CN110506191A - 监测3d扫描仪的扫描体积 - Google Patents

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Abstract

公开了使用3D扫描仪的3D扫描，该3D扫描仪被配置成检测被扫描对象在3D扫描仪的扫描体积中何时静止。

Description

监测3D扫描仪的扫描体积
技术领域
本公开涉及监测3D扫描仪的扫描体积。更具体地，本公开涉及监测扫描体积以及自动启动对放置在扫描体积中的对象的扫描。
背景技术
当使用光学方法3D扫描对象时，对象的数字3D表示能够来自于一系列2D图像，每个2D图像提供对象表面的一部分的表面形貌信息。
3D扫描可以基于几种光学检测技术，例如三角测量或者焦点扫描。
很多三角测量3D扫描仪使用激光光束以探测对象表面并利用2D相机以寻找激光光束的反射位置。取决于激光照射到表面有多远，激光光束出现在相机视场内的不同位置处。这一技术被称为三角测量，因为激光光束入射在表面上的点、相机以及光源共同形成三角。对象表面的较大部分的形貌信息通过使激光光束扫过对象而被记录。照亮例如几平方厘米的面积的图案化探测光束(而不是单个激光点)可以被用于加速获取过程。
几种类型的3D扫描仪是商业上可买到的，例如来自3shape A/S的D2000扫描仪。
随着扫描仪技术成熟，手动与3D扫描仪交互所需的时间变得可以与实际扫描时间相比。提供使用户交互更快且更高效的3D扫描仪和扫描方法仍然是个问题。
发明内容
根据一个实施例，公开了一种3D扫描仪，其用于扫描放置在所述3D扫描仪的扫描体积中的对象。该3D扫描仪包括：
光学扫描单元，其被配置成记录放置在所述扫描体积中的对象的几何数据，所述光学扫描单元包括光源和图像获取单元，所述光源被设置成将探测光束投射到所述扫描体积中，所述图像获取单元被设置成记录从放置在所述扫描体积中的所述对象接收的光的2D图像；以及
控制单元，其包括数据处理器和编码有包括可读程序代码的计算机程序产品的非暂态计算机可读介质，所述可读程序代码能够由所述处理器执行以使所述处理器进行以下处理：
通过分析针对所述对象在不同时间点获取的监测数据，检测所述扫描体积中所述对象的移动，
在所述对象被确定为在所述扫描体积中静止时启动3D扫描，以及
从所记录的几何数据生成所述对象的数字3D表示。
根据一个实施例，公开了一种用于控制3D扫描仪的方法，所述3D扫描仪用于扫描放置在所述3D扫描仪的扫描体积中的对象。该方法包括：
-监测所述扫描体积以确定对象在所述扫描体积中是否静止；以及
-在发现所述对象在所述扫描体积中静止时执行用于对所述对象3D扫描的指令。
在一个实施例中，所述可读程序代码能够由所述处理器执行并且被配置成使所述处理器进行以下处理：
至少针对存在于所述扫描体积中的异类对象在不同时间点获取监测数据；
通过分析至少针对所述异类对象在不同时间点获取的所述监测数据，检测存在于所述扫描体积中的至少所述异类对象的移动；以及
在所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动时阻止所述对象的3D扫描的启动。
根据一个实施例，公开了一种用于控制3D扫描仪的方法。该方法包括：
监测所述扫描体积以确定放置在所述扫描体积中的异类对象是否在移动，其中所述监测包括使用所述3D扫描仪的2D图像传感器记录监测2D图像以及分析所记录的2D图像；以及
在确定所述异类对象在所述扫描体积内移动时执行用于阻止所述对象的3D扫描的指令。
根据一个实施例，公开了一种用于对3D扫描仪的扫描体积中的对象进行3D扫描的方法。该方法包括：
将所述对象放置在根据所公开实施例中任一个的3D扫描仪的扫描体积中，
执行用于监测所述扫描体积以确定所述对象在所述扫描体积中是否静止的处理器可执行指令；以及
在发现对象静止时执行用于对所述对象3D扫描的处理器可执行指令。
上述以及以下方法的一些步骤可以以软件实施并且在数据处理系统或其他处理装置上通过执行计算机可执行指令实现。指令可以被提供为从计算机可读存储介质或从另一计算机经由计算机网络加载在数据处理系统的存储器(例如RAM存储器单元)中的计算机程序产品。替代地，所描述的步骤可以通过硬接线电路而非软件实施或者通过硬接线电路与软件结合来实施。
在一些实施例中，计算机程序产品包括用于在发现所述对象在所述扫描体积中静止时启动3D扫描的指令。
根据一个实施例，公开了一种3D扫描仪。该3D扫描仪包括：
光学扫描单元，其被配置成记录设置在所述3D扫描仪的扫描体积中的对象的几何数据，所述光学扫描单元包括光源和图像获取单元，所述光源被设置成将探测光束投射到所述扫描体积中，所述图像获取单元被设置成记录从放置在所述扫描体积中的对象接收的光的2D图像；以及
控制单元，其包括数据处理器和编码有包括可读程序代码的计算机程序产品的非暂态计算机可读介质，所述可读程序代码能够由所述处理器执行以使所述处理器进行以下处理：
至少针对存在于所述扫描体积中的异类对象在不同时间点获取监测数据，
通过分析针对所述异类对象在不同时间点获取的所述监测数据，检测存在于所述扫描体积中的至少所述异类对象的移动，以及
在所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动时阻止所述对象的3D扫描的启动。
所述异类对象不同于要被扫描的所述对象，并且所述异类对象通常暂时(典型地在3D扫描启动之前)存在于扫描体积中，例如在将对象定位在扫描体积中期间。在本公开的情况下，异类对象可以包括在对象被放置在扫描体积中时操作者的手。替代地，异类对象可以包括机器人臂(robotic arm)，其被配置成将对象定位在扫描体积中以用于扫描。典型地，确定异类对象的移动在确定对象是否静止之前执行。
