CN107072762B - 一种口腔探测、数据处理装置和方法及口腔探测系统 - Google Patents

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Abstract

一种口腔探测、数据处理装置和方法及口腔探测系统。口腔探测装置包括：探头(101)、投影仪(102)和相机(103)。探头(101)用于在口腔中探测牙齿表面图像。探头(101)包括反射镜组，反射镜组包括多个以预定位置关系排列的镜面，镜面用于将投射到反射镜组的条纹图像反射到口腔内牙齿表面，并将牙齿表面图像反射到口腔外。投影仪(102)，用于向探头(101)的反射镜组投射条纹图像，反射镜组将条纹图像反射到牙齿表面。相机(103)，用于从探头(101)的反射镜组获取反射出的包含条纹图案的牙齿表面图像。通过这样的装置，能够获得多个面的牙齿表面图像及其精确的相对位置关系，在减少探头(101)的移动次数的同时，能够降低图像拼接过程中的误差。

Description

一种口腔探测、数据处理装置和方法及口腔探测系统
技术领域
本发明涉及口腔医学领域，特别是一种口腔探测、数据处理装置和方法及口腔探测系统。
背景技术
在临床口腔诊疗和修复过程中，口腔印模是一种重要的信息存储源。目前，易操作、高准确性、存储方便的数字印模技术越来越受到口腔医学界的重视。数字印模获取的方式根据探测的位置分为两大类，即口外探测和口内探测，其中口内探测是近几年国外出现的一种新的探测方式。口内探测将探测器伸入病人的口内直接对牙齿进行探测，实时获取数字印模。与口外探测相比，它有着更多的优越性。首先，提高了病人的满意度。其次，对医生来说，进一步改进了印模的品质，减少了椅边操作的步骤，节约了宝贵的时间，大大降低了材料和人工的消耗。它还为病人和医生之间建立了一个交流的平台，医生和病人可以根据获取的数字印模进行讨论，可以使病人了解到自己的病情和医生的修复意图，也可以根据病人的需求定制修正治疗方案，使医患关系更加融洽。由于口内探测的特殊性，除了要求探测器小巧之外，还要求探测尽可能的快速。
德国Cerec系统基于面结构光视觉测量原理实现口内数据测量，作为世界上最成功的商用口内探测系统，自20世纪70年代出现一直处于垄断地位，直到20世纪初才涌现出相关系统，如2008年基于激光的3M公司的Lava Chairside Oral Scanner口内探测系统、2011年基于共聚焦测量原理的丹麦3Shape公司的TRIOS口内探测系统、2011年基于双目立体视觉测量原理的德国Hint-Els公司的DirectScan口内探测系统及2011年美国CADDENT公司的Itero口内三维测量系统等。
现将口内探测系统的典型产品和系统概述如下：
德国Sirona Dental System公司的Cerec系列口内牙齿测量系统，能够使三维数字探测仪和牙齿修复系统相结合，实现牙齿的在线修复。该测量系统采用了主动三角与共焦显微的基本原理，蓝色光源。该版本系统能够实现满口牙齿的测量，而之前的版本只能实现一定角度部分牙齿的测量。但该系统在探测之前需在牙齿表面添加涂层，以抑制牙齿表面强反光，形成均一的反射表面。测量准确性0.019mm。
美国Cadent LTD公司的iTero数字影像系统采用了平行共焦显微原理，能够实现对不同材料的表面进行成像，因此无需在牙齿表面添加涂层。通过红、绿、蓝三种单色光源进行单独探测，将三者结果进行结合得到彩色纹理信息。
美国的D4D Technologies LLC公司的E4D系统采用了光学相干断层探测与共焦显微原理。在一般情况下，该系统不需要在牙齿表面添加涂层之后再探测，所需光源为激光光源。
美国3M ESPE公司研制了Lava Chairside Oral Scanner系统，成像部分由镜头系统和蓝色LED组成。探测棒宽13.2mm，重390g。该系统采用了主动波前采样原理，能够以视频形式记录三维数据并且实时地建立数据模型。该系统在进行探测之前需要在牙齿表面添加涂层。
美国IOS Technologies INC公司研制了IOS FastScan系统。该系统采用了主动三角原理与沙姆定律(Schleimpflug principle)，光源为激光光源。该系统的探测棒设计有很大优势，激光光源可以在探测棒上自动移动，操作员可以在颊侧、舌上、牙齿咬合面三个部位进行自动探测，来达到对满口牙齿的测量。该系统在进行探测之前需要在牙齿表面添加涂层。
以色列Densys LTD公司的DENSYS 3D系统采用了主动立体视觉测量原理，光源为可见光。该系统采集图像只需几毫秒，能够实现实时性的测量。该系统相比于其他产品有着极轻的探测棒，仅重100g，测量精度0.03mm。
美国Dimensional Photonics International INC公司的DPI-3D系统采用了条纹干涉原理，所需激光光源波段为350-500mm。该系统与采用可见光源的系统相比较的优势在于：对周围光强的变化和噪声有更强的抵抗性，更高的准确性，更大的投影深度，增强了对反光表面和透明表面的测量能力。该系统采用小的、可手持的、实时的探测系统来采集数字影像，且该系统无需在牙齿表面添加涂层之后再探测。该系统处于研制阶段，尚无商业化产品。
瑞士的MHT Optic Research AG公司的3D Progress系统采用了共焦显微原理。该系统对单角度的探测时间0.1s，可达到每秒钟14次探测，能够在3分钟之内实现满口牙齿的测量。在一般情况下，该系统不需要在牙齿表面添加涂层之后再探测。该系统处于研制阶段，尚未商业产品。
德国的HINT-ELS公司的Direct Scan系统采用了基于投影光栅的立体视觉原理。该系统能够实现12-15微米的准确性，光学探测仪每隔200ms对单个角度进行一次成像。
丹麦的3Shape公司的TRIOS系统采用了共焦显微原理，无需喷涂直接进行口腔内牙齿三维探测。
以上系统仍存在不同的缺陷，主要包括：均为单反射镜片，探测效率低，探测单颗牙齿时需要连续探测牙合面、唇颊面、舌腭面、近中邻面和远中邻面，以及各面之间的衔接区域；单视场探测范围小，通常仅为1/2个单牙面；多视数据软件拼接次数过多，导致多牙位探测准确性较差。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种高准确性口内探测的装置和方法。
根据本发明的一个方面，提出一种口腔探测装置，包括：探头，用于在口腔中探测牙齿表面图像，探头包括反射镜组，反射镜组包括多个以预定位置关系排列的镜面，用于将投射到反射镜组的条纹图像反射到口腔内牙齿表面，并将牙齿表面图像反射到口腔外；投影仪，用于向探头的反射镜组投射条纹图像，经反射镜组反射到牙齿表面；相机，用于从探头的反射镜组获取反射出的包含条纹图案的牙齿表面图像。
可选地，探头的反射镜组包括两片以上镜面，两片以上镜面以预定位置关系排列。
可选地，投影仪为条纹投射器，条纹图像为正弦条纹图像。
可选地，探头长度为60～85mm，探头横截面尺寸不大于30mm*20mm；投影仪和相机位于探头远离反射镜组的一端；投影仪与相机的摄影基线长度不小于投影仪与相机的镜头半径之和。
