帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的掃描裝置及其三維重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的掃描裝置，包括箱體、激光掃描機構(gòu)、電動平移臺、電動角位臺、牙冠夾具基臺、牙冠夾具，所述電動平移臺設(shè)置在箱體內(nèi)部的底面上，所述電動角位臺設(shè)置在電動平移臺上，所述電動角位臺上表面設(shè)置有弧形凹陷，所述弧形凹陷上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)臺支架，所述旋轉(zhuǎn)臺支架上方通過電動旋轉(zhuǎn)臺與牙冠夾具基臺連接，所述牙冠夾具設(shè)置在牙冠夾具基臺上方；所述電動平移臺的后部設(shè)置有倒L型支架，所述倒L型支架上方端部設(shè)置有固定面板，所述激光掃描機構(gòu)設(shè)置在固定面板上；本發(fā)明還公開了一種帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維重建方法，本發(fā)明可對義齒窩洞預(yù)備體內(nèi)的倒凹進行掃描，掃描精度較高，掃描精度小于0.1mm。
【專利說明】帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的掃描裝置及其三維重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于義齒的掃描【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的掃 描裝置及其三維重建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 倒凹由牙體或其它組織的外形輪廓，以及相對的位置關(guān)系體現(xiàn)；形成倒凹應(yīng)具備 兩個條件，一是物體的端面積和底面積不相等，二是物體長軸與基準(zhǔn)平面不垂直，即存在軸 向上的范圍之差，或處于傾斜狀態(tài)，用數(shù)學(xué)的說法是從梯形的上邊的兩頭，做一條垂直于下 邊的直線，這樣形成了左右兩個三角形，和中間一個矩形，那么兩邊的三角形就叫做倒凹 區(qū)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中的KaVoPREPassistant系統(tǒng)在義齒窩洞預(yù)備體掃描重建及參數(shù)測量 方面耗時較長，且由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的局限性，投影線無法進入傾斜的義齒窩洞預(yù)備體的倒凹， 使得重建圖像缺失倒凹部分，實際應(yīng)用中有明顯的局限性。
[0004] 目前對于義齒窩洞預(yù)備體的掃描采用非接觸式的光柵掃描，由于義齒窩洞預(yù)備體 內(nèi)倒凹位于牙體內(nèi)部被外周圍的牙體進行遮擋，用光柵水平掃描，激光線無法到達(dá)內(nèi)部。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有存在的技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供一種帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體 的掃描裝置及其三維重建方法。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實施例的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明實施例提供一種帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的掃描裝置，包括箱體、激光 掃描機構(gòu)、電動平移臺、電動角位臺、牙冠夾具基臺、牙冠夾具，所述電動平移臺設(shè)置在箱體 內(nèi)部的底面上，所述電動角位臺設(shè)置在電動平移臺上，所述電動角位臺上表面設(shè)置有弧形 凹陷，所述弧形凹陷上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)臺支架，所述旋轉(zhuǎn)臺支架上方通過電動旋轉(zhuǎn)臺與牙冠夾 具基臺連接，所述牙冠夾具設(shè)置在牙冠夾具基臺上方；所述電動平移臺的后部設(shè)置有倒L 型支架，所述倒L型支架上方端部設(shè)置有固定面板，所述激光掃描機構(gòu)設(shè)置在固定面板上， 所述激光掃描機構(gòu)包括成角度對稱設(shè)置的一對CCD攝像頭、設(shè)置在固定面板中心的激光 器。
[0008] 上述方案中，所述一對C⑶攝像頭通過USB接口與計算機連接，所述激光器通過 RS232接口與計算機連接。
