CN111227968A - 牙体建模装置以及牙体建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种牙体建模装置以及牙体建模方法。牙体建模装置包括投影模块、图像感测模块、第一反射镜、第二反射镜以及处理模块。投影模块经由投影路径依序投射多个结构光至牙体物件。当所述多个结构光依序投射至牙体物件时，图像感测模块经由感测路径依序对应地感测牙体物件的多个牙体图像光。第一反射镜依序反射所述多个结构光至牙体物件，并且依序反射所述多个牙体图像光。第二反射镜依序反射经由第一反射镜反射的所述多个牙体图像光至图像感测模块。处理模块分析对应于所述多个牙体图像光的多个牙体图像，以建立对应于牙体物件的牙体模型。

Description

牙体建模装置以及牙体建模方法

技术领域

本发明涉及一种建模技术，尤其涉及一种牙体建模装置以及牙体建模方法。

背景技术

随着全球人口高龄化以及口腔健康意识抬头，牙体建模的需求越来越高。然而，由于传统的牙体建模多以电脑断层扫描的方式来进行重建以及定位，并且患者必须咬着标记模块，来进行位置标记，因此造成患者在临床治疗上的不舒适。并且，传统的牙体建模装置还具有治具结构过于复杂，以及容易感测误差过大的缺点。有鉴于此，如何开发一种牙体建模装置可提供有效且精确的牙体建模功能，以下将提出几个实施例的解决方案。

发明内容

本发明提供一种牙体建模装置以及牙体建模方法，可有效获取牙体物件的多个牙体图像，以依据所述多个牙体图像来建立对应的牙体模型。

本发明的牙体建模装置包括投影模块、图像感测模块、第一反射镜、第二反射镜以及处理模块。投影模块用以经由投影路径依序投射多个结构光至牙体物件。当所述多个结构光依序投射至牙体物件时，图像感测模块用以经由感测路径依序对应地感测牙体物件的多个牙体图像光。第一反射镜设置在投影路径以及感测路径上。第一反射镜用以依序反射所述多个结构光至牙体物件，并且依序反射所述多个牙体图像光。第二反射镜设置在感测路径上。第二反射镜用以依序反射经由第一反射镜反射的所述多个牙体图像光至图像感测模块。处理模块耦接图像感测模块。处理模块用以分析对应于所述多个牙体图像光的多个牙体图像，以建立对应于牙体物件的牙体模型。

在本发明的一实施例中，上述的在第一反射镜以及牙体物件之间的投影路径以及感测路径之间具有特定夹角。特定夹角为20度至40度之间。

在本发明的一实施例中，上述的牙体建模装置还包括第三反射镜。第三反射镜设置在感测路径上。第三反射镜用以依序反射经由第二反射镜反射的所述多个牙体图像光至图像感测模块。

在本发明的一实施例中，上述的投影模块以及图像感测模块设置于握持部。第一反射镜以及第二反射镜设置于相对于握持部的一侧。

在本发明的一实施例中，上述的投影模块为数字光学投影机。所述多个结构光分别对应于多个投影图案。所述多个投影图案为分别具有不同条纹宽度的多个条纹图案。

在本发明的一实施例中，上述的所述多个条纹图案为多个亮条纹以及多个暗条纹交错排列。

在本发明的一实施例中，上述的所述多个条纹图案为多个第一颜色条纹以多个第二颜色条纹交错排列。

在本发明的一实施例中，上述的第一反射镜为可旋转角度状态，以使图像感测模块依据多个不同视角来获取将所述多个牙体图像光。

在本发明的一实施例中，上述的当投影模块依序投射所述多个结构光至牙体物件时，牙体建模装置以及牙体物件的至少其中之一的位置为可变动状态，以使该图像感测模块感测到的该些牙体图像分别对应于不同视角。

本发明的牙体建模方法包括以下步骤：通过投影模块经由投影路径依序投射多个结构光至第一反射镜，并且通过第一反射镜依序反射所述多个结构光至牙体物件；当所述多个结构光依序投射至牙体物件时，通过图像感测模块经由感测路径依序对应地感测牙体物件的多个牙体图像光；以及通过处理模块分析对应于所述多个牙体图像光的多个牙体图像，以建立对应于牙体物件的牙体模型。

基于上述，本发明的牙体建模装置以及牙体建模方法可通过投影模块依序地投射多个结构光至牙体物件，并且通过图像感测模块同时依序地获取具有对应的投影图案的多个牙体图像。因此，本发明的牙体建模装置可通过分析所述多个牙体图像，来有效地进行牙体模型的建模。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1示出本发明一实施例的牙体建模装置的功能电路图；

