專利名稱：一種計算機雙目視覺義齒掃描裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及測量、測試技術領域的義齒掃描技術，具體的說是一種計算機雙
目視覺的義齒掃描裝置。
背景技術：
計算機視覺技術的發(fā)展為非接觸式三維測量技術在逆向工程、工業(yè)檢測和質(zhì)量控 制等方面的應用提供了有力的技術支撐，同時，在這些領域日益廣泛的應用也促進了視覺 三維測量技術的發(fā)展。如結(jié)構(gòu)光測量儀，采用線激光或光譜式激光的三角測量法。計算機視 覺測量技術以其方便、快捷和測量精確等特點在義齒掃描設備中獲得了廣泛的應用。目前， 采用非接觸式計算機視覺三維測量技術的義齒掃描設備主要采用兩種方法，一種是在測量 義齒時，向義齒的表面投射面光柵，由一個CCD相機拍攝圖像，提取義齒表面的三維點采樣 數(shù)據(jù)，在測量過程中義齒及相機都沒有移動，這種方法需要復雜的光柵投射裝置。另一種方 法是，向義齒表面投射線結(jié)構(gòu)光，然后由一個CCD相機拍攝圖像，提取光條在義齒表面的三 維采樣點，隨著放置義齒的底座的不斷旋轉(zhuǎn)，就獲得了義齒整個表面的三維點采樣點數(shù)據(jù)， 每旋轉(zhuǎn)一定的角度CCD相機拍攝一張圖像，通過計算機精確控制的旋轉(zhuǎn)角度將所有數(shù)據(jù)融 合在一起，這種方法要求有精確控制的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴，維護費用也高。

實用新型內(nèi)容針對當前義齒掃描設備結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴的不足，本實用新型要解決的技術問 題是提供一種采用簡單的機械結(jié)構(gòu)和控制方法便可以實現(xiàn)高精度測量的計算機雙目視覺 義齒掃描裝置及其三維重建方法。 為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是 本實用新型計算機雙目視覺義齒掃描裝置包括線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分、旋轉(zhuǎn)測 量臺及其控制部分以及箱體，其中 線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分包括2臺高分辨率數(shù)字CCD攝像機， 一個線結(jié)構(gòu)光線激光 器，2臺高分辨率數(shù)字CCD攝像機位于旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分中心側(cè)上方，以線結(jié)構(gòu)光線 激光器為中心對稱分布； 旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分包括旋轉(zhuǎn)測量臺及其驅(qū)動機構(gòu)和第1、2附件，第1、2附 件設于旋轉(zhuǎn)測量臺上，第1附件為一用于放置并夾持義齒牙模的平臺，第2附件通過緊固件 安裝于旋轉(zhuǎn)測量臺上，第2附件上設置有標志點，旋轉(zhuǎn)測量臺通過驅(qū)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)；上述結(jié)構(gòu) 安裝于箱體中；上述CCD攝像機及鏡頭的數(shù)據(jù)輸出端、線激光器的控制端以及旋轉(zhuǎn)測量臺 及其控制部分的控制端與外部控制計算機相連。 本實用新型還具有照明部分，安裝于箱體內(nèi)頂部，其控制端與外部控制計算機相 連；所述驅(qū)動機構(gòu)為交流變頻調(diào)速電機；所述箱體內(nèi)分為2層，上層容納線結(jié)構(gòu)光視覺采集 部分，下層容納旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分，第1、2附件及旋轉(zhuǎn)測量臺與其控制部分通過隔 板隔離，箱體正面設有門；門上對應第1、2附件及旋轉(zhuǎn)測量臺空間的位置為封閉玻璃。[0009] 本實用新型計算機雙目視覺義齒掃描裝置采用的三維重建方法包括以下步驟[0010] 將義齒通過第2附件夾持放置在旋轉(zhuǎn)測量臺上的CCD攝像機的有效拍攝范圍內(nèi)；[0011] 線結(jié)構(gòu)光線激光器向義齒投射激光，在義齒表面形成一條曲線光條；[0012] 啟動驅(qū)動機構(gòu)帶動旋轉(zhuǎn)測量臺連續(xù)旋轉(zhuǎn)； 兩個CCD攝像機攝取圖像，通過圖像接口卡將圖像數(shù)據(jù)傳輸至外部控制計算機進
