CN114404084A - 一种扫描装置及扫描方法 - Google Patents

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CN114404084A CN202210073728.1A CN202210073728A CN114404084A CN 114404084 A CN114404084 A CN 114404084A CN 202210073728 A CN202210073728 A CN 202210073728A CN 114404084 A CN114404084 A CN 114404084A
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孙玉春
陈虎
王勇
柯怡芳
翟文茹
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    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C9/00—Impression cups, i.e. impression trays; Impression methods
    • A61C9/004—Means or methods for taking digitized impressions
    • A61C9/0046—Data acquisition means or methods
    • A61C9/0053—Optical means or methods, e.g. scanning the teeth by a laser or light beam

Abstract

本发明公开了一种扫描装置及扫描方法，涉及口腔医学技术领域，包括：图像采集模块、参数标定模块、图像处理模块；图像采集模块包括双目视觉测量装置、反射镜组和扫描杆，双目视觉测量装置用于拍摄投射光栅覆盖的扫描杆表面、反射镜组、口内牙槽嵴和牙齿的图像；反射镜组包括至少一块镜面，且镜面尺寸不相同，分别用于探测左右牙弓的颊侧、舌侧/腭侧、口底/上颚；参数标定模块，用于标定双目视觉测量装置；图像处理模块，基于标定将双目视觉测量装置的坐标系进行统一后，进行稠密三维重建。本发明在通过识别标志点的方式确定扫描体的位置，且可直接获取牙槽嵴黏膜数据进行拼接，一次扫描即可准确获取无牙颌多牙种植数字印模。

