CN102327156B - 牙齿色度映射 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于获得牙齿对象的颜色映射的方法和设备。在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向所述对象，每次在一个带上引导。在每个波长带上捕获所述牙齿对象的图像以形成所述牙齿对象的图像集合。对于所捕获的图像集合中的像素，所述像素的图像数据值对应于波长带中的每一个并且根据所获得的图像数据值而且根据在所述波长带上从参考对象获得的图像数据值计算与所述牙齿对象的光谱反射率成比例的插值图像数据值。观察光源的光谱分布数据被获得并且所述牙齿对象的目视颜色根据计算得到的插值图像数据值和所获得的所述观察光源的光谱分布被重建。

Description

牙齿色度映射

技术领域

本发明一般地涉及用于牙齿颜色测量的方法和系统，并且更具体地涉及用于确定自然的牙齿、参考色度(shade)样本以及所制作的牙齿假体的色度(color shade)信息的数字方法和系统。

背景技术

现代的修复牙齿程序常常需要准确的颜色匹配，诸如为了填充材料以及为了诸如牙冠、植入物、固定式局部义齿和饰面等修复体的制作等。用于这些程序的材料(诸如陶瓷及其他材料)可以被巧妙地形成和处理以接近地匹配自然的牙齿的形状、纹理、颜色和半透明度。

广泛用于确定和传送牙齿颜色信息的技术是被称为“色度匹配(shade matching)”的过程，由此牙医或技术人员在视觉上将患者的牙齿与一组或多组标准化的比色板(shade guide)内的许多参考色度样本或色度标签中的一个匹配。执行匹配的医生记录匹配的色度标签的标识并且向牙科实验室传达该信息，进而在所述牙科实验室中制作修复体或假体。该实验室进而在整个制作过程中使用其自己的一组相同的比色板来执行修复体或假体的目视颜色(visual color)评估。

视觉上的色度匹配过程可能在很大程度上是主观的并且容易受到许多问题的影响。初始的匹配程序常常是困难和冗长乏味的，并且该过程耗费二十分钟或更长的时间不是罕见的。在很多情况下，没有完全匹配患者牙齿的色度标签。

准确地对牙齿的颜色建模的问题比使用色度标签获得接近的颜色匹配更复杂。基于仪器的色度匹配系统和基于视觉的色度匹配系统两者的固有缺点和限制通过考虑匹配人类牙齿的外观所涉及的困难而可以更充分地被领会。牙齿颜色本身产生于通过各种有机和无机分量的反射、透射、折射、荧光和散射的相对复杂的相互作用。它受牙髓体积、牙质条件、牙釉质构成的变化以及牙齿组织的构成、结构和厚度的其他变化影响。这种复杂性的一个结果是颜色外观和颜色测量在很大程度上受光照几何形状、周围颜色以及其他环境因素影响。

更复杂的是，单个牙齿内的颜色一般不是均匀的。颜色的不均匀性可能产生于构成、结构、厚度、内部和外部色斑、表面纹理、裂沟、裂缝以及湿度的空间变化。因此，在相对大的区域上所进行的测量产生可能不代表牙齿的主要颜色的平均值。另外，自然的颜色变化和不均匀性使给定的牙齿能够与任一单个色度标签完全匹配变为不太可能。这意味着需要用于传达牙齿内的颜色分布的方法，而不是仅仅传达牙齿的平均颜色。此外，牙齿颜色很少是从牙齿到牙齿均匀的。因此，修复体的理想颜色可能在视觉上不与相邻牙齿的颜色或患者口中的任何其他单个牙齿的颜色协调一致。而且，人们一般对他们牙齿的外观很挑剔。可以理解，他们对颜色呈现不正确的修复体是相当不能容忍的。

在美容牙科中，制作实验室常常需要额外的信息以便在简单的色度匹配以外更准确地映射牙齿颜色。在实践中，除色度标签以外，牙医或技术人员可以提供照片，使得制作实验室可以在牙齿的不同部分上调整颜色特征。这有助于为主观用途提供某种类型的颜色映射，附带与色度标签相关并且示出牙齿其他部分的颜色如何不同于色度标签的颜色的信息。

常常难以决定哪个标签最接近地匹配(或相反地，哪个失配最少)以及提供关于牙齿表面上的颜色变化的准确信息。频繁地，医生确定患者的牙齿特别难以匹配，从而需要患者进而亲自前往将制作修复体的口腔正畸实验室。在那里，受过训练的实验室人员可以执行颜色匹配和颜色映射。在很多情况下，由于假体的颜色是通过陶瓷或其他着色材料的顺序添加而得以精细调节的，患者甚至可能需要返回牙医处和实验室两次、三次或甚至更多次。在高百分比的情况中(对于一些牙齿假体估计接近10％)，目视颜色匹配程序还会失败并且已经制作的假体由于颜色或视觉上的协调性而被牙医或被患者拒绝。

考虑到颜色匹配任务的相对困难以及颜色映射更高的复杂性，高比率的失败一点都不令人惊讶。对相对小的颜色差异的目视颜色评估总是困难的，并且必须对牙齿颜色进行评估的条件很可能引起诸如局部彩色适应、局部亮度适应和侧面亮度适应等许多复杂的心理物理效应。而且，色度标签最多提供与真的牙齿的同色异谱(即非光谱)匹配；因此，匹配是对光源敏感的并且容易受到由人类颜色视觉的正常变化引起的可变性的影响，举例来说诸如观察者同色异谱(metamerism)。