图2示出本发明一实施例的牙体建模装置的结构示意图；

图3示出本发明另一实施例的牙体建模装置的结构示意图；

图4示出本发明一实施例的多个投影图案的示意图；

图5示出本发明一实施例的牙体图像处理的流程图；

图6示出本发明一实施例的牙体建模方法的流程图。

附图标记说明

100、200、300：电子装置

110：处理模块

120、220、320：投影模块

130、230、330：图像感测模块

200B、300B：容置空间

240、340：第一反射镜

250、350：第二反射镜

360：第三反射镜

410～440：投影图案

B、W：条纹

T：感测周期

TB1、TB2：牙体物件

D1、D2、D3：方向

SP、SP’：感测路径

PP、PP’：投影路径

θ1、θ2：夹角

S510～S540、S610～S630：步骤

具体实施方式

为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。

图1示出本发明一实施例的牙体建模装置的功能电路图。参考图1，牙体建模装置100包括处理模块110、投影模块120以及图像感测模块130。处理模块110耦接投影模块120以及图像感测模块130。在本实施例中，投影模块120用以在取样期间依序投射多个结构光至牙体物件，并且图像感测模块130用以依序接收对应于所述多个结构光的多个牙体图像光，以使处理模块110分析所述多个牙体图像光，以建立对应的牙体模型。在本实施例中，所述牙体模型是指可让立体编辑软件进行编辑的立体模型(three-dimensional model)，并且可让建模技师便利地在电脑设备上进行立体模型编辑、修改以及绘制等操作。建模技师便利地依照编辑后的立体模型来进行实体的牙体模型制造。此外，在一实施例中，对应的立体模型数据还可例如输出至立体打印设备，以进行立体打印。

在本实施例中，处理模块110可例如包括中央处理单元(Central ProcessingUnit,CPU)、图像信号处理器(Image Signal Processor,ISP)、系统单芯片(System onChip,SOC)或是其他可程序化的一般用途或特殊用途的微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC)、可程序化逻辑装置(ProgrammableLogic Device,PLD)、其他类似处理装置或这些装置的组合。并且，在一实施例中，处理模块110可进一步耦接存储模块(memory)。所述存储模块可例如存储用于实现本发明的牙体建模功能的图像处理及运算模块、图像数据以及立体模型数据等，本发明并不加以限制。

在本实施例中，投影模块120例如包括投影机(projector)。在本实施例中，图像感测模块130例如包括感光耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)传感器或互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)传感器等诸如此类的图像获取元件。

图2示出本发明一实施例的牙体建模装置的结构示意图。参考图2，本实施例的牙体建模装置200可例如具有如图1实施例所述的功能电路架构。在本实施例中，牙体建模装置200的装置本体例如是朝第一方向D1延伸，并且牙体建模装置200的装置本体在第二方向D2以及第三方向D3的截面可例如为圆形或多边形的样式，以让使用者可便于握持，并且将牙体建模装置200的装置本体的一部分置入口腔中。第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3彼此垂直。并且，在本实施例中，置入口腔中的所述牙体建模装置200的装置本体的一部分具有可让光通过的孔洞。

具体而言，牙体建模装置200具有握持部，并且所述握持部为容置空间200B较大(或结构较粗)的一端。在本实施例中，投影模块220、图像感测模块230以及处理模块(图未示)可设置在牙体建模装置200的所述握持部当中，并且第一反射镜240以及第二反射镜250可设置相对于握持部的一侧。所述相对于握持部的一侧为容置空间200B较小(或结构较细)的一端。当使用者操作牙体建模装置200时，使用者可将容置空间200B较小(或结构较细)的一端置入口腔中，以将投影模块220所依序投射的结构光投射于牙体物件TB1，并且通过图像传感器230同时依序地感测牙体物件TB1的多个牙体图像光。

在本实施例中，第一反射镜240设置在投影路径PP以及感测路径SP上，并且第二反射镜250设置在感测路径SP上。第一反射镜240以及第二反射镜250可设置在容置空间200B当中相邻的两侧。具体而言，当使用者操作牙体建模装置200时，投影模块220经由投影路径PP依序投射多个结构光至第一反射镜240。第一反射镜240依序反射所述多个结构光至牙体物件TB1。同时，图像感测模块230对应地依序感测牙体物件TB1的多个牙体图像的多个牙体图像光。所述多个牙体图像光经由第一反射镜240反射至第二反射镜250。第二反射镜250依序反射经由第一反射镜240反射的所述多个牙体图像光至图像感测模块230。

