CN112912933B - 用于口腔内3d扫描的方法和口腔内成像装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于颜色色度匹配的方法，使用口腔内扫描仪获得3D牙齿表面表示，其中3D牙齿表面表示包括表面数据和颜色矢量的空间分辨角度分布，其中颜色矢量的空间分辨角度分布将来自表面数据的一个或多个点位置与颜色矢量的对应角度分布相关联。该方法通过将颜色矢量的角度分布与颜色矢量的一组参考角度分布进行比较来标识一个或多个色度值，其中每个色度值与来自颜色矢量的空间分辨角度分布的颜色矢量的一个角度分布相关联，其中该组中的每个参考角度分布与对应的色度值相关联。该方法显示、存储或传输表面数据与一个或多个色度值的指示。

Description

用于口腔内3D扫描的方法和口腔内成像装置
技术领域
本公开总体上涉及牙科3D扫描仪，并且更具体地涉及获取与牙齿颜色色度(colorshade)的空间和角度变化相关的信息的口腔内扫描方法和装置。
背景技术
在修复牙科中，对牙齿的颜色色度进行准确建模对于患者外观和满意度特别重要。在常规实践中，牙科技师或执业医生使用多组色度选项卡(shade tab)来近似牙齿的颜色和总体外观。牙齿颜色的色度选项卡通常由修复材料供应商提供，并示出可用于填充物、牙冠、种植物、桥或其他修复特征的可用颜色色彩或颜色范围。然而，即使有一套库存充足的牙科色度选项卡的帮助，颜色色度的决策也可能难以做出并且受制于人为错误；牙科色度决策的总体准确性通常取决于执业医生的相对经验和审美趣味。
帮助自动化该过程并使颜色色度决策不那么混乱和不太容易出错的方法包括诸如比色成像、使用专门设计的分光光度计系统以及使用3D(三维)扫描装置的色度和纹理映射之类的技术。虽然这些方法取得了一定水平的成功，但仍然有对耗时的过程、费用以及经常令人失望的结果(即使来自高端系统)的不满。
因此，可以领会的是，存在对于以下的需要：提供牙齿颜色色度的准确表征(尤其是在口腔内3D扫描执行期间)的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是推进牙科3D扫描技术。在考虑到该目的的情况下，认识到解决如常规实践的本领域已知缺陷的系统和技术将具有特定价值。
这些目的仅作为说明性示例给出，并且此类目的可以是本发明的一个或多个实施例的示例。通过所公开的方法固有地实现的其他合期望的目标和优点对于本领域技术人员而言可以出现或变得显然。本发明由所附权利要求限定。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于口腔内3D扫描的方法，包括：
a)使用口腔内扫描仪获得3D牙齿表面表示，其中3D牙齿表面表示包括表面数据和颜色矢量的空间分辨角度分布，其中颜色矢量的空间分辨角度分布将来自表面数据的一个或多个点位置与颜色矢量的对应角度分布相关联；
b)通过将颜色矢量的角度分布与颜色矢量的一组参考角度分布进行比较，标识一个或多个色度值，其中每个色度值与来自颜色矢量的空间分辨角度分布的颜色矢量的角度分布相关联，其中该组中的每个参考角度分布与对应的色度值相关联；和
c)显示、存储或传输表面数据与一个或多个色度值的指示。
附图说明
本发明的前述和其他目的、特征和优点将从下面对本发明实施例的更具体描述中显然，如附图中所图示。
附图中的元素不一定相对于彼此按比例。
图1是示出根据本公开的实施例的用于色度匹配的成像装置的示意图。
图2示出了具有均匀光学亮度的朗伯球体。
图3是示出在相对于牙齿的不同位置的口腔内成像探针的示意图。
图4A是示出了双向反射分布函数(BRDF)变量的基本几何结构的示意图。
图4B是示出了极角的定义以及如何示意性地表示表面部分的测量反射率数据的示意图。
图5是示出根据本公开的实施例的用于获取和使用BRDF数据以进行改进的颜色色度标识和显示的序列的逻辑流程图。
图6是示出了形成在图5的过程中使用的BRDF库的步骤的逻辑流程图。
图7是示出了具有对应BRDF快照的一组色度选项卡的图解。
图8是示出了同一坐标系中的BRDF网格、BRDF快照和不断增长的3D表面轮廓的示意图。
图9示出了具有用于构建BRDF库的参考点位置并且具有用于检测到的色度的指示的色度选项卡。
具体实施方式
下面是对优选实施例的详细描述，参考附图，其中在若干幅图的每一幅图中，相同的附图标记标识相同的结构元件。
在本公开的上下文中使用术语“第一”、“第二”等的情况下，它们不一定表示任何次序的、顺续的或优先级的关系，而是简单地用于更清楚地将一个步骤、元素或一组元素与另一个区分，除非另有指定。
如本文中使用的，术语“可激励的”涉及一种设备或一组部件，其在接收电力时执行指示的功能，并且可选地在接收到使能信号时执行指示的功能。
在本公开的上下文中，术语“查看者”、“操作者”和“用户”被认为是等同的，并且指代在显示监视器上查看和操纵图像(诸如牙齿图像)的查看执业医生、技师或其他人。“操作者指令”或“查看者指令”是从查看者输入的明确命令中获得的，诸如通过点击相机上的按钮或通过使用计算机鼠标或通过触摸屏或键盘输入。
在本公开的上下文中，短语“在信号通信中”指示两个或更多个设备和/或部件能够经由在某种类型的信号路径之上行进的信号彼此通信。信号通信可以是有线或无线的。信号可以是通信、电力、数据或能量信号。信号路径可以包括第一设备和/或部件与第二设备和/或部件之间的物理、电、磁、电磁、光、有线和/或无线连接。信号路径还可以包括第一设备和/或部件与第二设备和/或部件之间的附加设备和/或部件。
如本文使用的术语“集合”是指非空集合，因为集合的元素或成员的收集的概念在初等数学中被广泛理解。除非另有明确说明，否则术语“子集”或“部分子集”在本文中用于指代非空的适当子集，即具有一个或多个成员的较大集合的子集。对于集合S，子集可以包括完整的集合S。然而，集合S的“适当子集”严格地包含在集合S中，并且排除集合S的至少一个成员。
在本公开的上下文中，“表面数据”可以包括以点云、多边形网格或者其他表面表示或图像形式的表面轮廓表征。表面数据可以包括表面轮廓的视图——诸如在数据采集期间由成像系统主动装配的动态生长的表面轮廓，并且可以包括表示表面轮廓的降低分辨率成像。表面数据可以替代地作为细化步骤的部分生成，这是附加数据采集或计算的结果。技术人员通常需要高分辨率的表面数据来准确设计修复器具。根据本公开的实施例，表面数据可以包括从获取的3D扫描数据导出的2D表面信息。优选地，表面数据在用于计算颜色矢量的空间分辨角度分布的同一坐标系内定义，如随后更详细描述的。
颜色矢量的角度分布描述了将角度坐标与对应的颜色矢量相关的映射，其中角度坐标取决于照明方向、观察方向和表面法线，并且颜色矢量表示标准颜色空间中的值，诸如RGB、CIELab XYZ(由国际照明委员会定义)或可见光谱。根据本公开的实施例，颜色矢量的角度分布可以由BRDF(双向反射分布函数)结构或BRDF快照来表示。
在本公开的上下文中，短语“颜色矢量的空间分辨角度分布”描述了具有空间变化的颜色矢量的角度分布。空间变化用于使牙齿在其表面之上的光学响应的变化参数化。
