CN104780865A - 用于校准牙科摄像机的校准设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准牙科摄像机（1）的方法和校准设备，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象（10）的条纹投影法的，牙科摄像机包括用于产生由多个条纹（5）构成的投影图案（3）的投影格网（2）以及将所产生的投影图案（3）投影到有待测量的对象（10）上的光学系统（4）。在第一步骤中，通过牙科摄像机（1）使用条纹投影法来测量具有已知尺寸的参考表面（74）。在参考表面（74）上确定多个测量点（11）的实际坐标（33，36），并且将所确定的实际坐标（33，36）与参考表面（74）上的测量点（11）的目标坐标（34）相比较。在随后的方法步骤中，从实际坐标（33，36）与目标坐标（34）之间的偏差（35，37）出发，针对投影图案（3）的个体条纹（5）计算多个补偿值（40，50，51，52，53）。

Description

用于校准牙科摄像机的校准设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于校准牙科摄像机的方法和校准设备，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象的条纹投影法的，所述牙科摄像机包括用于产生由多个条纹构成的投影图案的投影格网以及将所产生的投影图案投影到有待测量的对象上的光学系统。

背景技术

从用于在三个维度中光学地测量的现有技术中已知多个条纹投影法。在这些方法中，投影图案被投影到有待测量的对象上。随后，使用三角测量法，基于变形的投影图案来计算对象上的测量点的3D坐标。随后根据一大群测量点来计算对象的3D模型。

此方法的缺点在于投影格网的显影误差或光学系统的光学误差可能导致所产生的3D模型与对象的实际尺寸相比具有测量误差。投影格网的显影误差可能例如导致错误的条纹宽度，或者导致条纹之间不正确的距离。光学系统中的光学误差可能例如是使得投影图案变形的变形。

因此，本发明的目的在于提供一种用于校准牙科摄像机以补偿显影误差或光学成像误差所导致的测量误差的方法。

发明内容

本发明涉及一种用于校准牙科摄像机的方法，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象的条纹投影法的。牙科摄像机包括用于产生由多个条纹构成的投影图案的投影格网以及将所产生的投影图案投影到有待测量的对象上的光学系统。在该方法的第一步骤中，通过牙科摄像机使用条纹投影法来测量具有已知尺寸的参考表面。在参考表面上确定多个测量点的实际坐标。随后，将所确定的实际坐标与具有已知尺寸的参考表面上的测量点的已知目标坐标（所期望的坐标）相比较。在随后的方法步骤中，从实际坐标与目标坐标之间的偏差出发，针对投影图案的个体条纹计算多个补偿值。随后，在测量牙科对象时将这些计算出的补偿值考虑在内以补偿实际坐标与目标坐标之间的偏差。

参考表面是具备多个标记的校准板，并且标记用来确定校准板相对于牙科摄像机的精确位置和对准。随后，沿垂直于校准板的方向确定实际坐标与校准板之间的偏差。

校准的结果是由补偿值构成的矩阵，所述补偿值在测量由平行条纹构成的投影图案上的对象时用在补偿方法步骤中以校正投影图案，并且随后通过使用条纹投影法，基于校正后的投影图案来计算对象的三维图像。

在条纹投影法中，由多个平行条纹构成的图案被投影到有待测量的对象上，并且使用三角测量法产生对象的三维图像，该三维图像是基于条纹的变形的。

例如，可以将条纹进行颜色编码以实现识别。鉴于此，将由多个有色条纹构成的图案投影到对象上。随后，确定受测点的深度坐标，并且产生对象的3D模型。有色条纹可以通过其颜色来清楚地识别。例如，可以使用四个有色条纹和/或三个颜色过渡来将有色条纹进行颜色编码。有色条纹可以例如使用幻灯片来产生。