响应于在牙科应用中对改进的颜色匹配和颜色映射的需求，许多方法已经被尝试。这个问题的常规解决方案有以下几种一般的类型：

(i)基于RGB的装置。用这种方法，在白光照明下使用颜色传感器捕获整个牙齿的图像。利用颜色校准变换根据传感器的3色通道的RGB(红、绿、蓝)值在牙齿表面的区域上计算三刺激值。通过基于RGB的装置的颜色分析严重地依赖所捕获的图像的质量并且需要加强的校准而且可能需要对牙齿和假体装置的颜色匹配使用相同的照相机。这个要求可能是由照相机本身的校准以及由在照相机内执行以便提供RGB数据的颜色预处理引起的；这种预处理可能从一个照相机到下一个照相机显著不同，甚至对于来自同一制造商的照相机也是如此。保持准确性倾向于是困难的并且测量由于同色异谱而被损害，其中所测得的颜色高度取决于光源(illuminant)。因为牙齿测量和成像一般在显著地不同于自然光照条件的条件下被实行，所以这是特别麻烦的。以这种方式使用RGB测量并且采用对应的颜色变换的示例包括：Murljacic的题为“Tooth Shade Analyzer System and Methods(牙齿色度分析仪系统和方法)”的美国专利No.5,766,006；Breton等人的题为“Method and Apparatus for Determining the Appearance of an Object(用于确定对象外观的方法和设备)”的美国专利No.6,008,905；以及Giorgianni等人的题为“Dental Color Imaging System(牙齿颜色成像系统)”的美国专利No.7,064,830。

(ii)比色装置。这种类型的装置被设计成直接测量人眼所感知的颜色。用这种类型的装置，照明光或反射光(在白光照明下)在对应于眼睛的光谱响应特征或颜色匹配函数的三个波长带处被过滤，并且所测得的反射信号直接被转化成三刺激值。如同(i)中所描述的基于RGB的装置一样，来自这种类型的装置的测量结果也遭受同色异谱的影响。使用这种方法的一些示例包括在Vieillefosse的题为“Method andApparatus for Determining the Color of a Translucent Object Such as aTooth(用于确定诸如牙齿等半透明对象的颜色的方法和设备)”的美国专利No.5,383,020中所公开的需要光谱仪的那些示例以及在Overbeck等人的题为“Optical Meaturement Device and RelatedProcess(光学测量装置及相关过程)”的美国专利No.6,867,864中所公开的那些示例。

(iii)分光光度计装置。这些装置采用光谱反射率来获得颜色数据。对照明光或反射光进行光谱扫描，并且使用光电传感器将牙齿所反射的光记录为波长的函数。目视颜色，即CIE(国际照明委员会)三刺激值(tristimulus)颜色信息进而根据所测得的光谱反射率曲线来计算。分光光度计装置不易受比色装置和基于RGB的装置所固有的、相同的同色异谱倾向影响，并且潜在地产生更准确的颜色测量结果。然而，明显注意到分光光度计不是成像装置。分光光度计是使用光电传感器在小区域上测量入射光的光谱成分的仪器。使用分光光度计装置的牙齿颜色测量的示例包括Berner的题为“Method and Apparatusfor Determining Color，in Particular of a Dental Prosthesis(用于确定颜色、特别是牙齿假体的颜色的方法和设备)”的美国专利No.4,836,674和题为“Method and Apparatus for Determining the Color StimulusSpecification of an Object(用于确定对象的颜色刺激规格的方法和设备)”的美国专利No.6,038,024。

虽然使用分光光度方法所获得的数据为颜色匹配提供了相对于比色方法和RGB方法的优势，包括对同色异谱的消除，但是这种方法已经被发现是难以在实践中实现的。将光扫描组件用于测量不同的光谱分量(一般采用光栅或滤光轮)倾向于使分光光度系统的体积相当庞大和复杂。例如，这使测量朝向口腔后方的牙齿变得困难。缓解这个问题的尝试还没有示出巨大的成功。作为一个示例，Jung等人的题为“Apparatus for Determining Optical Characteristics of an Object(用于确定对象的光学特征的设备)”的美国专利No.5,745,229提供了采用光纤将反射光引至传感器阵列的紧凑型分光光度计装置，其中每个传感器使用不同的光谱过滤器。然而，一般而言像所有分光光度计装置一样(上述iii)，这种装置一次只测量牙齿表面的一小片区域。为了获得整个牙齿表面的颜色映射需要用这种方法进行大量单独的测量。图像捕获过程是耗费时间的并且不提供一致的结果。使用这样的方法，颜色映射可能是不准确的，因为在成像过程期间对照明和图像捕获角度以及探针定向可能有相当可观的敏感度。

一般而言，或者在光源端或者在传感器端采用颜色过滤器的常规方法可能是不太令人满意的，因为它们容易受到过滤器本身的限制的影响。

因此，对具有高度的准确性而不需要高成本的或复杂的组件的、以执行起来直接了当的程序提供牙齿色度匹配和映射的改进的测量设备有需求。

发明内容

本发明的目标是提高牙科应用中的色度映射技术。考虑这个目标，本发明提供了从牙齿的多颜色图像获得光谱反射率数据而没有使用分光光度计的复杂性的设备和方法。

本发明的优势在于其采用了成像阵列以在完整图像上获得分光光度测量结果(measurement)。这促进了对口腔内窥镜用途的适应。此外，所提供的输出分光光度颜色数据不易受同色异谱的影响，而所述同色异谱会影响使用比色和RGB颜色匹配技术的解决方案。在本发明的具体实施例中所采用的方法获得了牙齿图像的每个像素的光谱反射率数据，从而允许对牙齿颜色的准确映射，包括在牙齿的不同部分上的颜色变化。

这些目标仅通过示意性举例的方法给出，并且这样的目标可以是本发明的一个或多个实施例的示例。通过所公开的发明固有地达到的其他所希望的目标和优势可以被本领域的技术人员想到或对于本领域的技术人员是显而易见的。本发明由所附权利要求限定。

根据本发明的一个方面，用于获取牙齿对象的颜色映射的方法被提供，该方法包括：在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向所述牙齿对象，每次在一个波长带上引导；在成像阵列上捕获所述牙齿对象在每个照明波长带上的图像以形成所述牙齿对象的图像集合；对于所捕获的图像集合中的多个像素中的每一个：(i)获得所述像素的对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值；(ii)根据所获得的图像数据值而且根据在所述至少第一、第二和第三波长带上从参考对象所获得的图像数据值计算与所述牙齿对象的光谱反射率成比例的多个插值图像数据值；获得观察光源的光谱分布数据；根据计算得到的插值图像数据值和所获得的所述观察光源的光谱分布重建所述牙齿对象的目视颜色；并且至少将所重建的目视颜色作为数据存储在计算机可存取的存储器中。

