CN114423375A - 三维牙科扫描系统及扫描方法 - Google Patents

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CN114423375A CN202080065891.2A CN202080065891A CN114423375A CN 114423375 A CN114423375 A CN 114423375A CN 202080065891 A CN202080065891 A CN 202080065891A CN 114423375 A CN114423375 A CN 114423375A
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Abstract

一种用于扫描牙科对象(D)的三维(3D)牙科对象扫描系统(1)，包括：扫描表面(124a)，其用于支撑牙科对象(D)；扫描部分(130)，其用于捕获牙科对象(D)的3D扫描；运动部分(120)，其用于使扫描表面(124a)和扫描部分(130)在五个运动轴上相对于彼此移动，同时将扫描表面(124a)保持在基本水平的平面中；以及控制单元(140)，其被配置为控制运动部分(120)和扫描部分(130)以获得牙科对象(D)的3D扫描。

Description

三维牙科扫描系统及扫描方法
领域
本发明涉及一种用于扫描牙科对象的三维牙科扫描系统，以及扫描牙科对象的方法。
背景
对于各种各样的应用，需要准确地捕获患者口腔内结构(即，牙齿和牙龈)的三维(3D)模型。例如，此类3D模型可用于生产牙科假体和植入物，其中实验室将使用计算机辅助设计(CAD)软件基于3D模型设计此类假体，并且然后随后制造假体或植入物。因此，非常希望捕获的3D模型准确地反映患者的口腔内结构，以便任何制造的假体或植入物都恰好适合患者。
在典型的工作流程中，牙医将在牙科手术中获取患者的口腔内结构的牙印模(dental impression)。这是通过将印模材料放入患者口中来实现的，然后患者咬住印模材料并使其变形，从而产生口腔内结构的负面印记(negative imprint)。然后可以将印模投递到牙科实验室。牙科实验室将根据印模铸造模型。然后可以将铸造的模型夹入牙科扫描仪中，随后铸造的模型相对于扫描头移动以捕获模型。
困难在于牙印模可能在运输或储存过程中(例如由于温度变化)变形，从而影响最终铸造的模型和捕获的3D模型的准确性。此外，铸造模型的过程可能会导致印模变形。
进一步的困难在于3D扫描仪倾向于使用预编程的运动路径以试图完全覆盖扫描对象。但是，对象的区域可能会丢失，并且操作员必须手动添加扫描以覆盖丢失的区域。这可能需要进行训练来以相对的准确性执行。
在另一个典型的工作流程中，口腔内3D扫描仪在牙科手术中被放置在患者的口腔中，并在患者口腔周围移动以捕获3D模型。然而，这样的设备非常昂贵，并且可能缺乏准确性。
本公开的目的是克服上述困难，以及从本文的描述中对本领域技术人员来说显而易见的任何其他困难。本公开的另一个目的是提供一种成本有效且准确的3D扫描仪，用于扫描牙科对象，诸如牙印模，该3D扫描仪不需要专业技能或培训即可操作。
概述
根据本发明，提供了如在所附权利要求中阐述的装置和方法。根据从属权利要求和下面的描述，本发明的其它特征将是明显的。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于扫描牙科对象的三维(3D)牙科扫描系统，包括：
扫描表面，其被配置为支撑牙科对象；
扫描部分，其被配置为捕获牙科对象的3D扫描；以及
运动部分，其被配置为使扫描表面和扫描部分在五个运动轴上相对于彼此移动，同时将扫描表面保持在基本水平的平面中。
该系统可以包括控制单元，该控制单元被配置为控制运动部分和扫描部分以获得牙科对象的3D扫描。
控制单元可以被配置为：
识别牙科对象的以低于预定细节级别(detail level)的细节级别被捕获的点云的区域；
识别用于捕获所识别的区域的扫描位置；以及
控制运动部分移动扫描表面和扫描部分，以扫描所识别的区域。
控制单元可以被配置为对点云进行表面化(surface)以产生3D模型，并且对表面化的模型进行均匀采样以生成均匀采样的点云。控制单元可以被配置为：识别点云中到均匀采样点云中每个点的最近点，并且响应于均匀采样点云中的一个点与所识别的最近点之间的距离超过阈值距离，将均匀采样的点云中的该点标记为低于预定细节级别。
控制单元可以被配置为确定每个标记点的最佳观看位置。最佳观看位置可以基于扫描部分的最佳焦距。最佳观看位置可以基于从标记点延伸的法线。控制单元可以被配置为验证每个最佳观看位置以确定在从扫描部分观看时标记点不会被遮挡。
控制单元可以被配置为确定最佳观看位置被遮挡，并且调整最佳观看位置以到达未遮挡位置。可以通过调整法线的角度来调整最佳观看位置。可以通过沿法线调整位置来调整最佳观看位置。可以迭代地调整最佳观看位置，直到到达未遮挡位置。控制单元可以被配置为根据从每个最佳观看位置可见的标记点的数量对每个最佳观看位置进行排序。
控制单元可以被配置为迭代地识别牙科对象的以低于预定细节级别的细节级别捕获的点云的区域；识别用于捕获所识别区域的扫描位置；并且控制运动部分移动扫描表面和扫描部分以扫描第二方面的识别区域可以迭代地执行。因此，牙科对象的点云可以是通过上文定义的步骤的先前迭代获得的点云。牙科对象的点云可以是初始点云并且可以通过预编程的扫描序列获得。
运动部分可以包括多个致动器，该多个致动器被配置为使扫描表面和扫描部分相对于彼此移动。控制单元可以被配置为控制多个致动器。
五个运动轴可以包括在第一水平方向上的平移，优选地是扫描表面在第一水平方向上的平移，该第一水平方向可以是X方向。运动部分可以包括第一线性致动器，该第一线性致动器被配置为在X方向上平移扫描表面。