通过这样的装置，投影仪能够通过探头的反射镜组向口腔内牙齿表面投射条纹图像，包含条纹图案的牙齿表面图像经反射镜组反射出口腔，从而使相机获得牙齿表面图像。由于反射镜组能够反射出牙齿多个面的表面图像，且多个镜面以预定相对位置关系排列，能够获得多个面的牙齿表面图像的准确的相对位置关系，使用这样的图像进行拼接能够降低数据拼接过程中的误差，增加探测的准确性。
根据本发明的另一个方面，提出一种口腔图像数据处理装置，包括：参数存储模块，用于存储探头的反射镜组中镜面的相对位置关系；图像获取模块，用于从相机获取牙齿表面图像，其中，牙齿表面图像为探头的反射镜组呈预定位置关系的镜面反射的图像，包含牙齿多个面的图像信息；图像处理模块，用于根据反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接根据相机获取的牙齿表面图像得到的三维数据，获取牙齿三维数据。
可选地，牙齿表面图像包含正弦条纹，正弦条纹由投影仪经反射镜组投射到牙齿表面，由反射镜组反射包含正弦条纹的牙齿表面图像到相机。
可选地，图像处理模块包括：图像分割单元，用于根据参数存储模块中探头的反射镜组中镜面的相对位置关系分割牙齿表面图像，获得每片镜面反射的单镜面牙齿表面图像，其中，反射镜组中镜面的相对位置关系包括牙齿表面图像中各个镜面反射图像的图像区域；相位测量单元，用于根据单镜面牙齿表面图像的正弦条纹，基于相位测量轮廓术，获取单镜面牙齿表面图像中的单镜面牙齿表面三维数据；三维拼接单元，用于根据参数存储模块中探头的反射镜组中镜面的相对位置关系，将单镜面牙齿表面三维数据统一到同一坐标系下，获得单颗牙齿表面三维数据，其中，反射镜组中镜面的相对位置关系包括反射镜组各个镜面反射图像的坐标转换关系。
可选地，图像处理模块还包括：邻接拼接单元，用于根据相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据的共同区域，拼接相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据，获得多颗牙齿表面三维数据。
可选地，口腔图像数据处理装置还包括：标定模块，用于标定探头的反射镜组中镜面的相对位置关系，包括：区域标定单元，用于标定相机获取的牙齿表面图像中，每片镜面反射图像的图像区域；坐标标定单元，用于根据从不同反射镜获取的单镜面牙齿表面三维数据的共同区域中三对以上的对应点，获取镜面反射图像的坐标转换关系；参数存储模块，用于从区域标定单元获取牙齿表面图像中每片镜面反射图像的图像区域，以及从坐标标定单元获取镜面反射图像的坐标转换关系。
通过这样的装置，能够根据反射镜组中镜面的相对位置关系，将由相机获取的反射镜组反射的牙齿表面图像三维重建得到的三维数据进行拼接，获取牙齿三维数据。由于反射镜组能够反射多个面的牙齿表面图像，且镜面的相对位置关系固定，因此在拼接过程中能够获得准确的牙齿表面图像各个面的相对位置关系，从而降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。进一步地，由于同时获取牙齿的多个表面三维数据，能够提高探测效率。
根据本发明的又一个方面，提出一种口腔探测系统，包括：上文中任一种口腔探测装置，用于向口腔内牙齿表面投射条纹图像，并通过相机获取包含条纹图案的牙齿表面图像；上文中任一种口腔图像数据处理装置，用于基于口腔探测装置获取的牙齿表面图像，获取牙齿三维数据。
通过这样的系统，能够通过口腔探测装置获取包含牙齿多个面的牙齿表面图像，通过口腔图像数据处理装置根据口腔探测装置中反射镜组的镜面的相对位置关系将多个面的牙齿表面图像拼接，获取牙齿三维数据，从而降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。
根据本发明的再一个方面，提出一种口腔探头，包括反射镜组，反射镜组包括多个镜面，多个镜面以预定位置关系排列，用于将投射到反射镜组的条纹图像反射到口腔内牙齿表面，并将包含条纹图案的牙齿表面图像反射到口腔外，以探测包含牙齿多个面图像的牙齿表面图像。
可选地，反射镜组包括两片镜面，位于探头探测区域中轴线两侧，用于探测牙齿表面2～4面图像。可选地，镜面与探头轴线的夹角在[43°,47°]范围内，绕探头探测区域法向量的旋转角度在[41°,49°]范围内。
可选地，反射镜组包括三片镜面，分别位于探头探测区域中轴线及中轴线两侧，用于探测牙齿表面3～4面图像。可选地，中轴线的镜面俯仰角在[45°，60°]范围内；中轴线两侧的镜面，与探头轴线的夹角在[43°,47°]范围内，绕探头探测区域法向量的旋转角度在[41°,49°]范围内。
可选地，反射镜组包括四片镜面，用于探测牙齿表面4～5面图像，其中，两片镜面位于探头探测区域中轴线的近端部和远端部；另外两片镜面位于探头探测区域中轴线的两侧。
可选地，近端部的镜面俯仰角在[30°,45°]范围内，远端部的镜面俯仰角在[45°，60°]范围内；探头探测区域中轴线的两侧的镜面，与探头轴线的夹角在[43°,47°]范围内，绕探头探测区域的法向量的旋转角度在[41°,49°]范围内。
这样的探头包含由多个以预定位置关系排列的镜面构成的反射镜组，能够探测包含牙齿多个面图像的牙齿表面图像，同时能够获取牙齿多个面图像的相对位置关系，在对牙齿表面图像的处理拼接过程中能够减少误差，增加口腔探测准确性。
根据本发明的又一个方面，提出一种口腔图像探测方法，包括：投影仪向探头的反射镜组投射条纹图像，经反射镜组反射到牙齿表面，其中，探头包括反射镜组，反射镜组包括多个以预定位置关系排列的镜面；探头的反射镜组将包含条纹图案的牙齿表面图像反射到口腔外；相机获取从反射镜组反射出的牙齿表面图像。
可选地，探头的反射镜组包括两片以上镜面，两片以上镜面以预定位置关系排列。
可选地，投影仪为条纹投射器，条纹图像为正弦条纹图像。
通过这样的方法，投影仪能够通过探头的反射镜组向口腔内牙齿表面投射条纹图像，包含条纹图案的牙齿表面图像经反射镜组反射出口腔，从而使相机获得牙齿表面图像。由于反射镜组能够反射出牙齿多个面的表面图像，且多个镜面以预定相对位置关系排列，能够获得多个面的牙齿表面图像的准确相对位置关系，使用这样的图像进行拼接能够降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。
根据本发明的再一个方面，提出一种口腔图像数据处理方法，包括：从相机获取牙齿表面图像，其中，牙齿表面图像为探头呈预定位置关系的镜面构成的反射镜组反射的图像，包含牙齿多个面的图像信息；根据反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接根据相机获取的牙齿表面图像得到的三维数据，获取牙齿三维数据。
可选地，反射镜组中镜面的相对位置关系包括牙齿表面图像中各个镜面反射图像的图像区域，和反射镜组各个镜面反射图像的坐标转换关系。
可选地，牙齿表面图像包含正弦条纹，正弦条纹由投影仪经反射镜组投射到牙齿表面，由反射镜组反射包含正弦条纹的牙齿表面图像到相机。
可选地，根据反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接相机获取的牙齿表面三维数据，获取牙齿三维数据，包括：根据牙齿表面图像中各个镜面反射图像的图像区域分割牙齿表面图像，获得每片镜面反射的单镜面牙齿表面图像；根据单镜面牙齿表面图像的正弦条纹，基于相位测量轮廓术，获取单镜面牙齿表面图像中的单镜面牙齿表面三维数据；根据反射镜组各个镜面反射图像的坐标转换关系将单镜面牙齿表面三维数据统一到同一坐标系下，获得单颗牙齿表面三维数据。