附图说明

本发明的前述及其他目标、特点和优势从以下对本发明的实施例更具体的描述中将是显而易见的，如附图所示意的那样。附图的元件不一定相对于彼此成比例。

图1是示出用于获得牙齿的颜色测量结果的常规的基于图像的设备中的组件的布置的示意图。

图2是示出利用比色变换来获得牙齿颜色值的早前的方法的示意图。

图3是示出根据本发明的一个实施例的颜色映射设备的示意框图。

图4A是示出与特定波长相关的光强(intensity)测量结果的图表。

图4B是示出插值如何被用于为图4A的所测得的数据之间的点生成曲线的图表。

图4C是示出在一个实施例中所使用的光源的典型光谱特征的图表。

图4D是示出一个实施例中的宽带传感器阵列的光谱响应特征的图表。

图5是用于从牙齿获得光谱数据的步骤的逻辑流程图。

图6是示出与所测得的值相关的离散插入值的图表。

图7A是示出使用常规的颜色匹配为每个像素获得的三刺激值数据的示意图。

图7B是示出使用本发明的设备和方法为每个像素获得的光谱反射率数据的示意图。

具体实施方式

以下是对本发明的优选实施例的详细描述，对附图进行了参考，其中相同的参考标号标识若干副图的每一幅中的相同结构元件。

在本申请的上下文中，术语“窄带”被用来描述LED或在诸如20-50nm宽的窄波长范围上发射它们大部分的输出光的其他照明源。术语“宽带”被用来描述在至少从大约400nm延伸至大约700nm的宽波长范围上展现对入射光的高敏感度的光传感器。因为这种类型的传感器响应光，但不区分颜色，所以它常常被称为“单色”传感器或不那么准确地被称为“黑白”传感器。

在本申请的上下文中，对于“像素单元”，术语“像素”具有与该术语被图像处理领域的技术人员所理解的一样的常用含意。对象的电子图像由光敏元件阵列所捕获，所述光敏元件中的每一个提供用于形成图像数据的像素的信号。

在此示出和描述的图被提供以便根据本发明示意操作的主要原理和组件沿它们各自的光学路径的关系，并且这些图不是意在示出实际大小或比例而被绘制的。为了强调基本结构关系或操作原理，某种夸大可能是必要的。为了简化对发明本身的描述，对所描述的实施例的实现所可能需要的一些常规组件(举例来说诸如各种类型的光学固定件)未在附图中示出。在以下的附图和正文中，相似的组件用相似的参考标号标出，并且涉及已经被描述的组件及组件的布置或相互作用的类似描述被省略。在术语“第一”、“第二”等被使用的地方，它们不一定表示任何序数或优先级关系，而仅仅是被用来更清楚地将一个元件与另一个元件进行区分。

术语“颜色”和“波长带”一般同义地用在本公开内容的上下文中。例如，激光器或其他固态光源由其一般的颜色(诸如红色)来指代，而不是由其峰值输出波长(诸如635nm)或其波长带(诸如630-640nm)来指代。

术语“集合”如在此所使用的那样指的是非空集合，如集合的元素或成员集群的概念在初等数学中被广泛理解的一样。除非另外明确地陈述，术语“子集”在此被用来指的是非空真子集，即指的是更大的集合的子集，其具有一个或多个成员。对于集合S，子集可以包括整个集合S。然而，集合S的“真子集”严格地包含在集合S中并且至少排除集合S中的一个成员。

在本公开内容的上下文中，术语“牙齿对象”指的是用于口腔内用途或应用的对象、材料或其他元件(element)，并且包括牙齿、诸如牙冠、牙托、矫形器及其他支撑物和齿桥等假体装置、填充材料、色度匹配标签等等。

与表征牙齿颜色的一些尝试对比，本发明的设备和方法将影响颜色测量结果并且使准确地表征颜色的任务复杂化的因素的组合考虑在内。例如，本发明的具体实施例标识并且补偿诸如照明波长和检测器响应特征等可变因素以便得到准确的颜色数据。为此，对于牙齿或其他牙齿对象的图像中的每个像素，在本发明的实施例中所使用的方法获得大体上独立于测量装置的光谱响应并且可以被用来提供对于任何波长组合上的光源都适用的对颜色的客观测量的光谱反射率数据。因此，在本发明中为牙齿颜色映射所获得的数据可以被用来当对象在从具有已知光谱分布的可用光源集合中所取得的任何光源下被观察时重建该对象的目视颜色。为牙齿对象所生成的颜色映射进而可以被用来生成所显示的图像或者被用来与用于诸如牙冠或其他牙齿假体装置或填充材料的另一对象或材料的颜色映射进行比较。例如，为牙齿对象所生成的颜色映射还可以被用来设计和形成牙齿假体装置。用于牙齿或其他牙齿对象的颜色映射可以由相当大量的数据组成并且通常作为数据文件被存储在计算机可存取的存储器中。

参照图1，用于获得牙齿颜色数据的常规成像设备10的示意框图被示出。照明源12将光引导到牙齿20上。捕获模块18进而执行图像捕获并且向颜色重建模块22提供图像数据。输出是对应于牙齿表面上的点的目视颜色值的集合。

图1的基本布置被用于早前在背景技术部分中所描述的基于图像的颜色测量方法中的每一种。举例来说，图2示出用于实现在早前所引用的共同受让的Giorgianni等人的′830专利中所描述的系统的示意图。在成像设备30中，照明源12向牙齿20提供白光照明。透镜32将反射光引导到为每个像素提供对应的红色、绿色和蓝色值的传感器34。颜色校准变换36进而生成目视颜色值作为每个图像点的输出。

与图1和图2所示的方法对比，本发明的设备和方法提供了利用基于光谱反射率的颜色重建的颜色映射设备。通过提供关于牙齿的实际颜色特征的固有地更准确的数据集合，这种方法优于基于RGB的装置和比色装置。有利地，这种方法不易受同色异谱的影响，否则将致使测量结果依赖于测量系统的光源。不同于一般的分光光度测量装置，本发明的设备和方法获得牙齿图像中的每个像素的光谱数据。而且，使用成像阵列而不是光电传感器获得这个信息。

