CN105806258A - 一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统及其标定方法，包括：扫描传感器及其定位摆臂、分立的承载牙颌模型的自转转台，所述扫描传感器独立于自转转台，所述定位摆臂摆动轴的轴线垂直于两侧摆动支撑，所述自转转台独立于扫描传感器，所述的标定方法包括定位摆动臂转轴标定、载物转台转轴标定，所述的标定方法包括三步：采集相机标定板图像及识别其中的标志点、轴线拟合、借助扫描数据拼接优化的轴向优化。本发明扩大了扫描传感器在多次测量中的整体视域范围，获取整体三维数据的过程更稳定。

Description

一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统及其标定方法

技术领域

本发明涉及义齿加工行业与三维测量技术领域，尤其是涉及一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统及其标定方法。

背景技术

近年来口腔数字化发展迅速，各种涉及固定义齿修复、正畸方案制定的新型业务模式不断出现；三维测量与数字几何处理是支撑上述业务模式的两大关键技术领域，其中，三维测量通常采用结构光技术，能够一次性获取高密度曲面采样数据；针对牙科应用的三维扫描系统，技术上，具体可以称为光栅投影系统，相对于其结构光技术例如散斑重建具有精度高的优势，因而更加适合在牙科领域应用，光栅投影系统通常可以配合单个或者多个黑白相机进行三维重建。

上述技术能够以较低的成本获取高质量点云数据，然而由于遮挡的原因，单次测量无法得到牙颌模型的整体数据，对于这一问题，2014年的中国专利申请“基于两轴旋转平台的三维数据获取系统及获取方法”（申请公布号为CN104154875A，申请公布日为2014年11月19日）公开了基于两轴转台的三维扫描系统；该专利与2009年的期刊文献“Automaticscanningofdentalimpressions”具有相同的技术思路，由于扫描传感器在全局坐标系统中的方位固定不变，因而视域范围的大小固定不变，使得比较容易出现数据缺失的问题，需要通过手动补扫的方式填充数据。

发明内容

本发明是为了解决现有扫描传感器在全局坐标系统中的方位固定不变，因而视域范围的大小固定不变，使得比较容易出现数据缺失的问题，需要通过手动补扫的方式填充数据等问题，提供一种扫描传感器相对于被扫描牙颌模型俯仰运动的定位系统技术方案，扩大了扫描传感器在多次测量中的整体视域范围，使得获取整体三维数据的过程更稳定的适用于牙颌模型的分立式三维测量系统及其标定方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统，包括：扫描传感器及其定位摆臂、分立的承载牙颌模型的自转转台，所述扫描传感器独立于自转转台，其定位摆臂包括摆动轴、摆动支撑，所述摆动支撑由两侧部件组成，其末端固定有由投影光机与工业黑白相机构成的结构光三维扫描传感器；所述定位摆臂摆动轴的轴线垂直于两侧摆动支撑，其轴线上的中心点位于距两侧摆动支撑等距的位置，以该中心点作为定位摆臂局部坐标系的原点，以摆动轴的轴线作为该局部坐标系的Z轴，在过中心点垂直于摆动轴的平面上，选取载物自转转台的方向作为Y轴，以垂直于Y、Z两轴的方向作为X轴；所述自转转台独立于扫描传感器，包括单一旋转轴，该自转转轴驱动牙颌模型在扫描传感器姿态固定的情况下，变换在固定视域范围内的被扫描牙颌的可见区域；以自转转轴作为自转转台局部坐标系的Z轴，在该轴上任选一点作为该坐标系原点，并在过原点垂直于Z轴的平面内，任选两垂直轴线作为该局部坐标系的X、Y轴。

本方案扫描传感器定位摆臂末端连接投影光机与黑白相机，共同绕摆动轴转动，扩大了扫描传感器的视域范围；载物自转转台搭载牙颌模型或者相机标定板绕自转轴旋转，在扫描传感器固定姿态的情况下，调整牙颌模型或者相机标定板相对于扫描传感器的可见区域。

