JP2015531946A - 物体の3dモデリング - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体の3Dモデリングのための、特に歯科学および、歯列、顎、歯の状況のモデリングで使用するための、方法、システム、およびソフトウェアのような構成要素に関する。
今日では、人体、人体の部分、機械的な物体とそのような一般的物体の3次元デジタル化が、広く採用され、適用される。このデジタル化プロセスの間に、物体は、物体の測定データまたはスキャン点を得るために、3つのすべての次元において、スキャン装置によってスキャンされる。そして、スキャン点はさらに処理され、コンピュータ・システムのストレージおよび処理に適した形式で物体をモデリングするデジタル体積が得られる。このデジタル体積は、その後さらに、ディスプレイ上の視覚化のためにスキャンされた対象物の画像を取得するボリュームレンダリングのようなデジタル操作のために使用されることができる。表現はまた、CAD/CAM技術を用いて処理されることができる。物体をスキャンしてデジタル体積を取得するプロセス全体は、一般的に3Dスキャニングパイプラインと呼ばれる。例えば、患者の歯列のデジタル化のために使用される口腔内スキャナといった、利用可能ないくつかのスキャナは、このパイプラインのいくつかのステップを並列化し、歯列のデジタル体積を取得する。これは、より多くのデータ測定がキャプチャされる一方で、基本的デジタル体積とそれによるディスプレイ上の視覚化が成長し拡張する、漸進的なスキャンアプローチを可能にする。この種のスキャナを使用して、スキャナのユーザは、スキャニングが処理中の間、ディスプレイ上のデジタル化された身物体の視覚画像を得る。これにより、ユーザは、最初のデジタル体積を得る前に、スキャナが最初にすべての測定を完了するまで待つ必要がない。しかしながら、このタイプのスキャナのスキャンパイプラインの重大な制限は、デジタル体積における詳細レベルを漸進的に上げることができない、すなわち、より多くの測定が行われている領域において、モデリングする表面の解像度を漸進的に増やすことができないということである。
本発明、物体の3次元モデリングのための代替の方法、システム、あるいはソフトウェアのような構成要素を提供することを目的とする。
本発明は、以下の説明および添付の図面に照らして理解されるべきである。
定義
以下の用語は、本発明の理解を助けるためにのみ提供される。
本発明の第1の局面を実施する特定の方法100を、図6を参照して説明する。ここにおいて物体のスキャンは異なるスキャン点(4)を提供する。すべてのスキャンされたデータは、ステップ101で、コンピュータ―たとえば図5のコンピュータ54、にロードされる。コンピュータ54は、本発明の方法のいずれかを実行するように構成されている。図1−aと図1−bと図1−cとに示すように、決定された空間(2)は、ステップ102において要素空間(3)に分割される。この方法により得られるだろう物体(1)のモデルが、この決定された空間内(3)を使用しているため、この決定された空間内にある物体の一部のみがモデル化されるだろう。明確にするために、図1−aと図1−bと図1−cとは、2次元表現を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。これらの要素空間(3)のそれぞれは、ステップ103でそれに割り当てられる符号付き距離パラメータと重みパラメータ(3)とを有している。符号付距離パラメータは割り当てられた要素空間(3)と物体のスキャンからモデリングされるべき物体(1)との間の距離を示す。重みパラメータは、この距離パラメータの重要度を示している。たとえばモデルが、三角形メッシュといった、物体のデジタル表面表現を作成するために後で使用されるとき、例えば、重み値は、それに付随する符号付き距離値にどの程度重要度が与えられるかを示している。物体のスキャニングから、さまざまなスキャン点(4)が得られる。前記スキャン点は、例えば一意のグローバル参照システム内の座標を与えることにより、決定された空間内の一意の点を定義する。スキャン点への変数の割り当てはまた、点が、物体の内部、外部、または物体の表面上にあるかどうかを決定するために、暗黙的または明示的な情報を含むことができる。この種の情報は、例示的には、スキャン装置によって提供される。これらのスキャン点をスキャンすることにより取得する方法は、本発明を限定するものではない。ステップ104では、次に物体のスキャンによって得られるスキャンされた各点について、各要素空間の符号付距離及び重みパラメータは、新たにスキャンされた点が要素空間からの物体への距離に関する情報を含むため、この新たにスキャンされた点を考慮し、任意に変更される。ステップ105において、物体のモデルの詳細を高めるために、選択された要素空間(5)はまた、符号付距離及び重みパラメータが(6)が割り当てられたより小さい要素空間に、この選択された基本の空間を分割することによって変更される。選択された要素空間(5)は、小さな要素空間(6)に対して下位レベルの要素空間とみなされ、より小さな要素空間(6)は、上位レベルの要素空間と見なされる。モデルの詳細は従って、要素空間(5)がより小さな要素空間(6)に分割されている場所において改善され、局所的に改善されたモデルの詳細を得ることができる。このモデルの詳細を増加させるプロセスは、物体のモデリング中にいつでも行うことができる。より小さい要素空間も、新しい点がスキャンによって提供される場合、変更可能とされる要素空間である。要素空間(5)の分割は、この要素空間が存在しなくなることを意味するものではない。この場合、小さな要素空間(6)は、それらが由来した下位レベルの要素空間に対し、上位レベルの要素空間として見ることができる。新しい点がモデルに追加されたときに、再び、この元の要素空間と小さい要素空間の両方の符号付き距離及び重みパラメータが、変更されうる。モデルの詳細の増加と同様に、また、ステップ106において、選択された要素空間(6)を、選択された要素空間(6)の符号付距離及び重みパラメータに基づき定義されたより少ない選択された要素空間(5)に置き換えることによって、物体のモデルの詳細を下げることができる。ここでも、要素空間(5)を分割することは、この元の要素空間がが存在しなくなることを意味するものではなく、階層的に下位レベルの要素空間がモデルに導入されたことを意味する。