颜色矢量的空间分辨角度分布是使空间坐标与颜色矢量的对应角度分布相关的函数。该函数用于将来自表面数据的一个或多个点的空间坐标与颜色矢量的对应角度分布相关联。颜色矢量的空间分辨角度分布可以随着空间坐标的变化而提供颜色矢量的对应角度分布的连续或离散变化。
在一个实施例中，使用单个数据采集来生成表面数据和颜色矢量的空间分辨角度分布二者。根据数据采集，可能生成以动态生长的表面轮廓形式的表面数据或作为细化步骤的部分的表面数据。数据采集的相同部分或另一子集用于获得颜色矢量的空间分辨角度分布。因为使用了独特的数据采集，所以用于表面数据和用于颜色矢量的空间分辨角度分布的基础坐标系将可能是相同的。对用户的益处是更好的体验，其中患者口中的扫描与屏幕上的查看完全分离，这需要在生成报告和结束病例之前的用户关注。
在另一个实施例中，颜色矢量的空间分辨角度分布是从与表面数据分离的数据采集中获得的。第一次数据采集可以提供表面数据，并且第二次扫描采集可以提供用于确定色度的颜色矢量的空间分辨角度分布。事实上，人员可能不需要在第一次数据采集的整个表面上收集色度数据。通常色度准确性对于在微笑期间可见的门牙和犬齿很重要。获取在臼齿上或牙齿舌侧上的色度数据是更加可选的。通过单独地获取色度，人员还可以在牙医扫描相关联牙齿以进行色度确定之前或之后请求牙齿编号。因为扫描是分离的，所以扫描仪的起始位置可能不同，并且支持表面数据的基础坐标系和颜色矢量的空间分辨角度分布将可能不同。然而，颜色矢量的空间分辨角度分布也需要具有法线和颜色的点云或等效的3D表面数据，其可以通过缝合过程与来自第一次数据采集的表面数据相关。所获得的关系(通常是刚性变换矩阵)可以用于将来自表面数据的一个或多个点的空间坐标与颜色矢量的对应角度分布相关联。
在第三实施例中，第一数据采集将提供表面数据和颜色矢量的空间分辨角度分布二者，并且第二数据采集可以提供用于颜色矢量的空间分辨角度分布的附加数据。可能发生的情况是，在查看从第一次扫描获得的色度期间，用户不满意，并且想要扫描更多。如果用户在工作流程中回到第一次数据采集的状态，那么他也将获取更多的表面数据，这意味着重新生成最终表面的附加的细化时间。在一个实施例中，工作流程中的分离步骤被定义为在不改变表面数据的情况下更改包含在颜色矢量的空间分辨角度分布中的数据。不需要附加的细化，并且可以向用户示出从颜色矢量的空间分辨角度分布获得的色度的快速更新，直到他感到满意为止。
图1是示出根据本公开的实施例的用于3D扫描的成像装置90的示意图。通过患者14的口扫描相机16——典型地为手持式数字相机、彩色深度相机、手持式3D扫描仪或口腔内3D扫描仪，以获取包括反射图像和相关联深度信息的一组图像数据。与相机16进行信号通信的控制逻辑处理器80从相机16获得图像数据，处理反射图像以将颜色分配给相关联的深度信息，并计算与颜色相关联的深度信息到生长的表面轮廓上的放置。如果可以成功计算放置，则控制逻辑处理器80生成更新的生长的表面轮廓和色度标签92。控制逻辑处理器80将生长表面(通常提供为点云)组合，并且在与处理器80进行信号通信的显示器84上呈现该表面和结果所得的色度标签。
正如先面在背景部分中指出的，纹理表征不足以对牙齿的真实颜色色度化(colorshading)进行准确建模。这可以容易地在具有稍微不同照明的相同牙齿或色度选项卡的不同视图的并排比较中看到。
作为纹理表征的缺点之一，该纹理表征固有地未能计及照明和检测因素。牙齿或其他口腔内特征的准确颜色色度表征包括考虑表面几何结构和入射到牙齿上的照明角度。为了说明与形状相关的效果，图2示出了具有均匀反照率(即均匀的光学亮度响应)的朗伯球体，其中反射能量与入射能量之比是恒定的。然而，在外观上，亮度的强度轮廓随着表面法线相对于检测的余弦而减小。随着亮度减小，捕获到的颜色纹理相应地改变。然而，颜色色度是被扫描对象的材料的性质，并且其测量应该独立于照明/观察几何结构。
本公开的实施例利用了口腔内成像设备从口腔内成像设备从不同角度(如在图3中所示从成像相机16)获得相同特征(诸如牙齿的相同表面)的多个反射图像的能力。然后，从不同图像提取的组合的角度照明和反射信息可以用于更接近地表征每个成像牙齿或其他表面特征的颜色色度。
双向反射分布函数(BRDF)
双向反射分布函数(BRDF)提供了一种更准确地表征照明和观察在各种角度对颜色色度的影响的方式。使用该功能可以表征材料本身的颜色色度，同时减少因照明和检测角度的贡献而造成的混乱。关于单个颜色，利用扫描仪对材料进行表面表征的BRDF被表述为相关变量的函数：
其中
L是辐射率，每单位垂直面积、每单位立体角度的功率；
下标r涉及反射光；下标i涉及入射照明；
E为辐照度，每单位面积功率；
ωi是入射光方向；
ωr是反射光方向；
n是在给定点的局部曲面法线。
BRDF以反球面度sr-1为单位表述。图4A中示意性地示出了用于测量以获得表面上点的BRDF变量的基本几何结构。线h是ωj和ωr之间的半方向，随后更详细地描述。
单色表面数据的通用BRDF具有四个维度，每入射和反射光角度中的每一个具有两个维度(方位和顶点)。对于申请人的口腔内成像系统，应用两个约束：
(i)固定的照明和检测角度由口腔内相机16的设计规定；和
(ii)假设表面点的BRDF数据对于围绕法线的旋转不变。
单色表面数据的BRDF数据可以通过从颜色表面数据中单独地考虑每个颜色通道而扩展到颜色表面数据的BRDF颜色数据。在一个实施例中，颜色矢量的角度分布被表示为BRDF颜色数据，其中BRDF颜色数据一方面记录照明方向、反射方向和表面法线之间的对应关系，并且另一方面记录获取的颜色矢量。
在本公开的实施例中，BRDF数据由二维RGB图像表示。
图4B在左侧示出了角度几何结构，并且在右侧以示意形式示出了BRDF二维“切片”的内容，其在本公开中称为BRDF结构。二维结构是具有四个维度的通用BRDF的区段的已知表示。在本公开的上下文中，由于申请人的口腔内成像系统的固定照明/传感器对称性，BRDF结构表示对应于颜色色度的BRDF信息。
图4B中在左侧的角度定义是从半方向h和表面法线n获得的。顶角θ和方位角提供了表面法线n相对于半方向h的极坐标。角度的起源和方向可以相对于输入方向(ωj，ωf)任意选择，但是贯穿扫描必须与扫描仪坐标系一致。
二维BRDF结构定义为半方向或半角度h，其表示入射光方向ωj的照明光轴和反射光方向ωr的检测器光轴之间的中间矢量，如图4A中所示。在4B图形表示中，水平轴表示在0至90度范围之内表面法线n和半方向h之间的顶角θ，其中0度取向位于最左侧。垂直轴表示在0到360度范围之内表面法线n和半方向h之间的方位角。这种类型的映射布置包括在呈现中标准贡献的位置，诸如镜面反射峰、逆反射和漫射光。
镜面反射通常是当观察者相对于表面法线与照明相反时在金属表面上观察到的强烈明亮反射。镜面反射响应主要取决于表面抛光，但不影响用于铣削的块色度的选择。镜面反射响应通常使检测器饱和，从而损害二维切片区域中的色度测量值。当法线n和半方向h近似对准时，出现该镜面反射峰，如沿着图4B中2D BRDF映射的左侧所示。