作为优选，所述的三维扫描传感器包括黑白相机与短焦投影光机，可以由单个黑白相机构成单目测量系统或者由两个黑白相机构成双目测量系统；所述的投影光机与黑白相机的朝向与视域范围的交集决定了三维扫描传感器的单一姿态扫描范围；当所述投影光机向被扫描物体投射一系列图像时，所述黑白相机从多个角度拍摄被扫描物体的图像。

作为优选，能够根据所述被扫描牙颌多个角度的黑白图像通过计算机多目视觉成像原理重建出被扫描牙颌模型的三维立体模型。

作为优选，扫描传感器摆臂绕其摆动轴转动，带动扫描传感器视域范围的变化；自转转台绕自转轴转动,带动相机标定板相对于扫描传感器转动。

一种所述系统的标定方法，所述的标定方法包括定位摆动臂转轴标定、载物转台转轴标定，两种转轴标定的基本过程一致，标定技术方案包括利用相机标定板获得转轴方向的转轴计算，再利用测量模型拼接优化对计算得到的转轴方向进行转轴优化；根据所述标定方法获得的转轴标定信息，将从不同角度拍摄的单片牙颌测量数据在全局世界坐标系中形成初步定位。

作为优选，所述的标定方法包括三步：采集相机标定板图像及识别其中的标志点、轴线拟合、借助扫描数据拼接优化的轴向优化。

利用本方案所提供的标定方法计算得扫描传感器定位摆臂摆动轴、自转转台转动轴的标定信息，根据该标定信息实现多次测量的单片三维数据在全局坐标系中进行拼合，包括步骤如下：

将带有标志点的相机标定板固定在自转转台上，固定自转转台的转轴，绕扫描传感器摆臂摆动轴间歇性旋转8次，同时拍摄8副相机标定板图像；

进一步地，接着固定扫描传感器摆臂摆动轴，绕自转转台转轴间歇性旋转5次，同时拍摄5副标定板图像；

进一步地，利用前8副图像拟合扫描传感器摆臂摆动轴，利用后5副图像拟合自转转台转轴。

进一步地，求出扫描传感器摆臂摆动轴、自转转台转轴到全局坐标系的刚体变换矩阵。

进一步地，对标准牙颌模型进行多角度测量，利用上一步中的缸体变换矩阵获得，单片数据在全局坐标系中的朝向。

进一步地，利用迭代最近点算法对多片三维数据进行拼接优化，调整上述单片数据的朝向。

进一步地，以扫描传感器摆臂摆动轴、自转转台转轴在全局坐标系中的矢量表示作为参数，优化该参数，使得利用定位系统获得的单片数据朝向尽可能接近迭代最近点优化获得的单片数据朝向。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）扩大了扫描传感器在多次测量中的整体视域范围；（2）获取整体三维数据的过程更稳定。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图中：1、三维扫描传感器2、定位摆臂3、自转转台4、计算机系统101、投影光机102、黑白相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种扫描传感器相对于被测量牙颌模型俯仰运动的定位系统，包括三维扫描传感器1、定位摆臂2、自转转台3以及计算机系统4，其中三维扫描传感器1由投影光机101、黑白相机102组成，通过投影光机101向被扫描牙颌投射结果图案，并由黑白相机102获取上述图案，计算被测量牙颌的三维数据，在牙颌的扫描过程中，定位摆臂2带动三维扫描传感器1摆动，切换扫描视域范围；自转转台3带动牙颌模型转动，切换牙颌模型相对于固定姿态的三维扫描传感器1的可见区域，通过定位摆臂与自转转台共12种的姿态组合，完成整体牙颌数据的测量。