本发明的设备和方法不仅获得单个像素或相邻像素分组的准确颜色测量结果，而且因为它们使用成像装置所以还为在牙齿对象的完整图像上的准确颜色映射提供了适合的信息。通过使用成像阵列获得光谱测量数据，本发明的实施例获得了允许光谱数据为牙齿图像的每个像素被生成的测量结果。

参照图3的示意图，颜色测量和光谱反射率映射设备40使用了可以提供单独颜色的光的照明设备24。在一个实施例中，照明设备24由分别具有波长带λ1、λ2、λ3和λ4的多个窄带光源14b、14g、14y和14r组成，它们被示出为彩色LED。在图3的实施例中，以举例的方式示出四个LED；可以有任何数量的不同颜色并且对于每种颜色可以不止有单个LED或其他光源。这个实施例中的宽带成像传感器阵列44、CCD(电荷耦合装置)或CMOS(互补金属氧化半导体)成像阵列为每个像素提供了对应于来自每个窄带光源的反射的输出值集合。参考目标28可选地被提供作为用于获得在校正系统中的光强波动时所使用的参考光强测量结果的参考对象，这将随后被描述。在一个实施例中，参考目标28是具有已知光谱反射率特征的灰色小块。参考目标28和牙齿20两者都在成像透镜32的视场内。在替代的实施例中，参考目标28不出现在图像场中，而是被用于获得参考和校准数据的单独的装置或对象。

为了使用图3所示的设备获得光谱数据，LED或其他光源可以根据颜色分组被通电，快速连续地每次使一个颜色分组通电，并且反射光的对应测量结果通过成像传感器阵列44获得。如在图3中以缩略图形式示出的那样，这为牙齿图像的每个像素有效地提供了图表上的许多点，在这个示例中一个光强读数对应于波长带λ1、λ2、λ3和λ4中的每一个。

光谱反射率插值模型46进而使用这些点生成完整的光谱反射率曲线并且使用许多计算技术中的一种在这些测量值之间插入点。结果得到牙齿图像的每一单个像素的光谱反射率曲线。这个数据提供了与早前的方法相比更准确地表示色度的颜色映射，早前的方法仅仅尝试直接测量三刺激值或执行从RGB到标准颜色空间的颜色转换，举例来说诸如色调-色饱和度-亮度值(HSV)或国际照明委员会L^*a^*b^*(CIELAB)颜色空间。控制逻辑处理器38也在图3中被示出，其执行控制逻辑处理并且包含执行这些处理函数并且存储临时结果和最终结果的支持性电子存储器组件。这样的组件对于成像领域的技术人员是熟悉的。

图4A的图表示出其中像素的四个离散光强测量结果被获得的示例，每个光源14b、14g、14y和14r各有一个离散光强测量结果，分别对应于波长带λ1、λ2、λ3和λ4。如所示出的那样，这在光强-波长关系曲线的图表中产生了四个点。然而，完整的光谱反射率特征在每个波长上都有值。因此，如在图4B中以举例的方式所示出的那样，为了获得像素的完整的光谱反射率曲线，需要某种类型的插值。

取得准确的测量结果需要了解系统中的不同能量水平和测量敏感度。如图4C所示，每个窄带光源(在这个实施例中为LED)在限定区域上提供输出光强。波长带λ1、λ2、λ3和λ4由标称波长来标识，在所述标称波长处这些光强曲线达到峰值。

宽带传感器阵列44可以是测量对应于被通电并且为每个像素提供测量值的照明设备24的组件的反射光的量的任何类型的传感器阵列。在一个实施例中，宽带传感器阵列44在可视波长范围上都具有宽光谱响应特征。这明显不同于眼睛的“颜色匹配函数”或颜色传感器阵列的光谱响应，所述两者都只在可视波长的孤立带中具有显著的值。例如，单色CCD成像阵列可以具有如图4D的示例所示的典型的量子效率曲线。随着这个装置被照明并且提供指示所接收的感测光强的输出信号，其测量了对应于每个光源14b、14g、14y和14r的反射光的量。因为LED光源的峰值波长和带宽是已知的，所以测量值可以容易地与波长相关联，而不需要颜色过滤器阵列(CFA)或其他过滤组件。

图5的逻辑流程图示出由图3的颜色测量和光谱反射率映射设备40中的控制逻辑处理组件所执行的步骤，所述步骤在本发明的一个实施例中用于获得牙齿的光谱反射率值。循环程序每个源颜色执行一次，在此对于每个LED颜色或其他窄带照明源执行一次。在照明步骤S110中，LED或其他窄带照明源被通电。图像捕获步骤S120获得牙齿20的图像，并且可选地获得参考目标28在给定照明处的图像。结果得到的图像由从牙齿反射的光组成，在图像捕获步骤S120中为每个像素捕获所述图像。反射率点值是与实际反射率值成比例的像素值。从宽带传感器阵列所测得的反射率点值的阵列进而在获得值的步骤S130中被获得并且被存储。由步骤S110、S120和S130组成的循环重复直到LED的每个颜色分组或其他窄带光源都已经被通电。净结果是牙齿或其他牙齿对象的图像集合。

继续看图5中的逻辑流程图，根据来自先前步骤的所存储的点值，插值步骤S140进而为每个图像像素构建与光谱反射率成比例并且将被用于生成光谱反射率曲线的额外的值。相对于图3的示意框图，这个步骤作为光谱反射率插值模型46的一部分被执行。在一个实施例中，这个数据被用来为牙齿图像的每个像素构建图6的光谱反射率曲线。计算步骤S150进而使用来自步骤S140的插入值、观察光源的光谱分布数据以及CIE观察者匹配函数为牙齿区收集并且重建目视颜色值。输出的目视颜色值可以进而被用来更准确地传送牙齿的真实颜色成分，而没有同色异谱或照明系统的其他效应。这些值可以被用于图像渲染并且可以被存储在计算机可存取的电子存储器中供将来使用。存储器本身可以是用于短期存储的随机存取装置，或者是用于长期存储的光学或磁性存储单元。颜色映射可以按需要被生成，使得存储器存储是临时的“工作空间”并且仅例如在执行颜色匹配或比较的持续时间内或在图像显示期间被控制逻辑处理器38使用。替代地，控制逻辑处理器38可以更长期地存储颜色映射，举例来说诸如由光源类型索引的颜色映射数据库的一部分。一旦颜色映射被形成并且在计算机可存取的存储器中是可用的，其可以被用于与例如用于假体装置或材料的对应的颜色映射数据进行比较。

