JP2012514192A5

JP2012514192A5 -

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Publication number: JP2012514192A5
Application number: JP2011542829A
Authority: JP
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2029-12-23

Description

欧州特許公開公報第０９６８６８７Ａ２号より、表面構造の取得のための、特に歯科医療のための測定カメラが公知であり、これにより短時間のうちに連続して少なくとも２つの同一の撮影物体の三次元測定が行われ、この際２回の測定の間に三角測量角が変更される。ここで最初の撮影の一意性の範囲を拡大するため、測定値の差が使用される。

一意性の範囲の決定の際のカメラの測定の正確性は三角測量角の変化の再現可能性に依存し、このため、三角測量角が分かる正確性に依存する。第２の三角測量角の完全な再現可能性においては、測定カメラで較正によって高い測定正確性が得られる。限定された再現可能性においては、第２の三角測量角と、一意性の範囲の決定のために求められ、与えられた三角測量角とのぶれにより、一意性の範囲が不正確に決定され、このため誤った高さの値がもたらされる可能性がある。このため背景技術においては、再現可能性を可能な限り良好に保つための試みがなされている。

さらに、第２の測定は不正確である可能性があるため、一意性の範囲の決定のためだけに使用され、独立した測定としては評価されない点が妥協された。

各位相画像は一意性の範囲を有し、これらはとりわけ各三角測量角に依存する。第１の位相画像の各画素について第２の位相画像を用いて波数が決定され、この整数部分が、各画素が存在する一意性の範囲の規則に対応する。この波数は、少なくとも画素の無作為標本において波数の非整数部分が最小化されるように最適化される。

最適化された波数は物体の高さ画像を決定するため、または、測量基準となる高さの値に位相画像を対応付ける倍率の比率を決定するため、および、２つの位相画像間のドリフトを決定するため、および、その他の高さ画像の最適化のための初期値として使用するため、または、第２の位相画像から第２の測量基準となる高さ画像を生成するために使用できる。

一意性の範囲より測定範囲の高さが高い場合、測定基準となる高さの値における位相画像の対応付けは曖昧になる。しかしながら背景技術より、ひとつの画素における２つの位相画像の誤差に基づき、この画素についてこの画素が属する一意性の範囲の規則が割当て可能であり、これにより曖昧さが解消される。

計測の基準となる高さの値ｈに第１の位相画像を対応付ける第１の倍率は正確に分かることが好ましく、計測の基準となる高さの値ｈに第２の位相画像を対応付ける第２の倍率は少なくともおおよその値が分かることが好ましい。

撮影された２つの位相画像について、波数の整数部分が少なくとも２つの画素Ｂ_ｉについて異なる場合、少なくともｍ画素の無作為標本について波数の非整数部分が、少なくともおおよそ分かっている倍率へ比率の変更によって、および２つの位相画像間のパターンの位相のドリフトの変更によって最小化されるように、波数の最適化がなされることが好ましい。

この完全な最適化処理により、ある画素の一意性の範囲の規則の割当てにおける誤りを減少することができ、これにより高さ画像の決定を改善することができる。

撮影された２つの位相画像について全ての画素に関して波数の整数部分が同一である場合、波数の最適化は、ｍの画素の少なくとも無作為標本において波数の非整数部分が両位相画像間のドリフトの変更によって最小化されるようになされることが好ましい。

位相画像からのｍ次元の無作為標本について測定データのクオリティおよび適切な異常値検出処理に基づき、誤りを含む画素が除外されることが好ましく、この際無作為標本の画素は特に、分布の非整数部分の値に関して期待される分布の範囲内にあることが好ましい。

適切な無作為標本の選択には、原則として測定範囲内にある画像範囲の中間部分からの測定値が含まれ、画像の端の部分からの測定値は含まれない。これにより誤りを含む画素の除外と相まって、最適化処理の結果が改善される。