在一个实施例中，所述可读程序代码能够由所述处理器执行并且被配置成使所述处理器进行以下处理：
通过分析针对所述对象在不同时间点获取的监测数据，检测所述扫描体积中所述对象的移动；
在所述对象被确定为在所述扫描体积中静止时启动3D扫描；以及
从所记录的几何数据生成所述对象的数字3D表示。
由于在异类对象仍存在于扫描体积中时用于从所记录的几何数据生成对象的数字3D表示的扫描的启动需要被避免。因此，根据一个实施例，阻止对象的3D扫描的启动包括能够由处理器执行的可读程序代码被配置成使处理器在对象被确定为在扫描体积中静止且异类对象被确定为在扫描体积中移动时阻止3D扫描的启动。换言之，对象的3D扫描可以在异类对象不在(即不存在于)扫描体积中时启动，即使所述确定的结论是对象静止。
在本公开的情况下，扫描体积可以由表示图像获取单元的视场的圆锥限定。在图像获取单元包括超过一个图像传感器的场景下，那么扫描体积包括共同跨越超过一个图像传感器的视场(即重叠的视场)的整体或至少一部分。
监测扫描体积可以包括使用3D扫描仪的2D图像传感器记录对象和/或异类对象的监测2D图像以及分析所记录的2D图像。在一个实施例中，监测数据包括当所述异类对象存在于所述扫描体积中时在不同时间点记录的所述对象和所述异类对象的监测2D图像。在另一实施例中，监测数据包括当所述异类对象不在所述扫描体积中时在不同时间点记录的所述对象的监测2D图像。
分析所述监测数据可以包括将在不同时间点记录的所述监测2D图像进行比较，例如通过比较所述监测2D图像中的像素的像素值。在一个实施例中，当所比较的像素值之间的差值低于第一预定义阈值时，所述对象被确定为在所述扫描体积中静止。在另一实施例中，当所比较的像素值之间的差值高于第二预定义阈值时，所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动。在不同实施方式中，第一预定义阈值和第二预定义阈值可以相同或者不同。由此，一个非限制的说明性方式是通过减去监测2D图像中相应像素的强度值以及确定差值是否低于预先确定的强度阈值来计算差值指标(indicator)。另一非限制的说明性方式可以包括比较监测2D图像的图像强度直方图以及确定差值是否低于预先确定的阈值。
监测2D图像可以包括在不同时间点记录的两个或更多个单独的2D图像。在分析期间，这些记录的2D图像被比较以用于确定对象是否静止或者异类对象是否在移动。另外或替代地，监测2D的图像可以包括一个或多个复合2D图像，其包括监测阶段期间(即在扫描启动之前)在不同时间点记录的预定义数量的连续图像的平均表示。复合图像可以通过将预定义数量的图像对准以及针对特定像素计算像素值来生成，这通过利用来自选自预定义数量的连续图像的图像中的一个的像素值或者针对特定像素从预定义数量的连续图像计算像素值的平均来实现。在分析期间，这些复合2D图像被比较以用于确定对象是否静止或者异类对象是否在移动。在另一实施例中，比较能够在复合图像与非复合2D图像之间进行，非复合2D图像仅仅是监测阶段期间在特定时间点记录的2D图像。利用这种复合图像可以例如对于降低来自所记录的监测2D图像的噪音是有益的，并且使得自动扫描的启动更可靠。能够由处理器执行的可读程序代码可以被配置成使处理器生成这种复合图像。可读程序代码可以进一步被配置成比较i)两个复合监测2D图像、和/或ii)复合监测2D图像与非复合监测2D图像、和/或iii)两个非复合监测2D图像。
控制单元可以被配置成设定在记录监测数据的不同时间点之间的时间间隔。时间间隔优选地足够短以避免引起不必要的较长等待时间(例如为了3D扫描的启动)，并且仍可以足够长以避免3D扫描在操作者仍在将对象放置在扫描体积中的过程中就启动。例如，对象的单个2D图像可以经常在远小于100毫秒内被获得，并且随后的分析还能够由数据处理系统迅速处理。扫描体积的监测和扫描程序的自动启动可以由此比人类操作者与3D扫描仪的用户界面交互快得多。
在一个实施例中，检测对象在扫描体积中是否移动可以涉及确定对象在扫描体积中的位置和/或取向是否随时间改变。位置和/或取向变化但仍认为对象静止所允许的预先确定的最大范围可以被限定，对象必须在这一预先确定的范围内的所需时间间隔也可以被限定。
将对象放置在3D扫描仪中的程序期间扫描体积的监测提供了以下方面：一旦操作者已经将对象静止放置在扫描体积中，3D扫描可以被自动启动，而不需要操作者与3D扫描仪控制系统交互去通知对象已准备好被扫描。由于不需要操作者转到例如计算机屏幕去输入启动扫描的命令，扫描程序能够被迅速启动。因为操作者仅仅需要将对象放置在扫描体积中并在扫描之后将其移除，扫描程序变得更加自动化。在几个对象要顺序扫描的扫描序列中，操作者只需要将被扫描对象替换成下一个对象，由此显著减少了扫描程序的整体时间。
计算机程序产品可以包括检测被扫描对象已从扫描体积被移除以及新对象已被放置在3D扫描仪中且在扫描体积中静止的指令以及对新对象3D扫描的指令。监测扫描体积以检测被扫描对象被移除可以基于追踪被扫描对象移动离开扫描体积，或者可以通过在扫描为空之后、对象在扫描体积中被再次发现之前的一些时间点记录扫描体积。
新对象可以原则上与已被扫描的对象相同，例如如果操作者对对象的第一扫描的质量不满意。
监测数据可以优选地表达对象在扫描体积中的位置和/或取向。3D扫描仪之后能够通过分析监测数据检测对象在扫描体积中的移动。分析还可以涉及确定扫描体积中是否存在对象。
在一些实施例中，光学扫描单元包括光源，其被设置成将探测光束投射到扫描体积中。即，当对象被扫描时，探测光被投射到对象上。探测光束可以包括图案，例如包括多个平行线的线形图案。
在一些实施例中，光学扫描单元包括图像获取单元，其被设置成记录从设置在扫描体积中的对象和/或从存在于扫描体积中的异类对象接收的光的2D图像。