五个运动轴可以包括在第二水平方向上的平移，优选地是扫描表面在第二水平方向上的平移。第二水平方向可以垂直于第一水平方向，并且可以是Y方向。运动部分可以包括第二线性致动器，该第二线性致动器被配置为在Y方向上平移扫描表面。第一线性致动器可以被配置为在X方向上平移第二线性致动器。
五个运动轴可以包括在竖直方向上的平移，优选地是扫描部分在竖直方向上的平移。竖直方向可以是Z方向。运动部分可以包括竖直线性致动器，该竖直线性致动器被配置为在Z方向上平移扫描部分。扫描部分能够沿竖直方向移动到与牙科对象和/或扫描表面基本相同的水平平面中的位置。竖直线性致动器的下端可以延伸到与牙科对象和/或扫描表面相同的水平平面处的位置或该水平平面下方的位置。
五个运动轴可以包括扫描表面的旋转。扫描表面的旋转可以围绕垂直于扫描表面平面的基本上竖直的轴进行。运动部分可以包括旋转致动器以旋转扫描表面。
五个运动轴可以包括扫描部分的倾斜。运动部分可以包括倾斜致动器，该倾斜致动器被配置为倾斜扫描部分。倾斜致动器可以被配置为改变扫描部分的间距。倾斜致动器可以被配置为使扫描部分围绕基本水平的轴倾斜。基本水平的轴可以设置在扫描部分的下方。
运动部分可以被配置为允许扫描部分相对于扫描表面的中心自由移动。多个致动器可以各自独立地致动。扫描表面和扫描部分也可以不保持固定关系，在适当情况下，该固定关系是扫描表面的中心保持在扫描部分的视野中心的关系。
扫描部分可以包括被配置为将结构化光图案投影到牙科对象上的投影仪。扫描部分可以包括一个相机，优选是两个相机。相机可以设置在同一水平平面上。
扫描部分可以包括被配置为将结构化光图案投影到牙科对象上的投影仪。扫描部分可以包括一个相机，优选是两个相机。两个相机中的第一相机和投影仪可以通过第一假想线连接。两个相机中的第二相机和投影仪可以通过第二假想线连接。第一假想线和第二假想线可以是非共线的。第一假想线和第二假想线可以是正交的。两个相机中的第一相机和投影仪可以布置在同一水平平面中。两个相机中的第二相机和投影仪可以布置在相同的竖直平面中。两个相机和投影仪可以被布置成假想的“L”形，投影仪位于“L”的顶点处。
扫描部分可以被配置为在第一相机和投影仪被激活的第一模式中操作。第一相机和投影仪可以形成具有在其间延伸的第一基线的立体对(stereo pair)。在第一模式中，投影仪可以投影出与第一基线正交的结构化光图案。第一模式在本文中可以被称为水平模式。第一基线可以是水平基线。
扫描部分可以被配置为在第二相机和投影仪被激活的第二模式中操作。第二相机和投影仪可以形成具有在其间延伸的第二基线的立体对。在第二模式中，投影仪可以投影出与第二基线正交的结构化光图案。第二模式在本文中可以被称为竖直模式。第二基线可以是竖直基线。
扫描部分可以被配置为在第一相机、第二相机和投影仪被激活的第三模式中操作。第一相机和第二相机可以形成具有在其间延伸的第三基线的立体对。在第三模式中，投影仪可以投影出与第三基线正交的结构化光图案。第三模式在本文中可以被称为对角线模式。第二基线可以是对角线基线。
扫描部分可以被配置为在三焦模式(trifocal mode)中操作，其中第一相机、第二相机和投影仪被激活，并且第一相机、第二相机和投影仪中的每一个形成一个光学中心。该系统可以被配置为确定三焦模式中的三焦张量。
扫描部分可以选择性地在水平模式和竖直模式中操作。
扫描装置可以包括外壳，该外壳包含扫描表面、扫描部分和运动部分。
扫描表面可以是基本上平坦的表面。扫描系统可以不包括用于将牙科对象固定到扫描表面的固定装置。
扫描表面可以包括高摩擦表面以在扫描表面运动期间将牙科对象保持在适当位置。
在一些示例中，系统的元件或其部分可以彼此远离地布置，并且通过合适的通信介质连接。例如，可以经由网络连接来连接这些元件或部分。网络连接可以包括局域网(LAN)、广域网(WAN)、租用线路或互联网中的一种或更多种。网络连接可以包括有线和/或无线链路。在其他示例中，这些元件可以通过有线通信协议(诸如USB链路或
Figure BDA0003553893760000051
链路)链接。
系统可以包括扫描装置和能够操作以控制扫描装置的控制设备。扫描装置可以包括扫描表面、扫描部分和运动部分。
根据本公开的第二方面，提供了一种三维(3D)扫描方法，包括使用如在第一方面中定义的3D牙科扫描系统来捕获牙科对象的3D扫描。
3D扫描方法可以包括：
识别牙科对象的以低于预定细节级别的细节级别被捕获的点云的区域；
识别用于捕获所识别的区域的扫描位置；以及
控制运动部分移动扫描表面和扫描部分，以扫描所识别的区域。
该方法可以包括对点云进行表面化以产生3D模型，并且对表面化模型进行均匀采样以生成均匀采样的点云。
该方法可以包括：
识别点云中到均匀采样点云中每个点的最近点，以及
如果均匀采样点云中的一个点与识别的最近点之间的距离超过阈值距离，则将均匀采样点云中的该点标记为低于预定细节级别。
该方法可以包括确定每个标记点的最佳观看位置。最佳观看位置可以基于扫描部分的最佳焦距。最佳观看位置可以基于从标记点延伸的法线。
该方法可以包括验证每个最佳观看位置以确定在从扫描部分观看时标记点不会被遮挡。该方法可以包括光线投射(ray-cast)。
该方法可以包括确定最佳观看位置被遮挡，并且调整最佳观看位置以到达未遮挡位置。可以通过调整法线的角度来调整最佳观看位置。可以通过沿法线调整位置来调整最佳观看位置。可以迭代地调整最佳观看位置，直到到达未遮挡位置。
该方法可以包括根据从每个最佳观看位置可见的标记点的数量对每个最佳观看位置进行排序。
第二方面的方法可以迭代地执行。因此，牙科对象的点云可以是通过该方法的先前迭代获得的点云。
牙科对象的点云可以是初始点云并且可以通过预编程的扫描序列获得。
根据本公开的第三方面，提供了一种三维扫描方法，包括：
在牙科对象的第一点云中识别要替换的区域；以及
用来自牙科对象的第二点云的相应区域修补要替换的区域。
第一点云和第二点云中的一个可以是牙印模的点云，并且第一点云和第二点云中的另一个可以是来自牙印模的铸件的点云。