本発明の第2の局面の好ましい実施形態では、本発明の第1の局面の方法が、歯列弓の3Dデジタル表面表示を取得するための方法300で使用される。初期の測定データとそのスキャン点は、次に口腔内スキャナを介して取得される。すべてのスキャンされたデータは、ステップ302でコンピュータ−たとえば図5のコンピュータ54など、にロードされる。初期の表面表現は、図8のステップ302で、予め設定された解像度で構築されている。予め設定された解像度は、開示された方法での細分化条件によって指定される。これらの最初のスキャン点は、ステップ303において、第1の局面の発明の方法を適用することによって、歯列弓の初期モデルに変換される。ステップ304において、初期モデルは、表面表現に順に変換される。表面は画像に変換され、ユーザ、すなわち歯科医に表示される。ユーザは、ステップ305においてより詳細が必要とされる所をこのディスプレイ上で指示する。このユーザ入力は、ステップ306において新しいセットのデータの取得のためスキャナの出発点に変換され、モデルのこの点における予め設定されたされた条件はより高い解像度に更新される。予め設定された条件は、例えば詳細がこの位置におけるスキャン点の数に基づき増やされるように指定された場合など、そのまま変化させないこともできる。ステップ307において、新しいスキャン点がモデルに追加され、モデルは選択された領域で強化された詳細からなる更新された表面表現に変換される。
Claims (29)
- 決定された空間(2)のスキャニングから物体(1)をモデリングするためのコンピュータを用いた方法であって、前記方法は、
決定された空間を要素空間(3)に分割することを備え、
前記各要素空間(3)には、
前記要素空間と前記物体との距離を表す符号付距離パラメータと、
距離パラメータの重要度を表す重みパラメータとが割り当てられ、
前記物体の前記スキャニングは、スキャン点を提供し、このようにして得られた各スキャン点(4)は、前記決定された空間の各要素空間の前記符号付距離と前記重み値とを必要に応じて変更し、前記物体のモデルの詳細を増やすために、
前記選択された要素空間と同じパラメータによって定義される上位レベルの要素空間に前記選択された要素空間を細分化することによって、前記決定された空間の選択された要素空間のそれぞれが変更され、前記物体のモデルの詳細の削減のために、
前記選択された要素空間の前記符号付距離パラメータおよび重みパラメータによって定義される下位レベルの要素空間に選択された要素空間を置換することによって、前記決定された空間の前記要素空間が変更される、方法。 - 前記符号付距離と前記重みパラメータとの前記変更が、前記スキャン点に基づき新しい符号付距離と重み値とを計算することにより実行され、前記符号付距離パラメータの現在の値を、前記新しい符号付距離の値と重み値と、前記符号付距離の前記現在の値と、前記重みパラメータの現在の値と、に基づき、更新された符号付距離パラメータの値に置き換えることにより実行され、前記重みパラメータの前記現在の値を、前記重み値の前記現在の値と、前記新しい重み値と、に基づき、更新された重み値に置き換えることにより行われる、請求項1に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記更新された符号付距離値が、前記新しい距離値と前記符号付距離パラメータの前記現在の値との間の重みづけされた平均であって、前記重みづけされた平均は、前記新しい重み値と前記符号付距離パラメータの前記現在の重み値とを、それぞれ、前記新しい重み値と前記現在の重み値として用いる、請求項2に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記新しい符号付距離値は、前記スキャン点(4)を通してフィッティングされた法平面と前記要素空間との間の距離(31)であって、前記新しい符号付距離の符号は、前記要素空間が前記物体の外側に位置するときに正であって、逆に、前記値の符号は、前記要素空間が前記物体の内側に位置するときに負である、請求項2または請求項3に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記更新された重み値は、前記重みパラメータの前記現在の値と前記新しい重み値との和である、請求項2から請求項4のいずれか1項に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記新しい重みパラメータは、スキャン点のまわりの境界と中心とを備える近傍を決定することによって計算され、ここで、前記スキャン点を含む、あるいは最も近い要素空間における前記重みパラメータの値は最大となり、前記近傍の境界に向けて前記値が減少し、前記値は前記近傍の境界の外で0となる、請求項2から請求項5のいずれか1項に