在一些实施例中，监测数据包括在不同时间点记录的监测2D图像。监测扫描体积之后可以包括记录不同时间点的一个或多个监测2D图像，并且分析它包括比较和/或分析所记录的监测2D图像。
计算机程序产品之后优选地包括用于分析一个或多个监测2D图像以导出监测数据的指令、以及用于分析监测数据以检测对象和/或异类对象是否在移动的指令。
在本公开的情况下，短语“2D图像”可以在以下相关情况中使用：成像在2D图像中的对象表面的连贯区域由探测光或环境光照亮的情况以及对象和/或异类对象由结构化探测光束照亮的情况。当结构化探测光束被应用时，2D图像可以仅仅包含对象表面的一个或多个部分的几何数据，其中探测光实际上入射到对象表面上。即，2D图像可以具有黑暗区段，其带有很少或没有来自表面的数据。例如，针对由多个平行线构成的探测光图案，2D图像将提供来自仅仅由线照亮的对象表面的数据，并且来自探测光图案的线之间的对象表面的区段的2D图像中将不存在数据。
3D扫描仪可以例如具有两个或更多个2D相机，其设置成从不同角度使对象和/或异类对象成像，从而使得能够检测扫描体积中不同方向上的移动，和/或可以使用同一2D相机基本同时获得两个或更多个监测2D图像。后一情况可以在例如焦点扫描仪的情况中使用，其中焦点平面沿着光轴被扫过，其有效瞬时地覆盖扫描体积，或者当三角测量3D扫描仪在比按照时间顺序两个连续点之间的时间远远更短的时间内记录对象的低像素数字3D表示时，可以使用后一情况。针对每个时间点的几个监测2D图像的记录应当优选地在按照时间点顺序两个连续点之间的时间的一小部分内完成。例如，针对每个时间点的监测2D图像的记录可以在将两个连续时间点间隔开的时间的十分之一内完成。
在一些实施例中，分析监测数据包括比较在不同时间点记录的监测2D图像。当两个或更多个连续监测2D图像之间不存在改变时，或者当改变低于预定义最大值时，则推断对象静止。
在一些实施例中，图像获取单元记录扫描体积的监测期间对象和/或异类对象的监测2D图像以及3D扫描期间记录的对象的扫描2D图像。这提供了以下优点：与单独的图像获取单元分别被用于记录几何数据和监测数据相比，3D扫描仪能够使用更少的部件制成。
在一些实施例中，图像获取单元包括一个2D相机，其记录监测2D图像的至少部分以及扫描2D图像的至少部分。使用同一2D相机记录用于扫描体积的监测的2D图像以及用于确定被扫描对象的形貌的2D图像提供了以下方面：只需要更少的部件来构建3D扫描仪，由此3D扫描仪能够被制作得更紧凑并且以降低的成本制成。
3D扫描仪优选地被配置成从所记录的几何数据确定被扫描对象的形貌，例如通过生成表达对象的形貌的对象的数字3D表示。即，生成对象的数字3D表示能够确定对象的形貌，并且计算机程序产品能够包括用于从所记录的几何数据导出对象的形貌的指令。
这能够以从3D扫描仪接收2D图像和/或几何数据的单独控制单元中实现，或者通过将适当的指令包括在3D扫描仪的控制系统的计算机程序产品中实现。
3D扫描期间记录的几何数据能够从所记录的扫描2D图像通过执行被配置成执行这种分析的计算机实施算法来导出。
环境光可以被用于照亮扫描体积以及监测期间放置在其中的任意对象，即在一些实施例中，环境光被用于在监测数据(例如监测2D图像)被记录时照亮对象。在这种情况下，所记录的监测2D图像捕获从放置在扫描体积中的对象和/或从存在于扫描体积中的异类对象反射的环境光。
通过具有开放设计从而允许环境光照到扫描体积，3D扫描仪能够被配置成允许对象和/或异类对象在记录监测2D图像时由环境光照亮。在一些实施例中，在监测2D图像的记录期间，照明单元不启用并且探测光束的强度被减小。
在一些实施例中，分析所述监测数据包括从所记录的监测数据导出关于对象在扫描体积中的位置和/或取向的信息、以及将针对不同时间点记录的监测数据导出的信息进行比较。如果从连续监测2D图像导出的信息不同，这指示对象不静止。导出的信息可以包括对象的边缘或结构或者整个对象的取向和/或位置。
当针对每个时间点仅仅有一个监测2D图像时，对象在扫描体积中的取向和/或位置可以针对每个监测2D图像直接导出。
在一些实施例中，所述比较包括分析所述监测2D图像，例如使用图像分析算法(例如特征识别算法或者边缘检测算法)分析图像。
计算机程序产品的图像分析算法可以被应用以至少识别放置在扫描体积中的对象的边界。
对象可以被放置在样本保持器上，该样本保持器具有在被扫描对象中不常见的颜色，例如对于牙科应用而言的黑色。当包含颜色信息的监测2D图像被记录时，对象的边界能够通过使用这一颜色信息而被识别。
在一些实施例中，分析监测数据包括从不同时间点获取的监测数据生成对象和/或异类对象的监测数字3D表示、以及将生成的监测数字3D表示的相对设置进行比较。
计算机程序产品可以包括处理器可执行指令，其用于：
-从监测数据(例如从在同一时间点记录的对象和/或异类对象的多个监测2D图像)生成对象和/或异类对象的监测数据3D表示，以及
-检测从不同时间点记录的监测数据生成的两个或更多个监测数字3D表示的任何相对移动，例如通过将共同坐标系统中(例如3D扫描仪的坐标系统中)不同监测数字3D表示的设置进行比较。
如果数字3D表示在同一坐标系统中(例如在3D扫描仪的坐标系统中)表达，任意移动能够被检测为对准两个监测数字3D表示所需的位移。如果数字3D表示直接被对准而不需要位移，则对象静止。位移能够使用例如迭代最近点(ICP)算法来确定，以对准数字3D表示。
ICP算法被应用以最小化两个点云之间的差值。ICP能够被使用以从对象的部分数字3D表示重新构建对象的数字3D表示，或者用于确定对准同一表面的两个数字3D表示的转换。算法在概念上是简单的，并且通常被实时试用。其迭代地修正最小化两个点云的点之间的距离所需要的转换(即平移和旋转)。输入是来自两个原始点云的点(例如，部分数字3D表示)、转换的初始估值以及停止迭代的标准。输出是经完善的转换。本质上，算法步骤为：
