一種3D牙齒成像建模方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種3D牙齒成像建模方法。該方法包括雙目攝像機(jī)獲取口腔的牙齒圖像的步驟；對(duì)牙齒圖像進(jìn)行降噪濾波的步驟；對(duì)雙目攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到重投影矩陣的步驟；利用重投影矩陣、降噪后的牙齒圖像計(jì)算三維坐標(biāo)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的步驟；利用空間泊松方程對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建的步驟。相對(duì)于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明專利技術(shù)可快速獲取牙齒模型，且成本低，不需要使用傳統(tǒng)取摸材料，減少浪費(fèi)，且能提高患者治療體驗(yàn)。

A modeling method for 3D dental imaging

The invention provides a 3D tooth imaging modeling method. The method comprises the steps of obtaining the binocular camera images of a tooth mouth; noise filtering of dental image steps; binocular camera calibration, get the projection matrix step; calculating 3D coordinates with teeth image projection matrix, noise reduction, obtaining point cloud data step; surface reconstruction of point cloud data the spatial Poisson equation steps. Compared with the traditional method, the invention can obtain tooth models quickly, and has low cost and no need to use traditional touch and touch materials to reduce waste and improve the treatment experience of patients.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種3D牙齒成像建模方法
本專利技術(shù)涉及建模
，具體為一種3D牙齒成像建模方法。
技術(shù)介紹
在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，由于傳統(tǒng)口腔牙齒取模方法費(fèi)時(shí)較長，單次成本較高，實(shí)時(shí)牙齒三維建模逐漸成為研究的熱點(diǎn)。主要分為圖像的獲取，雙目攝像機(jī)立體標(biāo)定，特征點(diǎn)的提取，立體匹配等階段。然而要進(jìn)行口腔內(nèi)影像實(shí)時(shí)重建，需要微型化的傳感器以及較好的算法相結(jié)合才能獲取較為理想的三維模型。現(xiàn)有三維重建的方法主要有：(1)采用激光雷達(dá)，超聲波直接獲取表面深度信息，實(shí)現(xiàn)三維重建，，這種方式優(yōu)點(diǎn)是算法設(shè)計(jì)相對(duì)容易，精度高，但體積較大，不能很好的應(yīng)用在口腔建模領(lǐng)域。(2)利用三維建模軟件建立物體三維模型，如Solidworks、CAD等，這種方法優(yōu)點(diǎn)非常明顯，操作者不需要有過多專業(yè)知識(shí)，只需要熟悉軟件使用及操作即可，降低了使用門檻，提高了易用性，但對(duì)于智能機(jī)器人領(lǐng)域，對(duì)環(huán)境重建不可能由人工來完成，因而這種方法存在一定的局限性。(3)基于立體視覺的三維重建技術(shù)，即使用左右攝像機(jī)拍攝的兩幅圖像，經(jīng)過矯正、立體匹配等步驟進(jìn)而獲取視差圖，得到環(huán)境物體三維信息，這種方法有效克服了上述兩種方法缺點(diǎn)，并且有效降低了三維重建的成本。比如Leap公司在2013年發(fā)布的LeapMotion體感控制器，這是一款面向PC以及MAC平臺(tái)的體感控制器，運(yùn)用了雙目視覺技術(shù)，憑借著優(yōu)秀的算法，精度達(dá)到1/100毫米，是Kinect的100倍。(4)基于短波藍(lán)光方式，典型產(chǎn)品為西諾德公司CERECBluecam產(chǎn)品，采用藍(lán)光照相方式對(duì)牙齒進(jìn)行高精度建模，精度可達(dá)+19μm。