在本实施例中，第一反射镜240为可旋转角度状态，以使图像感测模块230可依据多个不同视角来获取将所述多个牙体图像光。也就是说，图像感测模块230可依据所述多个牙体图像光来取得对应的不同视角的所述多个牙体图像。或者，在一实施例中，当投影模块220依序投射所述多个结构光至牙体物件TB1时，牙体建模装置200以及牙体物件TB1的至少其中之一的位置为可变动状态，以使图像感测模块230感测到的所述多个牙体图像分别对应于不同视角。

值得注意的是，所述多个牙体图像分别依序为牙体物件TB1被依序且连续地投射所述多个结构光的多个投影结果，并且所述多个结构光分别对应于多个投影图案。因此，牙体建模装置200的处理模块可依序分析每一个牙体图像当中的投影图案，以取得牙体物件TB1的相关三维轮廓信息，并自动且同步地进行牙体模型的建模操作。在本实施例中，投影路径PP与感测路径SP之间具有特定夹角θ1。在一实施例中，所述特定夹角θ1可为10度至45度之间，但本发明并不限于此。

图3示出本发明另一实施例的牙体建模装置的结构示意图。参考图3，本实施例的牙体建模装置300可例如具有如图1实施例所述的功能电路架构。在本实施例中，牙体建模装置300的装置本体例如是朝第一方向D1延伸，并且牙体建模装置300的装置本体在第二方向D2以及第三方向D3的截面可例如为圆形或多边形的样式，以让使用者可握持，并且将牙体建模装置300的装置本体的一部分置入口腔中。并且，在本实施例中，置入口腔中的所述牙体建模装置300的装置本体的一部分具有可让光通过的孔洞。

具体而言，牙体建模装置300具有握持部，并且所述握持部为容置空间300B较大(或结构较粗)的一端。在本实施例中，投影模块320、图像感测模块330以及处理模块(图未示)可设置在牙体建模装置300的所述握持部当中，并且第一反射镜340以及第二反射镜350可设置相对于握持部的一侧。所述相对于握持部的一侧为容置空间300B较小(或结构较细)的一端。当使用者操作牙体建模装置300时，使用者可将容置空间300B较小(或结构较细)的一端置入口腔中，以将投影模块320所依序投射的结构光投射于牙体物件TB1，并且通过图像传感器330同时依序地感测牙体物件TB1的多个牙体图像光。然而，相较于图2的实施例，本实施例更进一步包括第三反射镜360，并且第三反射镜360可设置于握持部以及相对于握持部的一侧之间的位置。

在本实施例中，第一反射镜340设置在投影路径PP’以及感测路径SP’上，并且第二反射镜350以及第三反射镜360设置在感测路径SP’上。第一反射镜340以及第二反射镜350可设置在容置空间200B当中相邻的两侧。第二反射镜350以及第三反射镜360可设置在容置空间200B当中相对应的两侧。具体而言，当使用者操作牙体建模装置300时，投影模块320经由投影路径PP’依序投射多个结构光至第一反射镜340。第一反射镜340依序反射所述多个结构光至牙体物件TB2。同时，图像感测模块330对应地依序感测牙体物件TB2的多个牙体图像的多个牙体图像光。所述多个牙体图像光经由第一反射镜340反射至第二反射镜350。第二反射镜350依序反射经由第一反射镜340反射的所述多个牙体图像光至第三反射镜360。第三反射镜360依序反射经由第二反射镜350反射的所述多个牙体图像光至图像感测模块330。

在本实施例中，第一反射镜340为可旋转角度状态，以使图像感测模块330可依据多个不同视角来获取将所述多个牙体图像光。也就是说，图像感测模块330可依据所述多个牙体图像光来取得对应的不同视角的所述多个牙体图像。或者，在一实施例中，当投影模块320依序投射所述多个结构光至牙体物件TB2时，牙体建模装置300以及牙体物件TB2的至少其中之一的位置为可变动状态，以使图像感测模块330感测到的所述多个牙体图像分别对应于不同视角。

值得注意的是，所述多个牙体图像分别依序为牙体物件TB2被依序且连续地投射所述多个结构光的多个投影结果，并且所述多个结构光分别对应于多个投影图案。因此，牙体建模装置300的处理模块可依序分析每一个牙体图像当中的投影图案，以取得牙体物件TB2的相关三维轮廓信息，并自动且同步地进行牙体模型的建模操作。在本实施例中，投影路径PP’与感测路径SP’之间具有特定夹角θ2。在一实施例中，所述特定夹角θ2可为10度至45度之间，但本发明并不限于此。