该方法可以包括对第一点云进行表面化，并且对表面化的模型进行均匀采样以生成均匀采样的点云。
该方法可以包括：
识别第一点云中到均匀采样点云中每个点的最近点，以及
如果均匀采样点云中的一点与识别的最近点之间的距离超过阈值距离，则将均匀采样点云中的该点标记为要进行替换。
该方法可以包括反转第二点云并将其与第一点云对齐。
该方法可以包括对于印模点云的反转并对齐的点云中的每个点，确定均匀采样点云中的最近点。该方法可以包括，响应于确定的最近点是标记为要进行替换的点，将该点添加到临时点云。
该方法可以包括编辑临时点云以包括第二点云的相邻点。
该方法可以包括对临时点云进行聚类以形成多个补丁(patch)。该方法可以包括将每个补丁与第一点云对齐。
第三方面的方法可以由第一方面的三维(3D)牙科扫描系统执行。
根据本发明的第四方面，提供了一种包括指令的计算机可读存储介质，该指令在由计算机执行时使计算机执行本文定义的任何方法。计算机可读存储介质可以是有形的和/或非暂时的。
根据本发明的第五方面，提供了一种包括指令的计算机程序产品，当程序由计算机执行时，该指令使计算机执行本文定义的任何方法。
本发明还扩展到具有存储器和处理器的计算机设备，该处理器被配置为执行本文公开的任何方法。
附图简述
为了更好地理解本发明，并且为了展示本发明的示例如何实施，现在将仅通过示例的方式参考所附的示意图，其中：
图1是示例3D牙科扫描的示意性框图；
图2是3D牙科扫描仪的示例扫描装置的透视图；
图3是图2的示例扫描装置的透视图，其中部分外壳被移除以露出扫描仪的内部；
图4是图2-图3的示例扫描装置的平面剖视图；
图5是图2-图4的示例扫描装置的侧剖视图；
图6是通过使用中的示例扫描装置的门的侧视图；
图7是图1-图6的示例3D牙科扫描仪的第一示例扫描部分的透视图；
图8A和图8B是图1-图6的示例3D牙科扫描仪的第二示例扫描部分的透视图；
图9是第一示例扫描方法的示意性流程图；
图10是更详细地示出图9的第一示例扫描方法的示意性流程图；
图11是更详细地示出图9的第一示例扫描方法的示意性流程图；
图12是第二示例扫描方法的示意性流程图，以及
图13是更详细地示出图12的第二示例扫描方法的示意性流程图。
在附图中，对应的附图标记表示对应的部件。本领域技术人员将理解，图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大以帮助提高对各种示例实例的理解。此外，在商业上可行的示例中有用或必要的常见但易于理解的元件通常不会被描绘，以促进对这些不同示例实例的减少的遮挡的视图。
描述
总的来说，本公开的示例提供了一种用于扫描牙科对象的3D牙科扫描仪，其中扫描仪提供牙科对象和扫描部分之间的5个相对运动轴，同时将牙科对象保持在基本水平的平面中。因此，不需要夹子、夹具或其他固定机构来将牙科对象固定到位。这使得能够准确扫描在夹紧时会变形的牙科对象，诸如牙印模。
图1-图6示出了根据本公开示例的3D牙科扫描系统1。牙科扫描系统1包括扫描装置100和控制设备200。
图2-图5中详细示出了扫描装置100。扫描装置100包括外壳110，外壳110保持和支撑扫描装置100的其他部件。在所示的示例中，外壳110采用基本立方体壳体的形式，具有底壁111、顶壁112和四个基本竖直的侧壁113a-d。侧壁113的前壁113a包括门114以进入外壳110的内部。例如，门114可以是滑动门。
外壳110的尺寸可以是：底壁111和顶壁112之间的高度大约440mm，壁113b和113d之间大约580mm，以及壁113a和113c之间大约450mm。这些尺寸允许将扫描装置100(例如在牙科手术中)放置在桌面或工作表面上。
现在转向图3-图5，扫描装置100包括运动部分120。运动部分120可以包括多个致动器。
运动部分120包括第一线性致动器121。第一线性致动器121安装在底壁111上，并被配置为沿第一水平方向(以下称为X方向)运动。
运动部分120还包括安装在第一线性致动器121上的第二线性致动器122。因此，第一线性致动器121被配置为在X方向上平移第二线性致动器122。
板支撑元件123安装在第二线性致动器122上。板支撑元件123被配置为对板124进行支撑，这在图6中可以最佳地看到。板124限定了可以放置牙科对象D的扫描表面124a。板124可以采取基本上平坦的表面的形式，其在平面图中是圆形的并且设置在基本上水平的平面中。
在一个示例中，扫描表面124a包括高摩擦表面。例如，可以在扫描表面124a上设置防滑垫。高摩擦表面可以例如包括增加表面124a和放置在其上的牙科对象D之间的摩擦的脊、隆起或其他突起。因此，牙科对象D在表面124的运动期间保持在扫描表面124a上的定位。
第二线性致动器122被配置为在第二水平方向上移动板支撑元件123，从而移动板124。第二水平方向与第一水平方向垂直，并且在下文中称为Y方向。因此，第一线性致动器121和第二线性致动器122一起作用以在X方向和Y方向上水平平移板支撑元件123和板124。
此外，运动部分120包括旋转致动器125。旋转致动器125被配置为使板124绕竖直轴线V沿旋转方向R1旋转。该轴线例如可以穿过扫描表面124a的中心。
运动部分120还包括第三线性致动器126。第三线性致动器126竖直安装，例如安装在侧壁113d的内部。第三线性致动器126包括扫描部分安装部127，扫描部分130可以安装到该扫描部分安装部127。下文更详细地讨论了扫描部分130。第三线性致动器126被配置为在竖直方向上移动扫描部分安装部127，该竖直方向基本上垂直于X方向和Y方向。竖直方向在下文中可以被称为Z方向。
第三线性致动器126被配置为将扫描部分安装部127移动到一个位置，在该位置上扫描部分130与牙科对象D基本处于同一水平平面。例如，第三线性致动器126的下端可以终止于与板124的平面基本相同的水平平面，或者在板124的平面下方终止。这可以使扫描部分130能够在基本水平的方向上扫描，从而准确地捕获牙科对象D的侧面。