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記スキャン点は、前記スキャニングの方向の視線方向の情報を含み、前記近傍が楕円体(21)であり、前記スキャン点(4)は前記楕円体の中央にあり、前記楕円体の軸の1つは、前記楕円体の例えば短軸あるいは長軸として定義され、スキャナの視線軸によって定義されることができ、前記新しい重み値は、前記楕円体内でガウス関数によって決定され、前記ガウス関数は、楕円体の中央で最大値をとり、楕円体の境界において3シグマの値をとるような範囲とすることができる、請求項6に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記要素空間は、サンプリングユニットあるいは任意にレギュラーサンプリングユニットとに、前記決定された空間(2)を細分化するグリッド(7)によって定義され、各前記サンプリングユニット、例えばレギュラーサンプリングユニット、は単一の要素空間(3)に対応する、上記いずれかの請求項に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記サンプリングユニットはツリーのノードによって表され、前記選択された要素空間の前記細分化は、各前記サンプリングユニットを子サンプリングノードあるいは任意に同サイズのサンプリングユニットに分割することによって実施され、前記選択された要素空間の前記削減は、前記サンプリングユニットの子サンプリングユニットをすべて除去することによって行われる、請求項8に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 符号付距離(5)と重みパラメータとが前記要素空間(3)の端点(8)に割り当てられる、請求項8と請求項9のいずれか1項に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 細分化のための前記選択された要素空間は、予め設定された細分化条件によって定められ、置換のための前記選択された要素空間は、予め設定された減少条件によって定義される、上記いずれかの請求項に記載のコンピュータを用いた、方法。
- デジタル表面または体積表現が、前記要素空間の前記距離及び重みパラメータから構成される、上記いずれかの請求項に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記表面又は体積表現が0等値面を抽出することによって構築される、請求項12に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 前記予め設定された細分化条件が、前記表面または体積表現において必要とされる詳細の最小レベルである、請求項11または請求項12または請求項13に記載のコンピュータを用いた、方法。
- 物体の決定された空間(2)をスキャニングすることによって物体(1)をモデリングするためのコンピュータを用いたシステムであって、前記システムは、プロセッサを有するコンピュータを備え、前記物体の前記スキャニングは、スキャン点を提供し、プロセッサは、決定された空間を要素空間(3)に分割するよう適合され、プロセッサは前記各要素空間(3)に、
前記要素空間と前記物体との距離と表す符号付距離パラメータと、
距離パラメータの重要度を表す重みパラメータと、を割り当てるように適合され、
プロセッサはさらに、スキャニングによって得られた新しいスキャン点(4)それぞれを受け取ると、前記決定された空間の各要素空間の前記符号付距離と重み値とを必要に応じて変更するよう適合され、
前記物体のモデルの詳細を増やすために、プロセッサは、前記選択された要素空間と同じパラメータによって定義される上位レベルの要素空間に前記選択された要素空間を細分化することによって、前記決定された空間の選択された要素空間のそれぞれが変更されるよう適合され、
前記物体のモデルの詳細の削減のために、プロセッサは、
前記選択された要素空間の前記符号付距離パラメータおよび重みパラメータによって定義される下位レベルの要素空間に選択された要素空間を置換することによって、前記決定された空間の選択された要素空間が変更されるよう適合された、システム。 - 前記プロセッサが、前記符号付距離と重みパラメータとを、前記スキャン点に基づき新しい符号付距離と重み値とを計算することにより、前記符号付距離パラメータの現在の値を、前記新しい符号付距離の値と重み値と、前記符号付距離パラメータの前記現在の値と、前記重みパラメータの現在の値とに基づき、更新された符号付距離値に置き換えることにより、前記重みパラメータの前記現在の値を、前記重み値の前記現在の値と、前記新しい重み値とに基づき、更新された重みパラメータに置き換えることにより、変更するようさらに適合された、請求項15に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記更新された符号付距離値が、前記新しい距離値と前記符号付距離パラメータの前記現在の値との間の重みづけされた平均であって、前記重みづけされた平均が、前記新しい重み値と前記符号付距離パラメータの前記現在の重み値とを、それぞれ、前記新しい重み値と前記現在の重み値として用いるようさらに適合された、請求項16に記載のコンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記新しい符号付距離の値は、前記スキャン点(4)を通してフィッティングされた法平面と前記要素空間との間の距離(31)であって、前記新しい符号付距離の符号は前記要素空間が前記物体の外側に位置するときに正であって、前