1.通过最近邻标准使点相关联。
2.使用均方成本函数估算转换参数。
3.使用估算的参数转换点。
4.迭代，即重新使点相关联，以此类推。
本公开不限于对一个对象的一次扫描。如果对象的尺寸和扫描体积允许，几个对象可以被设置在扫描体积中。
扫描体积可以在两个对象的3D扫描之间的时间段中被持续监测。
当操作者使用他的手将对象放置在扫描体积中时，3D扫描优选地在对象静止且手再次离开扫描体积之前不会被启动。当操作者的手处于扫描体积中时，监测2D图像还可以包含关于手的数据，即其在扫描体积中的位置和/或取向。计算机程序产品的指令之后提供以下方面：操作者的手在扫描体积中的任何移动通过分析不同时间点记录的监测2D图像来检测。例如，连续监测2D图像之间的比较将不仅显示对象是否静止，还显示操作者的手在扫描体积中是否存在和移动。
根据一个实施例，公开了一种计算机程序产品。该计算机程序产品以非暂态计算机可读介质实现，其中所述计算机程序产品包括计算机可读程序代码，其能够由硬件数据处理器执行以使所述硬件数据处理器进行以下处理
通过分析在不同时间点针对对象获取的监测数据，检测放置在3D扫描仪的扫描体积中的对象的移动；
确定所述对象在所述扫描体积中是否静止；
在所述对象被确定为在所述扫描体积中静止时启动3D扫描；
从所述3D扫描期间记录的几何数据生成所述对象的数字3D表示；以及
例如通过显示在屏幕上将所生成的数字3D表示可视化。
根据一个实施例，公开了一种计算机程序产品。计算机程序产品实现在非暂态计算机可读介质中，其中，所述计算机程序产品包括计算机可读程序代码，其能够由硬件数据处理器执行以使所述硬件数据处理器进行以下处理：
至少针对存在于3D扫描仪的扫描体积中的异类对象在不同时间点获取监测数据；
通过分析针对至少所述异类对象在不同时间点获取的所述监测数据，检测存在于所述扫描体积中至少所述异类对象的移动；以及
在所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动时阻止所述对象的3D扫描的启动。
能够由硬件数据处理器执行的计算机可读程序代码还可以使硬件数据处理器通过捕获由放置在扫描体积中的对象和/或存在于扫描体积中的异类对象反射的环境光来记录监测数据。
计算机程序产品可以包括进一步的指令，其涉及执行所公开方法所需的任意或全部步骤。
替代通过三角测量技术进行操作，3D扫描仪可以被配置成利用焦点扫描，其中被扫描对象的数字3D表示由不同焦点深度处记录的对焦2D图像重新构建。焦点扫描技术能够通过生成探测光并将这一探测光朝向被扫描对象发射来执行，从而使得对象的至少一部分被照亮。扫描仪具有聚焦光学器件，其被设置成限定相对窄的焦点平面。从对象返回的光朝向相机被发射并且通过光学系统被成像到相机中的图像传感器上，其中图像传感器/相机包括传感器元件阵列。焦点平面在对象上/相对于对象的位置通过聚焦光学器件而改变，同时对焦2D图像从/通过所述传感器元件阵列获得。
基于对焦(in-focus)2D图像，多个传感器元件中的每一个或者多组传感器元件中的每一个的对焦位置可以针对一系列交点平面位置确定。对焦位置能够之后例如通过针对某一焦点平面范围内的多个传感器元件中的每一个或者多组传感器元件中的每一个确定光震荡幅度而被计算。对向的数字3D表示能够从对焦位置导出。
本公开涉及包括以上以及以下所述的方法和3D扫描仪以及相应的方法和3D扫描仪，每一个都会产生与针对所提及的第一方面所描述的益处和优点中的一个或多个，并且每一个都具有与针对所提及的第一方面所描述的和/或所附权利要求所公开的实施例相应的一个或多个实施例。
具体而言，本文公开了3D扫描仪，其用于扫描放置在3D扫描仪的扫描体积中的对象，其中所述3D扫描仪包括：
-光源，其被设置成将探测光束投射到所述扫描体积中；
-图像获取单元，其包括至少一个2D图像传感器，所述2D图像传感器被设置成记录设置在所述扫描体积中的对象的一系列2D图像；
-控制单元，其包括数据处理单元以及编码有计算机程序产品的非暂态计算机可读存储介质，所述计算机程序产品包括用于以监测模式操作3D扫描仪以及用于在所述监测已确定对象在所述扫描体积中静止时启动所述3D扫描仪的扫描模式的处理器可执行指令。
在一些实施例中，监测模式被配置成提供以下方面：2D图像传感器在一系列时间点中的每个时间点记录来自扫描体积的至少一个监测2D图像。所记录的监测2D图像能够之后被分析，以确定对象是否在扫描体积中存在并静止。
在一些实施例中，扫描模式被配置成提供以下方面：2D图像传感器在设置在扫描体积中的对象被探测照明时记录扫描2D图像。被扫描对象的数字3D表示能够之后从所记录的扫描2D图像生成。
公开了一种3D扫描仪，其用于扫描放置在3D扫描仪的扫描体积中的对象以记录对象的数字3D表示，其中所述3D扫描仪被配置成用于监测所述扫描体积以及用于在所述监测检测到对象在所述扫描体积中静止时启动所述对象的3D扫描，所述3D扫描仪包括：
-至少一个光源，其被设置成将探测光束投射到所述对象上；
-图像获取单元，其被设置成捕获从设置在所述扫描体积中的对象接收的光；
-控制单元，其包括数据处理单元以及编码有计算机程序产品的非暂态计算机可读存储介质，所述计算机程序产品包括用于进行以下操作的处理器可执行指令：
i.接收表达所述对象在所述扫描体积中的取向和位置的监测数据；
ii.通过分析在不同时间点接收的所述监测数据，确定所述对象是否静止；以及
iii.在所述对象被发现静止时启动所述对象的3D扫描。
计算机程序产品优选地还包括用于执行对象的3D扫描的指令、以及用于从由3D扫描期间使用图像获取单元记录的一个或多个2D图像导出的几何数据生成对象的数字3D表示的指令。