可选地，根据反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接相机获取的牙齿表面图像，获取牙齿三维数据，还包括：根据相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据的共同区域，拼接相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据，获得多颗牙齿表面三维数据。
可选地，还包括：标定探头的反射镜组中镜面的相对位置关系，包括：标定相机获取的牙齿表面图像中，每片镜面反射图像的图像区域；根据从不同镜面获取的单镜面牙齿表面三维数据的共同区域中三对以上的对应点，获取镜面反射图像的坐标转换关系。
通过这样的方法，能够根据反射镜组中镜面的相对位置关系，将由相机获取的反射镜组反射的牙齿表面图像进行拼接，获取牙齿三维数据。由于反射镜组能够反射多个面的牙齿表面图像，且镜面的相对位置关系固定，因此在拼接过程中能够获得准确的牙齿表面图像各个面的相对位置关系，从而降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。
另外，根据本发明的再一个方面，提出一种口腔探测方法，包括：上文中任一种口腔图像探测方法，向口腔内牙齿表面投射条纹图像，并通过相机获取包含条纹图案的牙齿表面图像；上文中任一种口腔图像数据处理方法，基于牙齿表面图像，获取牙齿三维数据。
通过这样的方法，能够通过口腔探测装置获取包含多个面的牙齿表面图像，通过口腔图像数据处理装置根据口腔探测装置中反射镜组的镜面的相对位置关系将多个面的牙齿表面图像拼接，获取牙齿三维数据，从而降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的口腔探测装置的一个实施例的示意图。
图2为本发明的口腔探测装置的一个实施例的原理图。
图3为本发明的探头反射镜组的一个实施例的示意图。
图4为本发明的探头反射镜组的另一个实施例的示意图。
图5为本发明的探头反射镜组的又一个实施例的示意图。
图6为本发明的探头的一个实施例的整体结构示意图。
图7为本发明的探头的反射镜组的一个实施例的原理图。
图8为平面镜法向量几何表示方法示意图。
图9为本发明的口腔图像数据处理装置的一个实施例的示意图。
图10为本发明的口腔图像数据处理装置的另一个实施例的示意图。
图11为本发明的口腔图像数据处理装置的又一个实施例的示意图。
图12为本发明的口腔图像数据处理装置的再一个实施例的示意图。
图13为本发明的口腔探测系统的一个实施例的示意图。
图14为本发明的口腔图像探测方法的一个实施例的流程图。
图15为本发明的口腔图像数据处理方法的一个实施例的流程图。
图16为本发明的口腔图像数据处理方法的一部分的一个实施例的流程图。
图17为本发明的口腔图像数据处理方法的又一个实施例的流程图。
图18为本发明的口腔探测方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的口腔探测装置的一个实施例的示意图如图1所示。其中，101为探头，用于在口腔中探测牙齿表面图像。探头的端部包括反射镜组，反射镜组包括多个镜面，镜面以预定的相对位置排列。探头远离反射镜组的一端有投影仪和相机。探头为中空结构，能够保证投影仪的光线投射到反射镜组，反射镜组反射出的图像能够被相机获取。102为投影仪，用于向探头的反射镜组投射条纹图像。条纹图像经反射镜组镜面的反射后，投射到牙齿表面；牙齿表面的图像再经探头反射镜组镜面反射出口腔。103为相机，从探头的反射镜组获取反射出的包含条纹图案的牙齿表面图像。由于多个镜面以预定的相对位置排列，因此相机获取的图像可以包括多个面的牙齿表面图像，同时获取牙齿多个面的相对位置关系，从而能够在多个面的牙齿表面图像拼接时，较好的还原牙齿多个面的相对位置关系，降低图像拼接误差，增加探测准确性。由于探头反射镜组可以同时反射牙齿多个表面的图像，在使用过程中能够减少探头的移动次数，从而提高探测效率。
在一个实施例中，投影仪为条纹投射器，投射的条纹图像为正弦条纹图像。根据相机获取的包含正弦条纹图案的牙齿表面图像中相位的变化，基于相位测量轮廓术，能够获取高度信息，从而能够根据包含正弦条纹图案的牙齿表面图像获取牙齿三维数据。
在一个实施例中，本发明的口腔探测装置的原理图如图2所示。在图2中，左侧的屏为相机，右侧的屏为投影仪。根据相机的针孔成像模型，世界坐标系(P[X,Y,Z]T)与相机和投影仪的坐标系之间(mL[xL,yL]T，mR[xR,yR]T)的关系可以如下表示：
sL[mL T 1]T＝AL[RL|TL][PT 1]T
sR[mR T 1]T＝AR[RR|TR][PT 1]T
式中,sL和sR是比例因子，AL和[RL|TL]表示相机的内、外参数，AR和[RR|TR]表示投影仪的内、外参数。该测量系统中，相机坐标系被定义为世界坐标系，则相机坐标系(OL-XLYLZL)与投影仪坐标系(OR-XRYRZR)之间的关系可以表示为：
Figure BDA0000728658360000111
式中，R和T为系统的外参数，R为旋转因子，T为平移矩阵。
根据三维测量的基本原理，在系统的结构参数以及相机和投影仪的内参标定的条件下，已知相机和投影仪之间的匹配点，可实现物体的三维重建。
相机图像点mL[xL,yL]T可直接从图像中获取，与图像点匹配的在投影仪坐标系下的点坐标mR[xR,yR]T可利用相位测量轮廓术获得。
已知系统的结构参数和传感器内参数，相机图像点mL[xL,yL]T以及投影仪坐标系下的点坐标mR[xR,yR]T对应的空间点P[X,Y,Z]T可由以下公式得到：
Figure BDA0000728658360000112
通过这样的方法，能够对于相机获取的牙齿表面图像进行坐标转换，根据投影仪、反射镜组、相机坐标系的相对位置关系，将获取的牙齿表面三维数据统一到世界坐标系，从而使牙齿表面三维数据能够应用于口腔修复。
由于探头需要伸入患者口腔，因此要求尺寸较小。但为了尽量扩大测量视场，需要控制探头的尺寸以及投影仪和相机的位置。在一个实施例中，探头以及投影仪、相机的参数如表1所示。
Figure BDA0000728658360000113
Figure BDA0000728658360000121
表1
其中，系统工作距离L为探头长度与相机镜头外端面到镜头光心的距离之和；摄影基线长度B为投影仪的光心与相机的光心间的距离；光轴交角为投影仪与相机的光轴交角；系统工作范围为探头单次探测的范围。
另外，点云分辨率为40μm，单视场精度：30μm(2σ)。由前后景深公式：
Figure BDA0000728658360000122
Figure BDA0000728658360000123
其中，△L1为前景深，△L2为后景深，参数包括光圈数Fc(可以为8)，容许弥散圆直径δ(可以为1.5像素尺寸)，工作距离L(100mm)。
Figure BDA0000728658360000124
Figure BDA0000728658360000125
此时系统的景深为5.16mm，即能够获取景深5.16mm范围内清晰的牙齿表面图像。