行處理，得到整個義齒表面的三維點數(shù)據(jù)。 外部控制計算機對圖像進行處理包括以下步驟 對已接收到的旋轉(zhuǎn)測量臺旋轉(zhuǎn)一周的所有圖像提取標志點中心和光條中心線；[0016] 利用雙目立體視覺方法計算每幀圖像標志點的中心點和光條的中心線三維坐標，獲得該光條在義齒表面的三維數(shù)據(jù)點集； 利用標志點中心點三維坐標的特征矢量獲得標志點之間的對應關系，根據(jù)上述對應關系計算各幀圖像形成的坐標系之間的變換矩陣，通過變換矩陣將各個坐標系下的光條在義齒表面的三維數(shù)據(jù)融合在一個坐標系下，得到義齒完整表面的三維采樣數(shù)據(jù)。[0018] 所述光條中心線提取包括 對攝取的所有圖像采用中值濾波器消除圖像中的孤立噪聲點； 利用大津閾值法求出整幅圖像二值化的閾值，對圖像進行二值化處理； 對二值化的圖像進行細化處理，利用改進的0PTA細化算法，構(gòu)建5 8個消除模
板和4 6個保留模板，對光條進行細化； 細化得到的光條的骨架進行剪枝處理，得到粗略的線結(jié)構(gòu)光條骨架； 以細化得到的光條骨架為中心線，沿骨架上每個點的法線方向在光條上取n個
點，組成一個像素點集； 利用該像素點集的坐標和灰度值擬合二次曲線方程；依次遍歷骨架上的其他點，求出整個光條的亞像素中心點。 所述計算每幀圖像標志點中心和光條中心線的三維坐標(XW，YW，ZW)通過以下公式實現(xiàn) <j (3)(V—i -m^Xy +0!^^ — wJ3)Zr = —4 —巧"4
,-《)A +—2 - )；+—3 ,4 -， 其中(Ul， Vl)和(U2， V2)分別為Pl和p2點在各自圖像中的坐標；Hlijk(k = 1，2 ;
i《3， j《4)分別為相機的3X4的投影矩陣Mk的第i行第j列元素；Mk可由攝像機的標定得出。 所述利用標志點中心三維坐標的特征矢量獲得標志點之間的對應關系包括[0030] 利用標志點中心的三維坐標計算在每個坐標系下每個標志點中心與其他標志點中心的矢量，并計算每個標志點的矢量積形成的特征矢量； 比較各個坐標系下每個標志點的特征矢量，得到各個坐標系之間的標志點的對應關系。 本實用新型的有益效果是[0033] 1.本實用新型機械結(jié)構(gòu)和控制方法簡單，旋轉(zhuǎn)測量臺僅由一臺小功率的變頻調(diào)速 電機直接帶動，僅僅需要對電機實行啟動和停止的控制，不需要變速控制，并且對電機的主 軸轉(zhuǎn)動沒有精度要求。 2.本實用新型使用簡單、便于操作，只需將被測義齒放入掃描儀中，點擊啟動測 量，在小于1分鐘的時間內(nèi)即可完成一顆義齒的測量。 3.本實用新型對義齒的掃描精度高，三維點的位置精度可達到0. 02mm。
圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)主視圖； 圖2為圖1的俯視圖； 圖3為本實用新型中第1、2附件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本實用新型控制原理示意圖； 圖5為本實用新型旋轉(zhuǎn)測量臺的電氣控制原理圖； 圖6為本實用新型采用的控制方法流程圖； 圖7A、7B為本實用新型采用的方法中不同坐標系之間的數(shù)據(jù)融合示意圖(一 )、 (二)； 圖8為本實用新型采用的方法中光條中心提取示意圖； 圖9為本實用新型采用的方法中雙目立體視覺原理示意圖。
具體實施方式本實用新型是一種集光、機、電技術一體化的測量裝置，如圖1 4所示，該裝置包 括 線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分1、旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分2以及箱體3，其中線結(jié)構(gòu)光 視覺采集部分1包括兩臺高分辨率數(shù)字CCD攝像機ll，一個線結(jié)構(gòu)光激光器12，兩臺高分 辨率數(shù)字CCD攝像機11位于旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分2中心側(cè)上方，以線結(jié)構(gòu)光激光器12 為中心對稱分布； 旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分2包括旋轉(zhuǎn)測量臺21及其驅(qū)動機構(gòu)和第1、2附件22、 23，第1、2附件22、23設于旋轉(zhuǎn)測量臺21上，第1附件22為一用于放置并夾持義齒牙模的 平臺，第2附件23通過緊固件安裝于旋轉(zhuǎn)測量臺21上，第2附件23上設置有標志點，旋轉(zhuǎn) 測量臺21通過驅(qū)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)；上述結(jié)構(gòu)安裝于箱體3中；上述高分辨率數(shù)字CCD攝像機11 的數(shù)據(jù)輸出端、線激光器12的控制端以及旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分2的控制端與外部控制 計算機相連。 