此外，运动部分120包括倾斜致动器(未示出)，该倾斜致动器被配置为倾斜扫描部分安装部127。因此，倾斜致动器被配置为改变扫描部分130的间距。特别地，如图5的虚线所示，扫描部分安装部127可以在第一位置和第二位置之间移动。在第一位置，扫描部分安装部127设置在与第三线性致动器126的平面基本平行的竖直平面中。在第二位置，扫描部分安装部127的顶部沿旋转方向R2旋转离开第三线性致动器126的平面。扫描部分安装部127因此被配置为围绕水平倾斜轴线T倾斜。在一个示例中，倾斜轴线T穿过扫描部分安装部127的底部。
因此，板124和扫描部分130被配置为在五个运动轴上进行相对移动：X方向、Y方向和Z方向上的平移、板124的旋转和扫描部分130的倾斜。
此外，板124和扫描部分130可以配置进行独立的相对运动。换言之，每个致动器可以被独立地致动。因此，板124和扫描部分130不保持固定关系，诸如板124(以及因此牙科对象D)的中心保持在扫描部分130的视野中心的关系。因此，相对于板124的中心具有移动自由度的扫描部分130允许扫描部分130移动到偏离板124的中心的位置。进而可以允许捕获感兴趣区域，而如果扫描部分130仅能够捕获以板124的中心为中心的图像，这些感兴趣区域本将无法被捕获。
应当理解，致动器可以包括用于平移或旋转板124或扫描部分130的任何合适的机构。例如，致动器可以包括驱动螺杆、活塞千斤顶或螺旋千斤顶。在一些示例中，致动器由电机驱动。在一些示例中，每个致动器由相应的电机驱动，尽管应当理解，在其他示例中，两个或更多个致动器可以由该电机驱动。
现在转到图7，详细示出了扫描部分130的示例。扫描部分130包括结构化光扫描仪，包括投影仪131和一对相机132、133。
投影仪131被配置为将结构化光图案投影到牙科对象D上。相机132、133设置在投影仪131上方。相机132、133设置在同一水平平面上。每个相机132、133与投影仪131等距设置。因此，相机132、133和投影仪131的镜头可以通过具有水平顶边的假想的倒三角形连接。相机132、133朝向彼此成角度，使得它们的焦点会聚。
返回图1，扫描装置还包括控制单元140。控制单元140被配置为控制扫描装置140的操作。例如，控制单元140被配置为控制运动单元120和扫描部分130以获得牙科对象的3D扫描。
控制单元140包括计算元件，诸如CPU(中央处理单元)、GPU(图形处理单元)或FPGA(现场可编程门阵列)。
扫描装置100还包括存储设备150。存储设备150可以暂时或永久地存储扫描装置100的操作所需的任何数据和/或指令。存储设备可以包括易失性和/或非易失性存储器，包括ROM、RAM、EEPROM、固态驱动器和硬盘驱动器。
在一个示例中，控制单元140和存储设备150可以包括在微型PC 141中。控制单元140和存储设备也可以包括在微控制器(例如
Figure BDA0003553893760000121
)中。例如，微型PC 141可以控制扫描部分130，以及向微控制器发送控制指令，微控制器进而控制运动部分130的运动。
扫描装置100还可以包括通信接口160。通信接口160被配置为发送和接收来自控制设备200的数据和指令。例如，通信接口160包括网络接口，诸如有线或无线网络接口。在其他示例中，通信接口160可以包括串行连接、USB连接或任何其他合适的数据传输机制。
再次返回图1，控制设备200包括控制单元210、存储设备220、通信接口230和用户界面240。控制单元210包括计算元件，诸如CPU(中央处理单元)、GPU(图形处理单元)或FPGA(现场可编程门阵列)。存储设备220可以暂时或永久地存储控制设备200的操作所需的任何数据和/或指令。存储设备可以包括易失性和/或非易失性存储器，包括ROM、RAM、EEPROM、固态驱动器和硬盘驱动器。
通信接口230被配置为发送和接收来自扫描装置100的数据和指令。例如，通信接口230包括网络接口，诸如有线或无线网络接口。在其他示例中，通信接口230可以包括串行连接、USB连接或任何其他合适的数据传输机制。
用户界面240可以采用允许用户向扫描装置100输入控制指令和/或查看从扫描得到的结果模型的任何合适的输入和输出设备的形式。例如，用户界面240可以包括监视器或其他屏幕、键盘、鼠标和触摸屏界面中的一个或更多个。控制设备200可以采用台式计算机或膝上型计算机的形式。
在使用中，扫描装置100的门114被打开，并且诸如铸造的模型或牙印模的牙科对象D被放置在板124上。然后例如由用户经由用户界面240进行适当的用户输入来启动牙科对象的扫描例程。
随后，控制器140控制运动部分120和扫描部分130，使得它们移动到期望的扫描位置，在该位置处，牙科对象的期望部分在期望的视角对扫描部分130是可见的。
运动部分120可以通过激活线性致动器121或122来在X方向或Y方向上平移板124。运动部分120也可以使用旋转致动器125来旋转板124。此外，运动部分120可以使用线性致动器123在Z方向上平移扫描部分130，并且可以使用倾斜致动器使扫描部分130倾斜。
一旦运动部分120已经将板124和扫描部分130移动到期望的扫描位置，投影仪131将光图案投影到牙科对象上，并且由相机132、133中的一个或两个捕获图像。
根据结构化光扫描技术，从捕获的图像或多个图像中导出3D点云。应当理解，从捕获的图像导出3D点云的部分过程可以由控制器140执行，进一步的处理由控制器210执行。
控制运动部分120以将牙科对象D和扫描部分130定位到期望的扫描位置的过程可以重复多次，以便从多个期望的扫描位置捕获模型的扫描。从不同扫描位置导出的点云可以被组合以形成牙科对象D的点云。下文中关于图9和图10更详细地讨论了在其中捕获并组合多个扫描的示例扫描方法。