Description

一种扫描装置及扫描方法
技术领域
本发明涉及口腔医学技术领域，尤其涉及一种扫描装置及扫描方法。
背景技术
目前主流口内三维扫描系统的基本原理是通过小面积单视场扫描数据的连续重叠拼接得到扫描对象的全部表面数据。根据软件算法，每英寸要进行数万或数十万次测量，才能将二维图像拼接成物体三维形状。但是，口内扫描仪单次扫描面积小，连续多牙扫描时软件拼接次数过多，效率低误差大。单纯三维拼接运算量很大，扫描操作易出错中断，且累计误差较大。实际患者口内环境比较复杂，医生在扫描过程通常需要将探测器在口内调整多个角度和位置才能扫描到完整的数据。同时，牙列缺损和牙列缺失患者由于缺乏牙作为拼接特征，只有相对平坦的黏膜形态，数据拼接难度高，一直是口扫应用的难区。
因此，提出一种扫描装置及扫描方法，解决现有技术中存在的问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种扫描装置及扫描方法，通过识别标志点的方式确定扫描体的位置，且可直接获取牙槽嵴黏膜数据进行拼接，一次扫描即可准确获取牙列缺失或牙列缺损多牙种植数字印模。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种扫描装置，包括：图像采集模块、参数标定模块、图像处理模块；
所述图像采集模块包括双目视觉测量装置、反射镜组和扫描杆，所述双目视觉测量装置用于拍摄投射光栅覆盖的所述扫描杆表面、所述反射镜组、口内牙槽嵴和牙齿的图像；
所述反射镜组包括至少一块镜面，且所述镜面尺寸不相同，分别用于探测左右牙弓的颊侧、舌侧/腭侧、口底/上颚；
所述参数标定模块，用于标定所述双目视觉测量装置；
所述图像处理模块，基于标定将所述双目视觉测量装置的坐标系进行统一后，进行稠密三维重建。
可选的，所述双目视觉测量装置包括第一摄像机、第二摄像机和投影仪；
所述投影仪，用于向所述扫描杆表面、所述反射镜组、所述口内牙槽嵴和所述牙齿投射光栅；
所述第一摄像机和所述第二摄像机固定角度放置，用于获取投射光栅覆盖的所述扫描杆表面、所述反射镜组、口内牙槽嵴和牙齿的图像。
可选的，经标定后的所述第一摄像机和所述第二摄像机，获取所述扫描杆上的标志点以获取所述扫描杆位置信息，进行所述扫描杆三维重建，之后拍摄所述反射镜组中的相同场景，获取所述牙槽嵴黏膜立体图像。
可选的，所述参数标定模块，采用张正友平面模板法进行标定，所述第一摄像机和所述第二摄像机从不同角度同时拍摄不同角度摆放的标定板，所述标定板在多个位置通过平移运动、旋转运动，以确定所述第一摄像机和所述第二摄像机的相互位置。
可选的，所述左右牙弓的颊侧对应的扫描杆上设有标志点。
可选的，进行所述稠密三维重建采用的算法为Semi-Global Matching。
一种扫描方法，应用上述的一种扫描装置，
将所述反射镜组放入口内，经标定后，所述投影仪向所述扫描杆表面、所述反射镜组、所述口内牙槽嵴和所述牙齿投射光栅，所述第一摄像机和所述第二摄像机拍摄所述扫描杆表面、所述反射镜组、所述口内牙槽嵴和所述牙齿的图像；根据标定关系，采用Semi-Global Matching算法进行所述稠密三维重建。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种扫描装置及扫描方法：在通过识别标志点的方式确定扫描体的位置，且可通过反光镜直接获取牙槽嵴黏膜数据进行拼接，一次扫描即可准确获取牙列缺失或牙列缺损多牙种植数字印模。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明反射镜组的主视图；
图2为本发明反射镜组的口内相对位置图；
图3本发明含标志点的扫描杆；
图4为本发明双目立体视觉成像原理图；
图5为标定板示意图；
图6为系统标定过程中拍摄标定板图像，6a第二摄像机拍摄图像；6b第一摄像机拍摄图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种扫描装置，包括：图像采集模块、参数标定模块、图像处理模块；
图像采集模块包括双目视觉测量装置、反射镜组和扫描杆，双目视觉测量装置用于拍摄投射光栅覆盖的扫描杆表面、反射镜组、口内牙槽嵴和牙齿的图像；
反射镜组包括至少一块镜面，且镜面尺寸不相同，分别用于探测左右牙弓的颊侧、舌侧/腭侧、口底/上颚；
参数标定模块，用于标定所述双目视觉测量装置；
图像处理模块，基于标定将双目视觉测量装置的坐标系进行统一后，进行稠密三维重建。
在一个具体实施例中，参照图1和图2所示，反射镜组其中一个镜面的示意图，以及该镜面在口内的相对位置。
在一个具体实施例中，参照图3所示为左右牙弓的颊侧对应的扫描杆上设有标志点。
进一步的，扫描杆可为为六边体的形态或其他形态。
在一个具体实施例中，双目视觉测量装置包括第一摄像机、第二摄像机和投影仪；
投影仪，用于向扫描杆表面、反射镜组、口内牙槽嵴和牙齿投射光栅；
第一摄像机和第二摄像机固定角度放置，用于获取投射光栅覆盖的扫描杆表面、反射镜组、口内牙槽嵴和牙齿的图像。
进一步的，参数标定模块，用于确定双目视觉测量装置第一摄像机、第二摄像机和投影仪相对位姿关系；
在一个具体实施例中，经标定后的第一摄像机和第二摄像机，获取扫描杆上的标志点以获取扫描杆位置信息，进行扫描杆三维重建，之后拍摄反射镜组中的相同场景，获取牙槽嵴黏膜立体图像。
在一个具体实施例中，参数标定模块，采用张正友平面模板法进行标定，第一摄像机和第二摄像机从不同角度同时拍摄不同角度摆放的标定板，标定板在多个位置通过平移运动、旋转运动，以确定第一摄像机和第二摄像机的相互位置，以及确定三维坐标系中反射镜组中牙槽嵴黏膜表面的点与该点在图像平面上点之间的对应关系。
在一个具体实施例中，进行所述稠密三维重建采用的算法为Semi-GlobalMatching。