本實用新型還具有照明部分，安裝于箱體內(nèi)頂部，其控制端與外部控制計算機相 連。 所述驅(qū)動機構(gòu)為交流變頻調(diào)速電機。 所述箱體3為一封閉空間，通過兩側(cè)板、頂板、背板及底板封閉，屏蔽外界雜光的 干擾；內(nèi)分為2層，上層容納線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分l，下層容納旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分 2，第1、2附件22、23及旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分2通過隔板隔離，箱體3正面設有門，該門 上對應第1、2附件22、23及旋轉(zhuǎn)測量臺21空間的位置為封閉茶色玻璃，用于觀察及測量作
5業(yè)。 為了使高分辨率數(shù)字CCD攝像機11能清晰攝取標志點的圖像保持箱體3內(nèi)的光 源穩(wěn)定以及便于觀察，在箱體3的頂部安裝了一臺5W的節(jié)能燈。 所述高分辨率數(shù)字CCD攝像機ll采用加拿大Prosilica EC1350，配置低畸變 CCD相機鏡頭(日本kowa LM12JCM);線結(jié)構(gòu)光激光器12采用低功率聚焦功能良好的美國 SNF701。兩臺高分辨率數(shù)字CCD攝像機11呈一定的角度(60° -90° )擺放，并與線結(jié)構(gòu) 光激光器12對稱設置，并保證可以采集同一區(qū)域的圖像。高分辨率數(shù)字CCD攝像機11內(nèi) 部CCD的尺寸越大圖象就越清晰，圖像質(zhì)量就越好，但其價格也越高，因此綜合考慮本實施 例選用了 CCD尺寸為1/2"、圖像分辨率為1360 X 1024 ;鏡頭選用2/3"， f = 12mm的標準鏡 頭；線結(jié)構(gòu)光激光器12選用SNF激光器，設計物距250mm時，其激光條線寬僅為0. 07mm，功 率為10mw。高分辨率數(shù)字CCD攝像機11鏡頭光軸與線結(jié)構(gòu)光激光器12中心軸夾角為30 度，高分辨率數(shù)字CCD攝像機11距旋轉(zhuǎn)測量臺21中心處240mm，線結(jié)構(gòu)光激光器12距旋轉(zhuǎn) 測量臺21中心處240mm處，高分辨率數(shù)字CCD攝像機11鏡頭與線結(jié)構(gòu)光激光器12鏡頭距 離為125mm。 旋轉(zhuǎn)測量臺21 —個圓盤式測量臺，其驅(qū)動機構(gòu)為交流變頻調(diào)速電機及其控制部 分；旋轉(zhuǎn)測量臺21用于測量時直接放置被測的義齒，旋轉(zhuǎn)測量臺21底端的旋轉(zhuǎn)軸與交流 變頻調(diào)速電機輸出軸固連，在交流變頻調(diào)速電機驅(qū)動下繞旋轉(zhuǎn)測量臺21旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；交流 變頻調(diào)速電機的速度設定為義齒外形360度掃描的速度，其角速度為0. 2 0. 5rad/s。交 流變頻調(diào)速電機的啟動和停止由外部控制計算機的控制程序控制，與高分辨率數(shù)字CCD攝 像機11拍攝的啟動和停止相匹配。通過串口 RS232連接外部控制計算機的控制程序和交 流變頻調(diào)速電機控制器開關量信號，在控制程序中添加串口控制程序，指定串口某一通道 (如采用DB9-7)在控制程序啟動按鈕按下時產(chǎn)生高電平，在停止按鈕按下時產(chǎn)生低電平。 由于RS232串口所產(chǎn)生的電平不是標準的TTL電平，因此需要借助專用驅(qū)動芯片或電路進 行信號轉(zhuǎn)換，本實施例采用如圖5所示的轉(zhuǎn)換電路，當DB9-7為高電平時，三極管導通，繼電 器線圈SSR得電，接通交流變頻調(diào)速電機的控制回路。 本實用新型計算機雙目視覺義齒掃描裝置采用的三維重建方法包括以下步驟 (1)將義齒通過第2附件23夾持放置在旋轉(zhuǎn)測量臺21上的CCD攝像機11的有效 拍攝范圍內(nèi)； 第2附件23上設置有3個以上標志點(本實施例采用4個)，標志點之間的距離 不能相等，標志點采用直徑為10mm的白色圓點； (2)線結(jié)構(gòu)光線激光器12)向義齒投射激光，在義齒表面形成一條曲線光條； (3)啟動驅(qū)動機構(gòu)帶動旋轉(zhuǎn)測量臺21連續(xù)旋轉(zhuǎn)； (4)兩個CCD攝像機11攝取圖像，通過圖像接口卡將圖像數(shù)據(jù)傳輸至外部控制計 算機進行處理。