因此，运动部分120和扫描部分130可以在5个运动轴上相对于彼此移动。这允许扫描部分130从非常宽范围的位置捕获扫描，因此提供具有高细节的宽覆盖扫描。此外，可以在不需要将牙科对象D夹持或以其他方式固定到板124的情况下捕获扫描。
图8A和图8B示出了第二示例扫描部分1130。与扫描部分130一样，扫描部分1130包括投影仪1131和一对相机1132、1133。两个相机中的第一相机1132和投影仪1131布置在同一水平平面中。两个相机中的第二相机1133和投影仪1131布置在同一竖直平面中。因此，两个相机1132、1133和投影仪1131的镜头被布置成假想的“L”形。
扫描部分1130被配置为在第一模式下操作，在本文中可以将该第一模式称为水平模式，其中使用相机1132和投影仪1131进行扫描。因此，第一相机1132和投影仪1131形成立体对，水平基线在该立体对间延伸。在水平模式中，投影仪1131可以投影出与水平基线正交的结构化光图案(例如，一系列线)。
扫描部分1130还被配置为在第二模式下操作，在本文中可以将该第二模式称为竖直模式，其中相机1133和投影仪1131用于扫描。因此，第二相机1133和投影仪1131形成立体对，竖直基线在该立体对间延伸。在竖直模式中，投影仪1131可以投影出与竖直基线正交的结构化光图案(例如，一系列线)。
扫描部分1130还被配置为在第三模式下操作，在本文中可以将该第三模式称为对角线模式，其中第一相机1132和第二相机1133都用于扫描。在该模式中，第一相机1132和第二相机1133形成立体对，该立体对具有在其间延伸的对角线基线。投影仪1131投影出与对角线基线正交的结构化光图案。
在一个示例中，扫描部分1130被配置为在三焦模式下操作。在该模式中，第一相机1132、第二相机1133和投影仪1131中的每一个形成一个光学中心，而不是利用具有两个光学中心的立体扫描对。在三焦扫描模式中，不是计算基于两个图像的基本矩阵(也称为双焦张量)，而是计算三焦张量，以表示从所有三个光学中心捕获的图像之间的点对应关系。例如，可以按照下文中阐述的方式计算三焦张量：Richard Hartley和Andrew Zisserman(2003)，“Online Chapter:Trifocal Tensor”(PDF)，Multiple View Geometry incomputer vision，剑桥大学出版社，ISBN 978-0-521-54051-3，其内容通过引用明确并入本文。
在使用中，控制器140控制扫描部分1130以选择性地在竖直模式或水平模式中操作。这允许扫描装置100准确地扫描牙科模型中的——如果使用扫描部分130进行扫描——本来会被遮挡的区域，从而提高扫描的覆盖范围和3D模型的准确性。
应当理解，扫描部分1130是一个示例配置，其中连接第一相机1132和投影仪1131的第一假想线和连接第二相机1133和投影仪1131的第二假想线是非共线的。在示例扫描部分1130中，第一假想线和第二假想线是正交的，其中第一假想线是基本上水平的。然而，在进一步的示例中，扫描部分可以以第一假想线和第二假想线非共线的其他方式配置。例如，线之间的角度可以是锐角或钝角。此外，假想线不必与水平平面和/或竖直平面重合。
图9是示例扫描方法的流程图。该扫描方法生成一系列扫描位置，以提供牙科对象的高覆盖率扫描。
在步骤S901中，分析牙科对象的输入点云，并且识别对象区域，该对象区域以低于预定足够细节级别的细节级别被扫描。在步骤S902中，确定用于捕获该识别区域的扫描位置。在步骤S903中，运动部分120和扫描部130移动到该扫描位置以捕获该识别区域。
图10更详细地示出了步骤S901的过程。在第一步骤S1001中，输入点云被表面化。这是基于点云中的点重新构建牙科对象的3D表面的过程。例如，泊松(Poisson)表面化算法用于从3D模型生成表面。这会产生表面化的网格。
随后，在步骤S1002中，对表面化的网格进行等距采样，以便生成均匀采样点云。在一个示例中，采样距离是0.5mm。距离可以变化，较小的距离以牺牲处理速度为代价提高准确性。
随后，在步骤S1003中，针对均匀采样点云中的每个点，识别输入点云中的最近点。
随后，在步骤S1004中，如果均匀采样点云中的点与识别的最近点之间的距离超过阈值距离，则表明输入点云的该区域没有足够详细地被捕获。每个超过阈值的点都会(例如通过改变点的颜色)被标记。
例如，阈值可以是0.3mm，尽管以与采样距离类似的方式，可以采用更小或更大的距离。
可选地，如果输入点云中的最近点距离相对较大(例如超过10mm)，则可以从均匀采样的点云中移除该点。如此大的距离可以表示均匀采样点云的一个区域，在该区域中，模型的表面化不准确，因此不应使用该区域。
在一个示例中，牙科模型可以包括不可扫描区域，例如具有黑色或高反射部分的区域。均匀采样点云的与不可扫描区域相对应的区域在输入点云中将不会有接近的对应点。因此，为了避免重复尝试扫描不可扫描区域，维护已经从其中获得牙科对象扫描的每个先前扫描位置的列表。从这些先前扫描位置中的每一个进行光线投射，以查看先前的视图是否应该已经捕获了看不见的点。如果光线投射指示看不见的点从先前的扫描位置可见，则可以确定该点是不可扫描的点。在一些示例中，当存在本应捕获该点但没有捕获该点的预定数量的先前视图(例如2个)时，可以确定该点是不可扫描的。这避免了丢弃仅在一个视图中由于异常反射而无法扫描的点。
图11更详细地示出了步骤S902的过程。在第一步骤S1101中，对于给定的标记点，确定最佳观看位置。在一个示例中，通过首先从标记点对法线进行投影来确定最佳观看点。法线是垂直于与标记点相切的平面的线。然后，法线上的距标记点的距离对应于扫描部分130、1130的最佳焦距的点被确定为标记点的最佳观看位置。