控制单元能够例如通过包括处理器和非暂态计算机可读存储介质的计算机来实现。
公开了用于扫描放置在3D扫描仪的扫描体积中的对象的3D扫描仪，其中该3D扫描仪包括：
-监测单元，其被配置成用于监测扫描体积以确定对象在扫描体积中是否静止；
-光学扫描单元，其被配置成用于3D扫描设置在扫描体积中的对象；以及
-控制单元，其被配置成在监测单元检测到对象在扫描体积中静止时使用光学扫描单元执行3D扫描对象的扫描程序。
在一些实施例中，监测单元通过记录样本体积中对象的一系列监测2D图像而进行操作。所记录的监测2D图像可以之后被比较，以检测对象在扫描体积中的取向和/或位置是否从一个监测2D图像到另一个发生了改变。所述比较可以包括使用图像分析算法分析监测2D图像，例如使用特征识别算法或边缘检测算法分析监测2D图像。这种算法可以是包括用于执行算法的步骤的处理器可执行指令的计算机程序产品的部分，其中指令被编码在非暂态计算机可读存储介质上并且由处理器执行。处理器和存储介质可以是控制单元的部分。
在一些实施例中，监测单元和扫描单元共享至少一个2D图像传感器，其被设置成记录用于监测扫描体积的对象和/或异类对象的监测2D图像以及用于3D扫描对象以生成对象的3D表示的2D图像。
在一些实施例中，监测单元包括至少一个光电检测器(例如光电二极管)，并且所述监测通过在对象被放置在3D扫描仪中时检测由光电检测器接收的光强度的变化来进行操作。
光电检测器可以被设置成使得当对象支撑结构被设置在3D扫描仪中时由光电检测器接收的环境光的强度减小。即，监测扫描体积包括记录来自光电检测器的值，光电检测器被设置成使得当对象支撑结构被放置在3D扫描仪中时3D扫描仪的对象或对象支撑结构至少部分地阻断光电检测器的接收圆锥。当对象支撑结构安装在3D扫描仪中时，这可以例如通过将光电检测器放置在对象支撑结构后方来实现。这允许确定对象是否被放置在对象支撑结构上，由此指示扫描体积不为空。
在一些实施例中，监测单元包括至少一个监测光源，其被设置成朝向光电检测器发射监测光束，并且从而使得朝向光电检测器的监测光束的路径在对象被放置在扫描体积中时被阻挡。
在一些实施例中，监测单元包括重量传感器，其被设置成在对象被放置在3D扫描仪的对象支撑表面上时进行记录。
在一个实施例中，公开了一种用于检测对象和/或异类对象在扫描体积中存在的方法。该方法包括获取包括扫描体积的至少一个监测2D图像的监测数据；以及基于相对于关于空扫描体积的信息分析至少一个获取的2D图像检测对象和/或异类对象在扫描体积中的存在。
在另一实施例中，控制单元包括数据处理器以及编码有计算机程序产品的非暂态计算机可读介质，计算机程序产品包括能够由处理器执行的可读程序代码，其可以进一步使处理器获取包括扫描体积的至少一个监测2D图像的监测数据；以及基于相对于关于空扫描体积的信息分析至少一个所获取的2D图像检测对象和/或异类对象在扫描体积中的存在。
分析可以使用之前公开的实施例中的一个执行，例如通过将至少一个所获取的监测2D图像的逐个像素值与信息进行比较；以及在像素值的差值超过预定义阈值时指示对象和/或异类对象的存在。信息可以由空扫描体积的2D图像表示并且被存储在能够由控制单元访问的存储器中。
上述实施例可以被用作确定异类对象是否在移动的事先步骤。
附图说明
本公开的实施例与其优点可以从以下说明性和非限制性具体描述结合附图来理解，在附图中：
图1示出了根据一个实施例的生成对象的3D表示的方法；
图2示出了根据一个实施例的生成对象的3D表示的方法；
图3示出了根据一个实施例的生成对象的3D表示的方法；
图4示出了根据一个实施例的3D扫描仪；以及
图5示出了根据一个实施例的扫描体积。
具体实施方式
在以下描述中，对附图进行参考，附图通过说明性的方式显示了本发明可以如何实践。
图1示出了根据一个实施例的用于生成对象(例如牙齿模型)的3D表示的方法(工作流程)。3D扫描仪被配置成监测扫描体积(图5，508)。工作流程100包括监测部分102和3D扫描部分110。监测部分102包括涉及启动3D扫描过程的工作流程，并且3D扫描部分110包括涉及生成对象的3D表示的工作流程。
在104，监测数据包括对象的一个或多个2D图像，其存在于扫描体积中、在不同的时间点处被获取。在106，监测2D的图像被分析以用于检测扫描体积中对象的移动。在108，确定扫描体积中的对象静止还是在移动。分析和确定可以由3D扫描仪的控制单元处理，该控制单元执行分析和比较的指令。在108，如果确定对象在移动，以迭代的方式记录对象的进一步的一个或多个监测2D图像，直至确定对象静止。如果确定对象静止，那么工作流程继续进行到扫描部分110，即对象的3D扫描被启动。在112，放置在扫描体积中的对象的多个扫描2D图像被记录，并且基于对象的多个扫描2D图像，对象的数字3D表示被生成。
3D扫描仪的同一图像获取单元可以被配置成记录监测阶段期间的监测2D图像以及扫描阶段期间的扫描2D图像。
图2示出了根据一个实施例的生成对象的3D表示的方法。典型地，异类对象(例如操作者的手)在对象被定位在扫描体积中时处于扫描体积中。在异类对象仍处于扫描体积中时避免3D扫描的启动时有益的。因此，可以使用工作流程202。工作流程包括在204获取监测数据，该监测数据包括存在于扫描体积中的至少异类对象的一个或多个监测2D图像。这种监测数据的获取在不同的时间点处。在206，监测2D图像被分析以检测是否检测到扫描体积中的异类对象的移动。在208，确定异类对象是否在移动。如果是，则在210，对象的3D扫描的启动被阻止，并且在204以迭代的方式记录进一步的一个或多个监测2D图像，直至对异类对象在移动作出否定确定。分析和确定可以由3D扫描仪的控制单元处理，该控制单元执行分析和比较的指令。
