JP2009524448A - 口腔内の３次元モデリング - Google Patents

Abstract

口腔内状況特徴の３次元モデルを生成する方法。口腔内状況は、アンチエイリアシングのための保存された画素の２次元パターンの使用によりアンチエイリアシングを実現しながら、構造化照明点の２次元アレイによって照らされる。画像を形成するために単一カメラを使用することにより、患者の口への導入が必要な装置の量が低減される。３次元モデルは、平面などの基準面への構造化照明の保存画像による三角測量によって、単一画像から取得される。代替方法は、「バーコード式」１次元パターンの使用を含む。

Description

本発明は、３次元物体のコンピュータ・モデリングに関し、特に、歯科応用の口腔内対象物とその特徴の３次元モデリングのためのシステムおよび方法に関する。

歯科医療では、口の内部状況の３次元（ここでは「３Ｄ」と表わす）モデルを作る必要性がある。「口腔内状況」という表現は、ここでは、視覚化可能でモデリング可能な口腔内対象物、人工物、表面あるいは特徴などのいかなる集合をも意味する。口腔内状況のそのようなモデルは、歯科実地の様々な局面に役立つ。歯科における自動計測および撮像技術の有用性、有効性ならびに手順的および経済的な影響の周知の実例は、歯冠、ブリッジ、義歯あるいはインプラントのような補綴を必要とする歯科患者の診察、チャーティング、診断、および治療などである。口腔内対象物の計測、撮像およびマッピングから得られるデータと情報は、歯科補綴を正確にコスト効率良く設計し、製造し、嵌合させ、モニターすることに使用でき、これにより、労働集約的かさもなければ材料と時間という点で高価な現在使われている不正確な非撮像技術に代わるものである。歯科自動計測および撮像技術は、様々な種類の修復処置、咬合採得、歯列矯正術の治療、顎関節（ＴＭＪ）機能不全治療の実行に対してもまた適用可能である。

電気光学の技術は、使用コストに加えて設備投資という点で比較的安価であり、患者に対して無害であると考えられているため、医療撮像においてしばしば使用されている。しかしながら、このような技術は、歯科撮像に付随する特定の状況と問題に対応しなければならない。

歯科分野に医療光学撮像を適用する際の重要な制約は、以下のようなものがある。

スペース制約：装置は口という境界内に快適に合うように十分に小型でなければならない。

時間制約：画像は、従事者と装置の動きと同様に患者の動きの問題を回避するため短い時間で形成されなければならない。

表面細部制約：口腔内状況の３Ｄ表面輪郭を正確にプロットするためには、口腔内特徴が部分的にしか見えない可能性のある多くの近接撮影応用において、表面細部の欠落や不足を考慮に入れなければならない。

口腔内対象物の３次元分布計測とマッピングは、様々な方法の使用により実現されてきた。典型的な口腔内対象物とその特徴は、歯；歯肉；口腔内の軟組織；骨物質；歯科アンダーカット；永久的または取外し可能などのあらゆる種類の口腔の内に在る歯科固定具と歯科補綴のどのような組合せの一部または全部をも含むがこれらに限定されない。例えば、本発明の発明者のうちの１人であり主に歯科応用に関与しているエルンスト（Ｅｒｎｓｔ）に付与された米国特許第 ６，４０２，７０７号に開示されているように、特定の口腔内対象物とその特徴が計測され得る。本出願において、後の医学的処置のための参照として役立てるようコンピューターに保存可能な複合データベースの作成のためには多くの周知の方法を用いることができる。

実際には、口腔内対象物には認識可能な表面の外科的特徴が不足しているため、ある種の制約が課される。その制約は、３Ｄモデリングのために表面が３次元的にサンプリングされるべき状況でしばしば見られる。不十分な定量的および定質的な表面詳細を補うための様々な公知の技術がある。表面詳細の取得を向上させるためのこれらの技術には、撮像用光学的性質を改善するため画像化される対象物の表面への粉体の噴霧；構造化照明パターンの投影および／または回折ならびにこれらの変形の観察（別個あるいは組み合わせてのいずれでも）などがある。

表面特徴のマップまたは３次元分布モデルを作るため、いくつかの方法が開示されている。例えば、アクティブ三角測量が具体的な一方法であり、表面上の物の分布を計測するために活性光スポットといくつかのカメラを用いる。活性光スポットを走査すれば、表面の全体マップを作製することが可能である。写真測量は、写真から３次元情報を抽出するために分析的方法が適用される専門技術である。画像に基づくいかなる専門技術と同様に写真測量は、用いられるカメラによって得られる情報の範囲により、マップ生成へ容易に拡張される。

