用于校准牙科摄像机的校准设备和方法技术

本发明专利技术涉及一种用于校准牙科摄像机（1）的方法和校准设备，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象（10）的条纹投影法的，牙科摄像机包括用于产生由多个条纹（5）构成的投影图案（3）的投影格网（2）以及将所产生的投影图案（3）投影到有待测量的对象（10）上的光学系统（4）。在第一步骤中，通过牙科摄像机（1）使用条纹投影法来测量具有已知尺寸的参考表面（74）。在参考表面（74）上确定多个测量点（11）的实际坐标（33，36），并且将所确定的实际坐标（33，36）与参考表面（74）上的测量点（11）的目标坐标（34）相比较。在随后的方法步骤中，从实际坐标（33，36）与目标坐标（34）之间的偏差（35，37）出发，针对投影图案（3）的个体条纹（5）计算多个补偿值（40，50，51，52，53）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于校准牙科摄像机的校准设备和方法
本专利技术涉及一种用于校准牙科摄像机的方法和校准设备，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象的条纹投影法的，所述牙科摄像机包括用于产生由多个条纹构成的投影图案的投影格网以及将所产生的投影图案投影到有待测量的对象上的光学系统。
技术介绍
从用于在三个维度中光学地测量的现有技术中已知多个条纹投影法。在这些方法中，投影图案被投影到有待测量的对象上。随后，使用三角测量法，基于变形的投影图案来计算对象上的测量点的3D坐标。随后根据一大群测量点来计算对象的3D模型。此方法的缺点在于投影格网的显影误差或光学系统的光学误差可能导致所产生的3D模型与对象的实际尺寸相比具有测量误差。投影格网的显影误差可能例如导致错误的条纹宽度，或者导致条纹之间不正确的距离。光学系统中的光学误差可能例如是使得投影图案变形的变形。因此，本专利技术的目的在于提供一种用于校准牙科摄像机以补偿显影误差或光学成像误差所导致的测量误差的方法。
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于校准牙科摄像机的方法，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象的条纹投影法的。牙科摄像机包括用于产生由多个条纹构成的投影图案的投影格网以及将所产生的投影图案投影到有待测量的对象上的光学系统。在该方法的第一步骤中，通过牙科摄像机使用条纹投影法来测量具有已知尺寸的参考表面。在参考表面上确定多个测量点的实际坐标。随后，将所确定的实际坐标与具有已知尺寸的参考表面上的测量点的已知目标坐标（所期望的坐标）相比较。在随后的方法步骤中，从实际坐标与目标坐标之间的偏差出发，针对投影图案的各个条纹计算多个补偿值。随后，在测量牙科对象时将这些计算出的补偿值考虑在内以补偿实际坐标与目标坐标之间的偏差。参考表面是具备多个标记的校准板，并且标记用来确定校准板相对于牙科摄像机的精确位置和取向。随后，沿垂直于校准板的方向确定实际坐标与校准板之间的偏差。校准的结果是由补偿值构成的矩阵，所述补偿值在测量由平行条纹构成的投影图案上的对象时用在补偿方法步骤中以校正投影图案，并且随后通过使用条纹投影法，基于校正后的投影图案来计算对象的三维图像。在条纹投影法中，由多个平行条纹构成的图案被投影到有待测量的对象上，并且使用三角测量法产生对象的三维图像，该三维图像是基于条纹的变形的。例如，可以将条纹进行颜色编码以实现识别。鉴于此，将由多个有色条纹构成的图案投影到对象上。随后，确定受测点的深度坐标，并且产生对象的3D模型。有色条纹可以通过其颜色来清楚地识别。例如，可以使用四个有色条纹和/或三个颜色过渡来将有色条纹进行颜色编码。有色条纹可以例如使用幻灯片来产生。此类条纹投影法的条纹宽度在有待测量的对象的测得体积中可以例如是150µm。对于光学测量，也可以使用不同的条纹投影法，其中使用不同的光学性质（诸如强度、颜色、偏振、相干性、相位、对比度、位置或传播时间）来将条纹编码。用于产生投影图案的投影格网可以例如是幻灯片，光穿过该幻灯片并且平行条纹借助于该幻灯片来产生。参考表面可以例如是平坦的或任何三维表面，诸如半球。投影格网的显影误差或光学系统的成像误差导致参考表面上的测量点的实际坐标与目标坐标之间的偏差。为了进行补偿，针对各个条纹计算补偿值。