上述技術(shù)的缺點(diǎn)是：(1)激光雷達(dá)體積大、成本難以控制，且在口腔建模領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)只能采用傳統(tǒng)方法，并不適用于本專利提出的方法。(2)利用三維建模軟件對(duì)牙齒進(jìn)行三維建模，由于前期要獲取精確的尺寸信息，實(shí)際操作基本不可行。(3)藍(lán)光照相方式雖可獲得較高精度牙齒模型，但在使用前需要對(duì)牙齒進(jìn)行噴粉操作，操作較為復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為解決上述問題，本專利技術(shù)提供了一種3D牙齒成像建模方法，包括如下步驟：步驟一：雙目攝像機(jī)獲取口腔的牙齒圖像。步驟二：對(duì)牙齒圖像進(jìn)行降噪濾波。步驟三：對(duì)雙目攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到重投影矩陣。步驟四：利用重投影矩陣、降噪后的牙齒圖像計(jì)算三維坐標(biāo)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。步驟五：利用空間泊松方程對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建。進(jìn)一步的，步驟四的計(jì)算公式為：其中，TX是基線距離，x,y為被計(jì)算點(diǎn)在雙目攝像機(jī)左圖像中的X軸坐標(biāo)值、Y軸坐標(biāo)值。display(x,y)為降噪濾波后的圖像進(jìn)行立體匹配的計(jì)算結(jié)果，Q為重投影矩陣。進(jìn)一步的，重投影矩陣其中，TX是基線距離，CX,CY為在雙目攝像機(jī)左圖像的X軸坐標(biāo)值、Y軸坐標(biāo)值，c′x為在雙目攝像機(jī)右圖像中的X坐標(biāo)值,f為雙目攝像機(jī)的焦距。進(jìn)一步的，步驟四中，利用BM算法降噪濾波后的圖像進(jìn)行立體匹配。進(jìn)一步的，步驟三具體為：設(shè)fij為點(diǎn)(i，j)的灰度，Aij為當(dāng)前工作窗口，fmin、fmax和fmed分別為Aij中的灰度最小值、灰度最大值和灰度中值，Amax為預(yù)設(shè)的允許最大窗口，執(zhí)行如下步驟進(jìn)行濾波：步驟2.1：判斷fmed的大小，若fmin<fmed<fmax，則轉(zhuǎn)至步驟2.2。否則增大窗口Aij的尺寸。若Aij的尺寸小于Amax的尺寸，則重復(fù)步驟2.1，否則輸出fij。步驟2.2：判斷fij大小，若fmin<fij<fmax，則輸出fij。否則輸出fmed。本專利技術(shù)的有益效果為：相對(duì)于傳統(tǒng)方法，本專利技術(shù)可快速獲取牙齒模型，且成本低，不需要使用傳統(tǒng)取摸材料，減少浪費(fèi)，且能提高患者治療體驗(yàn)。具體實(shí)施方式本專利技術(shù)的設(shè)計(jì)構(gòu)思為：用雙目相機(jī)采集口腔的牙齒圖像，對(duì)采集的圖像進(jìn)行濾波、降噪處理，對(duì)處理后左圖像、右圖像進(jìn)行立體匹配得到視差圖，獲取物體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建得到三維模型。本專利技術(shù)包括如下步驟：步驟一：雙目攝像機(jī)獲取口腔的牙齒圖像。步驟二：對(duì)牙齒圖像進(jìn)行降噪濾波。對(duì)于獲取到的圖像進(jìn)行濾波降噪，基本思路如下：設(shè)fij為點(diǎn)(i，j)的灰度，Aij為當(dāng)前工作窗口，fmin、fmax和fmed分別為Aij中的灰度最小值、灰度最大值和灰度中值，Amax為預(yù)設(shè)的允許最大窗口。自適應(yīng)中值濾波的步驟如下：步驟2.1：判斷fmed的大小，若fmin<fmed<fmax，則轉(zhuǎn)至第2步；否則增大窗口Aij的尺寸。若Aij的尺寸小于Amax的尺寸，則重復(fù)步驟2.1，否則輸出fij。步驟2.2：判斷fij大小；若fmin<fij<fmax，則輸出fij；否則輸出fmed。可以看出，算法中噪聲的檢測(cè)和認(rèn)定時(shí)以fmin和fmax為基準(zhǔn)的，如果fmin<fmed<fmax，表明fmed不是噪聲，接著根據(jù)fmin<fij<fmax判斷fij是否為噪聲，當(dāng)fij與fmed都不是脈沖噪聲時(shí)，優(yōu)先輸出fij。步驟三：對(duì)雙目攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到重投影矩陣。步驟四：利用重投影矩陣。降噪后的牙齒圖像計(jì)算三維坐標(biāo)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。可采用BM算法進(jìn)行立體匹配。