上記で示唆したように、特徴の分布のモデルを電子的に構成する目的での口腔内状況を３次元計測することは、口腔内状況のマルチビュー画像を取得し、続いてその画像に適切な分析的なアルゴリズムを適用することによって達成できるということは、よく知られていることである。同じ口腔内状況の少なくとも２つの画像が、異なる視角から取得される。口腔内状況において一致する特徴について対応する画像の中を探索する。ある特徴の相対的高さ（ｚ−次元）を計算するために、同じ口腔内状況の異なる画像での該特徴の一致する外観の視差が、基準点からの該特徴の距離を算出する三角測量によって計算される。画像における特徴の明瞭性をさらに増すためのいくつかの通常技術を以下に述べる。

ここで参照される図１は、着目部位の通常の従来技術の３次元モデリング中で行われるステップの順序について述べるフローチャートである。ステップ４０において、口腔内状況の中の特徴の識別性を強調する。ステップ４２において、着目部位の画像を異なる角度から取得する。ステップ４４において、取得された異なる画像の特徴の間でのマッチングを行う。ステップ４６において、異なる画像における同一の特徴に対して視差が計測される。ステップ４８において、該識別された特徴のＺ軸の値を計算する。次に、３Ｄマップ又はモデルを編集し、その識別された特徴のｘｗｚ空間内での分布を描写することができる。

しかしながら、先に述べたように、歯科作業における重要な制約は、多くの状況において表面細部が無いことである。相当な量の表面細部がなくては、表面特徴を明白にマッチングさせて正確な三角測量を行うことはできない。この問題を解決するためには、口腔内状況を一様に照らし、かつ複雑なパターン認識アルゴリズムを通して特徴をマッチングさせようとするのではなく、口腔内状況全体にわたって光のビームを走査し、強調された線あるいは点のアレイを作ることがよく知られている方法である。この「構造化照明」を先に言及した三角測量での特徴のマッチングに用いることができる。結果として得られる３Ｄモデルは、「ワイヤーメッシュ」あるいは口腔内状況の「多面体の」モデルである。これは有利なアプローチである。何故なら、モデルの分解能が、口腔内状況一帯に走査された線あるいは点の密度を変えることにより、容易に変えられ得るからであり、また、多くの着目の口腔内状況に対して、（構造化照明によって照らされない）線あるいは点の間の領域は、様々な平滑化関数を用いて近似できるからである。その結果は、比較的簡単なアルゴリズムを使用して分析できる調整可能な精度のモデルである。

ただ、しかしながら、特に高分解能が所望である場合、走査（本質的に１次元あるいは「１Ｄ」アプローチ）は、時にして、過度の時間を必要とする場合がある。対照的に、撮像（２次元あるいは「２Ｄ」アプローチ）は、同じ時間にはるかに大きな情報量を取り込むことができるか、あるいは、はるかに小さな時間で同じ情報量を取り込むことができる。この要因は、患者、従事者、装置の動きへの悪い影響を低減するために前述の時間制約を考慮するとき、重要である。

コービー(Ｃｏｒｂｙ)に付与された米国特許番号第４，６８７，３２５号（ここでは「コービー」と表す）は、口腔内状況について単一画像を使用した構造化照明を採用することも可能であり、これによって三角測量は、平面あるいは既知の曲率を有する他の表面に投影された構造化照明の保存画像（あるいはそれに対応するデータ）に関して実行されると述べている。しかしながら、コービーは１次元の走査技法の使用に制約されている。これは（上記のように）、患者／従事者の動きがあり得るので、ある種の歯科応用では適切でないかもしれない。ハンス−ゲルドマース（Ｈａｎｓ−Ｇｅｒａｄ Ｍａａｓ）は、写真測量と遠隔感知の国際アーカイブス Ｖｏｌ．ＸＸＩＸ、第Ｂ５部、７０９−７１３ページ（１９９２）（この内容は、完全にここに記載されているかのようにすべての目的のための参照により援用される）において、その表面が計算されることになっている近接物に投影された完全な格子の使用を同様に教示している。その投影された格子は、それが反射する表面においてその原形から変化しており、また、完全な格子からのそれらの変化はその反射面に対する３次元モデルを編集するために使用される。規則的な格子の採用に関連した制約は、不連続および不明瞭からのものである。不連続の場合には、反射表面上に現われる壊れた格子は、不連続な起伏によって引き起こされる。壊れた格子線は、この現象で導入された不明瞭が原因で、誤差の原因となる。