漫射响应是在大部分切片之上的顶角θ和方位角的宽范围之内测量的。掠射逆反射是在狭窄的角度范围之内测量的，其中入射ωi、反射ωr和半方向h接近对准，如手持件几何结构约束所设计的，但是表面法线n相对于它们倾斜90°。当对物理性质建模时，掠射逆反射通常确定微刻面分布的类型，即在微观水平的表面粗糙度。这说明了表征表面外观的各种物理效应的角度分离。掠射逆反射示出相对于法线方向的掠射入射下的性质，这不是观察患者牙齿的自然方式。此外，深度信息以及因此表面法线在这样的几何结构中更难以标识和测量。
为了口腔内色度匹配，图4B的漫射区域映射是最感兴趣的。由于刚刚描述的原因，镜面反射和掠射逆反射光具有小得多的价值。
图4B中所示的BRDF结构中的单点P1表示在沿着表面轮廓的对应点处，对于与法线n的给定关系，在给定检测器方向ωr，在给定照明方向ωi，从照明产生的每个颜色的BRDF值fr(ωi,ωr,n)。
与分配的颜色相关联的深度信息由相机在扫描仪坐标系中测量，这与扫描仪在公共坐标系中的放置无关。在扫描仪坐标系中，入射光和反射光方向是恒定的，使得方向ωi、ωr、h是恒定的，并且仅局部表面法线n取决于相关联的深度信息。在扫描仪坐标系中，相关联的深度信息提供给定点的局部表面法线n。局部表面法线n和指定的颜色用于计算该点的BRDF值。以下章节描述了如何可以将相机获取的BRDF值组织到公共坐标系中，在该公共坐标系中定义生长的表面轮廓。
表面数据和颜色分配
参照图1的成像装置90，相机16获取包括反射图像和相关联深度信息的一组图像数据。控制逻辑处理器80处理图像数据，以提供具有局部色度指示的表面轮廓。
在实施例中，反射图像可以被组合以形成彩色图像，其中颜色通道的数量是三个或更多个。与颜色通道的数量相匹配的维度的颜色矢量可以用于存储在组合彩色图像中的颜色值。在实施例中，传感器是单色的，并且需要用在不同中心波长下的照明进行多次曝光。在另一个实施例中，颜色值存储在RGB颜色矢量中。可以交替使用其他等效的3D颜色空间。例如，对于颜色距离，使用CIELab 3D颜色空间可能是有利的，该CIELab 3D颜色空间被设计成根据眼睛的灵敏度提供视觉上统一的颜色距离。在另一个实施例中，如果获取了具有四个或更多个中心波长的颜色通道的光谱，则对应的颜色值被存储在颜色矢量中。
在实施例中，相关联的深度信息也通过使用结构化照明处理反射图像来获得，如以下共同转让的美国专利中描述的：题为“3D intraoral measurements using opticalmultiline method”的美国专利号9,295,532B2和题为“3D intraoral measurementsusing optical multiline method”的美国专利号9,349,182B2，二者均属于Milch并且所述美国专利两者特此以其全部内容并入本文中。在另一个实施例中，可以使用包括但不限于以下任何一种的技术来获得相关联的深度信息：使用投影图案的三角测量、使用共焦几何结构的距焦点的深度、或者主动或被动立体摄影测量术。
在实践中，反射图像和相关联的深度信息是尽可能快地获取的，以便在生成图像数据时，在相机曝光序列期间最小化扫描仪位移。在该过程之后，相关联的深度信息可以与来自反射图像(也称为距离图像)的像素位置相关，并且颜色可以被分配给距离图像。来自距离图像的像素数据可以转换为3D点坐标。
用于更新生长的表面轮廓的扫描仪取向
使用与从图像数据中导出的颜色相关联的深度信息来构建连续增强或生长的表面轮廓。具有法线和颜色的点云为采集期间的点云开发提供了合适的灵活性(快速点插入、删除)；然而，彩色/纹理表面网格通常在显示器84(图1)上显示给用户。
点云或网格数据结构可以等效地用于表示3D表面。具有法线和颜色的点云可以从彩色/纹理网格中提取，诸如通过使用来自网格的顶点及它们的平均三角形法线和顶点颜色，从而丢弃三角形数据。可以使用算法从具有法线和颜色的点云生成具有颜色的网格，所述算法诸如在Kazhdan,M.与Hoppe的“Screened Poisson Surface Reconstruction”在《ACM Transactions on Graphics》,32(3),1-13,(2013))中描述的，或者使用Vrip的变体从具有法线和颜色的点云生成具有颜色的网格，如Brian Curless和Marc Levoy在“AVolumetric Method for Building Complex Models fromRange Images”，《Proceedings of SIGGRAPH96》中描述的，适于将具有法线和颜色数据的点云、而不是来自原始算法的距离图像作为输入。不失一般性，术语“表面轮廓”可以等效地使用“表面网格”或“表面点云”来表示。表面轮廓成像领域中的技术人员已知点云和网格之间的转换。
根据实施例，网格和点云结构二者可以用于生成显示在显示器上的表面轮廓。具有法线和颜色的点云是动态结构，组合了来自所有输入缝合图像数据的信息。彩色网格可以从低分辨率下的点云生成，作为用于显示的临时结构。彩色网格可以在每次更新的情况下被重新生成，以便与具有颜色和法线的准确点云同步。
与颜色相关联的深度信息可以转换为具有颜色的表面轮廓。表面轮廓的每个点的法线信息可以使用计算机图形学中公知的技术来估计，诸如例如在pointclouds.org网站在documentation/tutorials/normal_estimation.php下描述的那些技术。在查询点处，定义点的局部邻域。使用点的局部邻域来计算协方差矩阵。协方差矩阵C具有以下形式：
其中k是局部邻域中的点数量，pi值是点坐标，并且是距局部邻域中的点的平均点位置。该正方形、对称的3×3矩阵可以提供特征矢量和相关联的特征值。如果使用椭圆体执行点的局部邻域的最小二乘拟合，则椭圆体轴将是特征矢量，并且轴长度将与对应的特征值相关。协方差矩阵的最小特征值表示最短椭圆体轴，并且相关联的特征矢量给出局部法线的方向。如果需要，则可以翻转局部法线的方向，以匹配从扫描仪的观察方向。该局部法线然后被分配给查询点，这允许具有法线和颜色的表面轮廓的计算。
缝合过程
将表面轮廓与来自获取的图像数据的法线和颜色缝合到生长的表面轮廓上的过程具有以下一般步骤：(i)为具有来自图像数据的法线和颜色的表面轮廓以及为生长的表面轮廓估计一组特征描述符；(ii)使用两组特征描述符执行特征匹配，以生成相对放置和分数；(iii)基于分数接受或拒绝相对放置；(iv)使用迭代最近点算法来细化相对放置，并且生成距离度量；以及(v)基于生成的距离度量接受或拒绝相对放置。这些步骤的详细信息如下：
(i)用于表面轮廓的特征描述符表示对刚性变换(旋转/平移)不变的局部表面描述。例如，可以为具有法线的表面轮廓的每个查询点计算快速点特征直方图(FPFH)。这例如在Rusu,R.B.的论文“Semantic 3D Object Maps for Everyday Manipulation in HumanLiving Environments”，pp.57-61(2009年8月17日)中描述。可以使用其他描述符，所述描述符也包括来自点云的颜色信息。