根据一个实施例，前述段落中公开的方法可以进一步包括另外的工作流程，其中在否定确定后接着在102确定对象是否静止并且在110生成对象的3D表示。工作流程元素102和110包括之前针对图1所解释的步骤。这些另外的工作流程元素的结合允许在确定对象在扫描体积中静止以及确定异类对象在扫描体积中移动时阻止对象的3D扫描的启动。
图3示出了根据一个实施例的生成对象的3D表示的方法。工作流程300包括监测阶段302和3D扫描阶段312。
当对象处于3D扫描仪(例如图2中示出的3D扫描仪)的扫描体积中时，扫描仪的图像获取单元能够记录对象的2D图像。在监测期间，在不同时间记录一个或多个监测2D图像，不同时间可以通过一系列时间点(……ti-1、ti、ti+1……)限定。在图2的扫描仪中，同一图像获取单元记录监测2D图像以及扫描2D图像。
扫描体积在操作者将对象移动到扫描体积中的位置时被监测。在304，在不同时间点ti和ti+1记录来自扫描体积的两个或更多个监测2D图像。这些监测2D图像之后在306被分析，以确定对象的位置和取向。例如，对象的周界可以在监测2D图像中的每一个中被检测。
之后可以在308通过比较对象的位置和/或取向来确定对象是否静止。如果不存在改变或者改变在预定义阈值之内，可以推断对象静止。分析和比较由3D扫描仪的控制单元处理，该控制单元执行分析和比较的指令。
比较两个2D图像的一种方式是针对如在灰度图像中的单一颜色通道或者针对如在彩色图像中的多个颜色通道形成它们的差值，在彩色图像中会产生一组差值图像，针对每个颜色通道一个。
评估各种颜色通道的差值图像组的一种方式是将颜色转换成另一颜色空间(例如色度-饱和度-亮度)，并且之后减去该颜色空间中的颜色分量中的仅一个或两个。如果仅一个这种分量被使用，该过程就相当于针对灰度图像的处理过程。
从2D图像计算差值指标的一种方式是减去相应像素的强度值并针对全部像素形成平均值。
检测改变(例如对象进入扫描仪)的一种方式是将差值指标与阈值进行比较。阈值能够从校准中被发现并且可以由用户设定。
增加2D图像中改变检测的稳健性的一种方式是考虑m图像(其中m＞2)、从针对每个图像的差值指标计算连续图像的m-1差值图像、并且应用平滑滤波器(例如滑动平均滤波器)。通过这一方式，伪造图像导致错误改变检测的可能性更小。
增加可检测性的一种方式是分别处理2D图像的几个区域。例如，当小的对象被放置在扫描仪内(尤其是放置于出现在2D图像边界附近的小范围内)时，一对差值图像的全部像素的总平均值可能非常小并且仍处于阈值之下。对于同一示例，当作为完整图像但单独地以同一方式处理几个区域时，至少一个区域将可能显示比阈值更大的差值指标并且这可能被认为是改变的指示。
如果发现对象在ti与ti+1之间被移动或者旋转，监测步骤102、103和104被重复。这一过程继续直至在310推断对象静止，并且工作流程的3D扫描部分312可以启动。
在3D扫描312中，多个扫描2D图像在314被记录。当扫描仪例如通过三角测量操作时，多个扫描2D图像被记录，其中探测光束在对象表面上的位置在各图像中不同。
在步骤316，对象的数字3D表示从所记录的系列扫描2D图像生成。这能够使用计算机实施算法来完成，例如从扫描2D图像产生对象的部分数字3D表示以及将从不同视图获得的表面的部分数字3D表示拼接在一起。拼接能够使用迭代最近点(ICP)算法执行，其被采用以最小化两个部分数字3D表示之间的差值。
图4示出了根据一个实施例的3D扫描仪系统400。
3D扫描仪包含3D扫描单元426，3D扫描单元426具有照明单元402，照明单元402被配置成提供探测光束406，该光束投射到设置于3D扫描仪的扫描体积中的被扫描对象404上。照明单元具有光源(例如LED或LED阵列)，其被设置成提供探测光。探测光可以在空间上构造成例如具有棋盘图案或者线形图案，并且可以是单色或彩色的。在这一示例中，被扫描对象是部分牙齿模型404。通过非限制性示例，图像获取单元包括两个2D相机410，其被设置成接收从牙齿模型404反射的光408，从而使得所反射的光的2D图像被记录。
3D扫描仪可以具有光学系统，其被配置成用于将探测光从照明单元向设置在扫描体积中的牙齿模型引导并且用于接收从所扫描的牙齿模型反射的光并将其向图像获取单元引导。
控制单元422包括数据处理单元414和编码有计算机程序产品的非暂态计算机可读介质416，该计算机程序产品具有用于分析监测2D图像以确定牙齿模型在扫描体积中何时静止以及从3D扫描期间记录的扫描2D图像生成数字3D表示的指令。非暂态计算机可读介质416也可以以具有用于分析监测2D图像以确定扫描体积中的异类对象何时在移动的指令的计算机程序产品编码。
在扫描体积的监测期间，控制单元422被配置成指令3D扫描单元211使用图像获取单元的相机410记录对象和/或异类对象的一个或多个监测2D图像。监测2D图像可以使用环境光被记录，从而使得照明单元406在监测2D图像被记录时不启动。照明的扫描单元的壳体是打开的，从而使得环境光可以在监测2D图像被记录时对牙齿模型404照明。所记录的对象的监测2D图像被转移到控制单元422，其中数据处理单元414(例如微处理器)被配置成执行用于分析监测2D图像以确定牙齿模型是否静止(例如，如果牙齿模型被设置在同一位置和取向至少两个时间点)的指令。当确定牙齿模型静止时，3D扫描被启动。另外地，所记录的异类对象的监测2D图像被转移到控制单元422，其中数据处理单元414(例如微处理器)被配置成执行用于分析监测2D图像以确定异类对象是否在移动的指令。
在3D扫描期间，控制单元414被配置成指令3D扫描单元426记录牙齿模型的一系列扫描2D图像。所记录的扫描2D图像被转移到控制单元422，其中牙齿模型的数字3D表示被生成。
