CN104583714A - 尤其在透明的散射表面情况下用于3d测量的颜色编码 - Google Patents

Abstract

建议借助光学颜色三角测量法来确定物体的三维表面坐标的一种设备和一种方法，其中颜色条纹图案(1)的所有线(3)分别具有如此设定的宽度(Br)，使得在线(3)的所记录图像(7)中线(3)的所有谱分量的所有对比度最大值(CMax)都等于对比度最小值(CMin)。从具有最大对比度的谱分量的图案线(3a)的不变的最小宽度出发，能够相应地扩宽其它线(3)。本发明特别有利地适用于生物组织情况下的3D测量。

Description

尤其在透明的散射表面情况下用于3D测量的颜色编码

技术领域

本发明的领域是用于借助光学的颜色三角测量法确定物体的三维表面坐标的设备和相应的方法。

背景技术

表面的三维测量在医疗技术的许多领域中越来越重要。例如在最小介入式外科学中必须经由通过测量方法的直接观察来取代大小和距离估计的不足。此外，例如在腹腔内部在手术期间获得的表面数据可以用通过其他诊断方法——例如磁共振、计算机断层摄影或者超声方法——记录的数据来均衡，以便更好地识别或者定位器官或者患病的组织。同样应该考虑由于病人在手术期间的“新的”位置或者由于例如通过呼吸引起的周期位置改变所引起的改变。常规地有很多3D测量方法，例如相位编码的主动的三角测量法或者激光扫描，它们原理上适用于所述的应用。然而这些方法是针对不透明表面的测量定制的，正如它们经常在工业的测量技术中出现的那样。然而器官组织与光具有明显较复杂的相互作用，是部分依赖于波长地透明的并且在体积中具有散射光能力，该散射光能力显著改变所投射的图案的结构并且在主动的三角测量方法的情况下使在照相机图像中对3D数据重建的重新识别变得困难。由此在3D表面中产生空缺或者测量不可靠性可能强烈上升。

在牙科诊疗的领域中，常规地对于相位三角测量法使用单色光并且为避免光侵入牙齿珐琅质中而喷涂白色颜色。这对于病人是一种不舒服的附加处理步骤，它影响了该方法的接受性。

WO 01/48438公开了一种更好地适用于医疗技术的3D应用的方法。该公开建议，通过构造由有色图案元素组成的二维的颜色图案提供了用于编码的特别紧凑的并且从而抗干扰的颜色图案。目的是确定在投射到物体上的二维颜色图案的图像记录中的图案元素的移动位置。通过接着在照相机中的投影仪的已知位置处的三角测量法能够计算物体点的三维数据。

最初，颜色编码的三角测量法(Colour coded Triangulation；CCT)同样为医疗技术应用开发并且在测量半透明地漫散射的介质的情况下具有显著的优点。应用可以是用于化妆品工业中的生物统计应用的人脸三维测量、耳廓的三维扫描，以便借助这些数据生产最优地匹配的助听器，或者是利用专门开发的CCT扫描器对耳道表面的直接扫描。该测量方法的优点是，它具有借助主动三角测量法的3D测量的许多优点，并且此外非常快而且比较稳健。“快”意味着，该测量方法能够实时测量，因为为重建三维数据组仅需图像记录。“稳健”意味着，通过使用所投射图案的颜色编码在生物表面的情况下也能够实现比较良好的数据重建，因为在解码时寻找颜色过渡或颜色边缘并且放弃纯基于强度的数据重建。

在颜色三角测量法CCT的情况下，迄今针对所有颜色选择具有相同条纹宽度的颜色条纹图案。这在如下物体的情况下是有意义的方案，所述问题不具有或者具有非常小的向物体介质中的侵入深度并且调制传递函数的值对于所有颜色(光波长度)几乎相同。在生物物体的情况下，尤其是在高的空间频率的情况下，调制传递函数(MTF)以体积散射的程度中断。按照发展趋势地，体积散射随波长提高。事实上该效应还依赖于例如人皮肤的层结构。对于设计常规的颜色图案来说，不考虑相应的散射。