(ii)来自具有法线的移动表面轮廓的一组特征描述符到来自具有法线的目标表面轮廓的一组特征描述符之间的特征匹配牵涉到在特征描述符之间的对应关系生成。FPFH特征描述符是直方图，并且距离可以被定义为两个特征描述符之间的直方图差的范数。对应关系被定义为从一个特征描述符到另一组特征描述符的最小距离。然后，特征匹配牵涉到选择一组对应关系来生成相对放置。该步骤通常使用随机样本一致性(RANSAC)算法来执行，该随机样本一致性(RANSAC)算法包括随机选择三个对应关系来计算候选相对变换，然后计算与该候选相对变换一致的对应关系的数量。对应关系由两个特征描述符形成，一个来自移动的点云，并且一个来自具有法线的目标点云。每个特征描述符对应于查询点。如果使用候选相对变换移动的移动查询点在距离目标查询点的预定义距离内，则对应关系与候选相对变换一致。具有最高数量的一致对应关系的候选相对变换成为最终的相对放置。分数指示最终相对放置的质量，并且可以是一致对应关系的对应数量。
(iii)在分数低于预定阈值的情况下，可以拒绝相对放置。在这种情况下，缝合是不可能的，并且图像数据被丢弃。
(iv)使用迭代最近点(ICP)算法对相对放置的细化通过在相对放置应用于移动表面轮廓时找到最近的匹配来定义移动表面轮廓与目标表面轮廓之间的点对应关系。匹配之间的最小二乘距离最小化提供了相对放置的更新。然后重复点对应关系的选择和相对放置的更新，直到收敛为止或者直到已经达到预定义的迭代次数为止。距离度量可以是用于最小二乘距离最小化的成本函数值，其对应于最终更新的相对放置。
(v)如果距离度量低于预定阈值，则可以拒绝更新的相对放置。在这种情况下，缝合是不可能的，并且图像数据被丢弃。否则，缝合成功。
如果缝合成功，则具有来自图像数据的法线和颜色的表面轮廓到生长的表面轮廓的最终相对放置是已知的。这为所有具有法线和颜色的计算的表面轮廓产生了公共坐标系，向该公共坐标系中可以添加、更新、合并或删除点，以便创建生长的表面轮廓。还存在扫描仪的原始坐标系，它对应于图像数据的轴，就像最初在执行缝合之前获取的那样。在第一图像数据采集期间，通常相对于扫描仪的任意取向来定义公共坐标系。
获取和使用用于口腔内成像的BRDF的序列
图5的逻辑流程图示出了根据本公开的实施例的用于获取和使用BRDF结构以改进颜色色度标识和显示的序列。在采集和处理步骤S510中，利用来自所获取的图像数据的法线和颜色信息，获得作为点云或网格的表面轮廓图像。颜色校正步骤S520在图像数据的采集期间(在缝合之前)，使用对于每个颜色通道的fr(ωi，ωr，n)并使用扫描仪坐标系中的照明方向ωi和检测器方向ωr，将来自点云的颜色转换成BRDF颜色数据。步骤S520可以延期到稍后阶段，但是为了产生BRDF值而立即的颜色校正允许在处理流水线中的早期对颜色进行更好的归一化，使得经校正的颜色变得更准确地表示牙齿材料，并且更少地依赖于照明/检测几何结构。使用该方法，生成的所有后续数据结构都受益于经校正的颜色值。
来自表面轮廓的每个标识点至少包含空间3D位置、法线矢量和颜色矢量(通常是RGB颜色)。缝合步骤S530定义表面轮廓从获取的图像数据到“生长的”表面轮廓的坐标系中的相对位置，即，表面轮廓被主动生成。在成功缝合时，可以获得生长的表面轮廓坐标系中的空间点位置。
空间变化的BRDF(SVBRDF)使用空间分辨的BRDF，它将点位置信息添加到分布函数中。可以通过使用规则的BRDF网格结构来表示SVBRDF，该规则的BRDF网格结构在与生长的表面轮廓相同的坐标系中定义。网格单元尺寸(体素尺寸)通常是期望的空间色度分辨率，当使用口腔内扫描仪时，通常在1mm和20mm之间变化。牙科技师或执业医生通常将一个牙齿分离成一到三个色度，因此使用典型的5mm网格单元尺寸来达到该空间分辨率。在缝合之后的点位置提供了BRDF网格结构中的坐标。对应的BRDF网格单元包含要更新的BRDF结构。
在扫描期间在各种观察/测量几何结构之下，围绕具有法线方向n的给定点对上面引入的通用BRDF函数fr(ωi,ωr,n)进行采样。每个样本是上面引入的BRDF值之一，并且那些值可以存储在与BRDF函数相同维度的BRDF结构中。对于申请人的系统，BRDF结构是二维图像，如先前所指出的。对来自一点的BRDF的更新是通过以下方式进行的：扫描仪坐标系中的点位置和点法线被用于计算BRDF结构中的角度坐标。对应的像素存储校正颜色的加权和连同该像素的总权重。通过将校正颜色的加权和除以总权重，可以在任何时间获得该像素的平均BRDF颜色。一个像素表示BRDF函数的角度范围。
对应于一点的权重表示测量中的相对置信度。默认权重可以是1，并且可以根据例如点位置中的相对不确定性、点法线方向上的不确定性或来自匹配标准的不确定性来减小。例如，法线方向上的不确定性可以从在最小特征值与第二最小特征值之间的比率来计算。如果比率接近1，则两个特征值相似，并且法线的选择不明确。在预定义阈值、例如0.5以上，该点的对应权重可以减小。类似地，利用距离度量的估计完成缝合，该距离度量可以与预定义的阈值进行比较，以最终减小该视图中所有点的权重。
选择像素大小，使得角度范围类似于点云的法线估计中的角度噪声。典型地，每个像素表示沿着每个轴的5到20度的角度变化。在该2D图像中，水平轴和垂直轴分别表示表面法线和半方向之间的顶角和方位角。
存在更复杂的模型，诸如双向表面散射反射分布函数(BSSRDF)或双向纹理函数(BTF)或双向散射分布函数(BSDF)。这些模型中的每一个示出了扫描对象的各种性质。由那些函数建模的物理性质可以表示反射、散射和/或遮蔽或掩蔽。这些分布函数共享相同的共同原理、即颜色矢量的角度分辨率作为入射光和反射光方向的函数。本文使用的术语“BRDF”可以指代这些相似的角度分辨的双向分布函数，其表征了沿着表面的不同点处的光相互作用。
图4B中在右侧示意性示出的2D BRDF数据结构存储BRDF的颜色数据。替代地，可以存储对应表面性质的模型，其具有用于反射以及透射、散射和遮蔽的值分布。这些替代的数据结构可以表述参数，所述参数可以被调整以匹配在给定的入射和输出角度下观察到的光的颜色。
可以使用表示特定BRDF函数的替代表示，前提是数据点之间的BRDF距离可以定义为度量。对于在本文定义的像素位置处采样BRDF函数的BRDF结构，可以通过使用下面描述的BRDF距离来获得默认距离。
例如，BRDF的替代表示可以是解析表述，诸如在计算机呈现应用中流行的Torrance-Sparrow BRDF、Cook-Torrance BRDF、the Phong BRDF。BRDF模型的更详细列表可以在由R.Montes和C.Urena在来自格拉纳达大学的技术报告LSI-2012-001中的“AnOverview of BRDF Models”中找到(通过引用并入本文)。该报告描述了具有自由参数的分析模型，所述自由参数被调整以匹配本公开中描述的BRDF值的观察。典型的调整方法牵涉到对在从扫描仪测量的BRDF值与从分析模型计算的BRDF值之间的剩余距离进行最小二乘最小化。
继续图5序列，轮廓形成步骤S540形成生长的表面轮廓的显示，包括相关联颜色色度的指示。对于每个BRDF结构，使用单独的BRDF库计算相关联的颜色色度。BRDF库是包含颜色色度值和相关联BRDF结构的集合。BRDF库的创建随后更详细地描述。
BRDF距离。
如图4B中所描绘的在一个点P1处对两个BRDF函数的评估给出了两个BRDF值。在本公开的上下文中，BRDF值也被称为颜色矢量。两个BRDF值之间的距离概念在下文中定义。两个BRDF函数之间的BRDF距离可以定义为在点P1所有准许位置之上的颜色距离的积分。换句话说，积分域覆盖了输入变量ωi和ωr的角度范围。