此外，相较于图2实施例，由于本实施例的牙体建模装置300进一步设置有第三反射镜360，因此牙体建模装置300的容置空间300B相较于图2的装置外壳200B较小(或较细)。第三反射镜360设置于第二反射镜350在容置空间300B当中的相对一侧的位置，以使所述多个牙体图像光可经由三次反射而射入图像感测模块330。也就是说，本实施例的牙体建模装置300可进一步节省所述握持部的体积，并且可对应地设计为更为方便握持的装置结构。

图4示出本发明一实施例的多个投影图案的示意图。本发明各实施例所述的多个投影图案可例如图4所示。以图3的牙体建模装置300来说明。参考图3以及图4，本发明的牙体建模装置300是采用结构光(structured light)法三维图像重建技术。牙体建模装置300通过投影模块320以及图像感测模块330以及多个反射镜340、350组成光学系统。牙体建模装置300利用投影模块320投射特定的定义图像至牙体物件TB2的物件表面，再通过处理模块操作图像感测模块330来进行图像特征识别与解码。更进一步而言，在本实施例中，牙体建模装置300可经由牙体物件TB2、投影点(投影模块320在牙体物件TB2所投射的投影位置)与观测点(图像感测模块330感测牙体物件TB2的图像获取位置)在空间中成三角关系，并且利用三角量测法原理进行三维轮廓的计算与建立，精确计算出牙体物件TB2的物件表面的三维坐标信息。

在本实施例中，牙体建模装置300的投影模块320可经由投影路径PP依序投射多个结构光至第一反射镜340。第一反射镜340依序反射所述多个结构光至牙体物件TB2。在本实施例中，所述多个结构光分别对应于图4所示多个投影图案410～440。在本实施例中，投影模块320可为数字光学投影机(Digital Light Processing,DLP)，并且所述多个投影图案410～440为分别具有不同条纹宽度的多个条纹图案。在本实施例中，所述多个条纹图案为多个亮条纹W以及多个暗条纹B交错排列，但本发明并不限于此。在一实施例中，所述多个条纹图案可为多个第一颜色条纹以多个第二颜色条纹交错排列。值得注意的是，所述多个投影图案410～440的所述多个条纹图案的数量例如是依序增加，以便于处理模块进行特征(条纹)识别以及分析，并且所述多个投影图案410～440在一个周期T当中被投影模块320连续投射至牙体物件TB2。投影模块320在扫描期间可例如是反复地依序投影对应于周期T的所述多个投影图案410～440。

图5示出本发明一实施例的牙体图像处理的流程图。参考图1以及图5，本实施例的牙体图像处理的流程可至少适用于图1实施例的牙体建模装置100。在本实施例中，当牙体建模装置100经由投影模块120依序投射多个特征图案(结构光)至牙体物件后，牙体建模装置100执行步骤S510～S540。在步骤S510中，牙体建模装置100经由图像感测模块130执行图像扫描操作，以取得多个牙体图像。在步骤S520中，处理模块110执行特征识别操作(例如图4的条纹特征)，以分析所述多个牙体图像。在步骤S530中，处理模块110执行特征解码操作，以取得多个三维轮廓信息。在步骤S540中，处理模块110依据所述多个三维轮廓信息进行图像贴合操作，以建立牙体模块。因此，本实施例的牙体图像处理可有效地且准确地进行牙体物件的三维模型建模。

关于上述图像贴合操作，处理模块110可以移动式最小平方法(Moving LeastSquares,MLS)来降低三维点云杂点数据。进一步而言，处理模块110在进行图像贴合的程序中，处理模块110可考虑序列三维扫描中的各相邻两组数据。由于牙体建模装置100在扫描过程中为移动状态，因此所述各相邻两组数据可能不完全吻合，因此处理模块110会调整各相邻两组数据的其中之一的方位，以使数据可正确贴合。举例而言，处理模块110可先使用线性最小二乘法(linearized point-to-point algorithm)来近似非线性优化问题，以解决点到面误差的相对姿态变化，并且处理模块110可通过奇异值分解方法(SVD-basedpoint-to-point algorithm)来获得线性系统的最小二乘解。处理模块110可通过所述线性系统的最小二乘解来进一步建立三维刚体转换矩阵，以便进行各相邻两组数据的贴合几何转换，并且以此转换调整各相邻两组数据的其中之一的方位，以使数据可正确贴合。