他の従来技術は、デュレ（Ｄｕｒｅｔ）他に付与された米国特許第４，９５２，１４９号（ここでは「デュレ」と表す）を含んでいる。そこでは、身体の一部の型を取る方法と装置が開示されており、それは型がとられるべき身体部上への正弦波形状の格子の投影を利用するものである。シュタインビヘル（Ｓｔｅｉｎｂｉｃｈｌｅｒ）らに付与された米国特許第４，９６４，７７０号（ここでは「シュタインビヘル」と表す）では、義歯を造るプロセスが開示されている。そこでは、３次元マップを生成するために、水平あるいは他の等高線が、基礎残根と隣接面に生成されることが示されている。３次元再構成は、干渉分光法、モアレ、レーザー・スキャニングの方法の使用によって、達成される。マッセン（Ｍａｓｓｅｎ）らに付与された米国特許第５，３７２，５０２号（ここでは「マッセン５０２」と表す）では、発明は、歯の表面上に投影された既知の画素細部のデジタル像とその歯の表面から反射された結果の歪んだ画像間を比較することにより、モアレ、位相変移、三角測量、写真測量技術に従って地形学的な描写を計算することに基づいている。探査子によって投影された無歪パターンと、口腔内の特定エリアから反射された歪パターンの間の比較を通じて、画像化された歯の地形学的な情報が得られる。マッセン（Ｍａｓｓｅｎ）らに付与された米国特許第５，３８６，２９２号（ここでは「マッセン’２９２」と表す）では、発明には、エナメル質透光性のような要因による画像歪を修正するエラー要因が述べられている。カラーリ（Ｃａｌｌａｒｉ）らに付与された米国特許第６，５２９，６２７号では、対象物に手動で投影される構造化照明を用い、その３Ｄデータを初期３Ｄモデルへ統合することにより３Ｄモデルを導き出す、システムが記述されている。

線または点における構造化光を使用することにおける認識されている問題のうちの１つは、構造化照明のエイリアシング又は偽マッチングの問題である。光の単純点は、他の光の単純点から通常判別不能である。したがって、１つの画像から他の画像に同じ点をマッチングさせることには、不明瞭さが発生する場合がある。異なる画像を三角測量する場合に、異なる２点が誤ってマッチングさせられれば、結果のＺ軸計算はエラーになるし、また、その３Ｄモデルは不完全になる。（同じ問題は線の使用に当てはまる。）電子撮像を使用した実時間走査では、異なる撮像センサからのアウトプットを同期させることは、アンチエイリアシングメカニズムとして役立つ。しかしながら、これは、構造化照明が投影された後に特徴マッチングされる投影（非走査）画像あるいは保存画像に対しては、タイミング情報が無いから、使用できない。また、それは上に言及されたシングル撮像方法と共には使用できない。構造化照明の符号化に異なるスキームを使用するいくつかのアンチエイリアシング方法は、コービーに述べられている。これらの方法のうちのいくつかは波長および（または）強度において構造化照明を変調することを含んでいる。コービー自身の方法は、空間的に変調された所定パターンを走査光に符号化することを含んでおり、それは明白に異なる画像でマッチングさせることが可能である。

繰り返しになるが、上に提示された時間制約は、歯科応用に対して注目される。特に、ある従来技術のスキームは、長時間あるいは繰り返し異なる回数にわたり、パターンで口腔内状況の同じ領域を照らすことを必要とするだろう。しかしながら、これらが実施されると、歯科患者、照明を投影する装置、画像を取り込む装置（カメラ）の間の相対的動きによりその計測に不正確さを招くことがあり得る。装置が歯科医によって保持されているか操作される場合、関わる動きにさらなる要因が加わるので、この状況は悪化する。

アルベック（Ａｌｂｅｃｋ）らに付与された米国特許番号第６，１６７，１５１号（ここでは「アルベック‘１５１」と表す）は、レーザースペックルの現象により空間的に変調されたランダムパターンを生成する手段を開示している。それは次に、多数の画像の中の対応点の識別のため、コービーの所定パターンと似た方法で使用され得る。アンチエイリアシングにおいて所定パターンに対してランダムパターンが優れている点は、別個の所定パターンのシステムの方が通常制約が多く、したがって数が限定されるのに対して、あるランダムシステムは、容易に多くの別個のパターンを数学的に生成できることである。しかしながら、所定パターン（コービーでのような）は絶対的に識別可能であるように前もって設定できる。ランダムパターンは、対照的に、予め決めることができず、したがって、それら自身の中でいくつかの類似性を示すことがあり得る。例えば、凹凸面上のコヒーレント光の干渉特性に依存するアルベック‘１５１のパターンは確率的であり、したがって、たとえこれがありそうもなくても異なるパターンが外形上類似していることがあり得る。したがって、アルベック‘１５１のアンチエイリアシングは、絶対的であるというよりむしろ統計的である。