此类条纹投影法的条纹宽度在有待测量的对象的测得体积中可以例如是150 μm。

对于光学测量，也可以使用不同的条纹投影法，其中使用不同的光学性质（诸如强度、颜色、偏振、相干性、相位、对比度、位置或传播时间）来将条纹编码。

用于产生投影图案的投影格网可以例如是幻灯片，光穿过该幻灯片并且平行条纹借助于该幻灯片来产生。参考表面可以例如是平坦的或任何三维表面，诸如半球。投影格网的显影误差或光学系统的成像误差导致参考表面上的测量点的实际坐标与目标坐标之间的偏差。为了进行补偿，针对个体条纹计算补偿值。这些补偿值可以被保存在存储器中或者稍后在校准之后在使用校正后的投影图案来计算三维图像之前的测量期间用于投影图案上。这会补偿实际坐标与目标坐标之间的偏差。

标记可以例如是被布置在相对于彼此的固定距离处的矩形标记。这允许由计算机使用标记之间的距离来计算参考表面相对于摄像机的距离以及对准。不需要通过使用测量点的实际坐标来拟合，因为已经使用标记来确定了位置。因此，可以使用计算机直接计算实际坐标与校准板之间的偏差。

为了确定参考表面的位置，可以使用在文献中出现的已知的Tsai校准方法（“用于使用现成摄像机和镜头的高精确度3D视觉测量的通用摄像机校准技术（A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D Vision Metrology Using Off-the-Shelf Cameras and Lenses）”，1987）或者也在文献中出现的已知的Zhang方法（“用于摄像机校准的灵活的新技术（A flexible new technique for camera calibration）”，2000）。

这种[原文]方法的优点在于，由于显影误差或光学系统的成像误差造成的偏差得到补偿，并且图像质量由此得到改进。

此类矩阵的补偿值可以例如是表示相应平行条纹的必要位移以便针对相应条纹补偿实际坐标与目标坐标之间的偏差的位移向量。在计算三维图像时，由补偿值构成的矩阵首先被用于投影图案上，仅在随后使用校正后的投影图案来计算对象上的测量点的3D坐标。

有利地，参考表面可以是平面，并且实际坐标与目标坐标之间的偏差可以通过使用实际坐标借助于最小二乘法拟合参考平面来确定，并且随后可以沿垂直于参考平面的方向确定实际坐标与参考平面之间的偏差。

因此，通过拟合来确定参考表面相对于牙科摄像机的精确位置。藉由完美的投影格网和完美的光学系统，所有目标坐标将因此位于参考表面的平面中，使得实际坐标将与目标坐标相对应。

有利地，可以通过针对参考表面相对于牙科摄像机的不同距离和对准的多个图像来确定实际坐标与目标坐标之间的偏差。

光学误差所导致的变形可以与深度有关，使得实际坐标与目标坐标之间的偏差可以取决于参考表面相对于牙科摄像机的距离而改变。通过针对不同距离确定补偿值，也可以补偿与深度有关的光学图像误差。

有利地，可以使用校准设备来获取图像，所述校准设备具有用于牙科摄像机的第一保持设备和用于参考表面的第二保持设备，可以用特定方式以多个步骤将第二保持设备相对于第一保持设备进行调整。

此类校准设备使得可以逐步改变摄像机相对于参考表面的距离和对准。因此，可以针对参考表面与牙科摄像机之间的不同距离和角度获取图像，并且随后可以针对每个图像的个体条纹确定补偿值。第一保持设备和第二保持设备可以例如借助于螺纹接合来连接。

有利地，对于条纹的每个边缘，可以仅计算一个补偿值，以用于指示此边缘在投影格网的平面中用以补偿此边缘的偏差的必要位移。

在条纹投影法中，评估每个条纹的两个边缘以计算沿这些边缘的测量点的3D坐标。可以例如通过针对相应边缘的所有测量点确定实际坐标与目标坐标之间的偏差并且随后形成（计算）这些偏差的平均值来计算边缘的补偿值。随后，使用偏差的此平均值来计算对应的补偿值。