如圖6所示，外部控制計算機進行處理過程如下 (41)對已接收到的旋轉(zhuǎn)測量臺21旋轉(zhuǎn)一周的所有圖像提取標志點中心和光條中 心線； 如圖8所示，光條中心線提取首先采用中值濾波器消除孤立的噪聲點；然后利用 大津閾值法求出整幅圖像二值化的閾值，對圖像進行二值化處理；再對二值化的圖像進行細化處理，利用改進的0PTA細化算法，構(gòu)建5 8個(本實施例選8個)消除模板和4 6個(本實施例選6個)保留模板，對光條進行細化；細化得到的光條的骨架進行剪枝處理，得到粗略的線結(jié)構(gòu)光條骨架；最后以細化得到的光條骨架為中心線，沿骨架上每個點的法線方向在光條上取n個點，組成一個像素點集；利用該像素點集的坐標和灰度值擬合二次曲線方程；依次遍歷骨架上的其他點，求出整個光條的亞像素中心點。 (42)利用雙目立體視覺方法計算每幀圖像標志點的中心點和光條的中心線三維坐標，獲得該光條在義齒表面的三維數(shù)據(jù)； 兩個CCD攝像機11都是經(jīng)過標定的，也就是說兩個CCD攝像機11的內(nèi)參數(shù)都是已知的?；陔pCCD的三維計算屬于立體視覺下的三維重建，它不需要對線結(jié)構(gòu)光激光器12進行標定，但需知道空間任一點P在兩個CCD攝像機11上的圖像點Pl和p2，如圖9所示，必須預先檢測出兩個圖像點Pi和P2是空間同一點P的兩個對應點，即需要對光點進行匹配，然后根據(jù)如下公式設標定攝像機的投影矩陣分別為M工和M2 :
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(1)
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(2)
得到關于三維點(XW，YW，ZW)的四個線性方程
<formula>formula see original document page 7</formula>(3)
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(4) 其中(Ul，Vl)和(u2，v2)分別為p^Pp2點在各自圖像中的坐標；mijk(k二 1，2)分別為Mk的第i行第j列元素；式(3)和式(4)各代表直線0lPl和直線02p2，而空間點P是這兩條直線的交點。求解4個方程可用最小二乘法求出三維點(XW，YW，ZW);[0071] (43)利用標志點中心點三維坐標的特征矢量獲得標志點之間的對應關系，根據(jù)上述對應關系計算各幀圖像形成的坐標系之間的變換矩陣，通過變換矩陣將各個坐標系下的光條在義齒表面的三維數(shù)據(jù)融合在一個坐標系下，得到義齒完整表面的三維采樣數(shù)據(jù)。[0072] CCD攝像機11每拍攝一次得到一幅圖像，計算得到義齒表面的一條由光點組成的采樣曲線，要得到義齒完整表面的采樣點，必須使旋轉(zhuǎn)測量臺21旋轉(zhuǎn)360° ，進行連續(xù)掃描，但每幀圖像計算得到的激光條在義齒表面的三維點坐標的坐標系都不相同，因此必須利用在每幅圖像中設置的標志點進行數(shù)據(jù)融合。[0073] 首先精確定位每幀圖像上標志點中心圖像坐標，然后計算每個標志點中心的三維 坐標并計算每個標志點的特征矢量，完成每個旋轉(zhuǎn)位置同第一幅圖像標志點的對應匹配； 計算變換矩陣，把每個位置計算的光條三維坐標轉(zhuǎn)化到第一幅圖像計算的坐標系下，就完 成了所有位置拍攝圖像的數(shù)據(jù)融合。 所述利用標志點中心三維坐標的特征矢量獲得標志點之間的對應關系就是利用 標志點中心的三維坐標計算在每個坐標系下每個標志點中心與其他標志點中心的矢量，并 計算每個標志點的矢量積形成的特征矢量；比較各個坐標系下每個標志點的特征矢量，得
到各個坐標系之間的標志點的對應關系。 如圖7A、7B所示，位置1的4個標志點^、、、^與V4，旋轉(zhuǎn)測量臺21旋轉(zhuǎn)之后所有 標志點變?yōu)槲恢?的標志點P"^、P3和P4 ;每個標志點與其它三個點可形成三個矢量，例如 K點有三個矢量為VJ2、 和VJ4， P丄點有三個矢量為P^、 PA和PA，分別計算K點的 三個矢量積和Pi點的三個矢量積，如果這兩個矢量積是相等的，則K和P工是對應點。同樣 可知V2和P2、 V3和P3、 V4和P4也是對應點，通過這些對應點就可以計算出從位置1到位置 2的變換矩陣，這個變換矩陣同樣適用于提取的光條三維點，這樣所有旋轉(zhuǎn)位置的光條三維 點就融合為一個義齒完整表面三維點集數(shù)據(jù)。 