在BRDF数据结构是二维图像(类似于图4B中所示的BRDF结构)的情况下，其中每个像素存储颜色的加权和和总权重，BRDF快照可以被定义为具有平均颜色矢量(通过将每个像素值除以总权重获得)的2D图像。如果总权重为零或在预定义的阈值以下，则颜色的加权和可以被认为是不可靠的。在这种情况下，平均颜色矢量可以利用无效的颜色矢量替换，诸如RGB＝(-1.0，-1.0，-1.0)。
BRDF结构贯穿扫描持续时间积累信息。存储的信息表示对每个像素的贡献的总和。BRDF快照执行取平均(保持原始BRDF结构不改变)，并且具有短的生存期；其数据仅在它被生成时有效，即在BRDF距离计算期间。一旦来自后续图像数据的新3D点影响到BRDF结构，BRDF快照的平均值就可以被刷新。
在一般情况下，任何维度中的色差都可以表示为矢量差，诸如通过色差的计算范数。如果两个颜色矢量中的一个无效，如以上对于被认为不可靠的值所描述的，则颜色距离可以被设置为预定的距离值。两个BRDF快照之间的BRDF距离是所有对应像素的颜色距离的加权和。
来自该加权和的权重是从积分域之上颜色距离积分的离散化导出的。对于申请人的系统，在极坐标用于BRDF结构和BRDF快照的情况下，积分元素(用于权重)具有的形式，针对在每个像素中心的角度坐标进行评估。
BRDF快照还可以用于将颜色从原始BRDF结构(诸如RGB值)转换为更适合用于评估颜色距离的颜色空间(诸如成像领域中的技术人员熟悉的标准CIELAB颜色空间)。
对于给定的BRDF结构，来自BRDF库的相关联的颜色色度是与在来自给定BRDF结构的BRDF快照与来自BRDF库内部的相关联的BRDF结构的BRDF快照之间的最小距离相对应的色度值。
相关联的颜色色度是来自于出自BRDF网格的每个BRDF结构的BRDF库的色度值。
相关联的颜色色度的指示可以是对应于相关联颜色色度的标签。例如，标签可以是对应的文本，或者是表示来自BRDF库的相关联颜色色度的任意颜色。一般而言，“色度值的指示”是标识色度值的贴标签。可以为多个色度值提供这种类型的贴标签，例如通过组合多个文本标签或颜色标签。
作为示例，用于一个牙齿的颜色色度处方可以包括诸如“D2-A2-A3”的多于一个色度，根据特定的实践，它可以表示牙齿的上三分之一、中间三分之一和下三分之一。替代地，可以使用显示在表面数据上的文本标签来指示牙齿的色度值，其中每个色度值提供文本标签，该文本标签示出在来自表面数据的与用于确定色度值的颜色矢量的角度分布相对应的点处。
根据替代实施例，一个或多个色度值的指示可以包括显示在表面数据上的一个或多个颜色标签，其中每个色度值与颜色标签相关联，所述颜色标签示出在来自表面数据的与用于确定色度值的颜色矢量的角度分布相对应的点处。
生长的表面轮廓和BRDF网格在同一坐标系中。因为这，可以根据对应的表面位置显示相关联的颜色色度。如果针对标签使用颜色，则来自生长的表面轮廓的每个点在BRDF网格中都有对应的坐标，并且可以被分配来自BRDF库的与该坐标处的BRDF结构相关联的颜色色度的标签的颜色。这样，包含在一个BRDF单元中的所有显示表面都可以利用相同的颜色标签进行呈现。换句话说，生长的表面轮廓上的两个相邻点非常可能对应于BRDF网格中的相同单元(随后描述)。因此，这两点可以被分配相同的颜色标签。通过扩展，由BRDF结构剪裁的表面区域可以利用相同的颜色标签进行呈现。
如果针对标签使用文本，则文本标签相对于生长的表面轮廓的位置可能是同一坐标空间中BRDF单元的中心。它也可以是操作者选择的区域的中心。
下一个位置步骤S550重复该过程，移动到来自相机的下一组图像数据，以便在步骤S510处进行处理。
根据替代实施例，可以首先使用如最初获取的牙齿颜色来完成表面轮廓生成。获取BRDF数据，但不在初始表面轮廓生成期间应用BRDF数据。表面轮廓缝合之后，可以然后使用获取的BRDF数据进行色度匹配处理。对于该替代工作流程，步骤S540在下一个位置步骤S550及其对应的过程循环之后被有效地执行。
根据替代实施例，在常规的3D扫描过程之后执行色度匹配，使得色度数据被添加到现有的3D表面数据。然后，在常规3D扫描之后，开始使用角度信息进行色度匹配，或者可以为患者使用导入的3D扫描数据。然后，对照现有的表面轮廓，使用角度信息执行色度匹配的缝合。利用该序列，操作者可以将注意力集中在要治疗的特定的一个或多个牙齿上。例如，该过程允许仅为感兴趣的恢复区域提供BRDF数据采集和色度标签显示。在实践中，遵循相同的色度采集序列。初始BRDF数据结构为空，但表面轮廓为非空。
根据另一个替代实施例，例如，操作者可以诸如基于治疗计划选择针对其色度标签感兴趣的患者牙列的有限区域。在这种情况下，色度标签在显示表面上的呈现限于所选区域或限于距所选区域的预定义距离内。可以使用诸如计算机鼠标之类的指针、使用来自平板计算机的输入或者使用一些其他数字输入接口来执行选择。可以在3D扫描之前或之后进行选择。对于后者，在3D扫描过程期间，生成色度数据，但不显示在缝合的表面轮廓上。在操作者选择感兴趣的区域之后，色度匹配的结果可以与色度指示一起在所选区域上或在监视器屏幕上的单独区域上显示。
根据替代实施例，色度标签是对应于来自色度库的色度选项卡的一些文本。
来自扫描仪的图像数据流可以自动停止，诸如当在超时时段之后不再检测到有效信息时。操作者也可以停止图像数据，诸如通过将扫描仪重新放置回到支架中。为了停止扫描，可以感测到这些或类似的事件。然后，用户可以与显示的表面进行交互，使得应用显示、存储或传输最终的色度匹配的图像。在显示步骤S560中，最终的色度匹配的图像———其例如可以是颜色色度化的图像——包含显示的表面和相关联的颜色色度的指示。
形成BRDF库
图6的逻辑流程示出了形成在图5的过程中使用的BRDF库的步骤。在图5过程的步骤S540中，可以使用从牙科材料供应商处在市场上购得的常规色度选项卡的集合来生成BRDF库以用于对值进行匹配。例如，可以从Vita色度选项卡(诸如“A1”“A3.5”“D2”)或Vita Linearguide(诸如“2L1.5”或“3M2”)中获得常用色度值。
在选择步骤S610中，选择色度选项卡中的一个用于随后的处理。颜色色度关联步骤S620组合图5步骤S510、S520、S530和S550，所述步骤在色度选项卡的表面扫描期间被重复。在扫描完成时，计算参考BRDF步骤S630自动将来自扫描的多个BRDF结构组合成唯一的参考BRDF。步骤S630将色度选项卡与对所有参考色度选项卡共有的参考坐标系对准。步骤S630进一步自动选择一组单元并且将BRDF结构相加为单个BRDF结构，指定为该色度选项卡的参考BRDF。
BRDF库表示参考BRDF及其相关联色度标签的集合。BRDF库可以在制造时直接预先记录，并在扫描患者牙齿期间重复使用。执业医生也可以使用优选色度选项卡来生成BRDF库。执业医生简单地需使用3D扫描仪设备，并遵循本文概述的模型。这也允许牙医通过简单地扫描它们来构建色度的集合。测量系统的光学特性保持相同。存储在BRDF库中的参考BRDF可以是原始BRDF数据、BRDF结构或拟合模型的集合。参考BRDF可以是包含BRDF函数的一些单元的组合。