在牙科领域中，为匹配精确合适的牙冠等扫描牙齿的表面。在这里也表明，体积散射使有效的测量点的记录变得困难。

发明内容

本发明的任务是提供一种设备和一种方法，它们用于与常规解决方案相比以有效减小的对比度降低和有效增大的测量精度来三维测量或3D测量透明的(尤其是部分透明的)和散射的(尤其是漫散射的)表面。尤其是对此应该例如在生物组织的情况下考虑依赖于波长的向构成表面的材料中的侵入能力和由此结果得到的体积散射。

该任务通过根据主权利要求的设备和根据并列权利要求的方法来解决。

根据第一方面，要求保护一种借助光学的颜色三角测量法来确定物体的三维表面坐标的设备，所述设备具有：投射装置，用于利用设定的颜色条纹图案照明物体，其中所述颜色条纹图案沿轴线延伸并且由与所述轴线垂直的线组成，所述线具有分别与相邻的线不同的、对所投射的光的谱分量的选择；在与投射装置已知的相对位置中布置的检测装置，用于记录物体的图像，颜色条纹图案被一次性地投射到该物体上；计算装置，用于借助于识别相应线的谱分量的选择和检测两条彼此靠近的线的相应过渡来计算三维的表面坐标，其中对于所有的线，借助投射装置相应于为这些线所选择的谱分量的体积散射效应如此设定所投射的相应线的宽度，使得在这些线的所记录的图像中这些线的所有谱分量的所有对比度最大值都等于对比度最小值。

根据第二方面，要求保护一种借助光学的颜色三角测量法来确定物体的三维表面坐标的方法，所述方法具有下面的步骤。借助投射装置实施利用设定的颜色条纹图案对物体的照明，其中所述颜色条纹图案沿轴线延伸并且由与所述轴线垂直的线组成，所述线具有分别与相邻的线不同的、对所投射的光的谱分量的选择；借助在与投射装置已知的相对位置中布置的检测装置实施对物体的图像的记录，颜色条纹图案被一次性地投射到该物体上；借助计算装置实施借助识别相应线的所选择的谱分量和检测两条彼此靠近的线的相应过渡来计算三维的表面坐标，并且对于所有的线，借助投射装置相应于为这些线所选择的谱分量的体积散射效应如此设定所投射的相应线的宽度，使得在这些线的所记录的图像中这些线的所有谱分量的所有对比度最大值都等于对比度最小值。有利地认识到，借助于根据体积散射的程度设计颜色条纹或线的宽度能够补偿体积散射。以这种方式为所有使用的颜色或者谱分量实现相同的对比度值。这里有利的是，在生物物体的情况下可识别为有效的测量值的数目升高。3D图像中的空隙区被避免。这涉及沿关键地仅可微弱识别的线的像素。

另外的构型结合从属权利要求来要求保护。

根据一种有利的构型，可以借助投射装置为分别具有至少两个选择的谱分量的线相应于为这些线选择的谱分量的体积散射效应如此设定相应线的宽度，使得在这些线的所记录的图像中这些谱分量的对比度变化曲线的最大上升的区域相遇。