注意到的是图5的序列在任何光源条件集合下都允许颜色匹配。所收集的颜色映射数据可以被用来计算与包括白炽光、荧光、自然光或日光的观察光的任何源或者其他源最佳匹配的颜色。因此，举例来说，在牙医的办公室中所获得的颜色映射数据可以被用来确定在自然光(日光)下所观察到的假体的最佳匹配颜色、或在舞台光照下所观察到的假体(诸如对于模特或表演者)的最佳匹配颜色、或在办公室环境中的荧光光照下或其他光照条件下所观察到的假体的最佳匹配颜色。这是本发明的方法相对于早前的RGB方法和比色方法的优势，在早前的RGB方法和比色方法中颜色映射和颜色匹配被限定为在进行颜色测量时所使用的特定光照条件，该特定光照条件可能与对于患者最重要的光照条件非常不同。

从图5的过程中所获得的信息可以被存储并且以许多方式被使用。所生成的目视颜色值可以被直接用来例如为显示渲染映射，或者可以某种方式被编码并且被存储在存储器中。光谱反射率值可以是与其他牙齿图像数据相关的并且被提供给牙科实验室或准确的颜色表征对于其有用的其他机构。随后将更详细地被描述的映射插值系数可以替代地和所测得的或计算得到的像素值一起被存储。

图6的图表示出了在相对于图5所描述的逻辑序列的步骤S140和S150中的处理的结果，如被应用于牙齿图像的每个像素那样。测量值被用来提供与光谱反射率成比例并且被用来定义特征光谱反射率曲线的数据。许多插入值进而被提供用于位于测量值之间和之外的波长。使用对于所应用的插值技术常规的术语，图6所示的测量值被认为是“结(knot)”，其中插入值沿着所述结之间的分段。

各种适合的插值方法可以被用于确定插入值。在一个实施例中，简单的线性插值基于测量值的线性关系被使用。举例来说，本领域中众所周知的其他更复杂的插值方案包括诸如三次样条的高阶样条拟合算法。更复杂的样条拟合技术可以使用多项式方法来达到更平滑的插值曲线。

另一插值方法使用最小二乘插值。这种方法寻求使由插值算法计算得到的值与所测得的实际值之间的距离最小。

注意到的是图5所描述的方法在一个实施例中为牙齿图像的每个像素获得图6的示例所示的多个测量结果。这潜在地是相当大量的数据，但是逐像素地提供了牙齿图像的光谱成分的完整表征。所收集用于牙齿图像的数据是非同色异谱的，因此消除了不想要的照明依赖效应，当常规的比色、RGB或视觉匹配的系统被用于颜色映射时，所述照明依赖效应可能损害颜色数据。

计算程序

如早前所注意到的，本发明的设备和方法基于少数测量结果生成并且使用了显著量的光谱数据。图5的计算步骤S150可以被用来生成能够从光谱反射率值的阵列提取的任何类型的有用的颜色数据信息，并且因此被用来将这大量数据转换为更容易可用的形式。一个或多个像素的CIE三刺激值X、Y、Z提供了用于根据视觉响应特征表示从这些测量结果所获得的颜色数据的一种有用的机制。

如早前已经被注意到的，使用常规方法获得准确的颜色测量结果的任务被照明和传感器响应的变量打乱。这些问题通过本发明的改进方法被解决。对于以下方程中的LED照明，通过使用颜色测量和光谱反射率映射设备40所获得的特定波长λ的一般化测量信号S_i(tooth)可以被表述如以下：

S_i(tooth)＝∫I_LEDi(λ)R₀(λ)D(λ)dλ    (1)

其中R₀是牙齿或其他牙齿对象的实际反射率。这个变量根据牙齿材料还被表达为R_tooth；D(λ)是传感器响应；I_LEDi是第i个LED或其他窄带光源的光强。

可以被观察到的是，无论使用RGB还是白光源，并且无论图像传感器阵列是CCD、CMOS还是其他类型的光感测装置，方程(1)对于牙齿的颜色测量一般都适用。注意到诸如基于RGB的颜色测量装置和比色测量装置等常规的牙齿颜色测量装置直接根据测量信号S_i(tooth)生成牙齿颜色值是特别有启发的。然而，如方程(1)所示，这个信号本身是三个变量因子的乘积：实际牙齿反射率R₀、光源和传感器响应。正是由于这种测量对光源和对传感器响应的依赖性，用常规的基于RGB的测量设备或比色测量设备没有获得准确的颜色计算。然而，不像常规的解决方案，本发明的方法使牙齿反射率R₀与测量信号中的其他两个因子相互独立。所获得的反射率R₀进而可以被用来在任何光照条件下准确地表征颜色。以这种方式，本发明的方法将分光光度方法用于颜色表征。然而，不像获得一个或多个测量结果以为处在对象上的一个位置的单个光电传感器提取这个数据的常规的分光光度仪器，本发明的设备和方法通过单色传感器阵列使用良好表征的窄带光源获得这个数据，所述单色传感器阵列为整个对象捕获分光光度数据的映射。

在本发明的实施例中，多个信号值S_i(tooth)被获得，一个信号值对应以i为索引(i＝1，2，…，N)的N个LED彩色光源中的每一个。如方程(1)所示，为了使用S_i(tooth)提供准确和一致的测量结果，有必要补偿装置中的短期变化，诸如来自光源的光强和/或传感器响应D(λ)的波动。为了这个原因，作为成像过程的一部分，参考目标测量结果S_i(ref)可选地被获得用作校准参考：

S_i(ref)＝∫I_LEDi(λ)R_ref(λ)D(λ)dλ    (2)