当结构化探测光束被使用时，光图案在所获取的扫描2D图像中被检测并且已建立的投射几何结构(例如三角测量或立体)被用于导出由图案明亮部分照亮的牙齿模型表面的3D坐标。这针对牙齿模型404和3D扫描单元426的一系列不同相对位置而完成。
控制单元可以包括允许执行数据处理的任意设备或设备的组合。控制单元可以是能够运行各种不同软件应用的通用计算机或者限于特定功能的专用设备。控制单元可以包括任意类型、数量、形式、或配置的处理器、系统存储器、计算机可读介质、外围设备、以及操作系统。在一个实施例中，计算机包括个人计算机(PC)，其可以是台式机、笔记本电脑、口袋PC、个人数字助理(PDA)、平板PC的形式或者其他已知形式的个人计算机。至少一个接入设备和/或接口允许操作者利用控制单元的功能。介入设备和/或接口能够包括但不限于键盘229、鼠标230、显示在显示屏231上的图形用户界面(GUI)、以及其他已知的输入或输出设备和接口。
图5示出了根据一个实施例的扫描体积。3D扫描单元426包括图形获取单元，通过非限制性示例，该图形获取单元包括两个2D相机410和照明单元402。扫描体积可以由表示各2D相机410的视场的圆锥(502、504)的重叠区域508来限定。在一些实施例中，扫描体积仅仅是重叠区域508的一部分，而不是整个重叠区域。
尽管已经具体描述和显示了一些实施例，本公开并不限于它们，而是还可以在以下权利要求所限定的本主题的范围内以其他方式体现。具体而言，应当理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构和功能上的修改。
权利要求可以指的是前述权利要求中的任一个，且“任意”应被理解为表示前述权利要求中的“任意一个或多个”。
应强调，本说明书中使用的术语“包括/包含”用来说明所阐述的特征、整数、步骤或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其形成的组的存在或添加。
在列举了几个方法的3D扫描仪权利要求中，这些方法中的几个能够以一个以及硬件中的同一物品实现。某些对策以相互之间不同的从属权利要求记载或者描述在不同的实施例中，这并不意味着这些对策的结合不能被使用以产生有益效果。
应理解，本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参考或者作为“可以”所包括的特征意味着与实施例相关所描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施例中。因此，应强调且理解，本说明书的各部分中对“实施例”或“一个实施例”或“替代实施例”的参考或者作为“可以”所包括的特征不必须全部参考同一实施例。而且，特定特征、结构或特性可以适当结合在本公开的一个或多个实施例中。
前述描述被提供以使本领域技术人员能够实践本文描述的各方面。这些方面的各种修改对本领域技术人员而言是很显然的，并且本文限定的一般原则可以被应用到其他方面。

Claims (26)

1.一种3D扫描仪，其用于扫描放置在所述3D扫描仪的扫描体积中的对象，其中，所述3D扫描仪包括：
光学扫描单元，所述光学扫描单元被配置成记录放置在所述扫描体积中的对象的几何数据，所述光学扫描单元包括光源和图像获取单元，所述光源被设置成将探测光束投射到所述扫描体积中，所述图像获取单元被设置成记录从放置在所述扫描体积中的所述对象接收的光的2D图像；以及
控制单元，所述控制单元包括数据处理器和编码有包括可读程序代码的计算机程序产品的非暂态计算机可读介质，所述可读程序代码能够由所述处理器执行以使所述处理器进行以下处理：
通过分析针对所述对象在不同时间点获取的监测数据，检测所述扫描体积中所述对象的移动，
在所述对象被确定为在所述扫描体积中静止时启动3D扫描，以及
从所记录的几何数据生成所述对象的数字3D表示。
2.根据权利要求1所述的3D扫描仪，其中，所述可读程序代码能够由所述处理器执行并且被配置成使所述处理器进行以下处理：
至少针对存在于所述扫描体积中的异类对象在不同时间点获取监测数据；
通过分析至少针对所述异类对象在不同时间点获取的所述监测数据，检测存在于所述扫描体积中的至少所述异类对象的移动；以及
在所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动时阻止所述对象的3D扫描的启动。
3.根据权利要求1和2所述的3D扫描仪，其中，阻止所述对象的3D扫描的启动包括在所述对象被确定为在所述扫描体积中静止并且所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动时阻止所述对象的3D扫描的启动。
4.一种3D扫描仪，其包括：
光学扫描单元，所述光学扫描单元被配置成记录设置在所述3D扫描仪的扫描体积中的对象的几何数据，所述光学扫描单元包括光源和图像获取单元，所述光源被设置成将探测光束投射到所述扫描体积中，所述图像获取单元被设置成记录从放置在所述扫描体积中的对象接收的光的2D图像；以及
控制单元，所述控制单元包括数据处理器和编码有包括可读程序代码的计算机程序产品的非暂态计算机可读介质，所述可读程序代码能够由所述处理器执行以使所述处理器进行以下处理：
至少针对存在于所述扫描体积中的异类对象在不同时间点获取监测数据，
通过分析针对所述异类对象在不同时间点获取的所述监测数据，检测存在于所述扫描体积中的至少所述异类对象的移动，以及
在所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动时阻止所述对象的3D扫描的启动。
5.根据权利要求3所述的3D扫描仪，其中，所述可读程序代码能够由所述处理器执行并且被配置成使所述处理器进行以下处理：