在第二步骤S1102中，验证最佳观看位置以确保当从扫描部分130、1130的相机观看时标记点不会被遮挡。例如，扫描部分被虚拟定位在最佳观看位置，并执行从相机中心的虚拟位置到标记点的光线投射。
如果光线投射显示相机对标记点具有清晰的视线，则将该相机位置存储在候选扫描部分位置的列表中(S1103)。
应当理解，如上所述，扫描部分1130可以在多种模式中的一种模式中操作，在这些中，一个或更多个相机和投影仪处于操作中。因此，在一个示例中，需要来自在当前扫描模式中使用的所有相机的清晰视线。在进一步的示例中，如果在其中一种扫描模式中可获得清晰的视线，则存储相机位置以及可获得清晰的视线的模式的记录。因此，扫描方法可以自动选择最合适的扫描模式来捕获特定点。在一些示例中，可以定义预定等级，以便使用最佳可用扫描模式。例如，如果两个相机和投影仪都具有清晰的视线，则该方法可以选择三焦模式或对角线模式，水平模式和竖直模式用作后备。
由于投影仪在所有扫描模式中都处于活动状态，因此在一个示例中，可以在来自任一相机的视线之前确定来自投影仪的视线。这充当有效的第一滤光器，避免在投影仪被遮挡的情况下计算到相机的光线投射。
另一方面，如果没有清晰的视线，则迭代调整法线的角度。例如，将法线的角度在一个轴上一次调整1度，直到到达视线清晰的位置(S1104)。因此，描绘了一个圆锥图案，具有圆锥顶部的点以及由相机的位置形成圆锥底部。圆锥底部的半径可以逐渐增加，直到找到视线清晰的位置。因此，该方法有效地将蛮力搜索与基于理想位置的优化相结合。
在另一个示例中，在没有清晰的视线的情况下，可以沿着法线迭代调整相机的位置，以便与最佳焦距相比更接近该点或更远离该点。这提供了到达接近理想位置的位置的另一种可能的手段，在理想位置处可以不受遮挡地观看该点。
然后将调整后的位置存储在候选扫描部分位置的列表中(S1103)。
在步骤S1105中，候选扫描部分位置根据从中可见的标记点的数量进行排序。
例如，对于每个候选位置，存储从该位置可见的所有标记点。然后可以修剪此标记点列表以移除以下一项或更多项：
■不在所有相机的2D屏幕坐标内的点。
■3D法线背离每个相机的点。可以使用阈值角度，例如距相机70度的角度，来丢弃这些点。
■基于存储的相机景深参数，离任何相机太远或太近的点。
■从任何相机投影时被遮挡的点。
然后基于可见标记点的数量对候选扫描位置进行排序。
在一个示例中，如果候选位置的列表超过预定阈值大小，则在执行步骤S1105之前随机采样候选位置以减小列表大小。虽然随机采样可能会导致丢失某些点，但算法的重复迭代使得这些点很可能在以后的迭代中被捕获。例如，阈值可以是1000。
在一个示例中，排序使得特定标记点一旦出现在特定扫描中就不会被重复计数。也就是说，已经出现在一个扫描位置中的点然后在后续中不会对在其他较低级别的扫描位置中可见的点的计数做出贡献。
在一个示例中，可以返回候选扫描位置的完整列表。在其他示例中，可以返回前n个视图。在一些示例中，可以返回包括与预定百分比的标记点相对应的扫描位置的列表。然后将运动部分移动到扫描位置以扫描识别出的不够详细的区域。
在一些示例中，图9的方法迭代地执行。因此，作为该方法的一次迭代的输出而获得的点云形成用于该方法的后续迭代的输入点云。
在一些示例中，可以通过预编程的扫描序列来获得初始点云。该初始点云然后可以形成该方法的输入点云。
图9-图11的示例方法可以由扫描系统1执行。这可以例如由控制设备200来执行。
现在将参照图12描述另一示例扫描方法。
如上所述，牙印模是患者口内结构的负面印记，可以根据牙印模铸造牙科模型。扫描铸造的牙科模型可能会导致丢失在牙印模中可以更容易看到的关键细节区域。例如，可能无法准确捕获邻间区域(interproximal region)和牙冠预备体周围缩回的牙龈沟的细节区域。相反，在牙印模中可能难以准确扫描的区域在铸造的模型中可能更容易看到。
在示例扫描方法中，从扫描牙印模导出的3D模型(下文中称为“印模3D模型”)可以与从扫描牙科模型(该牙科模型从印模铸造)导出的3D模型(下文中称为“铸造3D模型”)组合。但是，由于铸造3D模型和印模3D模型之间的差异，例如由浇注模型、铸造3D模型和印模3D模型的过程造成的差异，简单地反转印模3D模型并将其与铸造的3D模型组合可能是不准确的。
该示例方法包括步骤S1201，其中在通过扫描牙科模型导出的3D模型中检测缺陷区域，该牙科模型从牙印模铸造。
在一个示例中，缺陷区域的检测方式与上述步骤S901中对没有足够详细地扫描的区域的检测方式类似。例如，铸造的3D模型的点云可以被表面化，并且然后被均匀采样以产生均匀采样的点云。均匀采样点云中与铸造3D模型点云中最近点的距离超过阈值距离的点被标记为有缺陷。在此示例中，可以使用较小的阈值，因为在扫描过程中不太可能丢失模型的大区域。例如，阈值可以是0.1mm。
在进一步的示例中，可以使用边缘检测技术来识别铸造的3D模型的点云中的孔。
该示例方法包括步骤S1202，其中用来自牙科对象的3D模型的对应区域来修补缺陷区域，该牙科对象的3D模型通过扫描牙印模导出。
图13更详细地示出了步骤S1202。
在第一步骤S1301中，反转印模3D模型的法线并使用全局配准算法将该印模3D模型与铸造的3D模型对齐。
在第二步骤S1302中，对于印模3D模型的反转并对齐的点云中的每个点，识别均匀采样点云中的最近点。如果均匀采样点云中的最近点被标记为有缺陷，则印模3D模型的反转并对齐的点云中的该点将被添加到新的临时点云中。因此，该临时点云由印模3D模型的反转并对齐的点云中对应于铸造的3D模型的缺陷区域的所有点填充。
在接下来的步骤S1303中，临时点云被膨胀以包括印模3D模型的相邻点。印模3D模型的反转并对齐的点云中的每个这样的点也被添加到临时点云中，即，该点在临时点云中具有小于预定距离(例如0.5mm)的最近邻。
在接下来的步骤S1304中，将临时点云聚类成多个更小的点云。这可以基于最近邻搜索，例如搜索标准为0.3mm的搜索。可以理解，可以应用其他聚类算法来划分临时点云。所得到的多个较小点云各自形成一个补丁，以应用于铸造的3D模型。