有利地，可以将条纹的每个边缘划分为多个区段，其中针对每个区段计算补偿值，该补偿值指示此区段在投影格网的平面中用以补偿此区段的偏差的必要位移。

因此，将每个边缘划分成多个区段以改进补偿[功能]。如果边缘是波状的，则将整个边缘位移是不足够的。相反，针对每个区段计算独立的补偿值以补偿该相应区段的误差。

有利地，可以通过获取相对于牙科摄像机处于相同的位置和对准的参考表面的多个三维图像来确定实际坐标与目标坐标之间的偏差，其中将来自个体图像的偏差进行平均以减少由噪声信号产生的非系统性误差。

由噪声信号导致的误差由此最终达到平均，使得仅留下系统性误差，所述系统性误差例如由投影格网的显影误差或由光学系统的成像误差导致。

本发明的一个额外目的是一种用于校准牙科摄像机的校准设备，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象的条纹投影法的，其中牙科摄像机包括用于产生由多个条纹构成的投影图案的投影格网以及将所产生的投影图案投影到有待测量的对象上的光学系统。校准设备具有用于牙科摄像机的第一保持设备和用于参考表面的第二保持设备，其中可以将第一保持设备相对于第二保持设备进行调整，使得可以在牙科摄像机与参考表面之间产生多个所限定的距离和/或对准。

使用所描述的校准设备，可以使用上述方法来执行牙科摄像机的校准。借助于此校准设备，可以针对牙科摄像机与参考表面之间的不同距离和/或对准获取多个图像。随后，可以针对每个图像计算由补偿值构成的矩阵，以用于校正投影图案。以此方式，可以补偿由故障的光学系统导致的与距离有关的成像误差。

有利地，第一保持设备可以具有内螺纹，并且第二保持设备可以具有在第一保持设备的内螺纹中啮合的外螺纹。通过将第一保持设备相对于第二保持设备旋转，可以因此以所限定的步骤改变牙科摄像机相对于参考表面的距离和对准。

借助于此螺纹连接，可以通过旋转容易地逐步改变参考表面相对于摄像机的距离和对准。

有利地，可以将平坦的参考表面以相对于外螺纹的中轴成50°与70°之间的角度布置在第二保持设备中。

该角度具体来说可以是65°。

借助于旋转，在外螺纹的中轴（z轴）或摄像机的[（也就是）]光轴的方向上调整高度。在360°旋转之后，参考表面返回到相对于摄像机的相同角度，但是位于不同的高度位置（不同的z位置）。此外，在90°、180°以及270°的中间位置处产生图像是有利的。考虑到参考平面的有角度位置以及绕光轴的旋转，目标交替地呈现绕摄像机的x轴和y轴[（也就是说，在x轴和y轴上）]的正和负角位置。

这允许参考平面相对于摄像机的角度在旋转期间在大角度范围内改变，使得可以测量多个中间位置。

有利地，平坦的参考平面可以具有被布置在相对于彼此的已知距离处的多个正方形标记。

使用所述标记，可以因此确定参考平面相对于摄像机的精确位置。可以将已知的校准方法用于此。

附图说明

将参照图式来解释本发明。图中：

图1示出基于条纹投影法的牙科摄像机的略图；

图2示出来自图1的变形的投影格网的略图；

图3示出变形的投影图案的略图；

图4示出来自图1的牙科摄像机的摄像机模型的略图；

图5示出说明补偿方法步骤的略图；

图6示出说明补偿方法步骤的另一个实施例的略图；

图7示出校准设备的略图；[以及]

图8示出具有标记的校准板。

具体实施方式

图1示出牙科摄像机1的略图，该牙科摄像机涉及用于三维光学测量的条纹投影法。牙科摄像机1包括由多个平行条纹构成的用于产生投影图案3的投影格网2以及将所产生的投影图案3投影到有待测量的对象（未示出）上的光学系统4。投影格网可以例如是具有多个平行条纹5的幻灯片。照明光束6由诸如LED的光源7产生并且穿过投影格网2，借助于偏转棱镜8偏转，并且随后借助于光学系统4和偏转镜9投影到有待测量的对象10上。对象10可以例如是牙齿的表面。照明光束6由被示出为十字的测量点11反射作为观察光束12。观察光束12随后由偏转镜9、由光学系统4并且由第二偏转棱镜13偏转到图像检测器14。图像检测器14可以例如是CCD检测器或CMOS检测器。通过使用条纹投影法，使用照明光束6与观察光束12之间的三角测量角度15并且使用光源7和图像检测器14的已知位置来确定测量点11相对于牙科摄像机1的3D坐标。以此方式，完全在所投影的投影图案3的测量域16内测量有待测量的对象10。为了识别投影图案3的个体条纹5，可以使用不同的光性质（诸如强度、颜色、偏振、相干性、相位、对比度、位置或传播时间）来将个体条纹编码。

