種通過考慮測量設(shè)備的參數(shù)來計算三維物體色度繪圖的方法。為此，根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備提供了照明裝置和單色探測裝置的組合，其中至少 兩個雙探測裝置對基本相同的光波長范圍敏感，以通過立體視覺效果確定被分析物體的平 緩起伏。更具體地，本發(fā)明的對象是三維物體的空間色度測量設(shè)備，其包括探測頭，該探測 頭由物體照明裝置和用于探測物體反射的光的至少四個探測裝置構(gòu)成，所述設(shè)備還包括處 理由探測裝置接收的數(shù)據(jù)的處理單元，其中至少兩個雙探測裝置對基本相同的光波長范圍 敏感。使用對基本相同的光波長范圍敏感的至少兩個雙探測裝置允許通過立體視覺法 計算被分析點相對于探測裝置的距離。因此，可根據(jù)空間中的三個方向確定所述物體的空 間坐標，可根據(jù)分析點相對于探測頭的位置(距離和表面法線)修正色度坐標。此外，同時實現(xiàn)多個單色探測裝置允許依靠算法組成被分析物體的數(shù)字化彩色圖 像，其中每個單色探測裝置均以互補的方式對可見波長范圍的一部分敏感。該方法帶來了 比彩色矩陣光子傳感器更好的精確度，以及比連續(xù)多譜單色光子探測系統(tǒng)更低的采集速 度。根據(jù)
具體實施例方式-兩個雙探測裝置包括與至少一個矩陣光子傳感器相關(guān)聯(lián)的雙濾光元件；-將矩陣光子傳感器分成多個區(qū)域，這些區(qū)域分別接收來自雙濾光元件中每個的 光線。因此，光子傳感器區(qū)域不需要彼此同步；-矩陣光子傳感器是CMOS傳感器，因此，即使光子使一個像素嚴重飽和，也幾乎不 會對鄰近像素產(chǎn)生任何影響。然而，提供將圍繞分析點的像素的色度值考慮在內(nèi)的雙線性 插值(interpolationbilin6aire)，以使獲得的結(jié)果平滑；-兩個雙探測裝置對與綠光波長范圍基本相同的波長范圍敏感，這允許獲取尤其 與被分析物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)果；-兩個初級探測裝置中的一個對藍光波長區(qū)域范圍敏感，另一個對紅光波長區(qū)域 范圍敏感；-照明裝置由中央光源組成，探測裝置圍繞該中央光源被布置；-照明裝置由圍繞探測裝置布置的環(huán)形光源組成，這是有利的，因為該光源對一組 分析點來說基本是均勻的；-探測頭上設(shè)置有具有預定深度的端蓋以減少該方法的計算時間。事實上，迭代 計算是在與端蓋深度基本對應的最小距離和與觀察范圍的深度對應的最大距離之間實現(xiàn) 的；根據(jù)另一方面，本發(fā)明還涉及三維物體的空間色度測量方法，其包括以下步驟發(fā) 出至少一束光以照射待分析的物體；在至少四個探測裝置上接收由物體反射的光線；以及 將所述探測裝置收集的光信息傳送至處理單元。由物體反射的光線被對基本相同的光波長 范圍敏感的至少兩個雙探測裝置探測。根據(jù)
具體實施例方式-該方法包括預先對探測裝置進行校準的步驟；-處理單元通過迭代計算確定多個分析點相對于探測頭的相對位置，以考慮這些點相對于光源和探測裝置的位置來調(diào)整被分析物體的色度坐標；-處理單元通過立體視覺法確定多個分析點相對于探測裝置的距離；-處理單元確定多個分析點中物體表面的法線的坐標；-在最小深度與確定的最大深度之間實現(xiàn)深度的迭代計算，最小深度對應于探測 裝置與端蓋端部之間距離；-迭代步長基本等于與預定最小深度的像素對應的范圍的大小。因此所測量的值 基本上是各向同性的；-處理單元將色度值強度超過經(jīng)校準預定的值的分析點丟棄，從而識別由鏡面反 射導致的誤差；-該方法包括根據(jù)分析點的位置計算多個加權(quán)的分析點的色度坐標的步驟；-各點的色度坐標通過雙線性插值被調(diào)整，從而服從(respecter)被分析物體的 色度的線性。


參照附圖閱讀下面具體的實施方式，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將會變得顯而易 見，圖中分別示出了 圖1是根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備的示意圖；圖加和2b是包括環(huán)形照明裝置的本發(fā)明探測頭的第一實施方式的示意圖；圖3a和北是包括中央照明裝置的本發(fā)明探測頭的第二實施方式的示意圖；圖4是雙探測裝置的工作示意圖。