其中R_ref是参考目标28的反射率。使用来自参考目标28(图3)的图像读数获得这个值，所述参考目标28在一个实施例中被安置在与牙齿相同的捕获视场内。在替代的实施例中，来自参考目标28的图像读数单独被获得，举例来说诸如在成像期间的开始处。

给定值S_i(tooth)和S_i(ref)，用于获得光谱反射率的更有用的量是校正测量值，该值由下式给出：

${\hat{S}}_i=\frac{S_{i\left(\mathrm{tooth}\right)}}{S_{i\left(\mathrm{ref}\right)}}{R}_{\mathrm{ref}\left(\mathrm{\λi}\right)}---\left(3\right)$

其中R_ref(λi)是参考目标28在LEDi的峰值处的已知反射率。校正测量值去除了测量可变性的第一阶源，并且消除了对光强或装置响应的程度(scale)的依赖。根据校正测量值后续推导可以被用来获得目视颜色值来提供高度准确的颜色映射。

每个像素的三刺激颜色值X、Y、Z中的每一个(此后由X_q(q＝1，2，3)表示，其中X₁＝X，X₂＝Y，并且X₃＝Z)可以用以下方式根据牙齿反射率来计算：

$X_q=\∫I\left(\mathrm{\λ}\right)R_{\mathrm{tooth}}\left(\mathrm{\λ}\right){\stackrel{\‾}{x}}_q\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

其中的值是标准观察者的对应的目视颜色匹配函数，并且I(λ)是光源的光谱分布，牙齿在所述光源下被观察。

值R_tooth(λ)不直接通过颜色测量和光谱反射率映射设备40测量，而是可以通过数据插值过程根据N个校正测量值来估计。对于简单的线性插值，

$R_{\mathrm{tooth}}\left(\mathrm{\λ}\right)={\mathrm{\Σ}}_i^N{\mathrm{\α}}_i\left(\mathrm{\λ}\right){\hat{S}}_i---\left(5\right)$

其中α_i是插值系数。

方程(5)可以被用来在像素处重建完整的光谱反射率曲线。这种处理的结果进而可以被用来根据方程(4)计算三刺激值。

方程(5)和方程(4)可以被合并以直接使三刺激值与校正测量信号关联，而不是将这两个方程作为两个单独的步骤实行。在合并方程(5)和方程(4)时，只需要在对应于LED或其他光源的峰值波长的离散波长λ＝λ_k处评估这两个表达式，使得α_i(λ)＝α_ik。因此，三刺激颜色值可以根据校正测量值直接计算，用以下形式：

$X_q=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}I\left({\mathrm{\λ}}_k\right){\stackrel{\‾}{x}}_q\left({\mathrm{\λ}}_k\right)\mathrm{\Δ\λ}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}{\hat{S}}_i---\left(6\right)$

或 $X_q={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{E}_{\mathrm{qi}}{\hat{S}}_i---\left(7\right)$

其中矩阵等价(matrix equivalent)：

$E_{\mathrm{qi}}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}I\left({\mathrm{\λ}}_k\right){\stackrel{\‾}{x}}_q\left({\mathrm{\λ}}_k\right)\mathrm{\Δ\λ}---\left(8\right)$

可以根据所使用的特定插值内核、用于观察牙齿的照明的已知特征以及目视颜色匹配函数来计算。

采用方程(7)的矩阵乘法关系，从颜色测量和光谱反射率映射设备40所获得的校正测量值可以被用来在具有已知光谱能量分布的任何光照条件下计算牙齿的颜色三刺激值。将这个程序应用于牙齿和色度匹配标签两者将产生两个三刺激值集合，可以从所述三刺激值集合中找到最佳匹配。替代地，为了找到牙齿与色度匹配标签之间的最接近匹配，三刺激值可以被转换至诸如CIELAB或HSV颜色空间等不同的目视颜色空间。

上述方法已经针对单色宽带传感器阵列被描述。如果在每个LED被通电时常规的RGB传感器阵列被用来提供信号，相同的方法也可以被使用。在RGB颜色传感器的情况下，对于特定的LED照明具有最高信号水平的颜色通道可以被使用，并且三刺激值仍然根据方程(7)被计算。如果传感器的所有三个颜色通道都被用于每个LED照明，三刺激值就可以用类似方程(7)的方式根据校正测量值被计算，但是用额外的矩阵被乘数(multiplicand)，所述矩阵被乘数由多个颜色通道的信号如何被合并所确定。

如本发明所公开的，获得牙齿表面的分光光度颜色映射的任务被简化，并且提供这个数据的成本相对于常规替代方案显著地减少。

根据本发明，LED作为用于获得光谱反射率数据的光源是有优势的。在优选实施例中，LED在大约小于40nm的波长范围上发射其大部分的光。其他类型的窄带光源可以替代地被用来为反射率测量提供所需的照明。替代类型的光源包括来自举例来说诸如电灯(lamp)的宽带光源的经过滤的光。四个LED在图3的示例中被示出。一般来说，不同波长的至少3个光源应当被使用；采用多于4个光源提供了增加用于生成光谱反射率曲线的测量点的数量的优势。

因为本发明的设备和方法提供了光谱反射率值的映射，它们给出了比在使用常规的比色或基于RGB的测量方法时可用的信息更准确的关于牙齿的真实颜色的信息。因为光谱反射率包含独立于光源的全部颜色信息，所以所获得的颜色数据不易受由同色异谱引起的误差的影响。通过使用LED或其他小的源而不需要光栅或其他装置，本发明的设备可以低成本按紧凑的样式封装。例如，颜色测量和光谱反射率映射设备40可以被封装为口腔内窥镜。

参考目标28可以是用于为多颜色成像提供参考图像的任何适合类型的参考小块。不但白色或灰色的小块可以被使用，而且具有均匀的光谱成分的一些其他小块也可以被使用。目标28可以单独地成像，或者其可以被放置在牙齿旁边，距传感器阵列44的成像视场大致相同的距离并且在所述成像视场之内，诸如在固定位置上，或者可以诸如通过使致动器通电而使其转动到位以得到在成像循环中所需要的参考成像。