在一个具体实施例中，参照图4可知，双目立体视觉成像原理：因为使用双目系统所拍摄的是两幅同一场景中的不同角度的图像，所以可以将其模型看成是由两个单目模型组成的。图4中表示为空间一点在双目系统中的成像模型。其中，点P为空间中任一点，S为第一摄像机，S’为第二摄像机。用p观察点P，p是点P在S像平面上的点，可以知道，点S、P、p这三个点必定在一条直线上，但是，p点的位置并不是确定的，因此，由p的位置，只能知道点P在S和p的连线上，P点的深度不确定。如果用S、S’同时观察点P，同理点P也在S’、p'、P三点的连线上，那么就可以确定出P点的位置，为射线Sp和射线S’p’的交点。
在一个具体实施例中，参照图5所示，参数标定模块中，采用张正友平面模板法进行标定。本系统中第一摄像机和第二摄像机构成双目视觉测量系统，第一摄像机和第二摄像机分别与投影模块组成单目结构光测量系统S、S’。本系统将双目视觉测量系统和单目结构光测量系统S的坐标系建立在第一摄像机上，单目结构光测量系统S’的坐标系建立在第二摄像机上。双目视觉测量系统记录的轨迹数据和单目结构光测量系统S获取的点云数据在同一坐标系下，且对系统S获取数据进行坐标变换，使本系统测量数据统一建立在左相机，自动实现两数据的配准。
双目视觉标定就是确定二维投影图像坐标与三维世界坐标之间的关系，包括相机内部的光学几何参数(内参数)以及描述相机间空间位置关系的参数(结构参数)。相机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵R与平移向量t来描述。因此，空间中某一点P在世界坐标系与相机坐标系下的齐次坐标如果分别是(XW，YW，ZW，1)T与(XC，YC，ZC，1)T，两者存在如下关系：
Figure BDA0003483063540000061
其中，R为3x3正交单位矩阵，t为三维平移向量，M1为4×4矩阵。空间任一点在两个相机中分别成像，得到该点在两个图像中的对应坐标，在知道旋转矩阵R和平移向量t的条件下，利用映射关系建立以该点的世界坐标为未知数的四个线性方程，可以用最小二乘法求解得该点的世界坐标。
采用四个角点的棋盘格平面作为标定板，如图6所示。采用以同心圆为基础的靶标，同心圆之间的距离已知，如图5所示。标定过程中，摄像机从不同视角对标定板进行拍摄，通过提取同心圆来确定其空间点位置，利用空间位置来解算摄像机的内外参数和畸变参数。
通过这样的方法，能够对于摄像机获取的扫描杆表面图像进行坐标转换，根据投影仪、反射镜组、摄像机坐标系的相对位置关系，将获取的扫描杆表面三维数据统一到世界坐标系，从而使扫描杆三维数据能够应用于口腔修复。
本发明还公开了本发明还公开了一种扫描方法，应用上述的一种扫描装置，将所述反射镜组放入口内，经标定后，所述投影仪向所述扫描杆表面、所述反射镜组、所述口内牙槽嵴和所述牙齿投射光栅，所述第一摄像机和所述第二摄像机拍摄所述扫描杆表面、所述反射镜组、所述口内牙槽嵴和所述牙齿的图像；根据标定关系，采用Semi-GlobalMatching算法进行所述稠密三维重建。
在一个具体实施例中，扫描方法包括以下步骤：
打开软件，标记扫描杆牙位；
双目视觉系统根据标定板标定；
标定完成后，扫描口内扫描杆的标志点和部分牙槽嵴黏膜形态；
将反光板放入口内，反射出牙槽嵴黏膜形态，并扫描；
软件中反光镜提供牙槽嵴黏膜数据，与口内扫描杆位置相匹配，重建完整牙列缺失或牙列缺损多牙种植数字印模。
对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种扫描装置，其特征在于，包括：图像采集模块、参数标定模块、图像处理模块；
所述图像采集模块包括双目视觉测量装置、反射镜组和扫描杆，所述双目视觉测量装置用于拍摄投射光栅覆盖的所述扫描杆表面、所述反射镜组、口内牙槽嵴和牙齿的图像；
所述反射镜组包括至少一块镜面，且所述镜面尺寸不相同，分别用于探测左右牙弓的颊侧、舌侧/腭侧、口底/上颚；
所述参数标定模块，用于标定所述双目视觉测量装置；
所述图像处理模块，基于标定将所述双目视觉测量装置的坐标系进行统一后，进行稠密三维重建。
2.根据权利要求1所述的一种扫描装置，其特征在于，
所述双目视觉测量装置包括第一摄像机、第二摄像机和投影仪；
所述投影仪，用于向所述扫描杆表面、所述反射镜组、所述口内牙槽嵴和所述牙齿投射光栅；
所述第一摄像机和所述第二摄像机固定角度放置，用于获取投射光栅覆盖的所述扫描杆表面、所述反射镜组、口内牙槽嵴和牙齿的图像。
3.根据权利要求2所述的一种扫描装置，其特征在于，
所述光栅为面光栅条纹图案。
4.根据权利要求2所述的一种扫描装置，其特征在于，
经标定后的所述第一摄像机和所述第二摄像机，获取所述扫描杆上的标志点以获取所述扫描杆位置信息，进行所述扫描杆三维重建，之后拍摄所述反射镜组中的相同场景，获取所述牙槽嵴黏膜立体图像。
5.根据权利要求2所述的一种扫描装置，其特征在于，
所述参数标定模块，采用张正友平面模板法进行标定，所述第一摄像机和所述第二摄像机从不同角度同时拍摄不同角度摆放的标定板，所述标定板在多个位置通过平移运动、旋转运动，以确定所述第一摄像机和所述第二摄像机的相互位置。
6.根据权利要求1所述的一种扫描装置，其特征在于，
所述左右牙弓的颊侧对应的扫描杆上设有标志点。
7.根据权利要求1所述的一种扫描装置，其特征在于，
进行所述稠密三维重建采用的算法为Semi-Global Matching。
8.一种扫描方法，其特征在于，应用所述权利要求1-6任一项所述的一种扫描装置，
将所述反射镜组放入口内，经标定后，所述投影仪向所述扫描杆表面、所述反射镜组、所述口内牙槽嵴和所述牙齿投射光栅，所述第一摄像机和所述第二摄像机拍摄所述扫描杆表面、所述反射镜组、所述口内牙槽嵴和所述牙齿的图像；
根据标定关系，采用Semi-Global Matching算法进行所述稠密三维重建。
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