具體實施例方式需要注意的是，術(shù)語“各向同性(isotropic)測量”指的是測量分辨率在空間中的 三個方向上基本上是相同的?，F(xiàn)在將參照圖1描述根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備的一個實施方式。在該實施方式中， 該設(shè)備允許實現(xiàn)三維物體2的空間色度測量，本例中的三維物體2是牙齒。當然，任何其它平緩起伏的三維物體2、即其形態(tài)結(jié)構(gòu)不具有任何間隙(contre depouille)的三維物體也可以作為這類空間色度測量的物體。例如，被測三維物體2可以 是畫、工業(yè)生產(chǎn)的零件、票等。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)選地包括探測頭4和連接至處理單元8的支撐殼體6，處理單 元8處理來自探測頭4的數(shù)據(jù)。處理單元8與支撐殼體6分離，并且通過通信裝置10連接至支撐殼體6。這種結(jié) 構(gòu)還允許減小支撐殼體6的尺寸，以及降低測量設(shè)備的生產(chǎn)成本。因此，該測量設(shè)備是緊湊 的，以能夠由操作人員輕松地單手操控。處理單元8還可被集成在更穩(wěn)固的支撐件8上，從 而提高測量結(jié)果的精確度并且測量更大體積的物體2。有利地，探測頭4收集的數(shù)字數(shù)據(jù)通過通信裝置10傳送至處理單元8，處理單元8 允許通過迭代計算重構(gòu)被分析物體的空間色度坐標。通信裝置10可選地為有線或無線。應該注意的是，探測頭4具有適于被測三維物體2大小的尺寸以減少對由探測頭 4提供給處理單元8的數(shù)據(jù)進行處理的時間。
圖加和2b是根據(jù)本發(fā)明的探測頭4的第一實施方式的示意圖。在該例中，探測 頭4包括中央照明Qclairage)裝置14 ；以及四個光學探測裝置16，圍繞中央照明裝置 14并與其等距布置。環(huán)形照明裝置14包括可見光范圍內(nèi)的寬譜(spectre)光源14a?？梢钥紤]使用或 多或少的光源Ha的可能性。然而實驗結(jié)果顯示，從八個光源Ha開始，各個分析點處的分 辨率相對恒定。因此環(huán)形照明裝置14提供的照明是連續(xù)的，并且功率易于根據(jù)測量要求被 調(diào)節(jié)。環(huán)形照明裝置14還有利地包括毛玻璃或全息玻璃14b，其位于光源1 的下游以提 高照明均勻性(homog6n6it6)。根據(jù)可選的實施方式，環(huán)形光源14可由圓形氖管組成。有利地，光學探測裝置16由消除紅外干擾的紅外濾光片16a組成，CMOS型光子 (photonique)傳感器(之后示出)對紅外干擾敏感。根據(jù)一個實施方式，紅外濾光片16a 是SCOTT公司的濾光片BG40。探測裝置16還包括置于光學元件16a后面且位于環(huán)形照明裝置14中央的四個濾 光元件16b、16c。優(yōu)選地，濾光元件16b、16c為允許同時對從被分析物體射向光子傳感器 (之后示出)的光線進行過濾和聚焦的透鏡。這四個濾光元件16b、16c的光軸基本平行于彼此并且基本與環(huán)形照明裝置14的
傳播軸一致。此外，根據(jù)不同的變型，濾光元件16b、16c還可具有朝同一點或朝不同點會聚的 光軸、或甚至這些不同可能的組合。第一對初級(primaire)濾光元件16b由HOYA公司的型號為B440的藍色濾光透 鏡和SCOTT公司的型號為DG570的紅色濾光透鏡組成。優(yōu)選地，這對濾光元件相對于環(huán)形 照明裝置14的中心軸線對稱地布置。此外，探測裝置16還包括具有基本相同帶寬的一對雙濾光元件16c。有利地，雙濾 光元件16c是綠色透鏡，例如，HOYA公司的型號為G550的透鏡。雙濾光元件16c被有利地 布置為繞環(huán)形照明裝置14的中心軸線形成旋轉(zhuǎn)對稱。分別對應于四個濾光元件16b、16c分為四個象限的光子傳感器16e被布置在濾光 元件16b、16c的后面，以接收通過濾光元件16b、16c傳播的光線。光子傳感器16e優(yōu)選地 是CMOS傳感器。雙濾光元件16c與相應的光子傳感器區(qū)16e的組合形成了雙探測裝置(16b、16c)。 同樣地，初級濾光元件16b與相應的光子傳感器區(qū)16e的組合形成了初級探測裝置(16b、 16e)。根據(jù)參照圖3a和北描述的第二實施方式，探測頭4由具有四個濾光元件16b、16c 的探測裝置16組成，濾光元件16b、16c圍繞中央照明裝置14被布置，被優(yōu)選地定位在全息 型柔和濾光片(filtrediffusant)14b的后面。根據(jù)該實施方式，探測裝置16具有分別為紅色和藍色的兩個初級濾光元件16b以 及綠色的兩個雙濾光元件16c。有利地，這兩個雙濾光元件16c置于兩個初級濾光元件16b之間以保持相對于探 測頭4的轉(zhuǎn)動軸線的對稱性。然而，雙濾光元件16c還可被并排地布置。在這個實施方式中，探測頭4包括四個獨立且同步的光子傳感器16e，光子傳感器16e還被布置在濾光元件16b、16c的后面以接收通過濾光元件16b、16c傳播的光線。優(yōu)選地在探測頭4上設(shè)置有具有預定深度的端蓋(embout decloisonnement) 20， 該端蓋允許限定室，在該室中被分析物體不會受到外界光的干擾。端蓋20的深度限定出最 小觀察深度。事實上，被分析物體2不能位于相對于探測裝置16的可變距離處，該可變距 離對應于端蓋20標稱距離前面或后面的預定容許(tolerance)距離。在手持測量設(shè)備的范疇內(nèi)，該端蓋20具有幾厘米的深度，或者在裝配于支撐件上 的測量設(shè)備范疇內(nèi)，該端蓋20具有幾米的深度。有利地，端蓋20的深度是待測物體2深度的五倍以上。同樣地，被分析物體2的 寬度和高度優(yōu)選地約是該待測物體深度的三倍以上。在應用階段，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可通過支撐殼體6被保持并且通過該設(shè)備的控制 電路9被啟動。優(yōu)選地，操作人員首先通過將白色表面抵靠端蓋20放置來完成測量設(shè)備的校準。 測量的持續(xù)時間被確定使得光子傳感器的最大強度不超過可接受的最大強度的約85%。因 此，當進行測試時，可能的反射效果將被轉(zhuǎn)化為與可接受的最大強度相等的強度并且因此 可被探測到。然后，將根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備的端蓋20抵靠待分析物體2放置，使得該物體至 少部分地免受外界光的影響。然后，根據(jù)本發(fā)明的方法包括實現(xiàn)至少一次測量，或者實現(xiàn)極短時間內(nèi)的非侵入 式數(shù)字化。事實上，通過使用完全無害(parfaiteirmocuitS)的照明裝置14無接觸地實現(xiàn) 該測量。另一方面，測量時間可小于十分之一秒。在第二次測量期間，照明裝置14發(fā)出的光線朝向被分析物體2傳播，然后被反射 向探測裝置16。因此，這些反射光束相繼通過光學元件16a，濾光元件16b、16c，然后到達矩陣光 子傳感器16e。因此，構(gòu)成矩陣光子傳感器16f的像素中的每一個收集與分析點相對應的光 學數(shù)據(jù)。隨后這些數(shù)據(jù)通過具有中央單元12的通信裝置10向處理單元8傳送，以推斷出 被分析物體2的空間色度繪圖。由雙濾光元件16c和相應的矩陣傳感器16e組成的雙探測裝置允許根據(jù)處理單元 8的立體視覺計算，確定各個被分析點的空間坐標。實際上，雙探測裝置在相同的光譜條件下接收由物體反射的光。在這種情況下，雙 探測裝置所獲得的值應該是相等的。在根據(jù)本發(fā)明的具有圖4所示特征的測量設(shè)備范圍內(nèi)，由被分析物體上的點重發(fā) (reemise)的光強的值可以通過如下關(guān)系式表示
LpLpLoc = ；-~iMLOd =--2 ，
coDx d2GcoDx d2D其中-Lod表示基于右傳感器確定的、由分析點重發(fā)的光強的值；-Log表示基于左傳感器確定的、由分析點重發(fā)的光強的值；-Lpd,在物體上漫反射后由右傳感器的像素接收的光能；-Lpe，在物體上漫反射后由左傳感器的像素接收的光能；
_bD，右傳感器在一個像素處的法線(normale)與來自物體的光線之間的夾角；_be，左傳感器在一個像素處的法線與來自物體的光線之間的夾角；-d2D，從分析點到右傳感器上相應像素的光路長度；以及-d2G,從分析點到左傳感器上相應像素的光路長度。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法提出了對預定最小深度與最大深度之間的分析點的各個 可能深度，以迭代的方式計算深度，對于該深度，由分析點重發(fā)并基于雙探測裝置計算的光 強值(Loe，Lod)是最接近的。值得注意的是，最小深度有利地對應于端蓋20的深度，而最大深度則對應于觀察 范圍的深度。優(yōu)選地，迭代步長(pas d’ iteration)基本等于與預定的最小深度的像素對 應的范圍的大小。在這個階段，處理單元8確定與多個分析點的深度和所述分析點重發(fā)的光強相對 應的幾個數(shù)據(jù)，多個分析點的深度和所述分析點重發(fā)的光強與雙探測裝置的長度范圍相對 應。因此，處理單元推斷出被測物體的各個分析點的坐標(x，y，z)。處理單元8還基于這些數(shù)據(jù)確定各個分析點的法線，以能夠恢復該分析點的顏 色。該操作是通過計算經(jīng)過各個分析點的中平面而實現(xiàn)的。最后，處理單元8基于初級探測裝置和雙探測裝置收集的光強值確定被分析物體 的色度繪圖。根據(jù)分析點的空間位置、特別根據(jù)這些分析點相對于探測裝置16的距離以及 物體在這些分析點的每個處的表面法線的方向，對該色度繪圖進行加權(quán)(pond6r6e)。可以進行多組測量以提高結(jié)果的精確性。本發(fā)明并不限于上面所描述和示出的實施方式。特別地，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在 本發(fā)明的范圍內(nèi)為上述設(shè)備和方法實現(xiàn)各種變型。特別地，雖然使用單色濾光透鏡是優(yōu)選的，但是濾光元件16b、16c可以由組合有 彩色濾光片的透鏡構(gòu)成。此外，為了提高結(jié)果的質(zhì)量，特別地在色度平面上，根據(jù)本發(fā)明的 設(shè)備還可以由四對或更多探測裝置16構(gòu)成。另一方面，還應考慮到能夠用CDD傳感器或任何其它類型的光子傳感器替代CMOS 矩陣光子傳感器。
權(quán)利要求
1.一種三維物體(2)的空間色度測量設(shè)備，包括探測頭G)，所述探測頭⑷由物體照 明裝置(14)和用于探測所述物體(2)反射的光的至少四個探測裝置(16)構(gòu)成，所述設(shè)備 還包括用于處理由所述探測裝置(16)接收的數(shù)據(jù)的處理單元(8)，其特征在于，至少兩個 雙探測裝置(16c，16e)對基本相同的光波長范圍敏感。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述兩個雙探測裝置(16c，16e)都包括與至少一 個矩陣光子傳感器(16e)相關(guān)聯(lián)的雙濾光元件(16c)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述矩陣光子傳感器(16e)被分成分別接 收來自每個所述雙濾光元件(16c)的光線的多個區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述矩陣光子傳感器(16e)是CMOS傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的設(shè)備，其中，所述兩個雙探測裝置(16c，16e)對 與綠光波長范圍基本相同的一個波長范圍敏感。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的設(shè)備，其中，所述兩個初級探測裝置(16b，16e) 中的一個對藍光波長區(qū)域范圍敏感，另一個對紅光波長區(qū)域范圍敏感。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的設(shè)備，其中，所述照明裝置(14)由中央光源 (14a)組成，所述探測裝置(16)圍繞所述中央光源(14a)被布置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的設(shè)備，其中，所述照明裝置(14)由圍繞探測裝 置(16)布置的環(huán)形光源(14a)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的設(shè)備，其中，所述探測頭(4)上設(shè)置有具有預定 深度的端蓋00)。
10.一種三維物體O)的空間色度測量方法，包括以下步驟i.發(fā)出至少一束光以照射待分析的物體O)；ii.在至少四個探測裝置(16)上接收由所述物體(2)反射的光線； iii.將所述探測裝置(16)收集的光信息傳送至處理單元(8)，其特征在于，由所述物體(2)反射的光束被對基本相同的光波長范圍敏感的至少兩個 雙探測裝置(16c, 16e)探測。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括預先對所述探測裝置(16)進行校準的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，所述處理單元(8)通過迭代計算確定多 個分析點相對于所述探測頭的相對位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述處理單元(8)通過立體視覺法確定多個分 析點相對于所述探測裝置(16)的距離。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，所述處理單元(8)確定多個分析點中所 述物體(2)表面的法線的坐標。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的方法，其中，在最小深度與預定的最大深度 之間實現(xiàn)深度的所述迭代計算，所述最小深度對應于所述探測裝置(16)與所述端蓋00) 端部之間的距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項所述的方法，其中，迭代步長基本等于與預定最小 深度的像素對應的范圍的大小。
17.根據(jù)權(quán)利要求9至16中任一項所述的方法，其中，所述處理單元(8)將色度值強度 超過經(jīng)校準預定的值的分析點丟棄。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項所述的方法，包括根據(jù)所述分析點的位置計算多個 加權(quán)的分析點的色度坐標的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求13至18中任一項所述的方法，其中，通過雙線性插值調(diào)整各點的所 述色度坐標。
全文摘要
本發(fā)明涉及三維物體的空間色度測量設(shè)備與方法，以根據(jù)多個分析點對三維物體的平緩起伏和色度坐標進行數(shù)字化建模。為此，本發(fā)明的測量設(shè)備結(jié)合照明裝置和至少四個光學探測裝置，光學探測裝置包括對基本相同的光波長范圍敏感的至少兩個雙探測裝置，以通過立體視覺效果確定被分析物體的平緩起伏。因此，本發(fā)明提出了一種三維物體(2)的空間色度測量設(shè)備，其包括探測頭(4)，探測頭(4)由物體的照明裝置(14)和用于探測物體(2)反射的光的至少四個探測裝置(16)組成，所述設(shè)備還包括用于處理由探測裝置(16)接收的信息的處理單元(8)。至少兩個雙探測裝置(16c，16e)對基本相同的光波長范圍敏感。
文檔編號G01J3/02GK102084228SQ200880128023
公開日2011年6月1日 申請日期2008年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者伯納德·費羅爾, 弗雷德里克·魏曼, 菲利普·戈來米萊特, 讓·特萊多特, 讓-瑪麗·馬蓋因 申請人:利茲法國產(chǎn)品公司