綜上所述，本實用新型利用結(jié)構(gòu)光雙目視覺原理，采用線結(jié)構(gòu)光激光器12與2個 CCD攝像機11結(jié)合構(gòu)成的傳感器，形成結(jié)構(gòu)光成像幾何模型，通過傳感器在旋轉(zhuǎn)測量臺旋 轉(zhuǎn)過程中對義齒連續(xù)掃描成像，運用視覺圖像處理技術，計算出每幅圖像中光條中心線的 三維點坐標，然后利用標志點將所有圖像的三維點坐標融合在一個坐標系下，就獲得了整 個義齒的采樣點集數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求一種計算機雙目視覺義齒掃描裝置，其特征在于包括線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分(1)、旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分(2)以及箱體(3)，其中線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分(1)包括2臺高分辨率數(shù)字CCD攝像機(11)，一個線結(jié)構(gòu)光線激光器(12)，2臺高分辨率數(shù)字CCD攝像機(11)位于旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分(2)中心側(cè)上方，以線結(jié)構(gòu)光線激光器(12)為中心對稱分布；旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分(2)包括旋轉(zhuǎn)測量臺(21)及其驅(qū)動機構(gòu)和第1、2附件(22、23)，第1、2附件(22、23)設于旋轉(zhuǎn)測量臺(21)上，第1附件(22)為一放置并夾持義齒牙模的平臺，第2附件(23)上設置有標志點，旋轉(zhuǎn)測量臺(21)通過驅(qū)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)；上述結(jié)構(gòu)安裝于箱體(3)中；上述CCD攝像機及鏡頭(11)的數(shù)據(jù)輸出端、線激光器(12)的控制端以及旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分(2)的控制端與外部控制計算機相連。
2. 按權(quán)利要求1所述的計算機雙目視覺義齒掃描裝置，其特征在于還具有照明部分， 安裝于箱體內(nèi)頂部，其控制端與外部控制計算機相連。
3. 按權(quán)利要求1所述的計算機雙目視覺義齒掃描裝置，其特征在于所述驅(qū)動機構(gòu)為交流變頻調(diào)速電機。
4. 按權(quán)利要求l所述的計算機雙目視覺義齒掃描裝置，其特征在于所述箱體(3)內(nèi)分為2層，上層容納線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分(l)，下層容納旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分(2)，第 1、2附件(22、23)及旋轉(zhuǎn)測量臺(21)與其控制部分(2)通過隔板隔離，箱體(3)正面設有 門。
5. 按權(quán)利要求4所述的計算機雙目視覺義齒掃描裝置，其特征在于所述門上對應第 1、2附件(22、23)及旋轉(zhuǎn)測量臺(21)空間的位置為封閉玻璃。
專利摘要本實用新型涉及一種計算機雙目視覺的義齒掃描裝置，線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分、旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分以及箱體，其中線結(jié)構(gòu)光視覺采集部分包括2臺高分辨率數(shù)字CCD攝像機，一個線結(jié)構(gòu)光線激光器，2臺高分辨率數(shù)字CCD攝像機位于旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分中心側(cè)上方，以線結(jié)構(gòu)光線激光器為中心對稱分布；旋轉(zhuǎn)測量臺及其控制部分包括旋轉(zhuǎn)測量臺及其驅(qū)動機構(gòu)和第1、2附件，第1、2附件設于旋轉(zhuǎn)測量臺上，第1附件為一放置并夾持義齒牙模的平臺，第2附件上設置有標志點，旋轉(zhuǎn)測量臺通過驅(qū)動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)；上述結(jié)構(gòu)安裝于箱體中。本實用新型機械結(jié)構(gòu)和控制方法不需要變速控制，并且對電機的主軸轉(zhuǎn)動沒有精度要求，便于操作，掃描精度高。
文檔編號G01B11/24GK201522266SQ20092024799
公開日2010年7月7日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者于彥鳳, 劉偉軍, 夏仁波, 趙吉賓 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所