在接下来的步骤S1305中，每个补丁与铸造的3D模型对齐，并被结合到铸造的3D模型中。例如，可以采用诸如迭代最近点算法的对齐算法。
可以理解的是，图12和图13的方法——如果需要的话——可以通过用铸造的3D模型来修补印模3D模型以等效地执行。
在进一步的示例中，图12和图13的方法可以被应用来组合各种牙科对象的两次扫描。
在一个示例中，该方法可以用于组合两次印模扫描，其中这些印模属于同一患者。例如，牙医在实践中可能会获取第二个印模，其中很明显，第一个印模没有足够详细地捕获牙齿的特定区域。
在另一个示例中，该方法可被应用于组合对铸造的模型的两次扫描。例如，牙科实验室可以对铸造的模型进行第一次扫描。随后，铸造的模型可由实验室处理，例如以将假体装配到其上。在准备假体的过程中，可能会处理铸造的模型，并且模型的区域可能会发生轻微损坏，特别是那些不靠近假体的区域。因此，可能需要将铸造的模型的第一次扫描与随后的扫描组合，其中该方法用包括假体的铸造的模型的第二次扫描来修补第一次扫描。
在一些示例中，模型的区域可以被标记为供体区域，该供体区域应该作为要由用户修补到另一个模型中的区域。例如，可以经由用户界面240选择区域。在应用上述方法之前，可以从模型中裁剪不对应于供体区域或不在供体区域的预定距离内的模型区域。
图9-图11的示例方法可以由扫描系统1执行。它可以例如由控制设备200来执行。
可以对本文描述的示例进行各种修改或改变。例如，应当理解，控制设备200和扫描装置100的控制器的功能可以互换。换言之，在一些示例中，本文描述为由控制单元140执行的功能可以由控制单元210执行，反之亦然。在一些示例中，控制设备200的功能可以集成到扫描装置100中，使得控制设备不是必需的。应当理解，外壳110的形状和构造可以变化。
本文所述的扫描系统和方法有利地允许从广泛视点对诸如牙印模的柔韧材料进行准确扫描，而不需要夹住印模(这可能导致印模变形)。此外，扫描系统的构造使其可以很容易地安装在牙科手术中。
此外，本文所述的扫描方法可以在扫描系统的操作者最少干预的情况下自动导出高质量的牙科对象模型。因此，扫描系统可以以最少的培训容易地操作，例如由牙科护士或牙医在外科手术中操作。只需最少的培训即可使用扫描仪并将扫描仪用于牙印模这一事实可以避免将牙印模投递到牙科实验室的需要。因此，可以快速创建患者牙齿的准确模型。
本文中描述的至少一些示例可以部分或全部使用专用的特定目的硬件来构建。本文中使用的诸如“部件”、“模块”或“单元”的术语可以包括但不限于硬件设备，诸如分立或集成部件形式的电路、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)，它执行某些任务或提供相关功能。在一些示例中，所描述的元件可以被配置为驻留在有形的、持久的、可寻址的存储介质上并且可以被配置为在一个或更多个处理器上执行。在一些示例中，这些功能元件可以包括——以示例的方式——部件(诸如软件部件、面向对象的软件部件、类部件和任务部件)、过程、功能、属性、进程、子例程、程序代码段、驱动器、固件、微码、电路、数据、数据库、数据结构、表格、数组和变量。尽管已经参考本文讨论的部件、模块和单元描述了示例实例，但是这些功能元件可以组合成更少的元件或分离成额外的元件。本文已经描述了可选特征的各种组合，并且应当理解，所描述的特征可以以任何合适的组合进行组合。特别地，任何一个示例的特征可以酌情与任何其他示例的特征组合，除非这种组合是相互排斥的。在整个说明书中，术语“包括(comprising)”或“包含(comprises)”是指包括指定的(一个或更多个)部件，但不排除其他部件的存在。
注意力指向与本申请有关的、和本说明书同时或先于本说明书提交的并且和本说明书一起对公众开放查阅的全部论文和文件，所有这类论文和文件的内容通过引用并入本文。
本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合进行组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。
除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由具有相同、等同或相似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅仅是一般系列等同物或相似特征的一个示例。
本发明不限于前述实施例的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

Claims (29)

1.一种用于扫描牙科对象的三维(3D)牙科扫描系统，包括：
扫描表面，所述扫描表面被配置为支撑所述牙科对象；
扫描部分，所述扫描部分被配置为捕获所述牙科对象的3D扫描；
运动部分，所述运动部分被配置为使所述扫描表面和所述扫描部分在五个运动轴上相对于彼此移动，同时将所述扫描表面保持在基本水平的平面中，以及
控制单元，所述控制单元被配置为控制所述运动部分和所述扫描部分以获得所述牙科对象的3D扫描。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元被配置为：
a)识别所述牙科对象的以低于预定细节级别的细节级别被捕获的点云的区域；
b)识别用于捕获所识别的区域的扫描位置；以及
c)控制所述运动部分移动所述扫描表面和扫描部分，以扫描所述识别的区域。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制单元被配置为：
对所述点云进行表面化以产生3D模型；
对表面化的模型进行均匀采样，以生成均匀采样的点云；
识别所述点云中到所述均匀采样的点云中每个点的最近点，以及