位相画像φ１およびφ２は高さ画像Ｈ１およびＨ２へ倍率Ｓ１およびＳ２を通して対応付けられ、これらの倍率は各三角測量角θ１またはθ２に基づき測定の前になされた較正によって求められたものである。三角測量角θ２はおおよその値でのみ再現可能であるため倍率Ｓ２には誤差が生じる。

高さの値ｈの位相画像φ１（ｘ，ｙ）およびφ２（ｘ，ｙ）の位相への割当ては、それぞれの一意性の範囲Ｅ１またはＥ２の範囲内でのみ明確に行うことができ、これらの範囲は三角測量角θ１、θ２にもパターンの周期にも依存する。

測定すべき高さの範囲が一意性の範囲Ｅ１またはＥ２より大きい場合、各位相画像φ１またはφ２に対する高さの値ｈの割当ては曖昧になる。

図３は位相画像φ１（ｘ，ｙ）およびφ２（ｘ，ｙ）の曖昧さによってもたらされる、各位相画像φ１（ｘ，ｙ）またはφ２（ｘ，ｙ）と高さの値ｈとの関係を示す。各鋸歯の周期の長さはそれぞれの一意性の範囲Ｅ１またはＥ２に対応する。

段階分けされた位相画像φ１およびφ２の差異を使用して、各画素について波数ｗｚを算出することができ、これは第１の位相画像φ１の画素の一意性の範囲の規則に対応する。これは下記の数式で表される。

ｗｚ＝（（ｒ^＊φ１−φ２）ｍｏｄ（２π））／（２π^＊（１−ｒ））

１物体
２３Ｄカメラ
３パターン
４照明光線
５物体表面
６観察方向
７画像処理ユニット
８出力ユニット
θ 三角測量角
φ 位相画像
Ｂ_i 画素
Ｓ倍率
Ｅ一意性の範囲
Ｚ位相のぶれ
ｈ測定された高さの値
Ｈ高さ画像
ｗｚ波数

Claims

位相シフト法を使用して光学的二重三角測量により物体の表面を三次元走査するための方法であって、
ａ．少なくとも２つの、同一の物体（１）の異なる三角測量角（θ１，θ２）による三次元測定が行われ、これにより各三角測量角（θ１，θ２）について少なくとも１つの、座標（ｘ１，ｙ１）を有する複数の画素（Ｂ_ｉ）を有する位相画像（φ１（ｘ，ｙ），φ２（ｘ，ｙ））が生成され、
ｂ．第１の三角測量角（θ１）が既知であり、かつ第２の三角測量角（θ２）も既知であり、
ｃ．各位相画像（φ１（ｘ，ｙ），φ２（ｘ，ｙ））は、前記三角測量角（θ１，θ２）に依存する一意性の範囲（Ｅ１，Ｅ２）を有し、かつ少なくとも前記一意性の範囲（Ｅ１，Ｅ２）内における倍率（Ｓ１，Ｓ２）を用いて高さの画像Ｈ（ｘ，ｙ）上に対応付けることができ、
ｄ．第１の位相画像（φ１（ｘ，ｙ））の各画素（Ｂ_ｉ）について、前記倍率（Ｓ１，Ｓ２）ならびに前記第１の位相画像（φ１（ｘ，ｙ））および前記第２の位相画像（φ２（ｘ，ｙ））間の階段関数を用いて波数（ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ））が決定され、前記波数（ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）の整数部分（［ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）］）が、各画素（Ｂ_ｉ）が存在する高さの値（ｈ）の関数としての一意性の範囲（Ｅ１）の規則（ｎ）に等しく、前記波数（ｗｚ（ｘ _ｉ，ｙ _ｉ））の非整数部分（ｗｚ（ｘ _ｉ，ｙ _ｉ）−［ｗｚ（ｘ _ｉ，ｙ _ｉ）］）が入力パラメータの誤差を対応付け、
ｅ．前記波数（ｗｚ（ｘ，ｙ））の最適化は、少なくともｍ画素（Ｂ_ｉ）の無作為標本について、前記倍率（Ｓ２）を用いて前記倍率（Ｓ１，Ｓ２）の比率（ｒ）を変更することにより、および／または２つの位相画像（φ１（ｘ，ｙ），φ２（ｘ，ｙ））内のパターン（３）の位相位置間のドリフト（ｑ）を変更することにより、前記波数（ｗｚ（ｘ，ｙ））の非整数部分（ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）−［ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）］）が最小化されるように実行され、
ｆ．前記波数は、ｗｚ＝（（ｒ ^＊ φ１−φ２）ｍｏｄ（２π））／（２π ^＊（１−ｒ））という式により表され、前記波数の決定のために、前記倍率（Ｓ１，Ｓ２）の比率（ｒ）が用いられ、
ｇ．最適化された波数が、
ｇ１．各画素（Ｂ_ｉ）について、各画素（Ｂ_ｉ）における位相画像（φ１（ｘ，ｙ））の値の和が前記画素に属する波数（ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ））の２π倍により得られ、この和に倍率Ｓ１を乗じることで、物体の高さの画像Ｈ１（ｘ，ｖ）を決定するため、または
ｇ２．測量基準となる高さの値（ｈ）に位相画像（φ１，φ２）を対応付ける倍率（Ｓ１，Ｓ２）の比率（ｒ）を決定するため、および、２つの位相画像（φ１（ｘ，ｙ），φ２（ｘ，ｙ））における、次の物体の測定の次の高さ画像Ｈ（ｘ，ｙ）の最適化のための初期値としてパターン（３）の位相間のドリフト（ｑ）を決定するため、または
ｇ３．第２の位相画像（φ２（ｘ，ｙ））から第２の測量基準となる高さ画像Ｈ２（ｘ，ｙ）を生成するため、
に使用されることを特徴とする、方法。
位相シフト法の実行のために、既知の変更可能な正弦曲線の位相を有するパターンが物体に投影されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
計測の基準となる高さの値（ｈ）に第１の位相画像（φ１）を対応付ける第１の倍率（Ｓ１）は既知であり、かつ、計測の基準となる高さの値（ｈ）に第２の位相画像（φ１）を対応付ける第２の倍率（Ｓ２）も既知であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
撮影された２つの位相画像（φ１（ｘ，ｙ），φ２（ｘ，ｙ））について、前記波数の整数部分（［ｗｚ（ｘ，ｙ）］）が画素（Ｂ_ｉ）の少なくとも２つの画素について異なる場合、少なくともｍ画素（Ｂ_ｉ）の）無作為標本について前記波数の非整数部分（ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）−［ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）］）が、前記倍率（Ｓ２）を通した倍率（Ｓ１，Ｓ２）の比率（ｒ）の変更によって、および２つの位相画像（φ１（ｘ，ｙ），φ２（ｘ，ｙ））間のパターン（３）のドリフト（ｑ）の変更によって最小化されるように、波数の最適化がなされることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
撮影された２つの位相画像（φ１（ｘ，ｙ），φ２（ｘ，ｙ））について全ての画素（Ｂ_ｉ）に関して波数（ｗｚ（ｘ，ｙ））の整数部分が同一である場合、前記波数の最適化は、ｍ画素（Ｂｉ）の少なくとも無作為標本において前記波数の非整数部分（ｗｚ（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ））が両位相画像（φ１（ｘ，ｙ），φ２（ｘ，ｙ））間のドリフト（ｑ）の変更によって最小化されるようになされることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
第２の位相画像（φ２）からの第２の高さ画像（Ｈ２）の生成を改善するために、最適化処理において最適化により得られた第１の高さ画像（φ１（ｘ，ｙ））を使用し、前記倍率（Ｓ２）、および前記第１の高さ画像（φ１（ｘ，ｙ））と前記第２の高さ画像（φ２）との間のカメラの位置変更の両方が、前記第２の高さ画像（Ｈ２）の算出において用いられ、この際カメラの位置変更は回転動作および転換動作に起因することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。