根据另一种有利的构型，所述对比度最小值可以是图案线的对比度过渡函数的值，所述图案线具有不变的最小宽度和唯一的由引起相对最小体积散射效应的短波颜色组成的谱分量。

根据另一种有利的构型，可以从图案线的不变的最小宽度出发，不改变地保留或者放大从该最小宽度出发的其它线的宽度。

根据另一种有利的构型，引起相对最小体积散射效应的颜色可以是蓝色。

根据另一种有利的构型，至少一个谱分量可以相应于单颜色。

根据另一种有利的构型，投射装置可以借助单颜色红、绿、蓝的混合产生所选择的谱分量。

根据另一种有利的构型，检测装置可以具有红、绿、蓝滤波器。

根据另一种有利的构型，所述不变的最小宽度可以是至少mm。

附图说明

根据实施例结合附图详细说明本发明。其中：

图1示出常规的颜色条纹图案的一个实施例；

图2示出不同系统的调制传递函数；

图3a示出常规的颜色条纹图案的另一个实施例；

图3b示出本发明的颜色条纹图案的一个实施例；

图4示出不同的单颜色的调制传递函数；

图5a示出由混合颜色组成的常规的线的对比度变化曲线；

图5b示出线在人眼中在具有依赖于颜色的散射能力的体积上散射后的成像(依赖于颜色的扩宽)；

图5c示出根据本发明设定的线的对比度变化曲线。

具体实施方式

图1示出常规的颜色条纹图案1的一个实施例。在三角测量法情况下的前提是，向表面上投射的图案仅通过表面形状变形，因为仅在该变形中插入关于三维形状的信息并且所述信息不附加地通过侵入材料中而在其结构和其对比度方面变化。这引起提高的测量不可靠性、像素缺失以及关于外来光的提高的易受干扰性。图1示出用于CCT的常规使用的颜色编码的图案。颜色条纹图案1沿轴线x延伸。颜色图案1由与该轴线x垂直的线3组成，线3具有分别与相邻的线不同的、对所投射的光的谱分量的选择。三维的表面坐标能够借助对相应线的谱分量的选择的识别和对两条彼此靠近的线3的相应过渡5的检测来确定。常规地，为所有颜色选择具有相同条纹宽度的颜色条纹图案。如果向表面上投射这种具有分别相同线宽的颜色条纹图案1，该表面把光颜色中性地向所有空间方向散射，则对比度在用检测装置或照相机记录的图像中对于所有波长和颜色都相同地好，其中能够容易地探测颜色过渡5。然而，光向身体中的颜色选择性地不同的侵入以及不同的散射能力使要成像的图案在清晰度和对比度方面改变。

图2示出这些影响。在图2的左侧在箭头方向上示出怎样检测在所记录的图像中的物体上的线图案。条纹图案1被变换为相应的图像7。附图标记9示出通过该物体的相应的信号调制。附图标记11示出在记录的图像7中由于对比度损失而得出的调制。这在技术上意味着，最初的调制由于例如由生物组织的调制传递函数(MTF)而变差。图2在右侧示出两个调制传递函数，它们中的一个为良好的系统15并且另一个为变差的系统17示出了依赖于空间频率的对比度变化曲线。空间频率通过每mm的线对数目来定义。调制传递函数MTF同样可以称为对比度过渡函数。

图2作为函数在右边示出良好系统的调制传递函数15并且在左边示出由于体积散射相对于调制传递函数15变差的调制传递函数17。

下面的图根据实施例解释本发明的构思。对于尤其是在生物表面情况下的光学三角测量法的新颜色编码图案的开发而言，需要精确地了解组织中的光学参数和对光扩宽的说明。组织的光学参数是依赖于波长的，并且包括吸收系数、散射系数、散射的角分布和折射率。散射的角分布例如通过g因子和相位函数表征。然而在粗略的近似中可以说，在均匀的漫散射的介质中长波光强烈地侵入材料中并且引起较大的体积散射效应。这意味着，当无穷小的光斑被投射到物体上时，非直接弹性反射的光子侵入介质中，经受许多光子散射过程，这些光子散射过程既可以是弹性的也可以是非弹性的，并且在其它位置处到达表面。发生可见光斑的扩宽，更确切地说，光的波长越长，扩宽得越多。然而在第一条线中，在借助颜色三角测量法的3D测量(三维检测)的情况下决定性的是颜色或线的识别和颜色过渡或相应颜色边缘的探测。这通过体积散射效应被部分地阻止，因为对比度从((Max-Min)/(Max+min))减小并且相应地信噪比变得更小。