许多计算函数被需要，举例来说诸如用于插值、用于获得矩阵等价、用于获得三刺激值以及用于存储和显示结果。可以被理解的是这些函数可以由控制逻辑处理器38提供，所述逻辑控制处理器38被提供以本发明的颜色匹配和映射设备或被配置成与本发明的颜色匹配和映射设备相互作用。例如，所存储的指令配置处理器逻辑电路来执行颜色映射数据存取、计算以及上文所描述的输出函数。许多类型的控制逻辑处理器装置中的任何一种可以被用于计算函数，诸如专用计算机工作站、个人计算机或采用专用数据处理组件(诸如数字信号处理组件)的嵌入式系统。控制逻辑处理设备为数据存储和取回访问电子存储器。可选的显示装置也可以被提供用来显示颜色匹配和颜色映射的结果。

对比于其他颜色匹配解决方案，本发明的方法和设备提供了分光光度或光谱反射率颜色映射，其为牙齿图像中的每个像素有效地存储了可以被用来准确勾勒(profile)牙齿表面颜色的实际光谱反射率数据值R_(tooth)。通过与依赖RGB转换变换或比色测量的常规方法进行比较，本发明的方法能够生成包括牙齿图像的每个像素的相当大量的数据的映射。这在图7A和图7B中被示意地表示。图7A示出了使用常规的颜色测量方法为单个像素P收集的颜色数据。在所示的示例中，单个数据值被提供用于红色、绿色和蓝色平面中的每一个。相反，图7B示出了使用本发明的方法为每个像素所获得的光谱反射率映射数据的性质。这里，每个像素P有效地具有提供了关于其实际颜色成分的大量信息的相关联的光谱反射率曲线，三刺激值X、Y、Z或其他颜色数据可以从其中得到。在实践中，对于每个像素P，只有小量数据可以遵循这种处理而实际被存储在存储器中；光谱反射率曲线本身可以如早前所描述的那样使用所获得的被存储的系数矩阵来重建。进而在存储器存储中，每个像素可以与光谱反射率值的集合相关联，并且可选地还具有用于能够重造那个像素的完整光谱反射率曲线的插值矩阵的链接或其他标识符。替代地，计算得到的三刺激值、CIELAB值或其他标准颜色空间中的值可以为每个像素P被存储。

具有光谱反射率数据值的一个有利结果是牙齿对象之间的改进的颜色匹配，诸如在牙齿和假体装置或材料之间。使用本发明的数据获取和处理顺序，颜色匹配可以使用许多数学技术中的任何一种来完成。在一个实施例中，将牙齿对象A的光谱反射率曲线与牙齿对象B的光谱反射率曲线进行比较，并且两条曲线之间的差异被评估以得到拟合或其他度量的紧密度(closeness)。例如，不同波长范围上的两条曲线之间的重叠区域可以被评估。在其他实施例中，三刺激数据值或CIELAB颜色值为牙齿对象中的每一个被获得并且被比较。

为了获得具有高度准确的颜色信息的映射，本发明的方法和设备采用了传感器阵列34作为检测器。这个组件可以包括多个CMOS或CCD传感器的布置，通常每个像素分配一个。在一个实施例中，宽带单色传感器阵列被使用。然而，同样可能的是采用被配置用于R、G、B颜色感测或被配置用于一些其他颜色空间特征的传感器阵列。本发明中的获得光谱反射率数据的方法可以被类似地应用于这样的装置，如早前已经论述的那样。应注意到的是像素间隔对于颜色匹配可以不同，使得传感器阵列44中的多个传感器站点被组合或聚合在一起，举例来说诸如用于获得平均值。因为本发明的颜色测量设备使用了成像传感器阵列，所以被用于常规的口腔内颜色成像的相同装置可以被配置用于成像和颜色测量两种操作模式。举例来说，参照图3的示意框图，颜色成像可以通过改变来自照明设备24的照明图案、传感器阵列34的分辨率以及从控制逻辑处理器38所提供的颜色处理来执行。为了对于或者常规的成像或者牙齿颜色映射设置设备40的操作模式，从操作者界面发出的模式切换(未示出)或模式控制命令可以被提供。

在一个实施例中，本发明的照明设备24采用了多颜色LED。然而，可以提供多种颜色照明的其他光源可以替代地被采用，包括其他类型的固态光源或更常规的电灯或装备有颜色过滤器的电灯。

为了补偿组件的老化和漂移，需要对颜色测量和光谱反射率映射设备40的初始和周期性的校准，使得照明源12中的每个LED的概况(profile)可以被维持并且有规律地被更新。

本发明提供了一种用于获得牙齿对象的颜色映射的方法，所述方法至少部分地由控制逻辑处理器执行，所述方法包括：在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向所述牙齿对象，每次在一个波长带上引导；在成像阵列上捕获所述牙齿对象在每个照明波长带上的图像以形成所述牙齿对象的图像集合；对于所捕获的图像集合中的多个像素中的每一个：(i)获得所述像素的对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值；并且(ii)根据所获得的图像数据值而且根据在所述至少第一、第二和第三波长带上从参考对象所获得的图像数据值计算与所述牙齿对象的光谱反射率成比例的多个插值图像数据值；获得观察光源的光谱分布数据；根据计算得到的插值图像数据值和所获得的所述观察光源的光谱分布重建所述牙齿对象的目视颜色；以及至少将所重建的目视颜色作为数据存储在计算机可存取的存储器中。