アルベック‘１５１の主要な制約は、そのランダムパターンは、物理的なプロセス（レーザースペックル）によって生成されるが、保存も再生もできないことである。これにより、同じランダムスペックルパターンが異なる画像に含まれるように、構造化照明下の口腔内状況の多数の画像が同時に取り込まれることが必要になる。アルベック‘１５１のランダムパターンが保存も再生もできないという事実は、平らな表面（コービーに記載と上記した）のような既知の表面に当たる構造化照明の前に保存された画像が後に参照される構造化照明の下で口腔内状況の単一画像の使用をも排除する。

上に述べたように、かさばった装置の導入が許されないという口の内部が小スペースであるということによって重要な制約が課される。特に、口腔内特徴の構造化照明パターンを取り込み、既知の表面の記録された構造化照明パターンと比較するために単一の撮像センサー（単一画像か単一の投影を生成する）のみを使用することは非常に有利である。このようにすることで、口の中に置かれた装置の量を著しく減らし、先に言及されたような歯科応用の空間制約に対応できる。更に、患者および（または）従事者の動きによって引き起こされる問題をなくすため、走査技術ではなく撮像を採用することが望ましいだろう。

こうして、口という境界の中で使用される小型の装置、患者および／または従事者の動きによって引き起こされる問題をなくすための全口腔内状況を通じて３次元情報の同時取得、および大量の表面細部がない部分的な状況からの３次元情報を抽出するための能力を提供する歯科応用における口腔内特徴の３次元モデリングで使用されるシステムと方法に対して必要性が存在し、また、該システムと方法を有することは高度に望ましい。これらの目的は本発明によって満たされる。

本発明の目的は、歯科応用の３Ｄ口腔内モデリングを容易にする一方、口の内部に置かれる装置は最小にすることである。

本発明の目的は、また、口腔内特徴の部分視のみが利用可能であり得るモデリングされるべき対象物の表面細部に依存せずに、歯科応用の３Ｄの口腔内のモデリングを容易にすることである。

本発明のさらなる目的は、歯科応用のための３Ｄ口腔内撮像作業中の患者、従事者、装置の動きの影響を最小にするか無くすることである。

これらの目標を達成するために、本発明は、口腔内状況の画像を生成するために単一のカメラ（あるいは「視覚センサ」）を利用し、画像がモデリングされるべき口腔内特徴の表面に関する３Ｄ情報を含むようにする。

３次元モデリングのための「ｚ」情報を入手するために、口腔内状況は、カメラによって画像を得ている間、口腔内状況に対して第１の角度から投影される構造化照明の２次元画像によって照らされる。次に、カメラは、口腔内状況に対して第２の角度に位置して、その第２の角度で見た２次元の「ｘ−ｙ」情報を含む正像を生成する。写真のスライドから投影された構造化照明は、口腔内状況の上に２次元アレイのパターンを重ね、その取り込まれた画像に写る。次に、口腔内状況における「ｚ」情報は、第１の角度から照らされ基準面に投影された構造化照明の画像を基準にして、単一画像上のアレイにおける各パターンに付いて三角測量を実行することにより構造化照明下の状況のカメラ映像から再生される。

口腔内状況の画像と保存された画像の対応点を明白にマッチングさせるために、構造化照明の各点は、すでに生成された投影可能な媒体（限定しない例として、例えば写真のスライドがある）に保存されていた２次元のランダムパターンにより空間的に変調される。従来技術のアルベック‘１５１のランダムパターンと異なり、本発明のランダムパターンは、画像化される口腔内状況上に投影されたパターンが保存された画像の中の対応するパターンと同じになるように複製可能である。更に、従来技術のコービーのパターン（１次元）と異なり、本発明の或る好ましい実施形態のパターンは２次元である。

したがって、本発明の第１の態様によれば、歯科応用のための口腔内状況の表面特徴の３次元モデリングのための方法が提供され、この方法は以下を含む：（ａ）複数のランダム２次元パターンの２次元アレイを生成する；（ｂ）投影可能な媒体にそのアレイを保存する；（ｃ）第１の角度から基準面上に投影可能な媒体からそのアレイを投影する；（ｄ）基準面に投影されたアレイの第１の画像を取得し、その第１の画像の取得は第２の角度から実行される；（ｅ）第１の角度から口腔内状況上に投影可能な媒体からそのアレイを投影する；（ｆ）第２の角度から口腔内状況に投影されたそのアレイの第２の画像を取得する；（ｇ）そのランダムパターンの２次元相対位置を、画像におけるその相対位置に基づいて計算する；（ｈ）第１の画像におけるランダム２次元パターンを第２の画像におけるランダム２次元パターンにマッチングさせる；（ｉ）第１の画像におけるランダムパターンと第２の画像におけるランダムパターンとの間の視差を計算する；（ｊ）２次元相対位置とその視差に基づいてランダムパターンの３次元相対位置を計算する；（ｋ）３次元相対位置に基づいて口腔内状況の３次元モデルを構成する。

