三维影像建模系统、方法及应用其的口腔扫描设备技术方案

本发明专利技术提供一种三维影像建模系统、方法及应用其的口腔扫描设备。系统包括扫描装置和运算装置。运算装置的三维点云生成单元利用扫描装置获得的影像计算出点云数据，运算装置的三维匹配建模单元针对点云数据作特征匹配以拼接出完整的三维模型。在一般扫描模式时，得到小范围点云，使用局部匹配进行点云数据的顺序匹配拼接。在补扫模式时，检查当前的小范围点云的三维点云品质，并对品质不够的小范围点云不作三维定位运算；在补扫模式下将品质足够的小范围点云与现有的大范围点云作全局匹配，并评估出新的三维空间位置，且将上述小范围点云移动至上述三维空间位置，并再次使用局部匹配确认当前的小范围点云与现有的大范围点云是否匹配。

【技术实现步骤摘要】
三维影像建模系统、方法及应用其的口腔扫描设备
本专利技术涉及三维扫描建摸技术，特别是涉及一种三维影像建模系统、方法及应用其的口腔扫描设备。
技术介绍
针对手持式口腔扫描仪(intraoralscanner)应用，由于前端取像机构必须配合口腔内有限空间，单一张撷取影像的可视范围(fieldofview)仅能涵盖一小角落，必须持续移动口腔扫描仪的镜头进行取像及影像拼接，才能合成大范围(例如多颗牙齿或者单颚)的三维(3D)影像模型。但在扫描过程，部分区域(例如牙缝区)受限于口腔扫描仪的扫描端的尺寸，以及扫描角度限制，造成拼接3D影像仍会有破洞，必须加上后续补扫动作才能得到较完整的3D影像，以便进行后续CAD/CAM应用程序。三维扫描建模技术中获得的原始数据称为点云(pointcloud)数据，这些点云数据都是直接从被测物体表面获取，经过一定的处理后即可使用。三维点云匹配是点云数据处理的关键，既可用于不同视角下的点云拼接，又可用于目标定位与姿态预估。目前最常见的点云匹配算法包括用于局部匹配(localregistration)算法例如ICP(迭代最近点)算法；ICP算法在两组点云位姿偏差不大的情况下可以实现高精度匹配结果，但需要多次迭代搜索最近点，因此收敛速率通常较低；且ICP算法在两组点云位姿偏差较大时，容易产生局部收敛导致无法精确匹配，因此在姿态关系未知情况下对两组点云进行ICP匹配前，需要预先进行粗匹配，将模型点云自动粗调至与目标点云位姿相近。常见的点云匹配算法还包括全局匹配(globalregistration)算法，该类算法除改进ICP匹配之外，还通过点云的特征直方图定义多维特征向量来表示点云的局部几何特征；利用特征匹配达到点云匹配的方法，如增强直方图特征描述(EHFD)算法和快速点特征直方图(FPFH)算法，以及根据多元高斯混合模型，通过最大化相关系数找到数据点云的相对姿态的方法等。目前各类算法的缺点是，前者在匹配带有多个相似局部特征的点云时容易出现较大偏差，后者的收敛速度不高，而且难以做到任意位姿下的点云匹配。现有的三维建模补扫技术中，必须沿着最后的拼接位置逐步移动扫描端，才能对局部数据作三维点云匹配，以移动至要补扫区域，所以使用上较不便捷。传统的ICP叠合方法虽然可以作两组3D点云数据匹配来拼接大范围3D牙齿模型，但这些方法仅能匹配邻近的3D点云数据，无法满足补扫所需要的大范围移动及快速3D定位功能。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种三维影像建模系统、方法及应用其的口腔扫描设备。本专利技术的一种三维影像建模系统，包括扫描装置和运算装置，该运算装置与该扫描装置通信连接。运算装置包括三维点云生成单元和三维匹配建模单元，三维点云生成单元用于利用扫描装置获得的影像计算出点云数据，三维匹配建模单元用于针对点云数据作特征匹配以拼接出完整的三维模型。其中，三维影像建模系统在一般扫描模式时，三维点云生成单元得到小范围点云，三维匹配建模单元使用局部匹配进行点云数据的顺序匹配拼接。三维影像建模系统在补扫模式时，三维匹配建模单元检查当前的小范围点云的三维点云品质，并对品质不够的第一小范围点云不作三维定位运算；三维匹配建模单元在补扫模式下将品质足够的第二小范围点云与现有的大范围点云作全局匹配，并评估出可能对应的三维空间位置，且将第二小范围点云移动至可能对应的三维空间位置，并再次使用局部匹配确认当前的小范围点云与现有的大范围点云是否匹配。较佳地，三维影像建模系统在补扫模式时，三维匹配建模单元在取得当前已叠合的大范围点云所需全局匹配特征资料前，先评估大范围点云在三维模型空间的范围是否大于先前占用比例，以决定是需要重新计算获得特征资料还是使用先前计算已得的特征资料。较佳地，运算装置还包括图像处理显示单元，图像处理显示单元用于针对点云数据作图像处理并实时显示；三维匹配建模单元在取得当前的小范围点云所需全局匹配特征资料前，图像处理显示单元先进行点云数据预处理。进一步地，所述预处理包含去噪声、移除主体数据的孤岛部分、平滑化中的一种或多种。