表面轮廓优选地在对所有色度选项卡共有的相似坐标系中对准。通过将生长的表面轮廓缝合到色度选项卡之一的固定参考表面上来执行对准。
来自集合的所有色度选项卡通常具有相似的表面轮廓，但是它们的外观示出渐变。
所选色度基于行业惯例。因此，将所有生长的表面轮廓对准到相似的坐标系中是重要的。这样，可以选择预定义区域中对应的BRDF单元，并且跨BRDF库具有一致的含义。
在实施例中，可以在创建色度库之前获取固定的参考表面。固定的参考表面可以手动对准，使得公共坐标系的轴(指定为Oz)在色度测量的期望位置处与固定参考表面相交。该期望位置通常由色度选项卡制造商定义。借助于示例，对于Vita Classical色度选项卡，期望的位置应该位于X标记115周围，如图9的示例中所示。
在实施例中，可以通过在扫描开始时扫描仪的初始放置来自动定义期望的位置。如较早前所提及的，表面轮廓生长期间的公共坐标系通常相对于采集第一图像数据期间的扫描仪的任意取向来定义。这样，当获取第一图像数据作为固定参考时，手动对准由扫描仪的位置控制。
参考BRDF定义为预定义区域中来自所选BRDF单元的所有BRDF结构的总和。总和是单独地通过所有颜色的加权总和以及总权重的逐像素累加来执行的。
大数统计法认为，收集更多的观察导致更准确的均值，即较小的标准偏差。在预定义区域中对BRDF结构进行逐像素累积的目的是为了在BRDF距离测量期间计算参考BRDF的BRDF快照时获得更准确的均值估计。
预定义区域可以是大约为2mm半径的球体，以参考表面上的预定义位置为中心。例如，预定义位置可以是(Oz)轴与参考表面的交点。存储步骤S640将每个BRDF参考和相关联标签存储在色度库中。决策步骤S650控制循环操作，用于系统地处理来自集合的色度选项卡的整个阵列。在测量结束时，生成并存储BRDF库。它然后可以在口腔内扫描开始之前被加载。
球体半径用于定义BRDF信息累积的界限。预定义区域的球体半径是基于色度选项卡之上色度外观的局部可变性来确定的。至少，从包含预定义位置的单元中选择单个BRDF结构。用于色度确定的传统工作流程通常为犬齿定义最多3个色度，其用条带表示；半径通常小于5mm，以保证色度的均匀性。
图7示出了一组色度选项卡94，其具有包含在BRDF库100中的对应BRDF参考结构。每个BRDF参考结构与也称为色度标签104(D2、D3、D4、C1、C2、C3等)的文本标签和/或与颜色标签112相关联。那些色度标签也可以压印或以其他方式记录在色度选项卡94的金属支撑上。
对于转换成CIELab值，获取来自白色标准的信号，白色标准定义为具有90％反射率的表面。等效地，为了避免检测器饱和，也可以使用来自18％反射率标准(N5灰度卡)的信号。然后将根据18％反射率标准的信号乘以5，以提供相当于白色标准的信号。可以在参考表面和色度库的色度选项卡的采集之前执行反射率标准的采集(在图6中的序列中，在步骤S610之前)。来自反射率标准的信号可以存储在色度库内部。来自反射率标准的数据然后可用于色度采集，并且还可用于实际牙齿扫描，因为色度库已加载到计算机存储器中。
在实践中，通过扫描反射率标准的表面，也可以使用3D扫描仪获取反射率标准的数据。在已经完成步骤S510至S560之后，已经创建了BRDF网格。来自BRDF网格的所有BRDF结构都可以组合成累积的BRDF结构，其然后被转换成BRDF快照。来自该BRDF快照的平均颜色矢量提供了平均反射率标准颜色矢量，其可以用于转换成CIELab颜色空间。颜色矢量可以包括具有包含可见波长的波长的光谱。在本公开的上下文中，可见波长位于360与830nm之间的范围中。
使用反射率标准颜色矢量将颜色矢量转换为CIELab值是已知的过程，其可以总结如下：
(1)将来自校正的颜色矢量的每个颜色分量除以反射率标准颜色矢量的颜色分量，
(2)将该归一化颜色矢量转换成三色XYZ值，以及
(3)将三色XYZ值转换成CIELab颜色。
反射率标准的扫描可以提供更复杂的反射率标准数据。在一个实施例中，直接记录反射率标准的平均BRDF结构，而不是简单的平均反射率标准颜色矢量。当完成此时，当将来自BRDF快照中的颜色矢量转换为CIELab颜色时，来自反射率标准的BRDF快照的对应像素可以用于颜色矢量归一化。该技术可以帮助计及反射率标准的反射率的角度变化。在实践中，扫描仪的扩展光源、非理想照明光谱(因为光源不是D65)可能引入微小的角度变化。
在另一个实施例中，反射率标准的扫描提供空间分辨的颜色数据。特别地，空间分辨率可以用扫描仪的坐标系来表述。这允许测量跨视场的照明和检测的变化。它可以表示为3D网格，与扫描仪的坐标系对准，其中X/Y轴表示成像平面，并且Z轴表示扫描仪的主光轴。使用反射率标准颜色矢量的空间分辨轮廓允许颜色矢量跨视场的更正确归一化。这有助于生成变得独立于视场中表面位置的更多CIELab颜色。
BRDF网格结构
图8是示出同一坐标系中多个元素的图解；由单元72组成的3D BRDF网格30限定了包含由色度选项卡94表示的3D生长的表面轮廓的空间分区。每个单元72包含BRDF结构70，该BRDF结构70由扫描期间该时间处的相关联BRDF快照表示。每个单元72对应于牙齿表面的小部分，诸如由单个1mm3部分截取的表面。在缝合步骤S530(图5)期间，在具有法线和颜色的点云被缝合到3D生长的表面轮廓上时，来自对应于BRDF单元72的点云的那些具有颜色和法线的点与该单元中的BRDF数据结构70相组合。如果必要，则扩展BRDF网格30，使得所有缝合点都落在有效的BRDF单元72中。然后，来自点云的所有点被组合成生长的表面轮廓，该生长的表面轮廓在显示器上被更新。
更新每个单元72中的BRDF结构需要以下内容：
(i)对应于分区的牙齿区域的法线参数。
(ii)照明的入射方向ωi。
(iii)检测光的反射方向ωr。
(iv)在公知的颜色空间中的颜色矢量，诸如RGB、CIE Lab或其他合适的颜色空间。颜色通道的数量可以多于3个。
对于由照明的入射方向ωi、检测光的反射方向ωr和局部表面法线n组成的给定几何结构，BRDF结构存储角度分布，其中角度分布的每个元素(像素)存储所有颜色矢量的加权和以及对应总权重。因此，对于给定的几何结构，BRDF结构可以用于计算平均颜色矢量，所述平均颜色矢量存储在BRDF快照中。
在颜色矢量加权和中和对应总权重中使用的权重可以与如先前描述的获取的3D点的置信度(或质量)水平相关，这表示对3D点位置、表面法线或颜色的准确性的可变信任水平。此外，权重还可以随着可以包括以下各项的因素而变化：(1)饱和区域(镜面圆锥)的减小，因为精确的点位置变得不确定，(2)随着局部法线远离入射光或测量角度倾斜而减小，(3)如果局部邻域中的法线一致，则增加。
照明方向ωi、反射方向ωr和法线n的几何结构可以被编码到单元72中BRDF结构中的2D角度坐标中。2D图像结构用于表示BRDF结构的角度范围。每个像素包含颜色矢量的加权和以及相关联的总权重。