記値の符号は前記要素空間が前記物体の内側に位置するときに負である、ように適合された請求項16または請求項17に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記更新された重み値が、前記重みパラメータの前記現在の値と前記新しい重み値との和であるようさらに適合された、請求項15から請求項18のいずれか1項に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記新しい重みパラメータが、スキャン点のまわりの境界と中心とを備える近傍を決定することによって計算され、ここで、前記スキャン点を含む、あるいは最も近い要素空間における前記重みパラメータは最大となり、前記近傍の境界に向けて前記値が減少し、前記値は前記近傍の境界の外で0となるようさらに適合された、請求項15から請求項19のいずれか1項に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記スキャン点が、前記スキャニングの方向の視線方向の情報を含み、前記近傍が楕円体(21)であり、前記スキャン点(4)は前記楕円体の中央にあり、前記楕円体の長軸は、スキャナの視線軸によって定義され、前記新しい重み値は、前記楕円体内でガウス関数によって決定され、前記ガウス関数は、楕円体の中央で最大値をとり、楕円体の境界において3シグマの値をとるような範囲とすることができる、ようさらに適合された、請求項20に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記決定された空間が、前記決定された空間(2)をレギュラーサンプリングユニットに細分化するグリッド(7)によって定義され、前記各レギュラーサンプリングユニットが単一の要素空間(3)に対応するようさらに適合された、請求項15から請求項21のいずれかの1項に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、符号付距離(5)と重みパラメータとが前記要素空間(3)の端点(8)に割り当てられるようさらに適合された、請求項22に記載のコンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記サンプリングユニットがツリーのノードによって表され、前記選択された要素空間の前記細分化は、前記各サンプリングユニットを子サンプリングノードあるいは任意に同サイズのサンプリングユニットに分割することによって実施され、前記選択された要素空間の前記削減は、前記サンプリングユニットの子サンプリングユニットをすべて除去することによって行われるようさらに適合された、請求項22あるいは請求項23に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、細分化のための前記選択された要素空間が、予め設定された細分化条件によって定められ、置換のための前記選択された要素空間が、予め設定された減少条件によって定義されるようさらに適合された、請求項15から請求項24のいずれか1項に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、デジタル表面または体積表現が、前記要素空間の前記距離パラメータと重みパラメータとから構成されるようさらに適合された、請求項15から請求項25のいずれか1項に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記表面または体積表現が0等値面を抽出することによって構築されるようさらに適合された、請求項26に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- プロセッサが、前記予め設定された細分化条件が、前記表面または体積表現において必要とされる詳細の最小レベルであるようさらに適合された、請求項25または請求項26または請求項27に記載の、コンピュータを用いたシステム。
- 信号記憶媒体に記憶されたコンピュータプログラム製品であって、コンピュータプログラム製品はソフトウェアを備え、プロセッシングエンジンによりソフトウェアが実行されると、ソフトウェアは物体(1)の決定された空間(2)のスキャニングから物体をモデリングするために用いられ、前記物体の前記スキャニングはスキャン点を提供し、コンピュータプログラム製品は、決定された空間を要素空間(3)に分割するようためのコードセグメントを備え、前記各要素空間(3)に対して、
前記要素空間と前記物体の距離と表す符号付距離パラメータと、
距離パラメータの重要度を表す重みパラメータと、を割り当て、
さらに、スキャニングによって得られた新しいスキャン点(4)それぞれを受け取ると、前記決定された空間の各要素空間の前記符号付距離パラメータと前記重みパラメータを必要に応じて変更するよう適合され、
前記物体のモデルの詳細を増やすために、ソフトウェアは、前記選択された要素空間と同じパラメータによって定義される上位レベルの要素空間に前記選択された要素空間を細分化することによって、前記決定された空間の選択された要素空間のそれぞれを変更するよう適合され、
前記物体のモデルの詳細を減らすために、ソフトウェアは、前記選択された要素空間の前記符号付距離パラメータおよび重みパラメータによって定義される下位レベルの要素空間に選択された要素空間を置換することによって、前記決定された空間の前記要素空間が変更されるよう適合された、コンピュータプログラム製品。
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