本発明の第２の態様によれば、歯科応用のための口腔内状況の表面特徴の３次元モデリングのための方法が提供され、この方法は以下を含む：（ａ）複数のランダム１次元パターンの２次元アレイを生成する；（ｂ）投影可能な媒体にそのアレイを保存する；（ｃ）第１の角度から基準面上に投影可能な媒体からそのアレイを投影する；（ｄ）基準面に投影されたそのアレイの第１の画像を取得し、第１の画像の取得は第２の角度からの実行される；（ｅ）第１の角度から口腔内状況上に投影可能な媒体からそのアレイを投影する；（ｆ）第２の角度から口腔内状況に投影されたそのアレイの第２の画像を取得する；（ｇ）そのランダムパターンの２次元相対位置を、画像におけるそれの相対位置に基づいて計算する；（ｈ）第１の画像におけるランダム１次元パターンを第２の画像におけるランダム１次元パターンにマッチングさせる；（ｉ）第１の画像におけるランダムパターンと第２の画像におけるランダムパターンとの間の視差を計算する；（ｊ）２次元相対位置とその視差に基づいてランダムパターンの３次元相対位置を計算する；（ｋ）３次元相対位置に基づいて口腔内状況の３次元モデルを構成する。

第３の態様では、本発明は、歯科応用のための口腔内状況の表面特徴の３次元モデリングのためのシステムを提供することに関し、このシステムは以下を含む：
複数のランダム２次元パターンの２次元アレイ；
前記アレイのための記憶媒体であって、前記アレイを投影させるよう作用する記憶媒体；
基準面上に投影された前記アレイの第１の画像；
第１の角度の口腔内状況に前記記憶媒体から前記アレイを投影するためのプロジェクタ；
第２の角度から口腔内状況上に投影された前記アレイの第２の画像を取得するための取得手段；
前記ランダムパターンの２次元相対位置を、画像におけるその相対位置に基づいて計算するための第１の位置計算器；
前記第１の画像における前記ランダム２次元パターンを前記第２の画像における前記ランダム２次元パターンにマッチングさせるためのパターンマッチング手段；
前記第１の画像における前記ランダムパターンと前記第２の画像における前記ランダムパターンと間の視差を計算するための視差計算器；
前記２次元相対位置と前記視差に基づいて前記ランダムパターンの３次元相対位置を計算するための第２の位置計算器；
前記３次元相対位置に基づいて口腔内状況の３次元モデルを構成するためのモデリング手段。

第４の態様では、本発明は、歯科応用のための口腔内状況の表面特徴の３次元モデリングのためのシステムを提供することに関し、このシステムは以下を含む：
複数のランダム１次元パターンの２次元アレイ；
前記アレイのための記憶媒体であって、前記アレイを投影させるよう作用する記憶媒体；
基準面上に投影された前記アレイの第１の画像；
第１の角度の口腔内状況に前記記憶媒体から前記アレイを投影するためのプロジェクタ；
第２の角度から口腔内状況上に投影された前記アレイの第２の画像を取得するための取得手段；
前記ランダムパターンの２次元相対位置を、画像におけるそれの相対位置に基づいて計算するための位置計算器；
前記第１の画像における前記ランダム１次元パターンを前記第２の画像における前記ランダム１次元パターンにマッチングさせるためのパターンマッチング手段；
前記第１の画像における前記ランダムパターンと前記第２の画像における前記ランダムパターンと間の視差を計算するための視差計算器；
前記２次元相対位置と前記視差に基づいて前記ランダムパターンの３次元相対位置を計算するための位置計算器；
前記３次元相対位置に基づいて口腔内状況の３次元モデルを構成するためのモデリング手段。