在一些实施例中，引导照明包括使一个或多个LED通电。

在一些实施例中，所述成像阵列是CMOS或CCD传感器阵列。

在一些实施例中，所述成像阵列是宽带或单色传感器阵列。

在一些实施例中，计算所述多个插值图像数据值包括为所获得的图像数据值确定插值系数集合。

在一些实施例中，计算所述多个插值图像数据值还包括根据所述插值系数集合生成作为波长的函数的反射率曲线。

在一些实施例中，所述方法还包括根据所述插值系数集合计算目视颜色值。

在一些实施例中，计算目视颜色值包括计算所述插值系数集合与所获得的图像数据值的乘积。

在一些实施例中，所述方法还包括根据所述反射率曲线计算目视颜色值。

在一些实施例中，所述方法还包括在所述成像阵列上捕获所述参考在每个照明波长带上的图像。

在一些实施例中，所述参考对象在与所述牙齿对象的图像相同的图像内被捕获。

在一些实施例中，所述参考对象作为与所述牙齿对象的图像不同的图像被捕获。

在一些实施例中，所述参考对象是与口腔内成像装置相关联的测试小块(patch)。

在一些实施例中，所述参考对象是测试小块，所述测试小块是独立的目标。

在一些实施例中，所述参考对象的图像被用来校正所述牙齿对象的图像数据值集合。

在一些实施例中，所述成像阵列是颜色传感器阵列。

在一些实施例中，所述牙齿对象从由牙齿、比色标(color matchingguide)、牙齿假体以及牙齿材料组成的集合中取得。

在一些实施例中，所述目视颜色值是三刺激值、CIELAB值、HSV值或标准颜色空间中的其他等价值。

在一些实施例中，所述牙齿对象是第一牙齿对象并且其还包括获得第二牙齿对象的反射率曲线以及比较所述第一和第二牙齿对象的反射率曲线以便计算颜色匹配。

在一些实施例中，所述牙齿对象是第一牙齿对象并且还包括将重建的目视颜色与第二牙齿对象进行比较以计算颜色匹配。

本发明还提供了一种用于获得牙齿对象的颜色映射的设备，所述设备包括：可被通电以将至少第一、第二和第三波长带的照明引导向所述牙齿对象的照明设备，每次引导一个波长带的照明；在至少所述第一、第二和第三波长带上具有宽光谱响应的单色图像传感器阵列，相对于光学系统安置所述传感器阵列并且所述传感器阵列可被驱动以捕获所述牙齿对象在每个照明波长带上的图像以形成所述牙齿对象的图像集合；被安置在所述光学系统的对象场中并且大体上相对于所述图像传感器阵列对焦的参考目标；控制逻辑处理器，其可操作地与所述照明设备和单色图像传感器阵列连接并且响应于所存储的指令而使所述照明设备通电以顺序地提供所述至少第一、第二和第三波长带并且还响应于所存储的指令而捕获和存储每个波长带上的图像、计算每个像素的图像数据值、执行数据插值以生成用于光谱反射率映射的插值图像数据值以及根据预先确定的光源执行目视颜色计算，其中电子存储器为至少存储每个像素的光谱反射率值而与所述控制逻辑处理器通信。

在一些实施例中，所述设备采用口腔内窥镜的形式。

部件列表

10.成像设备

12.照明源

14b，14g，14r，14y.LED

18.捕获设备

20.牙齿

22.颜色重建设备

24.照明设备

28.参考目标

30.成像设备

32.透镜

34.传感器阵列

36.颜色校准变换

38.控制逻辑处理器

40.颜色测量和光谱反射率映射设备

44.传感器阵列

46.光谱反射率插值模型

S110.照明步骤

S120.图像捕获步骤

S130.获得值的步骤

S140.插值步骤

S150.计算步骤

λ1，λ2，λ3，λ4.波长带

P.像素

Claims (10)

1.一种用于获得牙齿对象的颜色映射的方法，所述方法至少部分地由控制逻辑处理器执行，所述方法包括：

在至少第一、第二和第三波长带上将照明引导向所述牙齿对象，每次在一个波长带上引导；

在成像阵列上捕获所述牙齿对象在每个照明波长带上的图像以形成所述牙齿对象的图像集合；

对于所捕获的图像集合中的多个像素中的每一个：

(i)获得所述像素的对应于所述至少第一、第二和第三波长带中的每一个的图像数据值；并且

(ii)根据所获得的图像数据值而且根据在所述至少第一、第二和第三波长带上从参考对象获得的图像数据值计算与所述牙齿对象的光谱反射率成比例的多个插值图像数据值；

获得观察光源的光谱分布数据；

根据计算得到的插值图像数据值和所获得的所述观察光源的光谱分布重建所述牙齿对象的目视颜色；以及

至少将所重建的目视颜色作为数据存储在计算机可存取的存储器中。

2.如权利要求1所述的方法，其中计算所述多个插值图像数据值包括为所获得的图像数据值确定插值系数集合。

3.如权利要求2所述的方法，其中计算所述多个插值图像数据值还包括根据所述插值系数集合生成作为波长的函数的反射率曲线。

4.如权利要求3所述的方法，其还包括根据所述插值系数集合计算目视颜色值。

5.如权利要求4所述的方法，其中计算目视颜色值包括计算所述插值系数集合与所获得的图像数据值的乘积。

6.如权利要求4所述的方法，其还包括根据所述反射率曲线计算目视颜色值。

7.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述成像阵列上捕获所述参考对象在每个照明波长带上的图像。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述参考对象(a)在与所述牙齿对象的图像相同的图像内被捕获；或者(b)作为与所述牙齿对象的图像不同的图像被捕获。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述牙齿对象是第一牙齿对象并且还包括将重建的目视颜色与第二牙齿对象进行比较以计算颜色匹配。

10.一种用于获得牙齿对象的颜色映射的设备，所述设备包括：

可被通电以将至少第一、第二和第三波长带的照明引导向所述牙齿对象的照明设备，每次引导一个波长带的照明；

在至少所述第一、第二和第三波长带上具有宽光谱响应的单色图像传感器阵列，相对于光学系统安置所述传感器阵列并且所述传感器阵列可被驱动以捕获所述牙齿对象在每个照明波长带上的图像以形成所述牙齿对象的图像集合；

被安置在所述光学系统的对象场中并且大体上相对于所述图像传感器阵列对焦的参考目标；以及

控制逻辑处理器，其可操作地与所述照明设备和单色图像传感器阵列连接并且响应于所存储的指令而使所述照明设备通电以顺序地提供所述至少第一、第二和第三波长带并且还响应于所存储的指令而捕获和存储每个波长带上的图像、计算每个像素的图像数据值、执行数据插值以生成用于光谱反射率映射的插值图像数据值以及根据预先确定的光源执行目视颜色计算，其中电子存储器为至少存储每个像素的光谱反射率值而与所述控制逻辑处理器通信。