这些补偿值可以被保存在存储器中或者稍后在校准之后在使用校正后的投影图案来计算三维图像之前的测量期间用于投影图案上。这会补偿实际坐标与目标坐标之间的偏差。标记可以例如是被布置在相对于彼此的固定距离处的矩形标记。这允许由计算机使用标记之间的距离来计算参考表面相对于摄像机的距离以及取向。不需要通过使用测量点的实际坐标来拟合，因为已经使用标记来确定了位置。因此，可以使用计算机直接计算实际坐标与校准板之间的偏差。为了确定参考表面的位置，可以使用在文献中出现的已知的Tsai校准方法（“用于使用现成摄像机和镜头的高精确度3D视觉测量的通用摄像机校准技术（AVersatileCameraCalibrationTechniqueforHigh-Accuracy3DVisionMetrologyUsingOff-the-ShelfCamerasandLenses）”，1987）或者也在文献中出现的已知的Zhang方法（“用于摄像机校准的灵活的新技术（Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration）”，2000）。这种[原文]方法的优点在于，由于显影误差或光学系统的成像误差造成的偏差得到补偿，并且图像质量由此得到改进。此类矩阵的补偿值可以例如是表示相应平行条纹的必要位移以便针对相应条纹补偿实际坐标与目标坐标之间的偏差的位移向量。在计算三维图像时，由补偿值构成的矩阵首先被用于投影图案上，仅在随后使用校正后的投影图案来计算对象上的测量点的3D坐标。有利地，参考表面可以是平面，并且实际坐标与目标坐标之间的偏差可以通过使用实际坐标借助于最小二乘法拟合参考平面来确定，并且随后可以沿垂直于参考平面的方向确定实际坐标与参考平面之间的偏差。因此，通过拟合来确定参考表面相对于牙科摄像机的精确位置。藉由完美的投影格网和完美的光学系统，所有目标坐标将因此位于参考表面的平面中，使得实际坐标将与目标坐标相对应。有利地，可以通过针对参考表面相对于牙科摄像机的不同距离和取向的多个图像来确定实际坐标与目标坐标之间的偏差。光学误差所导致的变形可以与深度有关，使得实际坐标与目标坐标之间的偏差可以取决于参考表面相对于牙科摄像机的距离而改变。通过针对不同距离确定补偿值，也可以补偿与深度有关的光学图像误差。有利地，可以使用校准设备来获取图像，所述校准设备具有用于牙科摄像机的第一保持设备和用于参考表面的第二保持设备，可以用特定方式以多个步骤将第二保持设备相对于第一保持设备进行调整。此类校准设备使得可以逐步改变摄像机相对于参考表面的距离和取向。因此，可以针对参考表面与牙科摄像机之间的不同距离和角度获取图像，并且随后可以针对每个图像的各个条纹确定补偿值。第一保持设备和第二保持设备可以例如借助于螺纹接合来连接。有利地，对于条纹的每个边缘，可以仅计算一个补偿值，以用于指示此边缘在投影格网的平面中用以补偿此边缘的偏差的必要位移。在条纹投影法中，评估每个条纹的两个边缘以计算沿这些边缘的测量点的3D坐标。可以例如通过针对相应边缘的所有测量点确定实际坐标与目标坐标之间的偏差并且随后形成（计算）这些偏差的平均值来计算边缘的补偿值。随后，使用偏差的此平均值来计算对应的补偿值。有利地，可以将条纹的每个边缘划分为多个区段，其中针对每个区段计算补偿值，该补偿值指示此区段在投影格网的平面中用以补偿此区段的偏差的必要位移。因此，将每个边缘划分成多个区段以改进补偿[功能]。如果边缘是波状的，则将整个边缘位移是不足够的。相反，针对每个区段计算独立的补偿值以补偿该相应区段的误差。有利地，可以通过获取相对于牙科摄像机处于相同的位置和取向的参考表面的多个三维图像来确定实际坐标与目标坐标之间的偏差，其中将来自各个图像的偏差进行平均以减少由噪声信号产生的非系统性误差。由噪声信号导致的误差由此最终达到平均，使得仅留下系统性误差，所述系统性误差例如由投影格网的显影误差或由光学系统的成像误差导致。本专利技术的一个额本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于校准牙科摄像机（1）的方法，所述牙科摄像机是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象（10）的条纹投影法的，所述牙科摄像机包括用于产生由多个条纹（5）构成的投影图案（3）的投影格网（2）以及将所述产生的投影图案（3）投影到有待测量的所述对象（10）上的光学系统（4）；其特征在于，借助于所述牙科摄像机（1），使用所述条纹投影法来测量具有已知尺寸的参考表面（74），并且在所述参考表面（74）上确定多个测量点（11）的实际