图3a示出常规的颜色条纹图案的另一个实施例。相继地交替布置红线R和蓝线B。线3中的每一条分别具有统一的宽度Br，该宽度Br对于所有的线3都相等。在其下方在体积散射器上散射后为线3中的每一条示出对比度变化曲线。所述对比度变化曲线可以借助本发明设备的检测装置来检测。所述对比度变化曲线C中的每一个都示出对比度的直到对比度最大值CMax的上升和相应对比度曲线随之的下降。这些对比度曲线是轴对称的。图3a明确示出，蓝颜色B的体积散射效应比红颜色R的体积散射效应小。相应地，蓝颜色B的对比度变化曲线19具有比红颜色R的对比度变化曲线19更大的对比度最大值CMax。

现在图3示出根据本发明的一种处理方式。使所投射的线3的宽度与相应颜色的相应体积散射效应相匹配。根据图3b，具有红颜色R的线3的宽度放大，使得红线3的对比度变化曲线19的对比度最大值CMax被放大。该扩宽可以一直实施，直到该红线的对比度最大值CMax相应于蓝线的对比度最大值CMax。相应蓝线的宽度保持不变。

图4示出蓝颜色B和红颜色R的线的调制传递函数的图示。从蓝颜色出发，对于该蓝颜色在给蓝颜色B分配的宽度情况下达到特定的对比度值。该对比度值现在作为对比度最小值CMin被确定。为使红线同样在所记录的图像中引起相同的对比度最小值CMin，必须使每条红线的宽度变得更大，以便获得与在蓝色条纹情况下相同的对比度。根据本发明的颜色图案1的该实施例，红线3的宽度被加倍。根据图4的坐标系的右侧值坐标轴(Rechtswertachse)示出每mm的线对数目。线对用字母P表示。

图5a到图5c针对借助投射装置产生线3的相应颜色作为混合颜色的情况示出本发明的解决方案。在CCT情况下的图像记录例如借助单芯片照相机或者三芯片照相机进行。这就是说，如果颜色图案仅通过混合颜色红、绿和蓝形成(RGB混合)，则通过检测装置或照相机的RGB滤波器重新分解该颜色图案。对此在探测颜色过渡时边缘重叠不干扰，因为原理上为每一种颜色能够明确地确定一个颜色边缘。现在图5a到5c示出本发明颜色图案的第二个实施例。该颜色图案在这里仅具有一个照明光斑，它同样可以称为线3。该线的谱分量的组成在这里借助混合颜色产生。图5a示出所记录图像中的在体积散射后的对比度变化曲线，其中照明光斑或线3借助红颜色R和蓝颜色B的混合产生。在这种混合颜色的情况下，体积散射效应能够在生物介质中在空间上分解所参与的RGB分量。这意味着，边缘过渡分别具有色差(颜色条纹的形成)。

图5b示出如何用眼睛识别非常小的紫色的光斑3，其根据图5a通过红色和蓝色的混合产生并且被投射到要测量的物体上。根据图5b的用眼睛的相应观察示出，眼睛改变了紫色的光斑3的色调，并且在其左边和右边产生红色的颜色条纹。在使用具有RGB滤波器的照相机作为检测装置的情况下，该混合颜色被紫色地分解并且将会被探测为蓝色的和深红色的光斑，其中红色的光斑将会具有较大的直径。

现在图5c示出对根据图5a的最初的线的根据本发明的匹配。利用混合颜色产生的条纹或线3的宽度被选择为，使得针对两种颜色——它们在这里是红和蓝——的调制传递函数MTF几乎一样大，超过最小值，并且附加地在所记录图像中对比度变化曲线19的最大上升的区域相遇。所述最大上升的区域用SMax表示。借助本发明的解决方案有效地改善了借助CCT的三维测量。

建议借助光学颜色三角测量法来确定物体的三维表面坐标的一种设备和一种方法，其中颜色条纹图案的所有线分别具有如此设定的宽度，使得在线的所记录图像中线3的所有谱分量的所有对比度最大值CMax都等于对比度最小值CMin。从具有最大对比度的谱分量的图案线3的不变的最小宽度出发，能够相应地扩宽另外的线3。本发明特别有利地适用于可以是透明的和散射的生物组织情况下的3D测量。