较佳地，三维匹配建模单元在验证全局匹配计算出来的三维定位结果时，采用原始的小范围点云数据，先移动至可能对应的三维空间位置，再使用局部匹配作匹配。进一步地，所述原始的小范围点云数据包含主体数据的孤岛部分。本专利技术还提供一种口腔扫描设备，包括如上任意一项所述的三维影像建模系统。本专利技术还提供一种三维影像建模方法，包括以下步骤。在一般扫描模式时，得到小范围点云，并使用局部匹配进行点云数据的顺序匹配拼接。在补扫模式时，检查当前的小范围点云的三维品质，并对品质不够的第一小范围点云不作三维定位运算。在该补扫模式下，将品质足够的第二小范围点云与现有的大范围点云作全局匹配，并评估出可能对应的三维空间位置，且将该第二小范围点云移动至该可能对应的三维空间位置，并再次使用局部匹配确认当前的小范围点云与现有的大范围点云是否匹配。较佳地，本专利技术所述的三维影像建模方法包括如下步骤：步骤1，执行扫描，获得二维影像或收集一维图像拼凑成二维影像，并据此计算得到一组最新的小范围点云；步骤2，将计算得到的所述最新的小范围点云移动到前一组注册成功的小范围点云所在三维模型的空间坐标位置，并使用局部匹配确认所述最新的小范围点云与现有的大范围点云是否匹配；若匹配，步骤3，将所述最新的小范围点云注册到所述三维模型，并记录注册成功的所述最新的小范围点云在所述三维模型的最新空间坐标位置，返回步骤1。较佳地，本专利技术所述的三维影像建模方法还包括如下步骤：若不匹配，步骤4，记录匹配失败的次数，并判断连续匹配失败的次数是否大于预设值；当所述连续匹配失败的次数不大于所述预设值时，步骤5，放弃所述最新的小范围点云，返回步骤1。较佳地，本专利技术所述的三维影像建模方法还包括如下步骤：当所述连续匹配失败的次数大于所述预设值时，步骤6，检查目前输入的所述最新的小范围点云本身的三维点云品质是否达标；若不达标，返回步骤5。较佳地，本专利技术所述的三维影像建模方法还包括如下步骤：步骤7，若品质达标，将所述最新的小范围点云直接与现有的大范围点云作全局匹配，评估出最有可能匹配的空间坐标位置；步骤8，把所述最新的小范围点云移动至步骤7中计算出来的空间坐标位置，重新使用局部匹配确认所述最新的小范围点云与现有的大范围点云是否匹配；若不匹配，返回步骤5；若匹配，返回步骤3。进一步地，在步骤7中包括：在取得当前已叠合的大范围点云所需全局匹配特征资料前，评估所述大范围点云在三维模型空间的范围是否大于先前占用比例，以决定是需要重新计算获得特征资料还是使用先前计算已得的特征资料。更进一步地，若所述大范围点云在三维模型空间的范围大于先前已计算出的全局匹配所需特征资料的占用空间一预定比例，则重新计算获得特征资料；若所述大范围点云在三维模型空间的范围不大于先前已计算出的全局匹配所需特征资料的占用空间一预定比例，则使用先前计算已得的特征资料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维影像建模系统，包括扫描装置和运算装置，该运算装置与该扫描装置通信连接，其特征在于，该运算装置包括三维点云生成单元和三维匹配建模单元，该三维点云生成单元用于利用该扫描装置获得的影像计算出点云数据，该三维匹配建模单元用于针对点云数据作特征匹配以拼接出完整的三维模型；/n其中，该三维影像建模系统在一般扫描模式时，该三维点云生成单元得到小范围点云，该三维匹配建模单元使用局部匹配进行点云数据的顺序匹配拼接；/n该三维影像建模系统在补扫模式时，该三维匹配建模单元检查当前的小范围点云的三维点云品质，并对品质不够的第一小范围点云不作三维定位运算；该三维匹配建模单元在该补扫模式下将品质足够的第二小范围点云与现有的大范围点云作全局匹配，并评估出可能对应的三维空间位置，且将该第二小范围点云移动至该可能对应的三维空间位置，并再次使用局部匹配确认当前的小范围点云与现有的大范围点云是否匹配。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维影像建模系统，包括扫描装置和运算装置，该运算装置与该扫描装置通信连接，其特征在于，该运算装置包括三维点云生成单元和三维匹配建模单元，该三维点云生成单元用于利用该扫描装置获得的影像计算出点云数据，该三维匹配建模单元用于针对点云数据作特征匹配以拼接出完整的三维模型；
其中，该三维影像建模系统在一般扫描模式时，该三维点云生成单元得到小范围点云，该三维匹配建模单元使用局部匹配进行点云数据的顺序匹配拼接；
该三维影像建模系统在补扫模式时，该三维匹配建模单元检查当前的小范围点云的三维点云品质，并对品质不够的第一小范围点云不作三维定位运算；该三维匹配建模单元在该补扫模式下将品质足够的第二小范围点云与现有的大范围点云作全局匹配，并评估出可能对应的三维空间位置，且将该第二小范围点云移动至该可能对应的三维空间位置，并再次使用局部匹配确认当前的小范围点云与现有的大范围点云是否匹配。