通过这样的装置，探头的反射镜组能够反射投影仪投射的条纹图像，投射到牙齿表面；相机能够获取从反射镜组反射出的牙齿表面图像；探头的尺寸能够保证伸入口腔，且能够实现一次测量单颗牙齿的牙齿表面图像，便于使用，提高了工作效率。
本发明的探头的反射镜组部分的一个实施例的示意图如图3所示。探头的反射镜组由以预定位置排列的镜面排列而成，包括左镜面301和右镜面302，图3底部为中空结构，投影仪投射的光线能由底部空间投射到镜面，并反射到牙齿表面。左镜面301和右镜面302以预定位置排列，单次能够测量至少两个面的牙齿表面图像。单颗牙齿包括咬合面、近中侧、远中侧、颊面、舌面五个面，根据使用时探头与牙齿的相对位置关系，能够获取2-4面的牙齿表面图像。同时获取两个面的情况如获取咬合面和颊面、咬合面和舌面、舌面和远中侧、咬合面和近中侧等，同时获取三个面的情况如获取咬合面的一部分、远中侧和舌面的一部分等；同时获取四个面的情况如获取咬合面的一部分、远中侧、舌面的一部分及颊面的一部分等。这样的探头反射镜组，能够一次获取2-4面单颗牙齿表面图像，配合镜面的相对位置关系，能够获取多个面牙齿表面图像的相对位置关系，从而能够为图像的拼接获取更多信息量，使单颗牙齿表面图像的拼接更准确。由于探头反射镜组可以同时反射牙齿多个表面的图像，在使用过程中能够减少探头的移动次数，从而提高探测效率。
在一个实施例中，探头反射镜组的示意图如图4所示。探头反射镜组包括左镜面401，右镜面402和中镜面403。与图3相同，图4底部为中空结构，投影仪投射的光线能由底部空间投射到镜面，并反射到牙齿表面。左镜面401、右镜面402和中镜面403以预定位置排列，单次能够测量至少三个面的牙齿表面图像。根据使用时探头与牙齿的相对位置关系，能够获取3-4面的牙齿表面图像。同时获取三个面的情况如获取咬合面、远中侧和舌面等；同时获取四个面的情况如获取咬合面的一部分、远中侧、舌面的一部分及颊面的一部分等。这样的探头反射镜组，能够一次获取3-4面单颗牙齿表面图像，配合镜面的相对位置关系，能够获取多个面牙齿表面图像的相对位置关系，从而能够为图像的拼接获取更多信息量，使单颗牙齿表面图像的拼接更准确。另外，一次获取至少3个面的牙齿表面图像，能够提高探测的效率，还能够减少拼接次数，进一步提高准确性。
在一个实施例中，探头反射镜组的示意图如图5所示。探头反射镜组包括左镜面501、右镜面502、下镜面503和上镜面504。左镜面501、右镜面502、下镜面503和上镜面504以预定位置排列，能够获取单颗牙齿咬合面、近中侧、远中侧、颊面和舌面5个面的牙齿表面图像。这样的探头反射镜组，能够一次获取单颗牙齿5个面，即全部的牙齿表面图像，配合镜面的相对位置关系，能够一次获取各个面牙齿表面图像的相对位置关系，从而在提高探测准确性的同时，进一步提高了探测效率。
在一个实施例中，探头的整体结构示意图如图6所示。其中，左镜面601、右镜面602、下镜面603和上镜面604位于探头的探测区域，构成反射镜组。投影仪投射的光线经探头空腔605投射到反射镜组，牙齿表面图像投射到反射镜组，经探头空腔605到相机，由相机获取。在一个实施例中，相机从左镜面601获取颊面及部分咬合面图像，从右镜面602获取牙齿舌面及部分咬合面图像，从下镜面603获取牙齿咬合面及近中侧图像，从上镜面604获取牙齿咬合面及远中侧图像。这样的探头能够保持反射镜组中镜面的相对位置关系，且适合伸入人体口腔，便于使用。
在一个实施例中，为保证口内三维探测仪的探测效率，需合理地设计探测探头内的反射镜组的摆放姿态，使多片镜面能同时测量牙齿各个面，以获得最大的测量面积。
探测探头的反射镜组的相对位置和姿态最佳参数的选择与优化，需在反射镜组上建立空间直角坐标系，如7图所示，以反射镜组姿态角度为变量，表示出平面镜面平面方程，基于光的反射原理进行光路仿真，可以利用Matlab实现。观察光线的测量面积，通过对比获得反射镜组理论上的最优姿态。
A、数学模型
优化反射镜组的姿态结构参数，首先需要在反射镜组上建立平面直角坐标系，如图7所示。
优化结构参数的量化结果是给出反射镜组中各片镜面的姿态参数，故需在已建立的坐标系中确定四片镜面的平面方程。
平面的法向量是求解一个片面的重要元素，法向量与平面上任意一点可构成平面方程。以图6中的反射镜组结构为例。对于左镜面601，其镜面法向量求解过程如下：
反射镜组中左右两片镜面的法向量有两个自由度，如图8所示。假设有一个平面经过x轴，与xoz平面夹角为α(如图8中801所示)，将该平面绕z轴旋转一个角度β(如图8中802所示)，然后，按照镜面的尺寸，将多余的部分裁剪，可见得左侧镜面的形式如平面镜姿态几何表示图8中803所示。
对于中间的两片镜面，其镜面法向量只由其俯仰角度决定，故两者法向量分别为：(tan(θ1),0,1)和(tan(θ2),0,1)，θ1,θ2分别为中间两片镜面的平面法向量。设上镜面604过点(x1,10,0)，下镜面603过点(x2,10,0)。
α,β，θ1,x1,θ2,x2为决定反射镜组位姿关系的6个参数。
B、光路追踪模型
反射镜组的优化主要手段是光路仿真。仿真基于光的反射原理。
在基于反射镜组建立的空间直角坐标系(图7)中，假设条纹投射器的光心位置为Xop＝(100,0,10)，根据系统的结构设计设计，相机的光心位置为Xoc＝(100,30,10)。
光线自投影仪的光心出射，投射到反射镜组，经反射镜组反射光线到其测量范围内的物体上，再经过反射镜组反射到相机光心中。一条光线完成“投影仪-反射镜组-被测物体-反射镜组-相机”的完整路径，即一条光线由投影仪经反射镜组反射到被测物体某一点，相机能够经反射镜组的反射获取该点的图像，则这条光线被视为“有效光线”。观察“有效光线”覆盖物体表面的面积，对镜面相互之间位置关系进行调整。
C、仿真过程
以有效光线覆盖被测物体表面的面积为观测指标，对反射镜组中各镜片之间的位置关系进行优化。决定口腔探测仪反射镜组位置姿态的为以下6个参数：
α,β：决定左镜面、右镜面的姿态；
θ1,x1,θ2,x2：决定上镜面、下镜面的姿态。
仿真过程中，以一个长方体代替牙齿，长方体的尺寸为长10mm，宽10mm，高5mm，其底面与口腔探测头建立的坐标系的xoz平面平行，中心位于坐标(2,1.5,-2.5)。
不断调整六个参数，并观察反射光线覆盖物体表面的面积，以选择出最佳的方案。
中间两片平面镜的姿态最先确定，考虑到测量准确性受入射光线与物体表面的夹角影响，确定θ1＝60°,θ2＝30°；考虑到中间两片平面镜反射图像共同区域的面积，确定x1＝-9,x2＝-14。
对于α,β，分别从41°到49°进行穷举比较，比较的参数包括以下几方面：
1)牙齿上表面覆盖是否有漏洞；
2)四片镜面对牙齿覆盖的总面积S；
3)牙齿侧表面的覆盖率P；
4)下镜面与左镜面在牙齿上表面的覆盖重叠面积SL。
5)镜面与右镜面在牙齿上表面的覆盖重叠面积SR。
在一个实施例中，优选牙齿上表面覆盖没有漏洞，且S、P、SL、SR均较大的参数，经过仿真与判断得到的初步结果为：当α∈[43°,47°]、β∈[41°,49°]、θ1∈[45°，60°]、θ2∈[30°,45°]时，满足上述五条需求。
其中，较优的姿态为：
Figure BDA0000728658360000171
通过这样的探头，拥有满足上文中五项要求的反射镜组，能够一次测量获取整颗牙齿的各个面的牙齿表面图像，从而提高探测效率。