Claims (18)

1.借助光学颜色三角测量法确定物体的三维表面坐标的设备，具有

-投射装置，用于利用设定的颜色条纹图案(1)对物体照明，其中所述颜色条纹图案(1)沿轴线(x)延伸并且由与所述轴线(x)垂直的线(3)组成，所述线(3)具有分别与相邻的线不同的、对所投射的光的谱分量的选择；

-在与投射装置已知的相对位置中布置的检测装置，用于记录物体的图像(7)，所述颜色条纹图案(1)被一次性地投射到该物体上；

-计算装置，用于借助于识别相应线(3)的谱分量的选择和检测两条彼此靠近的线(3)的相应过渡(5)来计算所述三维表面坐标，其特征在于，

对于所有的线(3)，借助投射装置如此设定相应的所投射的线(3)的宽度(Br)，使得在线(3)的所记录图像(7)中该线(3)的所有谱分量的所有对比度最大值(Cmax)都等于对比度最小值(Cmin)。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，对于分别具有至少两个所选择的谱分量的线(3)，借助投射装置如此设定相应线(3)的宽度(Br)，使得在线(3)的所记录图像(7)中，这些谱分量的对比度变化曲线(19)的最大上升区域相遇。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，对比度最小值(Cmin)是图案线(3a)的对比度过渡函数(15)的值，所述图案线(3a)具有不变的最小宽度和由引起相对最小体积散射效应的短波颜色组成的唯一的谱分量。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，从图案线(3a)的不变的最小宽度出发，不变地保留或者放大从该最小宽度出发的其它线(3)的宽度(Br)。

5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，引起相对最小体积散射效应的颜色是蓝色。

6.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，至少一个谱分量相应于单颜色。

7.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，投射装置借助单颜色红-绿-蓝的混合产生所选择的谱分量。

8.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，检测装置具有红-绿-蓝滤波器。

9.根据上述权利要求3到8之一所述的设备，其特征在于，所述不变的最小宽度是在物体区域中的至少1/12mm。

10.借助光学颜色三角测量法来确定物体的三维表面坐标的方法，具有步骤

-借助投射装置实施利用设定的颜色条纹图案(1)对物体的照明，其中所述颜色条纹图案(1)沿轴线(x)延伸并且由与所述轴线(x)垂直的线(3)组成，所述线(3)具有分别与相邻的线不同的、对所投射的光的谱分量的选择；

-借助在与投射装置已知的相对位置中布置的检测装置实施对物体的图像(7)的记录，所述颜色条纹图案(1)被一次性地投射到该物体上；

-借助计算装置实施借助对相应线(3)的所选择谱分量的识别和对两条彼此靠近的线(3)的相应过渡(5)的检测对所述三维表面坐标的计算，其特征在于，

对于所有线(3)，借助投射装置如此设定相应的所投射的线(3)的宽度(Br)，使得在线(3)的所记录图像(7)中该线(3)的所有谱分量的所有对比度最大值(Cmax)都等于对比度最小值(Cmin)。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于分别具有至少两个所选择的谱分量的线(3)，借助投射装置如此设定相应线(3)的宽度(Br)，使得在线(3)的所记录图像(7)中这些谱分量的对比度变化曲线的最大上升区域相遇。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，对比度最小值(Cmin)是图案线(3a)的对比度过渡函数(15)的值，所述图案线(3a)具有不变的最小宽度和由引起相对最小体积散射效应的短波颜色组成的唯一谱分量。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，从图案线(3a)的不变的最小宽度出发，不变地保留或者放大从该最小宽度出发的其它线(3)的宽度(Br)。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，引起相对小的体积散射效应的颜色是蓝色。

15.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，至少一个谱分量相应于单颜色。

16.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，投射装置借助单颜色红-绿-蓝的混合产生所选择的谱分量。

17.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，检测装置具有红-绿-蓝滤波器。

18.根据上述权利要求12到17之一所述的方法，其特征在于，所述不变的最小宽度是至少1/12mm。