本発明による方法の原理と動作は、図面とそれに伴う説明を参照して理解され得る。

本発明に従って、保存されたランダムパターンを含んでいる構造化照明は単一画像によって３次元でモデリングされるべき口腔内状況に表面特徴を伝達するために使用される。そこでは三角測量が、平面のような既知の表面上に異なる角度からあたる構造化照明の保存画像に相関して実行される。本発明の方法は、歯科獣医学の実践と法医学の歯科医学での使用に供される他、様々な歯科の応用と分野で適用され得る。本発明の好ましい実施形態では、口内の着目部位に投影された光は、各投影されたパターンが、光が投影された全領域一帯に確率的に一意であるようなランダム構造化されランダム分布されたパターンを持つ。本発明の方法は図２Ａと図２Ｂを参照して説明される。取得する画像６０は、境界線６２により囲まれている。画像６０内では、いくつかの別個の画素集合体６４、６６、６８は明らかに、各集合体が他のパターンとは異なり、また背景７０とも明確に異なっている別個のパターンを形成する。図２Ｂでは、パターン８４は、破線楕円面によって概略的に描かれた別個の存在として規定されている。パターン８６も同様に規定され区画されて、また、パターン８８はそのように区画された３番目のパターンである。本発明のこれらのパターンが、１次元のコービーのもののような従来技術のパターンとは対照的に、２次元であることは再度注目される。

本発明に従って、保存されたランダムパターンは、口腔内状況に投影され、あるパターンが投影領域に二度以上現われる確率が非常に低くなるようにモデリングされる。画像レベルでは、投影されたパターンは、集合画素の特定パターンとして定義される。本発明の或る実施形態のさらなる態様は、その形つまり各点の画素によって形成される特定形状のみならず、構造化照明内のパターンの分布（つまり他のパターンに対する系列相対近似性）によっても、いずれの画素パターンも特徴づけられるということである。従って、画像内の他のパターンに対する系列相対近似性は、点を互いに区別し、かつ異なる画像の対応する点を適切にマッチングさせるために使用され得る。特に、本発明の或る実施形態では、パターンは、ランダムに形作られていることに加えて、口腔内状況上にランダムに分布している。「ランダムに分配」の言葉はここでは、パターンそれ自身が、それの形状とは別に、口腔内状況の中のランダム位置で生成されたことを示す。

こうして、画像レベルでは、図２Ｂで、パターン８４（パターン６４に相当）は、時計回りの順にパターン８６（パターン６６に相当）、とパターン８８（パターン６８に相当）の左側に位置する。理解できるように、識別されたパターンは互いに異なるだけでなく、分布し、画像の他のパターンと空間的関係を有している。

構造化照明の同じ単一の点に対応する整合パターンが、口腔内状況の画像と基準画像で得られる場合、三角測量がパターンのｚ軸位置を決定するために実行され得る。パターンのｘ−ｙ位置は、画像から直接得られる。これとともに、パターンの３次元ｘ−ｙ−ｚ位置が、このように３Ｄモデリングのために得られる。

１次元ランダムパターン
図３は、任意に生成されたパターン１０１の例を示し、そのランダム情報内容がｘ−ｙ平面の中の方向１０３に１次元的に伸びている。パターンは幅が変化する帯を含み、その帯は幅と間隔がランダムに決められる以外は、よく知られている「バーコード」パターンに似ている。どのランダム情報も方向１０３に垂直方向に符号化されることはない。パターン１０１の狭いバージョンをパターン１０５に示す。

ランダム情報を単一方向に符号化するとの制約は、そのパターンに含むことができる情報量を制約し、それによってエイリアシングの起きる可能性がより高くなるが、これは連続的なパターンの生成により克服することができ、これにより画像にわたって連続的で中断されない追跡が行える。すなわち、構造化照明のこの形は、点の格子とは違って、口腔内状況への一連の走査された線の投影に伝えられる。したがって、線の情報内容は効果的なアンチエイリアシングを達成するために増加され得る。

その上に、図３に提示されるような方法で単一方向に情報を制約することに、一定の利点がある。情報内容が走査と平行の方向に限られるので、異なる画像の対応するパターンの解析とマッチングは、情報が２次元であるスポット（図２Ａと２Ｂで示されたような）のパターンに対するよりも簡単である。従って、解析は図３に例証されるような１次元のパターンに対しての方が速い。

図４は、本発明の実施形態による方法のフローチャートであり、これによりランダムパターンが生成され保存される。ステップ１２１で、２次元のランダムパターンは、生成され（これまでに詳述）、２次元アレイ１２３での構造化照明で使用するために保存される。アレイ１２３は、表面にアレイを投影するのにふさわしいスライドのような写真式記憶装置を利用して保存されてもよい。

次に、前に記述されたランダムパターンを持ったアレイ１２３は、基準面に対して第１の角度から、ステップ１２５で基準面上に投影される。本発明の実施形態では、基準面は平面である。本発明の他の実施形態では、基準面は数学的な内容を持った一般的な表面である。