在一个实施例中，若探头反射镜组为图3中的两片镜面结构，则需要满足α∈[43°,47°]、β∈[41°,49°]。这样的探头，能够尽可能一次获取较多的牙齿表面图像，以及获取多个面的牙齿表面图像的相对位置关系，减少牙齿表面图像拼接时的误差。
在一个实施例中，若探头反射镜组为图4中的3片镜面结构，则需要满足α∈[43°,47°]、β∈[41°,49°]，中镜面俯仰角θ∈[45°，60°]。这样的探头，能够尽可能一次获取较多的牙齿表面图像，从而在图像拼接时能够获取各个面的相对位置关系，减少牙齿表面图像拼接时的误差，同时，能够减少探测次数，提高效率。
本发明的口腔图像数据处理装置的一个实施例的示意图如图9所示。其中，901为图像获取模块，902为参数存储模块，903为图像处理模块。其中，参数存储模块902中存储了探头的反射镜组中镜面的相对位置关系。镜面的相对位置关系可以包括牙齿表面图像中各个镜面反射图像的图像区域，以及反射镜组各个镜面反射图像的坐标转换关系。图像获取模块901用于从相机获取牙齿表面图像，牙齿表面图像由探头的反射镜组反射到相机，反射镜组有多片呈预定位置关系的镜面，能够反射牙齿多个面的牙齿表面图像。图像获取模块901将牙齿表面图像传递给图像处理模块903，图像处理模块903根据参数存储模块902中存储的反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接牙齿表面图像，获得牙齿三维数据，牙齿三维数据可以由点云构成。在一个实施例中，牙齿表面图像包含正弦条纹，正弦条纹由投影仪投射到反射镜组，反射到牙齿表面，再由反射镜组反射到相机。由于牙齿表面高度不同，相机获取的牙齿表面的正弦条纹相位会不同。通过相位特征，能够实现牙齿表面图像的三维重建，从而获取牙齿三维数据。
通过这样的装置，能够根据反射镜组中镜面的相对位置关系，将由相机获取的反射镜组反射的牙齿表面图像进行拼接，获取牙齿三维数据。由于反射镜组能够反射多个面的牙齿表面图像，且镜面的相对位置关系固定，因此在拼接过程中能够获得准确的牙齿表面图像各个面的相对位置关系，从而降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。由于探头反射镜组可以同时反射牙齿多个表面的图像，在使用过程中能够减少探头的移动次数，从而提高探测效率。
本发明的口腔图像数据处理装置的另一个实施例的示意图如图10所示。其中，1001、1002、1003分别为图像获取模块、参数存储模块和图像处理模块，图像获取模块1001和参数存储模块1002与图9的实施例中相似。图像处理模块1003包括图像分割单元1013、相位测量单元1023和三维拼接单元1033。由于反射镜组由多片以预定相对位置关系排列的镜面组成，因此获取的牙齿表面图像由多镜面反射的图像共同构成。图像分割单元1013根据参数存储模块1002中存储的牙齿表面图像中各个镜面反射图像的图像区域分割牙齿表面图像，获取每片镜面反射的单镜面牙齿表面图像。单镜面牙齿表面图像反射的牙齿表面区域可以重叠。相位测量单元1023基于图像分割单元1013获取的单镜面牙齿表面图像，根据相位测量轮廓术，利用单镜面牙齿表面图像上的正弦条纹信息，对单镜面牙齿表面图像进行三维重建，获取多镜面牙齿表面图像。在一个实施例中，若单镜面牙齿表面图像包括牙齿5个面的牙齿表面图像，则能够通过拼接获取单颗牙齿表面三维数据，单颗牙齿表面三维数据可以是点云数据。这样的装置，能够实现对牙齿表面图像的分割、三维重建、拼接，从而获取整颗牙齿的牙齿三维数据，提高了数据处理的效率，降低了多次测量拼接的误差。由于探头反射镜组可以同时反射牙齿多个表面的图像，在使用过程中能够减少探头的移动次数，从而提高探测效率。
本发明的口腔图像数据处理装置的又一个实施例的示意图如图11所示。其中，1101、1102、1103分别为图像获取模块、参数存储模块和图像处理模块，图像处理模块1103包括图像分割单元1113、相位测量单元1123和三维拼接单元1133，这些模块和单元均与图10的实施例中相似。三维拼接单元1133能够获取单颗牙齿表面三维数据。同时，由于口腔内牙齿邻接，还会获取邻接牙齿的部分牙齿表面三维数据，因此，对相邻牙齿进行的探测，会有一定的公共区域。图像处理模块1103还包括邻接拼接单元1143，获取三维拼接单元1133拼接得到的单颗牙齿表面三维数据，根据相邻牙齿探测获取的共同区域，将相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据进行拼接，获取多颗牙齿的牙齿表面三维数据。在一个实施例中，可以手动在相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据中标定对应点，该对应点可以是有突出特征的点，通过标定三对以上的对应点，能够获取相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据间的坐标转换关系，实现各个点的三维坐标的拼接。在一个实施例中，可以通过多次拼接获取全口腔的牙齿三维数据。
通过这样的装置，能够对相邻的单颗牙齿表面三维数据进行拼接，获得多颗牙齿表面三维数据。由于根据相邻的单颗牙齿表面三维数据的公共区域进行拼接，即获取的相邻牙齿的相对位置关系，从而使得相邻牙齿表面三维数据的拼接过程误差减小，使多颗牙齿表面三维数据更符合真实状态，提高了图像拼接的准确性。由于探头反射镜组可以同时反射牙齿多个表面的图像，在使用过程中能够减少探头的移动次数和图像拼接次数，从而提高探测效率。
本发明的口腔图像数据处理装置的再一个实施例的示意图如图12所示。其中，1201、1202、1203分别为图像获取模块、参数存储模块和图像处理模块，图像处理模块1203包括图像分割单元1213、相位测量单元1223、三维拼接单元1233和邻接拼接单元1243，这些模块和单元均与图11的实施例中相似。还包括标定模块1204。标定模块1204用于标定探头的反射镜组中镜面的相对位置关系。标定模块1204包括区域标定单元1214和坐标标定单元1224。区域标定单元1214标定每片镜面反射图像的图像区域；坐标标定单元1224标定镜面反射图像的坐标转换关系。
在一个实施例中，由于口腔测量要求的精度较高，即使探头按照预定的位置关系进行制造，也会产生一定的误差，因此需要在第一次使用时进行标定。
标定分为两个方面，一是标定每片镜面反射图像的图像区域，对牙齿表面图像进行分割，分割出不同镜面反射的图像，即获取单镜面牙齿表面图像。可以通过人为在获取的牙齿表面图像上标注的方式实现。通过对首次获取的牙齿表面图像的手动分割标定，区域标定单元获取每片镜面反射图像的图像区域，并将结果发送给参数存储模块1202。由于反射镜组和相机的相对位置不变，在之后的图像分割中每片镜面反射图像的图像区域不变，能够利用参数存储模块1202存储的每片镜面反射图像的图像区域进行牙齿表面图像的分割，获取单镜面牙齿表面三维数据。这样的标定能够消除由于制造工艺和精准度对数据处理造成的影响，对牙齿表面图像进行更加准确的分割，增加了数据处理的准确度。
标定的另一个方面是对镜面反射图像的坐标转换关系进行标定，获取将不同镜面反射的单镜面牙齿表面图像统一到同一坐标系下所需的旋转因子R和平移矩阵T。在一个实施例中，以图6中下镜面603反射图像的三维坐标为基准，分别获取其他几个镜面与下镜面603反射图像的三维坐标的坐标转换关系。
映射精确拼接是利用结构光测量时获得的图像，通过匹配图像中的特征点进行拼接。
由于反射镜组镜面的相对位置关系不变，因此各个镜面间的坐标转换关系不变。可以在首次测量时，对比不同镜面获取的牙齿表面图像，标定反射的单镜面牙齿表面图像有共同区域的两片镜面其反射图像的共同区域的对应点，对应点的数量至少有三对。可以选取特征明显的点作为对应点，将对应点的坐标带入公式：
Figure BDA0000728658360000201
获得变换矩阵R、T。坐标标定单元1204将获取的变换矩阵R、T发送给参数存储模块1202，在之后的使用过程中，图像处理模块1203根据参数存储模块1202存储的R、T，对三维重建后的单镜面牙齿表面三维数据进行拼接，获取单颗牙齿表面三维数据。这样的标定能够消除由于能够消除由于制造工艺和精准度对数据处理造成的影响，使拼接获得的单颗牙齿表面三维数据更加准确。
本发明的口腔探测系统的一个实施例的示意图如图13所示。口腔探测系统可以由上文中任意一种口腔探测装置和口腔图像数据处理装置共同构成，如图13中，投影仪1311、探头1312和相机1313构成口腔探测装置，用于获取口腔牙齿表面图像；图像获取模块1301、参数存储模块1302和图像处理模块1303构成口腔图像数据处理装置，用于根据获取的牙齿表面图像获取牙齿三维数据，在一个实施例中，口腔图像数据处理装置还可以包括标定模块1304，用于对数据处理的参数进行标定，从而消除由于设备制造工艺造成的误差。投影仪1311向探头1312的反射镜组投射条纹图案，条纹图案可以是正弦条纹图案。反射镜组将条纹图案反射到牙齿表面，继而获取牙齿表面图像，将牙齿表面图像反射出口腔，由相机1313获取，牙齿表面图像含有正弦条纹，由于牙齿表面高度不同，正弦条纹图案的相位会发生变化。相机1313将牙齿表面图像发送给图像获取模块1301，图像获取模块1301将牙齿表面图像传递给图像处理模块1303。图像处理模块1303根据参数存储模块1302存储的反射镜组中镜面的相对位置关系参数对牙齿表面图像进行处理，可以包括根据参数存储模块1302存储的牙齿表面图像中单镜面的图像区域对牙齿表面图像进行分割，获取单镜面牙齿表面图像；基于单镜面牙齿表面三维数据上的正弦条纹，根据相位测量轮廓术进行三维重建，获取单镜面牙齿表面三维数据；再根据参数存储模块1302存储的镜面反射图像间的坐标转换关系，将单镜面牙齿表面三维数据中的点坐标统一到同一坐标系下，获取多镜面牙齿表面三维数据；当获取牙齿全部面的单镜面牙齿表面三维数据时，能够获取单颗牙齿表面三维数据；另外，还可以包括根据相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据共同区域，将相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据进行拼接，获取多颗牙齿表面三维数据，还可以获取全口腔牙齿三维数据。
通过这样的系统，能够通过口腔探测装置获取包含多个面的牙齿表面图像，通过口腔图像数据处理装置根据口腔探测装置中反射镜组的镜面的相对位置关系将多个面的牙齿表面图像的拼接，获取牙齿三维数据，从而降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。由于探头反射镜组可以同时反射牙齿多个表面的图像，在使用过程中能够减少探头的移动次数和图像拼接次数，从而提高探测效率。
本发明的口腔图像探测方法的一个实施例的流程图如图14所示。
在步骤1401中，投影仪向探头的反射镜组投射条纹图像，经反射镜组反射到牙齿表面。探头包括反射镜组，反射镜组由多片镜面构成，镜面以预定位置关系排列。镜面至少有两片，可以反射牙齿表面2-4面的图像；可以是3面，能够反射牙齿表面3-4面的图像；还可以是4面，能够反射牙齿5个表面的图像。在一个实施例中，投影仪可以是条纹投射器，投射的条纹图像为正弦条纹图像。由于正弦条纹图像在投射到高度不同的物体表面时，其相位会发生变化，因此根据牙齿表面的正弦条纹图案能够进行三维重建。
在步骤1402中，探头的反射镜组将包含条纹图案的牙齿表面图像反射到口腔外。条纹图案可以是正弦条纹图案，由于牙齿表面的高度差异，反射出的正弦条纹图案的相位信息能够被还原为牙齿表面的高度信息。由于反射镜组包含多片呈预定位置关系的镜片，反射出的牙齿表面图像由多镜面反射的图像共同构成。
在步骤1403中，相机获取从反射镜组反射出的牙齿表面图像。
通过这样的方法，投影仪能够通过探头的反射镜组向口腔内牙齿表面投射条纹图案，包含条纹图案的牙齿表面图像经反射镜组反射出口腔，从而使相机获得牙齿表面图像。由于反射镜组能够反射出牙齿多个面的表面图像，且多个镜面以预定相对位置关系排列，能够获得多个面的牙齿表面图像的准确相对位置关系，使用这样的图像进行拼接能够降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。
本发明的口腔图像数据处理方法的一个实施例的流程图如图15所示。
在步骤1501中，从相机获取牙齿表面图像。由于牙齿表面图像是由反射镜组反射到相机的，而反射镜组由多片呈预定位置关系的镜面构成，因此牙齿表面图像由多片呈预定位置关系的镜片反射图像构成。
在步骤1502中，根据反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接相机获取的牙齿表面图像，获取牙齿三维数据。由于镜片的相对位置关系是一定的，可以根据镜片的相对位置关系，对不同镜面反射的牙齿表面图像，从而获取牙齿三维数据。
通过这样的方法，能够根据反射镜组中镜面的相对位置关系，将由相机获取的反射镜组反射的牙齿表面图像进行拼接，获取牙齿三维数据。由于反射镜组能够反射多个面的牙齿表面图像，且镜面的相对位置关系固定，因此在拼接过程中能够获得准确的牙齿表面图像各个面的相对位置关系，从而降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。
在一个实施例中，拼接牙齿表面图像，获取牙齿三维数据的流程图如图16所示。
在步骤1601中，根据牙齿表面图像中，各个镜面反射的单镜面牙齿表面图像的图像区域，对牙齿表面图像进行分割，获取单镜面牙齿表面图像。
在步骤1602中，由于牙齿表面图像包含条纹图案，该条纹图案可以是正弦条纹图案。根据相位测量轮廓术，基于正弦条纹图案的相位信息，对单镜面牙齿表面图像进行三维重建，获取单镜面牙齿表面三维数据。
在步骤1603中，根据各个镜面反射图像的坐标转换关系，将单镜面牙齿表面三维数据统一到同一坐标系下，从而获取多镜面牙齿表面三维数据。当牙齿表面图像包含牙齿全部面的表面图像时，能够获取单颗牙齿表面三维数据。
通过这样的方法，能够实现对牙齿表面图像的分割、三维重建、拼接，从而获取整颗牙齿的单颗牙齿表面三维数据，提高了数据处理的效率，降低了多次测量拼接的误差。
在一个实施例中，还可以根据相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据的共同区域，将相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据进行拼接，获得多颗牙齿表面三维数据。在一个实施例中，可以手动在相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据中标定对应点，该对应点可以是有突出特征的点，通过标定三对以上的对应点，能够获取相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据点云间的坐标转换关系，实现拼接。在一个实施例中，还可以获取全口腔牙齿三维数据。
通过这样的方法，由于根据相邻的单颗牙齿表面三维数据的公共区域进行拼接，即获取相邻牙齿的相对位置关系，从而使得相邻牙齿表面三维数据的拼接过程误差减小，使多颗牙齿表面三维数据更符合真实状态，提高了图像拼接的准确性。
本发明的口腔图像数据处理方法的又一个实施例的流程图如图17所示。
在步骤1701中，标定探头的反射镜组中镜面的相对位置关系。反射镜组中镜面的相对位置关系包括每片镜面反射图像的图像区域，以及镜面反射图像的坐标转换关系。
标定每片镜面反射图像的图像区域，获取单镜面牙齿表面图像，可以通过人为在获取的牙齿表面图像上标注的方式实现。通过对首次获取的牙齿表面图像的手动分割标定，获取每片镜面反射图像的图像区域并存储。由于反射镜组和相机的相对位置关系不变，因此在之后的图像分割中每片镜面反射图像的图像区域不变，利用存储的每片镜面反射图像的图像区域进行牙齿表面图像的分割，获取单镜面牙齿表面图像。
标定镜面反射图像的坐标转换关系，需要获取将不同镜面反射的单镜面牙齿表面图像统一到同一坐标系下所需的旋转因子R和平移矩阵T。由于反射镜组镜面的相对位置关系不变，因此各个镜面间的坐标转换关系不变。可以在首次测量时，对比不同镜面获取的牙齿表面图像，标定反射的单镜面牙齿表面图像有共同区域的两片镜面，其反射图像的共同区域的对应点，对应点的数量至少有三对。可以选取特征明显的点作为对应点，获得变换矩阵R、T。
在步骤1702中，从相机获取牙齿表面图像。由于牙齿表面图像是由反射镜组反射到相机的，而反射镜组由多片呈预定位置关系的镜面构成，因此牙齿表面图像由多片呈预定位置关系的镜片反射图像构成。
在步骤1703中，根据反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接相机获取的牙齿表面图像，获取牙齿三维数据。反射镜组中镜面的相对位置关系通过步骤1701获取。由于镜片的相对位置关系是一定的，可以根据镜片的相对位置关系，对不同镜面反射的牙齿表面图像进行分割和坐标转换、拼接，从而获取多镜面牙齿表面三维数据。当获取了牙齿所有面的单镜面牙齿表面图像时，能够获取单颗牙齿表面三维数据。
在步骤1704中，根据相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据的共同区域，将相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据进行拼接，获得多颗牙齿表面三维数据。
这样的方法，能够通过标定消除由于制造工艺和精准度对镜面的相对位置关系造成的误差，从而消除该误差对数据处理造成的影响，对牙齿表面图像进行更加准确的分割和拼接，增加了数据处理的准确度。
本发明的口腔探测方法包括上文中任意一种口腔图像探测方法和口腔图像数据处理方法的结合，利用口腔图像探测方法中获取的牙齿表面图像，在口腔图像数据处理方法中进行图像处理，从而获取牙齿三维数据。在一个实施例中，口腔探测方法的流程图如图18所示。
在步骤1801中，投影仪向探头的反射镜组投射条纹图案，经反射镜组反射到牙齿表面。反射镜组由多片镜面构成，镜面以预定位置关系排列。镜面至少有两片，可以反射牙齿表面2-4面的图像；可以是3面，能够反射牙齿表面3-4面的图像；还可以是4面，能够反射牙齿5个表面的图像。在一个实施例中，投影仪可以是条纹投射器，投射的条纹图案为正弦条纹图案。由于正弦条纹图案在投射到高度不同的物体表面时，其相位会发生变化，因此根据牙齿表面的正弦条纹图案能够进行三维重建。
在步骤1802中，探头的反射镜组将包含条纹图案的牙齿表面图像反射到口腔外。条纹图案可以是正弦条纹图案，由于牙齿表面的高度差异，反射出的正弦条纹图案的相位信息能够被还原为牙齿表面的高度信息。由于反射镜组包含多片呈预定位置关系的镜片，反射出的牙齿表面图像由多镜面反射的图像共同构成。
在步骤1803中，相机获取从反射镜组反射出的牙齿表面图像。
在步骤1804中，从相机获取牙齿表面图像。由于牙齿表面图像是由反射镜组反射到相机的，而反射镜组由多片呈预定位置关系的镜面构成，因此牙齿表面图像由多片呈预定位置关系的镜片反射图像构成。在一个实施例中，牙齿表面图像包含牙齿2～5个面的表面图像。
在步骤1805中，根据反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接相机获取的牙齿表面图像，获取牙齿三维数据。由于镜片的相对位置关系是一定的，可以根据镜片的相对位置关系，对不同镜面反射的牙齿表面图像，从而获取多镜面牙齿表面三维数据。若牙齿表面图像包含牙齿全部面的表面图像，则能够获取单颗牙齿的牙齿表面三维数据。在一个实施例中，可以在相邻牙齿的探测中，控制相邻牙齿的牙齿表面图像具有一定的公共区域，从而在获取相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据后，根据共同区域标定3对以上的对应点，实现相邻牙齿的单颗牙齿表面三维数据的拼接，获得多颗牙齿表面三维数据。在一个实施例中，能够获取全口腔牙齿三维数据。
通过这样的方法，能够通过口腔探测装置获取包含多个面的牙齿表面图像，通过口腔图像数据处理装置根据口腔探测装置中反射镜组的镜面的相对位置关系将多个面的牙齿表面图像拼接，获取牙齿三维数据，从而降低图像拼接过程中的误差，增加探测的准确性。由于探头反射镜组可以同时反射牙齿多个表面的图像，在使用过程中能够减少探头的移动次数和图像拼接次数，从而提高探测效率。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对齐限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (20)

1.一种口腔图像数据处理装置，其特征在于，包括：
参数存储模块，用于存储探头的反射镜组中镜面的相对位置关系；
图像获取模块，用于从相机获取牙齿表面图像，其中，所述牙齿表面图像为探头的反射镜组呈预定位置关系的镜面反射的图像，包含牙齿多个面的图像信息；
图像处理模块，用于根据所述反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接根据所述相机获取的牙齿表面图像得到的三维数据，获取所述牙齿三维数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述牙齿表面图像包含正弦条纹，所述正弦条纹由投影仪经所述反射镜组投射到牙齿表面，由反射镜组反射包含所述正弦条纹的所述牙齿表面图像到相机。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述图像处理模块包括：
图像分割单元，用于根据所述参数存储模块中探头的反射镜组中镜面的相对位置关系分割所述牙齿表面图像，获得每片镜面反射的单镜面牙齿表面图像，其中，所述反射镜组中镜面的相对位置关系包括所述牙齿表面图像中各个镜面反射图像的图像区域；
相位测量单元，用于根据所述单镜面牙齿表面图像的正弦条纹，基于相位测量轮廓术，获取单镜面牙齿表面图像中的单镜面牙齿表面三维数据；
三维拼接单元，用于根据所述参数存储模块中探头的反射镜组中镜面的相对位置关系，将所述单镜面牙齿表面三维数据统一到同一坐标系下，获得单颗牙齿表面三维数据，其中，所述反射镜组中镜面的相对位置关系包括所述反射镜组各个镜面反射图像的坐标转换关系。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述图像处理模块还包括：
邻接拼接单元，用于根据相邻牙齿的所述单颗牙齿表面三维数据的共同区域，拼接所述相邻牙齿的所述单颗牙齿表面三维数据，获得多颗牙齿表面三维数据。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述装置还包括：
标定模块，用于标定所述探头的反射镜组中镜面的相对位置关系，包括：区域标定单元，用于标定所述相机获取的牙齿表面图像中，每片镜面反射图像的图像区域；坐标标定单元，用于根据从不同反射镜获取的所述单镜面牙齿表面三维数据的共同区域中三对以上的对应点，获取所述镜面反射图像的坐标转换关系；
所述参数存储模块，用于从所述区域标定单元获取牙齿表面图像中每片镜面反射图像的图像区域，以及从坐标标定单元获取镜面反射图像的坐标转换关系。
6.一种口腔探测系统，包括：
口腔探测装置，用于向口腔内牙齿表面投射条纹图像，并通过相机获取包含条纹图案的牙齿表面图像，包括：
探头，用于在口腔中探测牙齿表面图像，所述探头包括反射镜组，所述反射镜组包括多个以预定位置关系排列的镜面，用于将投射到所述反射镜组的条纹图像反射到口腔内牙齿表面，并将牙齿表面图像反射到口腔外；
投影仪，用于向所述探头的反射镜组投射条纹图像，经所述反射镜组反射到牙齿表面；
相机，用于从所述探头的反射镜组获取反射出的包含条纹图案的所述牙齿表面图像；
和，
权利要求1-5任一种口腔图像数据处理装置，用于基于所述口腔探测装置获取的牙齿表面图像，获取牙齿三维数据。
7.根据权利要求6所述的口腔探测系统，其特征在于，所述探头的反射镜组包括两片以上镜面，所述两片以上镜面以预定位置关系排列。
8.根据权利要求6所述的口腔探测系统，其特征在于，所述投影仪为条纹投射器，所述条纹图像为正弦条纹图像。
9.根据权利要求6所述的口腔探测系统，其特征在于：
所述探头长度为60～85mm，所述探头横截面尺寸不大于30mm*20mm；所述投影仪和所述相机位于所述探头远离所述反射镜组的一端；所述投影仪与所述相机的摄影基线长度不小于所述投影仪与所述相机的镜头半径之和。
10.根据权利要求6所述的口腔探测系统，其特征在于，
在探头的所述反射镜组包括两片镜面的情况下，所述两片镜面位于所述探头探测区域中轴线两侧，用于探测牙齿表面2～4面图像；
在所述反射镜组包括三片镜面的情况下，所述三片镜面分别位于所述探头探测区域中轴线及中轴线两侧，用于探测牙齿表面3～4面图像；
在所述反射镜组包括四片镜面的情况下，所述四片镜面用于探测牙齿表面4～5面图像，其中，两片镜面位于所述探头探测区域中轴线的近端部和远端部；另外两片镜面位于所述探头探测区域中轴线的两侧。
11.根据权利要求10所述的口腔探测系统，其特征在于，在所述反射镜组包括两片镜面的情况下，所述镜面与探头轴线的夹角在[43°,47°]范围内，绕探头探测区域法向量的旋转角度在[41°,49°]范围内。
12.根据权利要求10所述的口腔探测系统，其特征在于，在所述反射镜组包括三片镜面的情况下，所述中轴线的镜面俯仰角在[45°，60°]范围内；所述中轴线两侧的镜面，与探头轴线的夹角在[43°,47°]范围内，绕探头探测区域法向量的旋转角度在[41°,49°]范围内。
13.根据权利要求10所述的口腔探测系统，其特征在于，在所述反射镜组包括四片镜面的情况下，所述近端部的镜面俯仰角在[30°,45°]范围内，所述远端部的镜面俯仰角在[45°，60°]范围内；所述探头探测区域中轴线的两侧的镜面，与探头轴线的夹角在[43°,47°]范围内，绕探头探测区域的法向量的旋转角度在[41°,49°]范围内。
14.一种口腔探测方法，包括：
投影仪向探头的反射镜组投射条纹图像，经所述反射镜组反射到牙齿表面，其中，所述探头包括反射镜组，所述反射镜组包括多个以预定位置关系排列的镜面，用于将投射到所述反射镜组的条纹图像反射到口腔内牙齿表面，并将牙齿表面图像反射到口腔外；
所述探头的反射镜组将包含条纹图案的牙齿表面图像反射到口腔外；
相机获取从所述反射镜组反射出的所述牙齿表面图像；和
通过口腔图像数据处理装置从相机获取牙齿表面图像，根据所述反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接根据所述相机获取的牙齿表面图像得到的三维数据，获取所述牙齿三维数据，其中，所述口腔图像数据处理装置为权利要求1～5任意一项的口腔图像数据处理装置。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述投影仪为条纹投射器，所述条纹图像为正弦条纹图像。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述反射镜组中镜面的相对位置关系包括牙齿表面图像中各个镜面反射图像的图像区域，和反射镜组各个镜面反射图像的坐标转换关系。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述牙齿表面图像包含正弦条纹，所述正弦条纹由投影仪经所述反射镜组投射到牙齿表面，由反射镜组反射包含所述正弦条纹的所述牙齿表面图像到相机。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述根据所述反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接所述相机获取的牙齿表面图像，获取所述牙齿三维数据，包括：
根据所述牙齿表面图像中各个镜面反射图像的图像区域分割所述牙齿表面图像，获得每片镜面反射的单镜面牙齿表面图像；
根据所述单镜面牙齿表面图像的正弦条纹，基于相位测量轮廓术，获取单镜面牙齿表面图像中的单镜面牙齿表面三维数据；
根据反射镜组各个镜面反射图像的坐标转换关系将所述单镜面牙齿表面三维数据统一到同一坐标系下，获得单颗牙齿表面三维数据。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述根据所述反射镜组中镜面的相对位置关系，拼接所述相机获取的牙齿表面图像，获取所述牙齿三维数据，还包括：
根据相邻牙齿的所述单颗牙齿表面三维数据的共同区域，拼接所述相邻牙齿的所述单颗牙齿表面三维数据，获得多颗牙齿表面三维数据。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
标定所述探头的反射镜组中镜面的相对位置关系，包括：
标定所述相机获取的牙齿表面图像中，每片镜面反射图像的图像区域；
根据从不同镜面获取的所述单镜面牙齿表面三维数据的共同区域中三对以上的对应点，获取所述镜面反射图像的坐标转换关系。
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