點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取中需要使用到標(biāo)定過程中得到的重投影矩陣Q，如式(1)所示：其中，TX是基線距離，CX,CY為被計(jì)算點(diǎn)在雙目攝像機(jī)左圖像的X軸坐標(biāo)值、Y軸坐標(biāo)值，c′x為被計(jì)算點(diǎn)在雙目攝像機(jī)右圖像的X坐標(biāo)值,f為雙目攝像機(jī)的焦距。轉(zhuǎn)換關(guān)系表示如式(2)所示其中，display(x,y)為立體匹配計(jì)算結(jié)果。x,y為被計(jì)算點(diǎn)在在雙目攝像機(jī)所得左圖像中的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值；X、Y、Z為被計(jì)算點(diǎn)在坐標(biāo)值在三維圖像中的X坐標(biāo)值、Y縱坐值、Z坐標(biāo)值。W取值為1。三維坐標(biāo)就可用式(3)表示如下：_3dImage＝(X/W,Y/W,Z/W)(3)步驟五：利用空間泊松方程對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建。泊松方法需要輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有法向量信息，通過估計(jì)模型的指示函數(shù)和提取模型等值面，對(duì)表面重建做一個(gè)無縫的三角逼近。具體實(shí)現(xiàn)步驟可分四步：步驟一:定義梯度場(chǎng)，梯度場(chǎng)是一個(gè)分段常函數(shù)，計(jì)算使用平滑濾波器和指示函數(shù)進(jìn)行卷積，再考慮結(jié)果的梯度場(chǎng)計(jì)算。步驟二：使用輸入點(diǎn)集S把分割為不同的小面片可以近似得到上的積分：其中，M為定義的三維實(shí)體，它的邊界為χM表示M的指示函數(shù)，表示三維實(shí)體邊界上點(diǎn)的向內(nèi)法線，為一個(gè)平滑濾波器。步驟三：使用最小二乘法求解方程，即求得步驟四：使用等值面逼近樣本點(diǎn)位置獲取模型，使用平均值來提取等值面如下：這里改變不會(huì)影響等值面，即通過就能夠?qū)Ρ砻孢M(jìn)行重建。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種3D牙齒成像建模方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一：雙目攝像機(jī)獲取口腔的牙齒圖像；步驟二：對(duì)牙齒圖像進(jìn)行降噪濾波；步驟三：對(duì)雙目攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到重投影矩陣；步驟四：利用重投影矩陣、降噪后的牙齒圖像計(jì)算三維坐標(biāo)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟五：利用空間泊松方程對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種3D牙齒成像建模方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一：雙目攝像機(jī)獲取口腔的牙齒圖像；步驟二：對(duì)牙齒圖像進(jìn)行降噪濾波；步驟三：對(duì)雙目攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，得到重投影矩陣；步驟四：利用重投影矩陣、降噪后的牙齒圖像計(jì)算三維坐標(biāo)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟五：利用空間泊松方程對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建。2.如權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)3D牙齒成像建模方法，其特征在于，步驟四的計(jì)算公式為：其中，TX是基線距離，x,y為被計(jì)算點(diǎn)在雙目攝像機(jī)左圖像中的X軸坐標(biāo)值、Y軸坐標(biāo)值，display(x,y)為降噪濾波后的圖像進(jìn)行立體匹配的計(jì)算結(jié)果，Q為重投影矩陣，W取值為1。3.如權(quán)利要求2所述的實(shí)時(shí)3D牙齒成像建模方法，其特征在于，步驟三重投影矩陣

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蔣濤，李森林，黃小燕，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：成都信息工程大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：四川,51