アレイ１２３の投影から基準面への構造化照明の画像は、基準画像１２７として取得され保存される。

次に、ステップ１２９において、アレイ１２３を先に用いられた第１の角度（上記参照）で口腔内状況上に投影する。ステップ１３１において、口腔内状況の画像１３３を口腔内状況に対して第２の角度から取り込む。なお、画像１３３は、アレイ１２３の投影が口腔内状況の表面にあたる点位置を含む。すなわち、画像１３３は、口腔内状況の表面上の構造化照明の２次元画像を含んでいる。最後に、ステップ１３５において、画像１３３の中のアレイ１２３の構造化照明の点を、基準画像１２７のアレイ１２３の構造化照明の点にマッチングさせ、これらの点のＺ軸位置は、三角測量によって計算され、視差計測を使用して、口腔内状況の３次元モデル１３７が得られる。

図５は、歯科応用の口腔内状況の表面特徴の３次元モデリング用システムの模式図であり、該システムは複数のランダム１次元または２次元パターンの２次元アレイを生成するための発生器５１を含む。生成されたパターンは、前記アレイ５２を投影することを可能にするよう作用する記憶媒体および第１の角度から基準面９３に前記投影可能な媒体から前記アレイを投影するための第１のプロジェクタ９２に保存される。取得ユニット９４は、第２の角度から前記基準面に投影された前記アレイの第１の画像９５を取得するための第１の取得手段である。第２のプロジェクタ９２は、前記アレイを前記投影可能な媒体から口腔内状況に前記第１の角度で投影するために使用され、ならびに第２の取得手段、及び前記第２の角度から口腔内状況に投影された前記アレイの第２の画像５５を取得するための取得ユニット５３。第１の位置計算器５６は、前記ランダムパターンの２次元の相対的位置をその相対的位置に基づき計算するために用いられ、前記第１の画像９５の前記ランダム２次元のパターンを、前記第２の画像５５の前記ランダム２次元のパターンにマッチングさせるためのパターンマッチング手段。視差計算器５７は、前記第１の画像９５の中の前記ランダムパターンと前記第２の画像９６の中の前記ランダムパターンの間の視差の計算のために用いられる。第２の位置計算器５８は、２次元の相対的位置と前記視差とに基づきランダムパターンの３次元相対的位置を計算するために用いられ、前記３次元相対的位置に基づき口腔内状況の３次元モデルを構築するためのモデリング手段５９。ユーザーにより使用されるシステムは基準画像を必要とするが、基準画像を生成する手段は必要としない。

多重撮像
単一画像の使用はスペース制約のために口腔内の用途では望ましいが、また、本発明を多重画像で使用することもまた可能である。この場合、本発明の実施形態は、ここに記述されるような保存可能なランダムな構造化照明パターンを生成し、そして、図１に例証され、先に記述されたような多重撮像技術を持ったそれらのパターンを使用する上記の方法を利用する。

発明の用途
歯科では、歯科要素の再構成はよく行われていることである。モデリングされるべき口腔内対象物に、照明構造を投影することは、口腔部品を効果的であり得る３Ｄモデリングするための安価な、しかし有利なバックグランドを提供し得る。口腔内特徴の３Ｄマッピングのための他の応用は、法医学の歯科医学；保険目的；診察と治療計画；処置オートメーションを含むがこれらに限定されない。当該発明は、理想的な表面への完全な投影を必要としないので、有利である。また、口腔内対象物に在る現存する表面特徴はランダム表面パターンをさらに向上させることさえあり得る。

本発明は限られた数の実施形態に関して記述されているが、発明の多くの変更、修正、他の応用がなされることが理解されるだろう。

図１は、マルチビュー画像を使用した口腔内状況の３次元モデリングの従来方法のフローチャートである。 図２Ａは、本発明の実施形態による構造化照明用ランダムパターンの例を示す。 図２Ｂは、本発明の実施形態による検出されたパターンとして図２Ａの例を示す。 図３は、本発明の実施形態による構造化照明用の１次元のランダムパターンの例を示す。 図４は、本発明の実施形態による、構造化照明パターンを生成、保存し、口腔内状況の３次元モデルを造る方法のフローチャートである。 図５は、本発明の実施形態によるシステムを例証するブロック図である。

Claims (8)

1. 複数のランダム２次元パターンの２次元アレイを生成し、
   投影可能な媒体に前記アレイを保存し、
   第１の角度から基準面に前記投影可能な媒体から前記アレイを投影し、
   前記基準面上に投影された前記アレイの第１の画像を取得し、前記第１の画像の取得は第２の角度から実行され、
   第１の角度から口腔内状況上へ前記投影可能な媒体から前記アレイを投影し、
   前記第２の角度から口腔内状況上に投影された前記アレイの第２の画像を取得し、
   前記ランダムパターンの２次元相対位置を画像におけるその相対位置に基づいて計算し、
   前記第１の画像の前記ランダム２次元パターンを前記第２の画像の前記ランダム２次元のパターンとマッチングさせ、
   前記第１の画像の前記ランダムパターンと前記第２の画像の前記ランダムパターンとの間の視差を計算し、
   前記２次元相対位置と前記視差に基づいて前記ランダムパターンの３次元相対位置を計算し、
   前記３次元相対位置に基づいて口腔内状況の３次元モデルを構成することを含む、歯科応用のための口腔内状況の表面特徴の３次元モデリングのための方法。
2. 前記口腔内状況は、口腔内対象物の少なくとも一部を含む請求項１の方法。
3. 前記２次元ランダムパターンは前記アレイにランダムに分布している請求項１の方法。
4. 複数のランダム１次元パターンの２次元アレイを生成し、
   投影可能な媒体に前記アレイを保存し、
   第１の角度から基準面に前記投影可能な媒体から前記アレイを投影し、
   前記基準面上に投影された前記アレイの第１の画像を取得し、前記第１の画像の前記取得は第２の角度から実行され、
   第１の角度から口腔内状況上へ前記投影可能な媒体から前記アレイを投影し、
   前記第２の角度から口腔内状況上に投影された前記アレイの第２の画像を取得し、
   前記ランダムパターンの２次元相対位置を画像におけるその相対位置に基づいて計算し、
   前記第１の画像における前記ランダム１次元パターンを前記第２の画像における前記ランダム１次元のパターンとマッチングさせ、
   前記第１の画像における前記ランダムパターンと前記第２の画像の前記ランダムパターンとの間の視差を計算し、
   前記２次元相対位置と前記視差に基づいて前記ランダムパターンの３次元相対位置を計算し、
   前記３次元相対位置に基づいて口腔内状況の３次元モデルを構成することを含む、歯科応用のための口腔内状況の表面特徴の３次元モデリングのための方法。
5. 前記口腔内状況は、口腔内対象物の少なくとも一部を含む請求項４の方法。
6. 前記１次元ランダムパターンは前記アレイにランダムに分布している請求項４の方法。
7. 複数のランダム２次元パターンの２次元アレイと、
   前記アレイのための記憶媒体であって、前記アレイを投影させるよう作用する記憶媒体と、
   基準面上に投影された前記アレイの第１の画像と、
   第１の角度で口腔内状況に前記記憶媒体から前記アレイを投影するためのプロジェクタと、
   第２の角度から口腔内状況上に投影された前記アレイの第２の画像を取得するための取得手段と、
   前記ランダムパターンの２次元相対位置を画像におけるその相対位置に基づいて計算するための第１の位置計算器と、
   前記第１の画像の前記ランダム２次元パターンを前記第２の画像の前記ランダム２次元パターンにマッチングさせるためのパターンマッチング手段と、
   前記第１の画像の前記ランダムパターンと前記第２の画像の前記ランダムパターンとの間の視差を計算するための視差計算器と、
   前記２次元相対位置と前記視差に基づいて前記ランダムパターンの３次元相対位置を計算するための第２の位置計算器と、
   前記３次元相対位置に基づいて口腔内状況の３次元モデルを構成するためのモデリング手段とを含む、歯科応用のための口腔内状況の表面特徴の３次元モデリングのためのシステム。
8. 複数のランダム１次元パターンの２次元アレイと、
   前記アレイのための記憶媒体であって、前記アレイを投影させるよう作用する記憶媒体と、
   基準面上に投影された前記アレイの第１の画像と、
   第１の角度で口腔内状況に前記記憶媒体から前記アレイを投影するためのプロジェクタと、
   第２の角度から口腔内状況上に投影された前記アレイの第２の画像を取得するための取得手段と、
   前記ランダムパターンの２次元相対位置を画像におけるその相対位置に基づいて計算するための位置計算器と、
   前記第１の画像の前記ランダム１次元パターンを前記第２の画像の前記ランダム１次元パターンにマッチングさせるためのパターンマッチング手段と、
   前記第１の画像の前記ランダムパターンと前記第２の画像の前記ランダムパターンとの間の視差を計算するための視差計算器と、
   前記２次元相対位置と前記視差に基づいて前記ランダムパターンの３次元相対位置を計算するための位置計算器と
   前記３次元相対位置に基づいて口腔内状況の３次元モデルを構成するためのモデリング手段とを含む、歯科応用のための口腔内状況の表面特徴の３次元モデリングのためのシステム。

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