图6示出本发明一实施例的牙体建模方法的流程图。参考图1以及图3，本实施例的牙体图像处理的流程可至少适用于图3实施例的牙体建模装置300。牙体建模装置300可执行以下步骤S610～S630。在步骤S610中，牙体建模装置300通过投影模块320经由投影路径PP’依序投射多个结构光至第一反射镜340，并且通过第一反射镜340依序反射所述多个结构光至牙体物件TB2。在步骤S620中，当所述多个结构光依序投射至牙体物件TB2时，通过图像感测模块330经由感测路径SP’依序对应地感测牙体物件TB2的多个牙体图像光。在步骤S630中，牙体建模装置300通过处理模块分析对应于所述多个牙体图像光的多个牙体图像，以建立对应于牙体物件TB2’的牙体模型。因此，本实施例的牙体图像处理可有效地且准确地进行牙体物件的三维模型建模。

另外，关于本实施例的牙体建模装置300的其他元件特征、技术细节以及实施方式，可分别参考上述图1至图5实施例的说明，而获致足够的教示、建议以及实施说明，因此不再多加赘述。

综上所述，本发明的牙体建模装置以及牙体建模方法可通过投影模块以及图像感测模块来对牙体物件进行投影以及扫描，以有效地进行牙体模型的建模。并且，本发明的牙体建模装置可通过设置两个以上的反射镜，以将牙体图像光经由多次反射后由图像感测模块获取，以使牙体建模装置的投影模块以及图像感测模块可设置在牙体建模装置的装置本体中的适当位置，而对应地缩小牙体建模装置的握持部的体积，以便于使用者握持使用。因此，本发明的牙体建模装置可通过分析所述多个牙体图像，来有效地进行牙体模型的建模，并且还可以提供便利的牙体物件扫描的使用效果。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种牙体建模装置，其特征在于，包括：

投影模块，用以经由投影路径依序投射多个结构光至牙体物件；

图像感测模块，当所述多个结构光依序投射至所述牙体物件时，用以经由感测路径依序对应地感测所述牙体物件的多个牙体图像光；

第一反射镜，设置在所述投影路径以及所述感测路径上，用以依序反射所述多个结构光至所述牙体物件，并且依序反射所述多个牙体图像光；

第二反射镜，设置在所述感测路径上，用以依序反射经由所述第一反射镜反射的所述多个牙体图像光至所述图像感测模块；以及

处理模块，耦接所述图像感测模块，用以分析对应于所述多个牙体图像光的多个牙体图像，以建立对应于所述牙体物件的牙体模型。

2.根据权利要求1所述的牙体建模装置，其特征在于，在所述第一反射镜以及所述牙体物件之间的所述投影路径以及所述感测路径之间具有特定夹角，并且所述特定夹角为10度至45度之间。

3.根据权利要求1所述的牙体建模装置，其特征在于，还包括：

第三反射镜，设置在所述感测路径上，用以依序反射经由所述第二反射镜反射的所述多个牙体图像光至所述图像感测模块。

4.根据权利要求1所述的牙体建模装置，其特征在于，所述投影模块以及所述图像感测模块设置于握持部，并且所述第一反射镜以及所述第二反射镜设置于相对于所述握持部的一侧。

5.根据权利要求1所述的牙体建模装置，其特征在于，所述投影模块为数字光学投影机，并且所述多个结构光分别对应于多个投影图案，其中所述多个投影图案为分别具有不同条纹宽度的多个条纹图案。

6.根据权利要求5所述的牙体建模装置，其特征在于，所述多个条纹图案为多个亮条纹以及多个暗条纹交错排列。

7.根据权利要求5所述的牙体建模装置，其特征在于，所述多个条纹图案为多个第一颜色条纹以多个第二颜色条纹交错排列。

8.根据权利要求1所述的牙体建模装置，其特征在于，所述第一反射镜为可旋转角度状态，以使所述图像感测模块依据多个不同视角来获取将所述多个牙体图像光。

9.根据权利要求1所述的牙体建模装置，其特征在于，当所述投影模块依序投射所述多个结构光至牙体物件时，所述牙体建模装置以及所述牙体物件的至少其中之一的位置为可变动状态，以使所述图像感测模块感测到的所述多个牙体图像分别对应于不同视角。

10.一种牙体建模方法，其特征在于，包括：

通过投影模块经由投影路径依序投射多个结构光至第一反射镜，并且通过所述第一反射镜依序反射所述多个结构光至所述牙体物件；

当所述多个结构光依序投射至所述牙体物件时，通过图像感测模块经由感测路径依序对应地感测所述牙体物件的多个牙体图像光；以及

通过处理模块分析对应于所述多个牙体图像光的多个牙体图像，以建立对应于所述牙体物件的牙体模型。

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