藉由颜色编码，可以参照邻近条纹唯一地识别给定条纹，其中例如可以唯一地编码四个邻近有色条纹或三个颜色过渡的序列。

藉由使用相位的编码，个体条纹可以具有正弦图案，该正弦图案与条纹5的路径纵向相交，其中个体条纹5的正弦图案的相位被稍微偏移。可以使用该相移来唯一地识别相应条纹。

此类条纹投影法的条纹宽度在有待测量的对象10的测量域16内可以例如是150 μm。

投影格网2的显影误差和光学系统4的成像误差可能导致以变形的方式对投影图案3成像。这在确定测量对象10的表面上的测量点的3D坐标时导致测量误差。为了补偿这些测量误差，执行本发明的方法。

图2示出根据图1的投影格网2的略图，该投影格网具有亮度变化的平行条纹5。暗条纹由平行线阴影描绘。条纹5由于显影误差而变形，使得个体条纹5的实际条纹宽度20与目标条纹宽度（所期望的条纹宽度）21不同。例如，目标条纹边缘22由从左边数第三条纹处的虚线描绘。实际条纹宽度20与目标条纹宽度21之间的此偏差导致所产生的三维图像中的测量误差。

图3示出投影到根据图1的对象10上的具有条纹5的投影图案3，其中由于显影误差而变形的根据图2的条纹由于根据图1的光学系统4的成像误差而再次变形。所谓的光学变形可以是任何形式的。在本状况下，该变形是枕形，其中投影图案3的拐角被拉开。变形还可以是旋转对称的筒形变形，其中投影图案的拐角朝向中间变形。因此，这些光学变形还导致对象10的三维图像的测量误差。

图4示出说明本方法的略图，其中示出根据图1的牙科摄像机的摄像机模型。光源7发出照明光束6。投影格网2具有多个平行条纹5，所述平行条纹由短虚线指示。投影图案被投影到测量对象10的表面上。示意性地示出的是，照明光束6在测量点11处被反射并且作为观察光束12而被反射回到图像检测器14。随后使用三角测量角度15以及光源7和图像检测器14的位置来计算测量点11相对于牙科摄像机1的3D坐标。由于根据图2和3导致的投影图案3的变形，所期望的目标条纹边缘30相对于实际错误的条纹边缘31偏移。在该过程中，照明光束6也被偏移到改变的照明光束32（虚线）。偏移后的错误的照明光束32与观察光束12在测量点11的实际坐标33处相交。此实际坐标33显著地与测量点11的目标坐标34偏离。为了执行校准，有待记录的对象10是平坦的参考对象。为了进行校准，确定测量点11的实际坐标33与目标坐标34之间的偏差35。可以例如垂直于参考平面10来确定偏差35。以此方式，确定实际坐标36以及与参考平面10上的其他测量点的偏差37。为了确定参考平面10相对于牙科摄像机1的精确位置，参考平面可以具有标记，标记具有距彼此的已知距离。使用所述标记，可以确定参考平面10相对于牙科摄像机1以及随后相对于偏差35、37的精确位置。

或者，参考平面可以通过所确定的实际坐标33、36来拟合，并且随后可以确定实际坐标33、36与参考平面之间的偏差。基于偏差35、37，随后确定个体条纹5的补偿值，所述补偿值补偿这些偏差。

图5示出说明该方法的补偿步骤的略图。从偏差35、37开始，计算补偿值40，该补偿值指示实际条纹边缘41相对于所期望的目标条纹边缘22的必要位移以补偿实际条纹边缘41的偏差35、37。以此方式，对根据图3的所有其他条纹5执行补偿。