坐标（33，36），其中将所确定的实际坐标（33，36）与具有已知尺寸的所述参考表面（74）上的所述测量点（11）的已知目标坐标（34）相比较，其中从所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的偏差（35，37）出发，针对所述投影图案（3）的所述个体条纹（5）计算多个补偿值（40，50，51，52，53），其中在所述牙科对象（10）的所述测量期间，将所计算出的补偿值（40，50，51，52，53）考虑在内以补偿所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的所述偏差（35，37），其中所述参考表面（74）是具备多个标记（80）的校准板（73），并且所述标记（80）用来确定所述校准板（73）相对于所述牙科摄像机（1）的精确位置和对准，其中随后沿垂直于所述校准板（73）的方向确定所述实际坐标（33，36）与所述校准板（73）之间的所述偏差（35，37），其中校准的结果是由补偿值（40，50，51，52，53）构成的矩阵，所述补偿值在测量由平行条纹（5）构成的所述投影的投影图案（3）上的所述对象（10）时用在补偿方法步骤中以校正所述投影图案（3），其中通过使用所述条纹显影法，随后基于校正后的投影图案来计算所述对象（10）的三维图像。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.02 DE 102012220048.71.一种用于校准牙科摄像机（1）的方法，所述牙科摄像机（1）是基于用于在三个维度中光学地测量牙科对象（10）的条纹投影法的，所述牙科摄像机（1）包括用于产生由多个条纹（5）构成的投影图案（3）的投影格网（2）以及将产生的投影图案（3）投影到有待测量的所述牙科对象（10）上的光学系统（4）；其中借助于所述牙科摄像机（1），使用所述条纹投影法来测量具有已知尺寸的参考表面（74），并且在此在所述参考表面（74）上确定多个测量点（11）的实际坐标（33，36），其中将所确定的实际坐标（33，36）与具有已知尺寸的所述参考表面（74）上的所述测量点（11）的已知目标坐标（34）相比较，其中从所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的偏差（35，37）出发，针对所述投影图案（3）的各个条纹（5）计算多个补偿值（40，50，51，52，53），其中在所述牙科对象（10）的所述测量期间，将所计算出的补偿值（40，50，51，52，53）考虑在内以补偿所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的所述偏差（35，37），其中利用校准设备（70）来执行所述校准，所述校准设备（70）具有用于所述牙科摄像机（1）的第一保持设备（71）和用于所述参考表面（74）的第二保持设备（72），其中所述第一保持设备（71）能相对于所述第二保持设备（72）位移，使得能够在所述牙科摄像机（1）与所述参考表面（74）之间调整多个所限定的距离和/或取向，其中通过借助于螺纹（76）将所述第一保持设备（71）相对于所述第二保持设备（72）旋转，能够以限定的步骤改变所述牙科摄像机（1）相对于所述参考表面（74）的所述距离和取向，其中将平坦的所述参考表面（74）以相对于所述螺纹（76）的中轴（77）成50°与70°之间的角度布置在所述第二保持设备（72）上。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考表面（74）是平面，并且所述实际坐标（33，36）与所述目标坐标（34）之间的所述偏差（35，37）通过使用所述实际坐标（33，36）借助于最小二乘法拟合参考平面来确定，并且随后沿垂直于所述参考平面的方向来确定所述实际坐标（33，36）与所述参考平面之间的所述偏差（35，37）。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过针对所述参考表面（74）相对于牙科摄像机（1）的不同距离和取向的多个图像来确定所述实际坐标（33，36）与所述目标坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：B波皮尔卡，F蒂尔，F福斯特，
申请(专利权)人：西诺德牙科设备有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE