專利名稱：提高對目標(biāo)的三維觀測的顯著性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提高用光學(xué)檢取元件(pick-up)、投影圖案和三角測量計算對目標(biāo)作三維觀測的顯著性的方法，其中，把一個編碼的圖案投影在目標(biāo)上，以避免估算圖象數(shù)據(jù)的變化。
為了進(jìn)行觀測，根據(jù)光學(xué)原理工作的方法提供了大量的好處。能夠迅速而不接觸地進(jìn)行觀測?，F(xiàn)有技術(shù)包括電子圖象變換器(例如，CCD陣列)，在對它的輸出信號進(jìn)行數(shù)字化之后，能夠直接對其進(jìn)行存儲或估算。
用于對空間表面的表示和三維的光學(xué)觀測的方法和裝置是已知的。它們根據(jù)三角測量方法，其中，把點、線或任何其他圖形以已知的角度投影在觀測面上，并且從一個不同于投影角的觀測角用光學(xué)系統(tǒng)和圖象變換器來檢取投影圖案。在投影方向和檢取方向之間的已知的幾何關(guān)系允許對該表面的內(nèi)插點進(jìn)行三維計算。
例如，如果把一個規(guī)則的線狀圖案投影在一個具有空間廣度的目標(biāo)上，當(dāng)觀測方向與投影方向不同時，取決于目標(biāo)的表面形狀而產(chǎn)生一個畸變的線狀圖案。如果用一個合適的光學(xué)系統(tǒng)使這個目標(biāo)根據(jù)這個觀測方向在CCD陣列上成象，并且如果圖象信號被數(shù)字化并可提供給一個數(shù)據(jù)處理裝置，則可以對圖象中的不同位置處的線段加以識別，而當(dāng)光束路徑已知，并且考慮投影線狀圖案的幾何結(jié)構(gòu)時，可以通過三角測量來計算3D坐標(biāo)。
對于目標(biāo)的簡單的空間結(jié)構(gòu)，根據(jù)成象的線段的相互隔開的相對距離能夠計算增量坐標(biāo)。
然而，人們知道，在某些幾何條件下，要被觀測的表面的高度輪廓能夠?qū)е嘛@著的誤差。如果目標(biāo)相對于投影和/或檢取方向具有凹入部分(undercut)，則圖象中相鄰的線在實際上并不絕對顯然是相鄰?fù)队暗木€。如果不曾表示個別的線，則有多少條線被“取消”也是不知道的。在本文中，把“凹入部分”理解為這樣一種三維輪廓的結(jié)構(gòu)，作為觀看或投影方向的結(jié)果，該輪廓被目標(biāo)本身的一些部分覆蓋，因而不能為觀看或投影所接受。
在歐洲專利申請第0 250 993號中，描寫了一種制造陶瓷鑲嵌物的系統(tǒng)，其中，使用光學(xué)的三維(3D)測量裝置來觀測牙齒中的蛀洞。這里，強(qiáng)調(diào)“最佳觀看”的重要性的理由有二。首先，為了能把檢取裝置相對于觀看和投影方向?qū)?zhǔn)，從而目標(biāo)的有關(guān)的表面部分能夠用單個圖象檢取裝置檢取，第二，為了不進(jìn)行由于凹入部分引起的3D坐標(biāo)的錯誤計算。在這方面，由于可部分得到對比物數(shù)據(jù)，建議在計算中對線段“加權(quán)”。然而，當(dāng)目標(biāo)的表面結(jié)構(gòu)相對于對比物有不同時，這只能部分地減少錯誤計算的可能性、把三維表面的部分?jǐn)?shù)據(jù)組合成總體數(shù)據(jù)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，該部分?jǐn)?shù)據(jù)是用所謂的“匹配算法”，使用相應(yīng)的表面部分的3D坐標(biāo)，根據(jù)從不同方向檢取的單個圖象得到的。顯然，關(guān)于所包含的坐標(biāo)的正確性的變更和疑問使有用的數(shù)字計算變得不可能，在檢取過程期間，當(dāng)自動和在線進(jìn)行這種計算時，尤其如此。
因此，本發(fā)明的目的是提供提高目標(biāo)的三維觀測的顯著性的方法，目標(biāo)的類型在引言中描述，用這種方法，當(dāng)進(jìn)行觀看時，投影圖案的每個區(qū)域能夠在圖象檢取裝置中被清楚地識別，要求是，按上面描述的方式，關(guān)于觀看和投影方向沒有表面連續(xù)性。
按照本發(fā)明，用這樣的方法可以達(dá)到這個目的，其中，為進(jìn)行目標(biāo)(它具有空間廣度)的三維觀測(按三角測量方法)而投影的圖案區(qū)域被編碼，從而使用部分的圖象，即可識別與投影圖案的相應(yīng)區(qū)域的關(guān)系。通過已知光束路徑和投影圖案的幾何結(jié)構(gòu)，以及通過已知在圖象檢取裝置中的相應(yīng)的圖案部分的位置，用簡單的三角測量計算能確定3D絕對坐標(biāo)。
現(xiàn)在當(dāng)投影圖案的部分落入陰影區(qū)域時，仍能部分地識別圖案，因而能進(jìn)行嚴(yán)格的3D計算。雖然不可能相對于陰影區(qū)域進(jìn)行表面的三維觀測，但對于其他區(qū)域卻是可能的，因為圖案的有關(guān)部分有清楚的關(guān)聯(lián)性。
可以想象，在某些條件下，與簡單的條形圖案相比，編碼圖案的結(jié)構(gòu)減少了可計算的3D數(shù)據(jù)的數(shù)目。然而，不管是否補(bǔ)充在個別圖象中由于凹入部分而丟失的數(shù)據(jù)，或者不受在單個圖象中檢取裝置的視場的限制，而代表比可能的目標(biāo)更大的目標(biāo)，如果檢取裝置相對于目標(biāo)作低速運動，并且在此期間，取得不同的單個圖象的一個序列，通過把與單個圖象相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)作適當(dāng)?shù)慕M合，就能縮減3D數(shù)據(jù)，并連續(xù)地完成。
用按照本發(fā)明的方法，在上述意義下，避免了三角測量計算中的改變因而提高了這些計算的顯著性。
在本發(fā)明的意義中，“編碼”意思是指投影圖案的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)τ谒鼈兊膸缀谓Y(jié)構(gòu)和/或范圍和/或它們其他的(例如，有色的)結(jié)構(gòu)而言可明顯地加以區(qū)別。
如果用直線圖案作為投影圖案，當(dāng)這些直線被固定在觀看和投影的方向之間的平面平行的一個實質(zhì)的分量所破壞時，可以得到與3D計算相關(guān)的數(shù)據(jù)。
當(dāng)使用直線圖案時，按照本發(fā)明，能對這些直線有利地編碼，例如，通過在各條直線內(nèi)改變線的粗細(xì)。為此，可以使用二進(jìn)制、其它的離散和模擬的編碼。
如果，例如，首先，把亮的直線投影在目標(biāo)上，其次，在數(shù)據(jù)處理裝置的存儲器中的數(shù)字化的圖象數(shù)據(jù)的對比數(shù)據(jù)是平面的，即，按行和列組織，以及第三，列數(shù)據(jù)例如代表沿固定在檢取和投影方向之間的平面方向的圖象數(shù)據(jù)，能用合適的算法為計算3D絕對坐標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動估算，從而沿圖象中的空隙檢查對比數(shù)據(jù)，以與暗/亮/晴圖案序列相應(yīng)。對于次象素(sub-pixel)估算，合適的統(tǒng)計和數(shù)字方法(諸如互相關(guān)、Wiener濾波器等等)也是已知的。
如果現(xiàn)在已知圖案相關(guān)性的列位置，即，已識別一條直線，通過邊緣跟蹤，現(xiàn)在能夠考察在相鄰列中的線的走向和結(jié)構(gòu)。使用現(xiàn)有技術(shù)中對于圖案識別已知的方法，可以對直線本身相對于其結(jié)構(gòu)并由此相對于其編碼進(jìn)行研究。
結(jié)果，首先，已知列位置，在那里已記錄了圖案的直線以及它的主要集中點，以及其次，對相應(yīng)的線段已譯碼；因此線段能被清楚地分派給用作投影的未畸變圖案中的圖案的相應(yīng)位置。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，用三角測量計算，能夠確定目標(biāo)的被觀看表面的相應(yīng)點的3D坐標(biāo)。
如果用所述的方法還對同一列中的其他直線進(jìn)行了識別，并且如果把這種方法用于其他列，則能得到許多坐標(biāo)，它們在一起相應(yīng)于目標(biāo)的表面上的各別的點，在現(xiàn)有技術(shù)中已知這種用以描述結(jié)構(gòu)的所謂“散布”(scatter)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)也已知對散布的進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，例如，為了形成網(wǎng)格系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或表面片段。
特別，對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，用本方法可以作出準(zhǔn)確的三維數(shù)字描述，使之可以無需空間模擬(諸如，例如，石膏型鑄造)即可以三維內(nèi)容提供發(fā)現(xiàn)或報告，或計算機(jī)輔助生產(chǎn)治療裝置(諸如，例如，牙托、補(bǔ)換牙、種牙)。
按照本發(fā)明，沿觀看的有關(guān)直線交替地以單倍和雙倍的線粗細(xì)安排線段的做法是有利的。如果，例如，再加上使用長、短線段，則類似于Morse代碼就能對直線作不同的編碼，其做法是用具有單倍/雙倍的線粗細(xì)對長、短線段作改變。現(xiàn)在，當(dāng)直線落入陰影區(qū)域時，仍然能夠?qū)τ诿總€各別的可見線段(它包含了完整的編碼)進(jìn)行3D絕對坐標(biāo)的計算，而不需要對于其他直線或線段的數(shù)據(jù)。
按照本發(fā)明，特別改變清楚地幾何結(jié)構(gòu)中的特定圖案部分的黑/白比值是有利的，以能夠用有關(guān)的黑/白比值把圖案的一部分與其他部分區(qū)分開來。按照本發(fā)明，特別有利的是，把帶有不同的黑色含量的線段按直線或同心的方式排列。
按照本發(fā)明，在特定的圖案部分中的直線中安排間隙，以及由這些間隙的不同結(jié)構(gòu)改變圖案部分是有利的。
按照本發(fā)明，除了圖案的黑/白結(jié)構(gòu)之外，采取圖案的有色編碼特別有利。當(dāng)把直線用作圖案時，按照本發(fā)明，例如，每條直線做成不同的顏色是有利的。這樣，每條直線的數(shù)據(jù)密度完全被保留；仍然清楚地識別每條直線，只要檢取的表面的顏色含量允許作這種區(qū)分。
在本發(fā)明的意義中，“顏色”是指可見、紅外和/或紫外光的譜線和光譜范圍的選擇。在這種定義的意義下，是由特定的光譜或光譜范圍所產(chǎn)生和可選地由加色混合(additive colour mixing)還是由吸收來濾光或從一較寬的光譜可選地作減色混合(subtractive colour mixing)形成顏色的，并不重要。
在本發(fā)明的意義中，把“黑色”用作基本上不點亮和/或由于吸收基本上沒有后反射或透穿照射的分量的同義語。
在本發(fā)明的意義中，把“白色”用作具有寬的光譜頻帶的點亮和對于具有寬光譜頻帶的向后反射或透穿照射的分量的同義語。
按照本發(fā)明，在本發(fā)明中描述的方法的所有結(jié)構(gòu)能以許多種不同的方式特別有利地相互組合。
從下面參照附圖對較佳實施例的描述，將能明白本發(fā)明的其他優(yōu)點、特征和可能的應(yīng)用。
在附圖中，

圖1和圖2部分示意地示出編碼圖案的實施例，用來對目標(biāo)進(jìn)行三維觀測的光學(xué)檢取，其做法是按照本發(fā)明進(jìn)行圖案投影和三角測量計算。
在圖1所示的直線圖案中，沿各條直線，線的粗細(xì)以單倍或雙倍寬度(線的粗細(xì))的有規(guī)則重復(fù)的序列交替地構(gòu)成，從而在一個確定的直線部分中，具有單倍和雙倍線的粗細(xì)的線段長度的比例是逐條直線不相同的。由于這一點，以類似的方式使用在信號處理中普通使用的表示，換言之，人們可以在圖案的周期性中述及不同的黑-白脈沖占空比。
除了對圖案的部分編碼之外，示于圖1的實施例的特點在于，由于圖案的特殊結(jié)構(gòu)，可以得到高密度的可計算內(nèi)插點。
圖2示出同心圖案單元的一種安排，其中，對各個單元如此編碼，從而，第一，內(nèi)圓以90°段不同地變黑，第二，外同心環(huán)以90°段不同地變黑，以及第三，外同心環(huán)圖案的角位置對其上的單元安排做得不同。示于圖2的實施例除了對圖案部分編碼之外，還由于下述原因而顯示出特色a)通過各個圖案單元的不同結(jié)構(gòu)的所述的三種可能性，能夠得出編碼的很高的顯著性，b)能夠相互可靠地區(qū)分大量的單元，和/或c)為了檢驗，可以表示冗余數(shù)據(jù)，d)圖案單元的同心結(jié)構(gòu)適合地自動圖案識別，以及e)采用圖案識別算法，內(nèi)圓和不同結(jié)構(gòu)適合于在投影圖案的畸變圖象中精確地確定位置。
權(quán)利要求
1．一種通過光學(xué)檢取、投影圖案和三角測度計算提高三維目標(biāo)觀測的顯著性的方法，其特征在于，所述投影圖案的不同區(qū)域具有不同的結(jié)構(gòu)并由此被編碼。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述圖案包括至少兩個幾何單元，由不同的結(jié)構(gòu)對它們編碼。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，不同構(gòu)造的所述幾何單元大體上是按直線的方式延伸的。
4．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，不同構(gòu)造的所述幾何單元是大體上按同心的方式延伸的。
5．如權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述圖案的不同構(gòu)造的區(qū)域相對于線的粗細(xì)具有差別，并因此被編碼。
6．如權(quán)利要求2至5之一所述的方法，其特征在于，所述圖案的不同構(gòu)造的幾何單元由于間隙而有差別，并因此被編碼。
7．如權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述圖案的不同構(gòu)造的圖案區(qū)域相對于所著顏色和/或黑/白含量具有差別，并因此被編碼。
8．如權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，根據(jù)圖象數(shù)據(jù)，對來自被檢取的目標(biāo)的表面的至少兩個區(qū)域的至少一點的每一點計算3D坐標(biāo)，在檢取期間，把所述圖案的不同編碼的區(qū)域投影在所述目標(biāo)上。
9．把按照權(quán)利要求1至8之一的方法用于醫(yī)學(xué)診斷、治療或提供文件。
全文摘要
揭示了一種通過光學(xué)記錄、投影樣本和三角測量提高計算三維目標(biāo)測量的顯著性的方法,為此把編碼樣本投影在目標(biāo)上,以在估算圖象數(shù)據(jù)期間防止重復(fù)性。本方法對于醫(yī)學(xué)診斷、治療和提供文件特別有用。
文檔編號G01B11/24GK1231724SQ97197836
公開日1999年10月13日 申請日期1997年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月12日
發(fā)明者呂德格·魯伯特 申請人:敘林克斯醫(yī)學(xué)技術(shù)有限公司