牙齿区域的结果得到数据结构可能不完整，因为扫描仪在测量序列中的定位可能无法探索所有各种角度组合。在采集序列开始时，BRDF距离主要由默认颜色距离驱动。随着在扫描期间在BRDF结构中积累附加的数据，BRDF快照包含更多有效的颜色值，并且来自色度库的色度的标识变得越来越精确。计算可以使用最小阈值距离，在该最小阈值距离以下，来自步骤S540的相关联的颜色色度可能无效；在这种情况下，没有为表面的该区域显示色度标签。这防止了在扫描开始时相关联的颜色色度的非常快速改变。当在BRDF结构的像素中已经积累了足够的取向时，色度看起来是有意义的。根据实施例，BRDF距离可以用DeltaE单位来表述，DeltaE单位是CIELab颜色空间中颜色距离的标准度量。假设50％的牙科执业医生可以视觉检测到3DeltaE(3ΔE)的差异。最大距离的阈值(在该阈值以下，相关联的颜色色度无效)然后可以被设置为3DeltaE或类似的值(通常在大约1DeltaE和8DeltaE之间)。
BRDF数据可以存储在存储器中，或者可以根据需要从口腔内相机和扫描装置生成。图8提供了数据结构的一种可视化，该数据结构可以用于积累和组织BRDF数据，该BRDF数据针对由步骤S540产生的牙齿来获取。可以领会的是，这样的数据结构本身不需要对操作者可见。
频繁地，来自图像数据的镜面反射饱和值，意味着相关联的深度信息对于对应于镜面反射的区域没有有效的数据。在缝合表面轮廓的其余部分之后，在对应的BRDF结构中没有用于计算坐标的点，并且因此没有法线。在相关联的深度信息仍然可用的情况下，接近镜面反射区域的外部界限，深度信息频繁地在该区域中被错误地估计。这意味着法线可能非常有噪声。即使深度信息有效，也可能发生来自图像数据的反射图像饱和的情况。发生饱和是因为传感器的动态范围不够。拒绝那些错误的测量比将它们存储在BRDF结构中更好。可以通过在点法线和半方向的余弦上设置拒绝阈值来实现拒绝(例如，如果在0.98以上，则拒绝)。如果来自具有颜色和法线的点云的点的颜色接近相机的饱和值(例如，如果针对达到255的相机范围，所有颜色通道都在值250以上)，则另一个实施方式将拒绝在BRDF结构中存储。从色度选项卡90获得的参考BRDF可以被存储，例如作为BRDF库的元素，如先前参考图6的逻辑流程图所描述的。
本公开的实施例在步骤S520处将标准BRDF关系调整为如下：
其中k是常数项，前提是照明是常数，并且扫描器几何结构保持不变；值Epix是测量的辐照度(即，与相机像素值成比例，针对特定颜色通道的观察颜色)；ωi和n的点积给出了局部法线和照明方向之间的余弦角；并且r2项是从扫描仪部件到表面位置的二次距离。当将原始点云颜色转换为经校正的颜色时，可以使用以上公式。该公式从本公开中先前给出的通用定义fr(ωi，ωr，n)导出。二次距离项是由于立体角随距离的变化所致的校正。来自点积的余弦校正来自fr(ωi，ωr，n)的原始定义中的分母。该颜色校正可以单独地应用于每个颜色通道。
两个BRDF结构之间距离的改进测量可以使用由固定数量的参数定义的基础模型。M.Langovoy等人的论文给出了可能的实现：“Novel metric for analysis,interpretation and visualization of BRDF data”，《ACM Transaction on SpatialAlgorithms and Systems》(2014)。(参见等式(8)或(15)，作为度量的示例)。这暗示通过优化参数然后计算那些模型之间的距离，将记录的2D BRDF结构拟合到模型上。
因此，当前公开的实施例在所有方面都被认为是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求书来指示，并且在其等同物的含义和范围内的所有改变都旨在包含在其中。
图9示出了具有色度指示的表面轮廓，其中表面轮廓对应于色度选项卡。示出了用于构建BRDF库的参考位置115的典型位置，连同将文本标签116和颜色标签112用于检测的色度的色度指示的示例。示出了生长的表面轮廓114的部分。图9表示来自步骤S540的3D表面轮廓的可能表示110连同用于所标识的颜色色度的标签。对于BRDF网格的每个单元，每个BRDF结构可以提供一个色度值。如果成功标识了色度值，则利用与该色度值相关联的标签112来呈现对应空间区域中的表面。例如，来自Vita色度选项卡的A2色度可以使用浅绿色来呈现，这是其任意预定义的颜色标签。
BRDF网格导致标签在具有标签的3D表面表示上的空间变化。如果由于最小的BRDF距离大于预定的距离阈值而导致色度值的确定不成功，则表面不利用任何标签来呈现，并且因此保留其彩色网格或纹理网格114的原始外观，因为颜色或纹理独立于BRDF色度库。在该示例中，彩色网格114的原始外观是由于该金属表面不对应于BRDF库中存在的任何类似材料的事实而产生的。
根据本公开的实施例，图1的口腔内成像装置90获取3D牙齿表面表示并获取颜色矢量的空间分辨角度分布，其中颜色矢量的空间分辨角度分布将来自表面数据的一个或多个点位置与颜色矢量的对应角度分布相关联。处理器80获得牙齿表面表示，并利用处理逻辑指令编程以标识一个或多个色度值，其中通过将颜色矢量的角度分布与颜色矢量的一组参考角度分布进行比较而使每个色度值与来自颜色矢量的空间分辨角度分布的颜色矢量的一个角度分布相关联，其中该组中的每个参考角度分布与对应的色度值相关联。显示器84然后显示3D牙齿表面表示，并显示所标识的色度值的指示。
与一个实施例一致，本发明利用具有存储指令的计算机程序，所述存储指令控制系统功能以用于图像采集和对图像数据的图像数据处理，所述图像数据从电子存储器存储和访问。如图像处理领域的技术人员可以领会的，本发明的实施例的计算机程序可以由合适的通用计算机系统利用，诸如充当图像处理器的个人计算机或工作站，当设有合适的软件程序时，使得处理器操作来获取、处理、传输、存储和显示如本文中描述的数据。许多其他类型的计算机系统架构可以用于执行本发明的计算机程序，例如包括联网处理器的布置。
用于执行本发明的方法的计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。该介质可以包括例如；磁存储介质，诸如磁盘，诸如硬盘驱动器或可移除设备或磁带；光学存储介质，诸如光盘、光学带或机器可读光学编码；固态电子存储设备，诸如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)；或被采用来存储计算机程序的任何其他物理设备或介质。用于执行本发明的方法的计算机程序也可以存储在计算机可读存储介质上，该计算机可读存储介质借助于互联网或者其他网络或通信介质连接到图像处理器。图像数据处理领域的技术人员将进一步容易地认识到，这样的计算机程序产品的等同物也可以用硬件来构造。
注意到，在本公开的上下文中等同于“计算机可访问的存储器”的术语“存储器”可以指代用于存储图像数据并对其进行操作并且可由包括数据库在内的计算机系统访问的任何类型的临时或更持久的数据存储工作空间。存储器可以是非易失性的，其例如使用诸如磁或光存储装置之类的长期存储介质。替代地，存储器可以更具易失性性质，使用电子电路，诸如由微处理器或其他控制逻辑处理器设备用作临时缓冲器或工作空间的随机存取存储器(RAM)。例如，显示数据通常存储在与显示设备直接相关联的临时存储缓冲器中，并且根据需要周期性地刷新以便提供显示数据。该临时存储缓冲器也可以被认为是存储器，当该术语在本公开中使用时。存储器还用作用于执行和存储计算和其他处理的中间和最终结果的数据工作空间。计算机可访问存储器可以是易失性的、非易失性的，或者是易失性和非易失性类型的混合组合。
理解到，本发明的计算机程序产品可以利用各种公知的图像处理算法和过程。将进一步理解到，本发明的计算机程序产品实施例可以体现本文未具体示出或描述的对实现有用的算法和过程。这样的算法和过程可以包括图像处理领域普通技术范围内的常规实用程序。此类算法和系统以及用于产生和以其他方式处理图像或与本发明的计算机程序产品协作的硬件和/或软件的附加方面在本文中没有具体示出或描述，并且可以从本领域已知的此类算法、系统、硬件、部件和元件中选择。
已经详细描述了本发明，并且可能已经特别参考合适的或当前优选的实施例描述了本发明，但是将理解到，在本发明的精神和范围内可以进行变化和修改。因此，当前公开的实施例在所有方面中都被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求书来指示，并且在其等同物的含义和范围内的所有改变都旨在包含在其中。

Claims (22)

1.一种用于口腔内3D扫描的方法，包括：
a)使用口腔内扫描仪获得3D牙齿表面表示，其中3D牙齿表面表示包括表面数据和颜色矢量的空间分辨角度分布，其中颜色矢量的空间分辨角度分布包括来自表面数据的多个点位置中的每一个的颜色矢量的角度分布，其中每一个的颜色矢量的角度分布是表征光相互作用和颜色矢量的函数；
b)将多个点位置中的至少一个的颜色矢量的角度分布与颜色矢量的一组参考角度分布进行比较，以标识多个点位置中的至少一个的色度值，其中每个色度值与来自颜色矢量的空间分辨角度分布的颜色矢量的角度分布相关联，其中该组中的每个参考角度分布是表征光相互作用的函数并与对应的色度值相关联；和
c)显示、存储或传输具有为多个点位置中的至少一个标识的色度值的指示的表面数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，角度分布包括入射照明方向、反射光方向、表面法线和牙齿表面上的位置中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，颜色矢量包括红色、绿色和蓝色颜色数据值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，颜色矢量包括CIELab颜色数据值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，颜色矢量包括具有覆盖可见波长的波长的光谱。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，颜色矢量的参考角度分布和相关联的色度值是从一组牙齿色度选项卡的测量中获取的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，颜色矢量的角度分布包括双向反射分布函数值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，颜色矢量的角度分布包括空间变化的双向反射分布函数值(BRDF)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，颜色矢量的角度分布包括双向表面散射反射分布函数(BSSRDF)或双向散射分布函数值(BSDF)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，3D牙齿表面表示包括点云或三角形网格或表面样条。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所标识的色度值中的一个或多个是文本标签或颜色编码标签或牙齿表面之上色度变化的空间轮廓。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个色度值对应于牙齿表面的上三分之一、中间三分之一或下三分之一中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，将颜色矢量的至少一个角度分布中的每一个与颜色矢量的所述一组参考角度分布进行比较包括计算两个颜色矢量之间的颜色距离。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，标识一个或多个色度值是在3D牙齿表面表示上的所有牙齿表面上执行的。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，标识一个或多个色度值是在3D牙齿表面表示内的所选区域上执行的。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，表面数据在数据采集期间获得，或者作为细化步骤的部分来生成。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，表面数据和颜色矢量的空间分辨角度分布是从相同的数据采集中获得的。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，表面数据和颜色矢量的空间分辨角度分布是从分离的数据采集中获得的。
19.根据权利要求1所述的方法，进一步包括从反射率标准获得扫描信号，其中扫描信号提供颜色矢量或双向反射分布函数(BRDF)结构。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，扫描信号在口腔内扫描仪的视场之上被空间分辨。
21.一种用于口腔内3D扫描的方法，包括：
使用口腔内扫描仪获得3D牙齿表面表示，其中3D牙齿表面表示包括表面数据和颜色矢量的空间分辨角度分布，其中颜色矢量的空间分辨角度分布包括照明方向、反射光方向和3D牙齿表面表示上的多个点中的每个点的表面法线；
对于所述多个点中的一个或多个点，根据颜色矢量的对应空间分辨角度分布将来自一组预定义颜色色度的颜色色度相关联；和
显示、存储或传输牙齿表面表示的至少一部分与相关联颜色色度中的一个或多个的标识。
22.一种口腔内成像装置，包括：
图像捕获装置，其获取3D牙齿表面表示并且获取颜色矢量的空间分辨角度分布，其中颜色矢量的空间分辨角度分布包括来自3D牙齿表面表示的多个点位置中的每一个的颜色矢量的角度分布，其中每一个的颜色矢量的角度分布是表征光相互作用和颜色矢量的函数；
处理器，其获得牙齿表面表示，并且其利用处理逻辑指令被编程以标识多个点位置中的至少一个的色度值，其中将多个点位置中的至少一个的颜色矢量的角度分布与颜色矢量的一组参考角度分布进行比较而使每个色度值与来自颜色矢量的空间分辨角度分布的颜色矢量的一个角度分布相关联，其中所述组中的每个参考角度分布是表征光相互作用的函数并与对应的色度值相关联；和
显示器，其显示3D牙齿表面表示并显示所标识的色度值的指示。
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