[0009] 本發(fā)明實施例還提供一種帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維重建方法，該方法包 括：掃描裝置掃描義齒窩洞預(yù)備體的水平方向和正負(fù)45度方向，將掃描獲得的義齒窩洞預(yù) 備體水平方向的圖像數(shù)據(jù)和窩洞預(yù)備體內(nèi)倒凹的圖像數(shù)據(jù)拼合獲得帶有倒凹的義齒窩洞 預(yù)備體的三維點數(shù)據(jù)。
[0010] 上述方案中，所述將掃描獲得的義齒窩洞預(yù)備體水平方向的圖像數(shù)據(jù)和義齒窩洞 預(yù)備體內(nèi)倒凹的圖像數(shù)據(jù)拼合獲得帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維點數(shù)據(jù)為：對義齒窩 洞預(yù)備體水平方向的圖像數(shù)據(jù)和窩洞內(nèi)倒凹的圖像數(shù)據(jù)依次進行圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、 圖像融合。
[0011] 上述方案中，所述圖像預(yù)處理為：根據(jù)中值濾波算法將窩洞內(nèi)倒凹的點云數(shù)據(jù)中 隨機噪聲和脈沖干擾減少或去除。
[0012] 上述方案中，所述圖像配準(zhǔn)為：將掃描裝置從不同的垂直水平面位置進行義齒窩 洞預(yù)備體掃描獲得不同角度的義齒窩洞預(yù)備體內(nèi)倒凹的圖像數(shù)據(jù)完整進行拼接，把不同角 度的圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。
[0013] 上述方案中，所述圖像配準(zhǔn)具體為：設(shè)帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的某一位置下 為參考統(tǒng)一坐標(biāo)系，其他位置的坐標(biāo)系通過坐標(biāo)變換矩陣統(tǒng)一到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，根據(jù)Screw 理論，空間向量分步求解變換矩陣，坐標(biāo)變換矩陣可分解為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量為統(tǒng)一 坐標(biāo)，Rw為旋轉(zhuǎn)矩陣，&為另一位置下的坐標(biāo)，Τ 1?(1為平移向量
[0014] X〇 = Ri,〇 * Χι+Τ1；〇
[0015] 和的求解由以下實現(xiàn)：

【權(quán)利要求】
1. 一種帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的掃描裝置，其特征在于：包括箱體（11)、激光掃 描機構(gòu)（10)、電動平移臺（1)、電動角位臺（2)、牙冠夾具基臺（5)、牙冠夾具（6)，所述電動 平移臺（1)設(shè)置在箱體（11)內(nèi)部的底面上，所述電動角位臺（2)設(shè)置在電動平移臺（1)上， 所述電動角位臺（2)上表面設(shè)置有弧形凹陷，所述弧形凹陷上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)臺支架（3)，所述 旋轉(zhuǎn)臺支架（3)上方通過電動旋轉(zhuǎn)臺（4)與牙冠夾具基臺（5)連接，所述牙冠夾具（6)設(shè) 置在牙冠夾具基臺（5)上方；所述電動平移臺（1)的后部設(shè)置有倒L型支架（9)，所述倒L 型支架（9)上方端部設(shè)置有固定面板，所述激光掃描機構(gòu)（10)設(shè)置在固定面板上，所述激 光掃描機構(gòu)（10)包括成角度對稱設(shè)置的一對(XD攝像頭（7)、設(shè)置在固定面板中心的激光 器⑶。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的掃描裝置，其特征在于：所述 一對(XD攝像頭（7)通過USB接口與計算機連接，所述激光器（8)通過RS232接口與計算 機連接。
3. -種帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維重建方法，其特征在于，該方法包括：掃描 裝置掃描義齒窩洞預(yù)備體的水平方向和正負(fù)45度方向，將掃描獲得的義齒窩洞預(yù)備體水 平方向的圖像數(shù)據(jù)和窩洞預(yù)備體內(nèi)倒凹的圖像數(shù)據(jù)拼合獲得帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體 的三維點數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維重建方法，其特征在于， 所述將掃描獲得的義齒窩洞預(yù)備體水平方向的圖像數(shù)據(jù)和義齒窩洞預(yù)備體內(nèi)倒凹的圖像 數(shù)據(jù)拼合獲得帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維點數(shù)據(jù)為：對義齒窩洞預(yù)備體水平方向的 圖像數(shù)據(jù)和窩洞內(nèi)倒凹的圖像數(shù)據(jù)依次進行圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)、圖像融合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維重建方法，其特征在于， 所述圖像預(yù)處理為：根據(jù)中值濾波算法將窩洞內(nèi)倒凹的點云數(shù)據(jù)中隨機噪聲和脈沖干擾減 少或去除。