图6示出该方法的补偿步骤的第二实施例的略图。与图5相比，对于实际条纹边缘41，不是针对四个区段54、55、56和57仅确定一个补偿值，而是确定多个补偿值50、51、52和53。确定针对实际条纹边缘的个体区段54、55、56和57的平均值58、59、60和61，并且随后确定与目标条纹22的偏差50、51、52和53。以此方式，确定不同区段54、55、56和57以及其他条纹5的补偿值，如参照第二实际条纹边缘62所说明的那样。因此，计算出补偿值的矩阵，该矩阵在测量对象10时在补偿方法步骤中用于投影图案3上以校正投影图案3。随后使用校正后的投影图案，计算对象10的三维图像。

图7示出校准设备70的略图，所述校准设备具有用于根据图1的牙科摄像机1的第一保持设备71和用于具有参考表面74的校准板73的第二保持设备72。第一保持设备71具有内螺纹75，并且第二保持设备72具有外螺纹76，并且这两个螺纹相互啮合。通过将第二保持设备72相对于第一保持设备71绕旋转轴77旋转（如由箭头78示出），由此以所限定的方式改变牙科摄像机1与参考表面74之间的位置和定向（如由箭头79指示）。内螺纹75和外螺纹76可以具有带卡住装置的啮合设备，以便以所限定的步骤提供旋转78。这允许以特定间隔并且以牙科摄像机1与参考表面74之间的所限定的角度来重复获取参考表面74的多个图像。因此，可以对不同的距离和角度执行该校准方法，使得确定由根据图6的补偿值50、51、52和53构成的矩阵。就此而言可以补偿由光学变形导致的与深度有关的测量误差。

图8示出根据图7的具有参考表面74的校准板73，其中参考表面74具备标记80，标记80相对于彼此在特定距离81、82处。标记还可以具有不同的亮度。借助于由亮标记构成的特征图案83，可以确定参考表面74上的相应图像的精确位置。因此，可以检查参考表面相对于牙科摄像机1的调整后的位置和对准。

参考数字：

1 牙科摄像机

2 投影格网

3 投影图案

4 光学系统

5 平行条纹

6 照明光束

7 光源

8 偏转棱镜

9 偏转镜

10    测量对象

11    测量点

12    观察光束

13    偏转棱镜

14    图像检测器

15    三角测量角度

16    测量域

20    实际条纹宽度

21    目标条纹宽度（所期望的条纹宽度）

30    目标条纹边缘（所期望的条纹边缘）

31    实际条纹边缘

32    照明光束

33    实际坐标

34    目标坐标（所期望的坐标）

35    偏差

36    实际坐标

37    偏差

40    补偿值

41    实际条纹边缘

50    补偿值

51    补偿值

52    补偿值

53    补偿值

54    第一区段

55    第二区段

56    第三区段

57    第四区段

58    第一平均值

59    第二平均值

60    第三平均值

61    第四平均值

70    校准设备

71    第一保持设备

72    第二保持设备

73    校准板

74    参考表面

75    内螺纹

76    外螺纹

77    旋转轴

78    旋转运动

79    调整

80    标记

81    第一距离

82    第二距离

83    亮标记的图案。

Claims (10)