响应于所述均匀采样的点云中的一个点与所识别的最近点之间的距离超过阈值距离，将所述均匀采样的点云中的该点标记为低于所述预定细节级别。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制单元被配置为确定每个标记点的最佳观看位置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制单元被配置为验证每个最佳观看位置以确定当从所述扫描部分观看时所述标记点不会被遮挡。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制单元被配置为确定所述最佳观看位置被遮挡，并且调整所述最佳观看位置以到达未遮挡位置。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，所述控制单元被配置为根据从每个最佳观看位置可见的标记点的数量对所述每个最佳观看位置进行排序。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，所述牙科对象的点云是通过步骤(a)-(c)的先前迭代获得的点云。
9.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，所述牙科对象的点云是通过预编程的扫描序列获得的点云。
10.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述五个运动轴包括：
沿第一水平方向的平移；
沿垂直于所述第一水平方向的第二水平方向的平移；
沿竖直方向的平移；
所述扫描表面的旋转；以及
所述扫描部分的倾斜。
11.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述扫描部分包括：
投影仪，所述投影仪被配置为将结构化光图案投影到所述牙科对象上，以及
相机。
12.根据权利要求11所述的系统，包括设置在同一平面上的两个相机。
13.根据权利要求11所述的系统，包括两个相机，其中：
所述两个相机中的第一相机和所述投影仪通过第一假想线连接；
所述两个相机中的第二相机和所述投影仪通过第二假想线连接，
其中，所述第一假想线和所述第二假想线是非共线的。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述扫描部分能够选择性地在以下至少两个中操作：
第一模式，在所述第一模式中所述第一相机和所述投影仪被激活，
第二模式，在所述第二模式中所述第二相机和所述投影仪被激活，以及
第三模式，在所述第三模式中所述第一相机、所述第二相机和所述投影仪被激活。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的系统，其中，所述扫描部分能够在三焦模式中操作，在所述三焦模式中，所述第一相机、所述第二相机和所述投影仪被激活，并且所述第一相机、所述第二相机和所述投影仪中的每一个形成一个光学中心。
16.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述扫描表面是基本上平坦的表面。
17.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述扫描系统不包括用于将所述牙科对象固定到所述扫描表面的固定装置。
18.根据任一前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述运动部分被配置为允许所述扫描部分相对于所述扫描表面的中心自由移动。
19.根据权利要求10所述的系统，其中，所述扫描部分能够在竖直方向上移动到一个位置，该位置在与所述牙科对象和/或扫描表面基本相同的水平平面或者比所述牙科对象和/或扫描表面更低的水平平面中。
20.一种三维(3D)扫描方法，包括使用根据任一前述权利要求所述的3D牙科扫描系统来捕获牙科对象的3D扫描。
21.根据权利要求20所述的方法，包括：
识别牙科对象的以低于预定细节级别的细节级别被捕获的点云区域；
识别用于捕获所识别的区域的扫描位置；以及
控制所述运动部分移动所述扫描表面和扫描部分，以扫描所述识别的区域。
22.一种三维扫描方法，包括：
在牙科对象的第一点云中识别要替换的区域；以及
用来自牙科对象的第二点云的相应区域修补所述要替换的区域。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一点云和第二点云中的一个是牙印模的点云，并且所述第一点云和第二点云中的另一个是来自所述牙印模的铸件的点云。
24.根据权利要求22或23所述的方法，包括：
对所述第一点云进行表面化，并对表面化的模型进行均匀采样以生成均匀采样的点云，
识别所述第一点云中到所述均匀采样的点云中每个点的最近点，以及
如果所述均匀采样的点云中的一个点与所识别的最近点之间的距离超过阈值距离，则将所述均匀采样的点云中的该点标记为要进行替换。
25.根据权利要求24所述的方法，包括：
反转所述第二点云并将其与所述第一点云对齐；
对于所述第二点云的反转并对齐的点云中的每个点，确定所述均匀采样的点云中的最近点；
响应于确定的最近点是被标记为要进行替换的点，将该点添加到临时点云。
26.根据权利要求25所述的方法，包括：
编辑所述临时点云以包含所述第二点云的相邻点。
27.根据权利要求26所述的方法，包括：
对所述临时点云进行聚类以形成多个补丁，以及
将每个补丁与所述第一点云对齐。
28.一种计算机可读存储介质，其包括指令，所述指令在由计算机执行时使所述计算机执行根据权利要求20至27中任一项所述的方法。
29.一种计算机程序产品，其包括指令，当程序由计算机执行时，所述指令使所述计算机执行根据权利要求20至27中任一项所述的方法。
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