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維重建方法，其特征在于， 所述圖像配準(zhǔn)為：將掃描裝置從不同的垂直水平面位置進行義齒窩洞預(yù)備體掃描獲得不同 角度的義齒窩洞預(yù)備體內(nèi)倒凹的圖像數(shù)據(jù)完整進行拼接，把不同角度的圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同 一坐標(biāo)系下。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維重建方法，其特征在于： 所述圖像配準(zhǔn)具體為：設(shè)帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的某一位置下為參考統(tǒng)一坐標(biāo)系，其 他位置的坐標(biāo)系通過坐標(biāo)變換矩陣統(tǒng)一到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，根據(jù)Screw理論，空間向量分步 求解變換矩陣，坐標(biāo)變換矩陣可分解為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量：Χ〇為統(tǒng)一坐標(biāo)，R 1;(l為旋轉(zhuǎn)矩 陣，&為另一位置下的坐標(biāo)，Tw為平移向量 X〇 = Rl,0 * Xl+Τι,ο Ri，。和Ti，。的求解由以下實現(xiàn)： 旋轉(zhuǎn)矩陣R的求解過程如下： 假設(shè)Pi和P2為給定的兩個空間特征點，其連線構(gòu)成了一空間量 根據(jù)空間向量與其位置無關(guān)的性質(zhì)，￥在兩個坐標(biāo)系W和W'下可分別表示為X和 X'，當(dāng)不考慮位移的影響時，有： X = R · X， 由Screw理論的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系等式，存在一個旋轉(zhuǎn)軸u= (ux，uy，uz)由旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的 旋轉(zhuǎn)矩陣為U，使得X = R · X'滿足 X-X' = U · (X+X，） 其中U與u構(gòu)成的關(guān)系為
由Cayley定理，U與R的關(guān)系為 R = [1+U] · [1_U] 1 ; 由數(shù)學(xué)分析可知，當(dāng)已知另一空間向量，設(shè)為Μ，在W和W'下分別表示為Y和Y'， Χ-Χ' = U · (Χ+Χ'）式可改寫為
只要向量（Χ+Χ'）與（Υ+Υ'）不共線，則 Σιι = Λ必然存在，其中：
由以上的公式可以求得旋轉(zhuǎn)矩陣R ; 平移向量Τ的求解： X。= &〇 · Xi+TVo式中的Tw，實質(zhì)上是兩個坐標(biāo)系％和Wi原點之間的位移，當(dāng)由立體 視覺確定了點P在％和Wi下的表達(dá)\和Xi時，位移Tw可直接由二者的差計算 Tl,〇 = X〇-Ri,〇 * Xl 根據(jù)上面公式求得旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T，這樣就可以使圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一到統(tǒng)一坐標(biāo) 系Wu下。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶有倒凹的義齒窩洞預(yù)備體的三維重建方法，其特征在于， 所述圖像融合為：根據(jù)加權(quán)平均法使兩幅圖像進行融合，首先對重疊區(qū)域的水平方向的圖 像數(shù)據(jù)和義齒窩洞預(yù)備體內(nèi)倒凹的圖像數(shù)據(jù)進行權(quán)重賦值；然后根據(jù)賦的權(quán)重值進行疊加 平均得到像素值；假設(shè)水平方向和倒凹的圖像數(shù)據(jù)的權(quán)重值取為和α 2，αι和α2都滿足條 件e (0，1)，且〇1+〇2= 1 ;假設(shè)&和4分別是倒凹和水平方向待拼接的圖像，f是融合后的 像素，那么，重疊區(qū)域處的像素灰度值的表達(dá)式為：
【文檔編號】G06T17/00GK104299266SQ201410571140
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】劉寶龍, 孫波, 郭怡, 孫萍 申請人:西安工業(yè)大學(xué)