1. 一种用于校准牙科摄像机（1）的方法，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象（10）的条纹投影法的，所述牙科摄像机包括用于产生由多个条纹（5）构成的投影图案（3）的投影格网（2）以及将所述产生的投影图案（3）投影到有待测量的所述对象（10）上的光学系统（4）；其特征在于，借助于所述牙科摄像机（1），使用所述条纹投影法来测量具有已知尺寸的参考表面（74），并且在所述参考表面（74）上确定多个测量点（11）的实际坐标（33，36），其中将所确定的实际坐标（33，36）与具有已知尺寸的所述参考表面（74）上的所述测量点（11）的已知目标坐标（34）相比较，其中从所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的偏差（35，37）出发，针对所述投影图案（3）的所述个体条纹（5）计算多个补偿值（40，50，51，52，53），其中在所述牙科对象（10）的所述测量期间，将所计算出的补偿值（40，50，51，52，53）考虑在内以补偿所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的所述偏差（35，37），其中所述参考表面（74）是具备多个标记（80）的校准板（73），并且所述标记（80）用来确定所述校准板（73）相对于所述牙科摄像机（1）的精确位置和对准，其中随后沿垂直于所述校准板（73）的方向确定所述实际坐标（33，36）与所述校准板（73）之间的所述偏差（35，37），其中校准的结果是由补偿值（40，50，51，52，53）构成的矩阵，所述补偿值在测量由平行条纹（5）构成的所述投影的投影图案（3）上的所述对象（10）时用在补偿方法步骤中以校正所述投影图案（3），其中通过使用所述条纹显影法，随后基于校正后的投影图案来计算所述对象（10）的三维图像。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考表面（74）是平面，并且所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的所述偏差（35，37）能够通过使用所述实际坐标（33，36）借助于最小二乘法拟合参考平面来确定，并且随后沿垂直于所述参考平面的方向来确定所述实际坐标（33，36）与所述参考平面之间的所述偏差（35，37）。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过针对所述参考表面（74）相对于所述牙科摄像机（1）的不同距离和对准的多个图像来确定所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的所述偏差（35，37）。

4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用校准设备（70）来获取所述图像，所述校准设备具有用于所述牙科摄像机（1）的第一保持设备（71）和用于所述参考表面（74）的第二保持设备（72），能够用特定方式以多个步骤将所述第二保持设备（72）相对于所述第一保持设备（71）进行位移。

5. 根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其特征在于，针对条纹（5）的每个边缘仅计算一个补偿值（40），以指示此边缘（41）在所述投影格网（2）的平面中用以补偿关于此边缘（41）的所述偏差（35，37）的必要位移。

6. 根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其特征在于，将条纹（5）的每个边缘划分为多个区段（54，55，56，57），其中针对每个区段（54，55，56，57）计算补偿值（50，51，52，53），所述补偿值（50，51，52，53）指示此区段（54，55，56，57）在所述投影格网（2）的所述平面中用以补偿此区段（54，55，56，57）的所述偏差（35，37）的必要位移。

7. 根据权利要求1至6中的一项所述的方法，其特征在于，通过获取相对于所述牙科摄像机（1）处于相同的位置和对准的所述参考表面（74）的多个三维图像来确定所述实际坐标（33，36）与目标坐标（34）之间的所述偏差（35，37），其中将来自所述个体图像的所述偏差（35，37）进行平均以减少由噪声信号产生的非系统性误差。

8. 一种用于校准牙科摄像机（1）的校准设备，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象（10）的条纹投影法的，其中所述牙科摄像机包括用于产生由多个条纹（5）构成的投影图案（3）的投影格网（2）以及将所述产生的投影图案（3）投影到有待测量的所述对象（10）上的光学系统（4）；其特征在于，所述校准设备[（70）]具有用于所述牙科摄像机（1）的第一保持设备（71）和用于参考表面（74）的第二保持设备（72），其中能够将所述第一保持设备（71）相对于所述第二保持设备（72）进行位移，使得能够在所述牙科摄像机（1）与所述参考表面（74）之间调整多个所限定的距离和/或对准，其中所述第一保持设备（71）具有内螺纹（75），并且第二保持设备（72）具有在所述第一保持设备（71）的所述内螺纹（75）中啮合的外螺纹（76），其中通过将所述第一保持设备（71）相对于所述第二保持设备（72）旋转，能够以所限定的步骤改变所述牙科摄像机（1）相对于所述参考表面（74）的所述距离和对准。

9. 根据权利要求8所述的校准设备，其特征在于，将平坦的所述参考表面（74）以相对于所述外螺纹（76）的中轴（77）成50°与70°之间的角度布置在所述第二保持设备（72）上。

10. 根据权利要求8或9所述的校准设备，其特征在于，平坦的所述参考表面（74）具有多个正方形标记（80），所述多个正方形标记（80）被布置在相对于彼此的已知距离处。