2.如权利要求1所述的三维影像建模系统，其特征在于，该三维影像建模系统在该补扫模式时，该三维匹配建模单元在取得当前已叠合的大范围点云所需全局匹配特征资料前，先评估该大范围点云在三维模型空间的范围是否大于先前占用比例，以决定是需要重新计算获得特征资料还是使用先前计算已得的特征资料。


3.如权利要求1所述的三维影像建模系统，其特征在于，该运算装置还包括图像处理显示单元，该图像处理显示单元用于针对点云数据作图像处理并实时显示；该三维匹配建模单元在取得当前的小范围点云所需全局匹配特征资料前，该图像处理显示单元先进行点云数据预处理。


4.如权利要求3所述的三维影像建模系统，其特征在于，该预处理包含去噪声、移除主体数据的孤岛部分、平滑化中的一种或多种。


5.如权利要求1所述的三维影像建模系统，其特征在于，该三维匹配建模单元在验证全局匹配计算出来的三维定位结果时，采用原始的小范围点云数据，先移动至该可能对应的三维空间位置，再使用局部匹配作匹配。


6.如权利要求5所述的三维影像建模系统，其特征在于，该原始的小范围点云数据包含主体数据的孤岛部分。


7.一种口腔扫描设备，其特征在于包括如权利要求1-6中任意一项所述的三维影像建模系统。


8.一种三维影像建模方法，其特征在于包括：
在一般扫描模式时，得到小范围点云，并使用局部匹配进行点云数据的顺序匹配拼接；
在补扫模式时，检查当前的小范围点云的三维品质，并对品质不够的第一小范围点云不作三维定位运算；
在该补扫模式下，将品质足够的第二小范围点云与现有的大范围点云作全局匹配，并评估出可能对应的三维空间位置，且将该第二小范围点云移动至该可能对应的三维空间位置，并再次使用局部匹配确认当前的小范围点云与现有的大范围点云是否匹配。


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【专利技术属性】
技术研发人员：李宗熹，吴壮为，
申请(专利权)人：苏州佳世达光电有限公司，佳世达科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32