通过分析针对所述对象在不同时间点获取的监测数据，检测所述扫描体积中所述对象的移动；
在所述对象被确定为在所述扫描体积中静止时启动3D扫描；以及
从所记录的几何数据生成所述对象的数字3D表示。
6.根据权利要求4和5所述的3D扫描仪，其中，阻止所述对象的3D扫描的启动包括在所述对象被确定为在所述扫描体积中静止并且所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动时阻止所述对象的3D扫描的启动。
7.根据一项或多项前述权利要求所述的3D扫描仪，其中，所述监测数据通过捕获由放置在所述扫描体积中的所述对象和/或存在于所述扫描体积中的所述异类对象反射的环境光而被记录。
8.根据一项或多项前述权利要求所述的3D扫描仪，其中，所述监测数据包括当所述异类对象存在于所述扫描体积中时在不同时间点记录的所述对象和所述异类对象的监测2D图像。
9.根据权利要求1至7中一项或多项所述的3D扫描仪，其中，所述监测数据包括当所述异类对象不在所述扫描体积中时在不同时间点记录的所述对象的监测2D图像。
10.根据一项或多项前述权利要求所述的3D扫描仪，其中，针对所述对象获取的所述监测数据表示所述对象在所述扫描体积中的位置和/或取向。
11.根据一项或多项前述权利要求所述的3D扫描仪，其中，分析所述监测数据包括将在不同时间点记录的所述监测2D图像进行比较。
12.根据权利要求11所述的3D扫描仪，其中，将在不同时间点记录的所述监测2D图像进行比较包括比较所述监测2D图像中的像素的像素值。
13.根据权利要求1、5或12中的任一项所述的3D扫描仪，其中，当所比较的像素值之间的差值低于第一预定义阈值时，所述对象被确定为在所述扫描体积中静止。
14.根据权利要求2、4或12中的任一项所述的3D扫描仪，其中，当所比较的像素值之间的差值高于第二预定义阈值时，所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动。
15.根据一项或多项前述权利要求所述的3D扫描仪，其中，分析针对所述对象获取的所述监测数据包括从所获取的监测数据导出关于所述对象在所述扫描体积中的位置和/或取向的信息以及将针对在不同时间点获取的所述监测数据导出的信息进行比较。
16.根据权利要求7所述的3D扫描仪，其中，所述比较包括使用图像分析算法分析所述监测2D图像。
17.根据权利要求16所述的3D扫描仪，其中，所述图像分析算法包括特征识别算法或边缘检测算法中的至少一个。
18.根据一项或多项前述权利要求所述的3D扫描仪，其中，所述图像获取单元被配置成记录针对所述对象和/或所述异类对象的所述监测2D图像以及在所述3D扫描期间记录以用于生成所述对象的数字3D表示的扫描2D图像。
19.根据一项或多项前述权利要求所述的3D扫描仪，其中，分析所述监测数据包括：
从针对不同时间点获取的所述监测数据生成所述对象和/或所述异类对象的监测数字3D表示；以及
比较所生成的监测数字3D表示的相对设置。
20.一种实现在非暂态计算机可读介质中的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码能够由硬件数据处理器执行以使所述硬件数据处理器进行以下处理：
通过分析针对放置在3D扫描仪的扫描体积中的对象在不同时间点获取的监测数据，检测所述对象的移动；
确定所述对象在所述扫描体积中是否静止；
在所述对象被确定为在所述扫描体积中静止时启动3D扫描；
从所述3D扫描期间记录的几何数据生成所述对象的数字3D表示；以及
将所生成的数字3D表示可视化。
21.一种实现在非暂态计算机可读介质中的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码能够由硬件数据处理器执行以使所述硬件数据处理器进行以下处理：
至少针对存在于3D扫描仪的扫描体积中的异类对象在不同时间点获取监测数据；
通过分析至少针对所述异类对象在不同时间点获取的所述监测数据，检测存在于所述扫描体积中的至少所述异类对象的移动；以及
在所述异类对象被确定为在所述扫描体积中移动时阻止所述对象的3D扫描的启动。
22.根据权利要求20或21所述的计算机程序产品，其中，所述监测数据包括：
当所述异类对象存在于所述扫描体积中时在不同时间点记录的所述对象和所述异类对象的监测2D图像；或者
当所述异类对象不在所述扫描体积中时在不同时间点记录的所述对象的监测2D图像。
23.根据权利要求20或21所述的计算机程序产品，所述计算机可读程序代码能够由硬件数据处理器执行以使所述硬件数据处理器通过捕获由放置在所述扫描体积中的所述对象和/或存在于所述扫描体积中的所述异类对象反射的环境光来记录监测数据。
24.一种用于控制3D扫描仪的方法，所述3D扫描仪用于扫描放置在所述3D扫描仪的扫描体积中的对象，其中，所述方法包括：
监测所述扫描体积以确定放置在所述扫描体积中的对象是否静止，其中，所述监测包括使用所述3D扫描仪的2D图像传感器记录监测2D图像以及分析所记录的2D图像；以及
在确定所述对象在所述扫描体积中静止时执行用于对所述对象3D扫描的指令。
25.一种用于控制3D扫描仪的方法，所述方法包括：
监测扫描体积以确定放置在所述扫描体积中的异类对象是否在移动，其中，所述监测包括使用所述3D扫描仪的2D图像传感器记录监测2D图像以及分析所记录的2D图像；以及
在确定所述异类对象在所述扫描体积内移动时执行用于阻止所述对象的3D扫描的指令。
26.根据权利要求24或25所述的方法，进一步包括通过捕获由放置在所述扫描体积中的所述对象和/或存在于所述扫描体积中的所述异类对象反射的环境光来记录监测2D图像。
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