上述牙颌模型的多次测量过程中所使用的朝向信息，由本发明中的定位系统标定方法计算获得，如图1所示，首先将标定板固定在自转转台3上，将三维扫描传感器1绕定位摆臂2摆动轴旋转，并拍摄8副标定板图像拟合扫描传感器摆动轴，拍摄的8副标定板图像中存在的每一标定点，在全局坐标系中构成了同心圆中的8个三维点，由这8个三维点就可以拟合出它们对应的圆心。于是对于标定板上存在的标志点，依据最小二乘法可以拟合出一条直线即摆动轴。

其次拟合自转转台3转轴，原理同拟合三维扫描传感器1摆动轴，拍摄5副标定板图片，利用标定板上标志点的轨迹，拟合出自转转台3转轴的方向矢量。

至此，求出了定位摆臂2摆动轴向矢量以及自转转台3转动轴向矢量，上述方向矢量都处于全局坐标系中，根据驱动定位摆臂2以及自转转台3的电机不进角度即可对被测量牙颌模型的朝向进行计算。

最后，将标准牙颌置于自转转台3上，并利用上述方向矢量，对多次测量的单片三维数据进行初步定向，在利用迭代最近点算法优化单片三维数据的朝向。并以与迭代最近点算法获得的朝向之间的误差函数优化定位摆臂摆动轴向矢量与自转转台转动轴向矢量。

Claims (6)

1.一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统，其特征在于，包括：扫描传感器及其定位摆臂、分立的承载牙颌模型的自转转台，所述扫描传感器独立于自转转台，其定位摆臂包括摆动轴、摆动支撑，所述摆动支撑由两侧部件组成，其末端固定有由投影光机与工业黑白相机构成的结构光三维扫描传感器；所述定位摆臂摆动轴的轴线垂直于两侧摆动支撑，其轴线上的中心点位于距两侧摆动支撑等距的位置，以该中心点作为定位摆臂局部坐标系的原点，以摆动轴的轴线作为该局部坐标系的Z轴，在过中心点垂直于摆动轴的平面上，选取载物自转转台的方向作为Y轴，以垂直于Y、Z两轴的方向作为X轴；所述自转转台独立于扫描传感器，包括单一旋转轴，该自转转轴驱动牙颌模型在扫描传感器姿态固定的情况下，变换在固定视域范围内的被扫描牙颌的可见区域；以自转转轴作为自转转台局部坐标系的Z轴，在该轴上任选一点作为该坐标系原点，并在过原点垂直于Z轴的平面内，任选两垂直轴线作为该局部坐标系的X、Y轴。

2.根据权利要求1所述的一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统，其特征是，所述的三维扫描传感器包括黑白相机与短焦投影光机，可以由单个黑白相机构成单目测量系统或者由两个黑白相机构成双目测量系统；所述的投影光机与黑白相机的朝向与视域范围的交集决定了三维扫描传感器的单一姿态扫描范围；当所述投影光机向被扫描物体投射一系列图像时，所述黑白相机从多个角度拍摄被扫描物体的图像。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统，其特征是，能够根据所述被扫描牙颌多个角度的黑白图像通过计算机多目视觉成像原理重建出被扫描牙颌模型的三维立体模型。

4.根据权利要求1所述的一种适用于牙颌模型的分立式三维测量系统，其特征是，扫描传感器摆臂绕其摆动轴转动，带动扫描传感器视域范围的变化；自转转台绕自转轴转动,带动相机标定板相对于扫描传感器转动。

5.一种权利要求1所述系统的标定方法，其特征在于，所述的标定方法包括定位摆动臂转轴标定、载物转台转轴标定，两种转轴标定的基本过程一致，标定技术方案包括利用相机标定板获得转轴方向的转轴计算，再利用测量模型拼接优化对计算得到的转轴方向进行转轴优化；根据所述标定方法获得的转轴标定信息，将从不同角度拍摄的单片牙颌测量数据在全局世界坐标系中形成初步定位。

6.根据权利要求5所述的标定方法，其特征是，所述的标定方法包括三步：采集相机标定板图像及识别其中的标志点、轴线拟合、借助扫描数据拼接优化的轴向优化。