CN105590326B - 基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置及控制方法，包括下颌牙列无(牙合)面硬质(牙合)垫、连接杆、拍摄靶、摄像机一、摄像机二、摄像机固定立板、连接板、框架、锁紧带扣、锁紧带、弧型前额挡板、橡胶块，下颌牙列无(牙合)面硬质(牙合)垫与连接杆连接，连接杆与拍摄靶连接，摄像机一、摄像机二分别安装在摄像机固定立板上，摄像机固定立板通过连接板与框架相连，摄像机固定立板架设在拍摄靶的正上方，锁紧带与框架相连，锁紧带扣位于锁紧带末端，弧形前额挡板与框架相连，且与摄像机固定立板平行。本发明能快速获取患者个体下颌咀嚼运动三维轨迹数据，用于各类口腔修复体功能性咬合面的CAD，可提高医疗质量和效率。

Description

基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种下颌三维运动轨迹跟踪装置，具体涉及一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置，本发明还涉及一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置的控制方法。

背景技术

运动跟踪是指在一段时间内连续记录物体(通常指刚体)的位置与姿态，对于一个刚体，位置与姿态信息可以分别用一个三维向量表达。为了说明这一问题，我们首先建立两个坐标系：世界坐标系和物体坐标系，物体在世界坐标系中运动，位置信息可以用物体坐标系原点在世界坐标系中的坐标表达，姿态信息可以用物体坐标系的三个坐标轴在世界坐标系中的投影向量表达，于是物体的运动就可以用4个三维向量表达。运动跟踪就是以一定时间间隔记录物体的上述4个三维向量。

运动跟踪技术有重要应用，在空间技术中可以用来研究空间目标的运动规律，或用于航天控制；在军事上可以应用于空、天、地和水中精确打击或防护；在医学研究中可以研究生物的运动。本研究的应用对象是下颌的运动研究。

惯性技术、雷达技术、光学技术、超声波技术等都可以用于运动跟踪。惯性技术广泛应用于军事上进行运动跟踪，飞机、潜艇、卫星、导弹都使用陀螺仪和加速度计来记录运动的位置和姿态。惯性技术适用于大型物体的运动测量，不受外界影响，但高精度的惯性仪表体积大，不适合于本应用。超声波技术可以用于下颌运动研究，但从有关报道看，其测量精度很难提高。其他方法如X射线测量由于对人体有害，也不适宜采用。

在现有的实际操作中，医生在患者口腔内咬合检测和调磨的难度和工作量，会影响工作效率，影响冠桥咬合面的设计制作质量和临床适合性。

近来计算机和数字摄像头性能提高很快，基于计算机双目视觉的3D测量应用越来越多，通过分析，我们认为将其应用于下颌运动记录是可行的，无论在精度、速度还是成本上都非常合适，而且随着相关技术的进步，是完全可以达到广泛应用的，于是开发了本原型系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置，为口腔修复体CAD软件中虚拟架功能模块提供输入数据，获得个体下颌三维运动轨迹数据的跟踪装置软硬件系统，应用虚拟架的牙列三维运动轨迹跟踪装置输出的个体咬合运动三维轨迹，整合于口腔修复体CAD软件中的虚拟架程序可实现牙齿冠桥功能性咬合面的自动化设计，提高冠桥咬合面的设计制作质量和临床适合性，降低医生在患者口腔内咬合检测和调磨的难度和工作量，降低患者的生理和心理负担，提高医疗质量和效率。本发明的目的还提供一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置的控制方法。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明涉及一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置及控制方法，包括下颌牙列无面硬质垫、连接杆拍摄靶、摄像机一、摄像机二、摄像机固定立板、连接板、框架、锁紧带扣、锁紧带、弧型前额挡板、橡胶块，所述下颌牙列无面硬质垫与连接杆连接，连接杆与拍摄靶连接，摄像机一、摄像机二分别安装在摄像机固定立板上，摄像机固定立板通过连接板与框架相连，摄像机固定立板架设在拍摄靶的正上方，锁紧带与框架相连，锁紧带扣位于锁紧带末端，弧形前额挡板与框架相连，且与摄像机固定立板平行。本发明能快速获取口腔患者个体下颌咀嚼运动三维轨迹数据，用于各类口腔修复体功能性咬合面的CAD，可降低医生在患者口腔内咬合检测和调磨的难度和工作量，降低患者的生理和心理负担，提高医疗质量和效率。

其中，所述连接杆口内末端与下颌牙列无面硬质垫刚性连接，连接杆口外末端与拍摄靶刚性连接。

其中，所述拍摄靶为白色平板，所述白色平板表面上有一个大小为长为32mm，宽为23.5mm的黑色长方形块，所述长方形的四个顶点各有一个大小为边长为4mm的黑色正方形块。

其中，所述框架尺寸为：长为400mm，宽为370mm，高为180mm，其底部有4个过孔，用于固定框架。

其中，所述下颌牙列无面硬质垫、连接杆均由树脂材料制成，拍摄靶为不锈钢材料制成，摄像机固定立板、连接板、框架由合金材料制成，锁紧带由尼龙材料制成，锁紧带扣、弧形前额挡板由塑料材料制成。

本发明的一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)受试者将额部紧贴弧形前额挡板，用锁紧带固定头部。嘱受试者做咬合运动，同时摄像机一、摄像机二连续拍摄图像，图像传入计算机口腔修复体CAD软件中实施下颌运动轨迹实时解算过程；

2)上述软件自动搜索拍摄靶上黑色长方形的左上、左下及右下三个角点；

3)获取拍摄靶的三维位置与姿态；

4)利用牙颌模型扫描仪获取受试者牙列的三维数据，并将牙列的三维数据与步骤3)中所得运动轨迹数据统一到同一坐标系中，实现以3D图形再现受试者上下颌之间的三维运动。

其中，所述步骤2)包括以下步骤：

(1)在拍摄靶上以较大间隔搜索图像，寻找拍摄靶图像中一个方形内的中心点，当所述方形内的上下左右四个边线点都是黑色时，就找到了所述方形内的中心点；

(2)在所述中心点上下左右做拍摄靶图像中的两个横向的平行线、两个纵向平行线，然后找到上述平行线与拍摄靶黑色长方形块的8个交点；

(3)用拍摄靶黑色长方形块同一边上的两点建立直线，就找到了拍摄靶的四条边的近似解，得到角点近似值；

(4)在近似角点附近移动一个方形，当方形内白色像素数量与黑色像素数量一样多时，方形中心坐标为角点精确解。

其中，所述步骤3)包括以下步骤：

(1)摄像机一、摄像机二的两个摄像头同时拍摄拍摄靶；

(2)两个摄像头处理图像，得到各自图像上黑色长方形块的三个角点的像素坐标；

(3)将上述像素坐标带入神经网络公式，得到两个摄像头对同一角点的一对空间直线，三个角点共得到3对空间直线；

(4)解上述空间直线的近似交点，得到三个角点的真实空间坐标；

(5)连续记录三个角点的真实坐标，就记录了拍摄靶的位置变化和空间姿态角的变化，得到运动轨迹数据。

本发明的优点在于：

1、采用的口腔内工作单元小巧、重量轻，且对上下颌牙齿咬合运动无干扰。

2、采用双目立体视觉原理，成本较低，操作简单，外界干扰小，精度较高。

3、应用虚拟架的牙列三维运动轨迹跟踪装置输出的个体咬合运动三维轨迹，整合于计算机下颌运动轨迹实时解算软件中的虚拟架程序可实现牙齿冠桥功能性咬合面的自动化设计，提高冠桥咬合面的设计制作质量和临床适合性，降低医生在患者口腔内咬合检测和调磨的难度和工作量，降低患者的生理和心理负担，提高医疗质量和效率。

附图说明

图1为本发明工作时的结构的示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1的A-A向的剖视图；

图2-a为本发明下颌牙列无面硬质垫、连接杆、拍摄靶连接的示意图；

图2-b为本发明拍摄靶的示意图；

图5a为本发明拍摄靶图像中寻找中心点的示意图；

图5b为本发明拍摄靶图像中做平行线的示意图；

图5c为本发明拍摄靶图像中求角点近似值的示意图；

图5d为本发明拍摄靶图像中求角点精确解的示意图。

图中，1.摄像机一；2.摄像机二；3.摄像机固定立板；4.连接板；5.框架；6.锁紧带扣；7.锁紧带；8.人头部；9.橡胶块；10.弧形前额挡板；11.下颌运动视频记录靶；12.过孔；13.下颌牙列无面硬质垫；14.拍摄靶；15.连接杆；；d、l、r、u.四个边线点；lu、ld、tl、tr、ru、rd、bl、br.平行线交点。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1-5d，本发明的一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置，包括下颌牙列无面硬质垫、连接杆、拍摄靶、摄像机一、摄像机二、摄像机固定立板、连接板、框架、锁紧带扣、锁紧带、弧型前额挡板、橡胶块，所述下颌牙列无面硬质垫与连接杆连接，连接杆与拍摄靶连接，摄像机一、摄像机二分别安装在摄像机固定立板上，摄像机固定立板通过连接板与框架相连，摄像机固定立板架设在拍摄靶的正上方，锁紧带与框架相连，锁紧带扣位于锁紧带末端，弧形前额挡板与框架相连，且与摄像机固定立板平行，橡胶块位于弧形前额挡板的中部。

其中，所述所述连接杆口内末端与下颌牙列无面硬质垫刚性连接，连接杆口外末端与拍摄靶刚性连接。

其中，所述拍摄靶为白色平板，所述白色平板表面上有一个大小为长为32mm，宽为23.5mm的黑色长方形块，所述长方形的四个顶点各有一个大小为边长为4mm的黑色正方形块。

其中，所述框架尺寸为：长为400mm，宽为370mm，高为180mm，其底部有4个过孔，用于固定框架。

其中，所述下颌牙列无面硬质垫、连接杆、拍摄靶连接杆均由树脂材料制成，拍摄靶为不锈钢材料制成，摄像机固定立板、连接板、框架由合金材料制成，锁紧带由尼龙材料制成，锁紧带扣、弧形前额挡板由塑料材料制成。

参见图5a-5d，本发明的一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)受试者将额部紧贴弧形前额挡板，用锁紧带固定头部。嘱受试者做咬合运动，同时摄像机一、摄像机二连续拍摄图像，图像传入计算机口腔修复体CAD软件中实施下颌运动轨迹实时解算过程；

2)上述软件自动搜索拍摄靶上黑色长方形的左上、左下及右下三个角点；

3)获取拍摄靶的三维位置与姿态；

4)利用牙颌模型扫描仪获取受试者牙列的三维数据，并将牙列的三维数据与步骤3)中所得运动轨迹数据统一到同一坐标系中，实现以3D图形再现受试者上下颌之间的三维运动。

其中，所述步骤2)包括以下步骤：

(1)以较大间隔搜索图像，找到图5a中的c点,当前点的上下左右四个点都是黑色时，就找到了中心点c点；

(2)在中心点c点上下左右做图5b中所示的两个横向的平行线、两个纵向平行线，然后找到上述平行线与拍摄靶黑色长方形块的8个交点；

(3)用同一边上的两点建立直线，就找到了拍摄靶黑色长方形块的四条边的近似解，得到角点近似值，见图5c；

(4)在角点近似值附近搜索，得到角点最优解，搜索的方法是在近似角点附近移动一个方形，当方形内白色像素数量与黑色像素数量一样多时，方形中心坐标为角点精确解，见图5d。

其中，所述步骤3)包括以下步骤：

(1)摄像机一、摄像机二的两个摄像头同时拍摄拍摄靶；

(2)两个摄像头处理图像，得到各自图像上黑色长方形块的三个角点的像素坐标；

(3)将上述像素坐标带入神经网络公式，得到两个摄像头对同一角点的一对空间直线，三个角点共得到3对空间直线；

(4)解上述空间直线的近似交点，得到三个角点的真实空间坐标；

(5)连续记录三个角点的真实坐标，就记录了拍摄靶的位置变化和空间姿态角的变化，得到运动轨迹数据。

(occlusion)也称作咬合，是指上下牙列间的接触关系，而咬合作为动词(occluding)则指上下牙列间的接触动作或接触过程。是牙科的专有名词。

下颌运动轨迹实时解算过程：即在下颌运动过程中，上述软件实时获取拍摄靶上黑色长方形的左下、左下及右下三个角点的坐标值。

如上所述，便可较为充分的实现本发明。以上所述仅为本发明的较为合理的实施实例，本发明的保护范围包括但并不局限于此，本领域的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变性变更均包括在本发明包括范围之内。

Claims (7)

1.一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置，其特征在于：包括下颌牙列无面硬质垫、连接杆、拍摄靶、摄像机一、摄像机二、摄像机固定立板、连接板、框架、锁紧带扣、锁紧带、弧形前额挡板、橡胶块，所述下颌牙列无面硬质垫与连接杆连接，连接杆与拍摄靶连接，摄像机一、摄像机二分别安装在摄像机固定立板上，摄像机固定立板通过连接板与框架相连，摄像机固定立板架设在拍摄靶的正上方，锁紧带与框架相连，锁紧带扣位于锁紧带末端，弧形前额挡板与框架相连，且与摄像机固定立板平行，橡胶块位于弧形前额挡板的中部。

2.根据权利要求1所述的一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置，其特征在于：所述连接杆口内末端与下颌牙列无面硬质垫刚性连接，连接杆口外末端与拍摄靶刚性连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置，其特征在于：所述拍摄靶为白色平板，所述白色平板表面上有一个大小为长为32mm，宽为23.5mm的黑色长方形块，所述长方形的四个顶点各有一个大小为边长为4mm的黑色正方形块。

4.根据权利要求1所述的一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置，其特征在于：所述框架尺寸为：长为400mm，宽为370mm，高为180mm，其底部有4个过孔，用于固定头部。

5.根据权利要求1所述的一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置，其特征在于：所述下颌牙列无面硬质垫、连接杆均由树脂材料制成，拍摄靶为不锈钢材料制成，摄像机固定立板、连接板、框架由合金材料制成，锁紧带由尼龙材料制成，锁紧带扣、弧形前额挡板由塑料材料制成。

6.一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)受试者将额部紧贴弧形前额挡板，用锁紧带固定头部；嘱受试者做咬合运动，同时摄像机一、摄像机二连续拍摄图像，图像传入计算机口腔修复体CAD软件中实施下颌运动轨迹实时解算过程；

2)上述软件自动搜索拍摄靶上黑色长方形块的左上、左下及右下三个角点；

3)获取拍摄靶的三维位置与姿态；

4)利用牙颌模型扫描仪获取受试者牙列的三维数据，并将牙列的三维数据与步骤3)中所得拍摄靶的三维位置与姿态统一到同一坐标系中，实现以3D图形再现受试者上下颌之间的三维运动。

7.根据权利要求6所述的一种基于计算机双目视觉的下颌运动轨迹跟踪装置的控制方法，其特征在于步骤2)包括以下步骤：

(1)寻找拍摄靶图像中一个黑色长方形块内的中心点，当所述黑色长方形块内的上下左右四个角点都是黑色时，就找到了所述黑色长方形块内的中心点；

(2)在所述中心点上下左右做拍摄靶图像中的两个横向的平行线、两个纵向平行线，然后找到上述平行线与拍摄靶黑色长方形块的8个交点；

(3)用拍摄靶黑色长方形块同一边上的两点建立直线，就找到了拍摄靶的四条边的近似解，得到角点近似值；

(4)在近似角点附近移动一个黑色长方形块，当黑色长方形块内白色像素数量与黑色像素数量一样多时，黑色长方形块中心坐标为角点精确解。