蔡文澤，田愛玲，劉丙才，王紅軍，陳　樺

(1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

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一種光刀式義齒三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法*

蔡文澤1，田愛玲1，劉丙才1，王紅軍1，陳樺2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

為了提高數(shù)字化口腔測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，文中基于光刀式測(cè)量法，提出了一種用于測(cè)量義齒三維輪廓的系統(tǒng)標(biāo)定方法.采用具有一定斜面的立方體作為標(biāo)定塊，通過標(biāo)定塊的單方向平移，確定出每一個(gè)高度下空間物理位置點(diǎn)在攝像機(jī)成像平面的像素值，對(duì)標(biāo)定范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，得到網(wǎng)格式的標(biāo)定結(jié)果.該標(biāo)定方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：標(biāo)定后測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到0.04 mm，對(duì)高度標(biāo)定具有連續(xù)性；通過標(biāo)定塊的兩次平移可以完成整個(gè)標(biāo)定過程；較傳統(tǒng)義齒三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法，標(biāo)定靈活性增強(qiáng)，標(biāo)定原理簡(jiǎn)化，標(biāo)定速度快.

三維輪廓測(cè)量；系統(tǒng)標(biāo)定；義齒；標(biāo)定速度

數(shù)字化口腔修復(fù)技術(shù)是一種完全建立在數(shù)字信息科學(xué)上的現(xiàn)代化技術(shù)，它利用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備獲取牙齒的三維信息，再通過計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出牙齒修復(fù)體，將數(shù)據(jù)傳入數(shù)控加工機(jī)器進(jìn)行義齒的加工制作[1-3].與傳統(tǒng)的手工制作工藝方法比較，該方法提高了測(cè)量、加工與制作的效率，縮短了患者就診的時(shí)間.目前國(guó)外在這方面的研究比較成熟，已經(jīng)有大量產(chǎn)品投入市場(chǎng)，例如丹麥3shape公司研發(fā)的牙科三維掃描儀，利用線結(jié)構(gòu)光測(cè)量法，測(cè)量精度范圍達(dá)到0.03～0.10 mm；德國(guó)Sirona公司的Blue AC型掃描儀，可以實(shí)現(xiàn)口內(nèi)直接測(cè)量，精度達(dá)到0.04～0.06 mm.國(guó)內(nèi)由于起步較晚，相關(guān)技術(shù)還停留在研究階段.對(duì)于三維輪廓測(cè)量來說，標(biāo)定的精度直接影響測(cè)量的結(jié)果，文中針對(duì)線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)其標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行研究.目前，關(guān)于線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法有很多[4-5].文獻(xiàn)[6]提出機(jī)械調(diào)整法，該方法將光刀與攝像機(jī)調(diào)節(jié)到一個(gè)特定位置，利用理想透視模型求得實(shí)際物理坐標(biāo)與成像坐標(biāo)之間的位置關(guān)系，但該方法由于人為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)多，并且將攝像機(jī)模型簡(jiǎn)化為理想模型，因此標(biāo)定過程復(fù)雜，標(biāo)定精度不高；文獻(xiàn)[7]提出基于拉絲法的標(biāo)定方法，該方法利用激光線與鐵絲相交形成的點(diǎn)作為特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光刀相對(duì)于攝像機(jī)成像位置的標(biāo)定，但這類方法在標(biāo)定之前需要求取攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，因此標(biāo)定過程較繁瑣；文獻(xiàn)[8]提出基于主動(dòng)視覺的標(biāo)定方法，該方法通過控制線結(jié)構(gòu)光傳感器做若干平移運(yùn)動(dòng)，完成光刀相對(duì)于攝像機(jī)成像位置的標(biāo)定，但這種方法需要利用傳感器在不同方向做多次平移運(yùn)動(dòng)，標(biāo)定過程仍然較為復(fù)雜.以上標(biāo)定方法均存在標(biāo)定過程繁瑣、標(biāo)定時(shí)間長(zhǎng)的問題，本文提出了一種新的線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法，只需利用具有一定斜面的標(biāo)定塊，通過單方向的平移運(yùn)動(dòng)，便可完成光刀相對(duì)于攝像機(jī)成像位置的標(biāo)定.該方法標(biāo)定過程快速便捷，操作簡(jiǎn)易方便，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定.

1　義齒三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

義齒三維輪廓測(cè)量的原理主要應(yīng)用激光三角法[9-11].在測(cè)量過程中，激光器投射線結(jié)構(gòu)光到被測(cè)物體表面受被測(cè)物體表面曲率特征分布的調(diào)制，雙電荷耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)攝像機(jī)拍攝的光刀成像的位置會(huì)發(fā)生改變.激光三角法測(cè)量原理如圖1所示，d為接收透鏡與像面之間的距離即相距，l為入射光點(diǎn)到接收透鏡光心的距離即物距，θ為激光束光軸與攝像機(jī)光軸之間的夾角，Δh為光刀中心在CCD攝像機(jī)成像平面的位置變化，ΔH為被測(cè)物體表面起伏.

圖1　激光三角法測(cè)量原理

通過三角幾何關(guān)系，可得

(1)

其中f為透鏡焦距.在系統(tǒng)固定的情況下，參數(shù)l,f,θ和d都是固定的，在測(cè)量過程中，只需求出成像平面的位移Δh，便可確定物體表面起伏ΔH.因此，需要通過標(biāo)定來確定實(shí)際物理坐標(biāo)與成像坐標(biāo)之間的位置關(guān)系.

標(biāo)定所采用標(biāo)定塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，該模塊標(biāo)定表面與水平面成30°夾角，標(biāo)定平面上一系列間隔1mm的刻度.

圖2　標(biāo)定塊

在測(cè)量過程中，線結(jié)構(gòu)光投射在被測(cè)物體表面，通過光刀測(cè)量物體z軸方向的高度變化，以及y軸方向的物體寬度尺寸，因此光刀平面的標(biāo)定分為z軸和y軸兩個(gè)方向標(biāo)定，得到(y，z)二維平面的標(biāo)定結(jié)果.標(biāo)定過程如下：① 向標(biāo)定平面投射光刀；② 標(biāo)定塊做平移運(yùn)動(dòng)，采集圖片；③ 設(shè)定閾值，提取光刀中心線像素坐標(biāo)值；④ 完成光刀平面z軸方向的標(biāo)定；⑤ 采集標(biāo)定平面刻度線圖片；⑥ 將z軸方向光刀中心線像素坐標(biāo)與刻度線疊加；⑦ 提取疊加交點(diǎn)處像素坐標(biāo)；⑧ 完成光刀平面y軸方向的標(biāo)定.

激光器沿z軸方向?qū)?biāo)定平面垂直投射線結(jié)構(gòu)光，由于標(biāo)定平面為一斜面，因此標(biāo)定塊做x軸方向平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，標(biāo)定平面的線結(jié)構(gòu)光會(huì)產(chǎn)生z軸方向的高度調(diào)制，通過提取不同高度激光線在成像平面的成像坐標(biāo)，建立光刀各高度物理坐標(biāo)與成像位置之間的關(guān)系，完成光刀相對(duì)于攝像機(jī)的z軸方向的標(biāo)定.

標(biāo)定平面激光線成像圖如圖3(a)所示，z軸方向光刀中心像素值的提取過程主要利用閾值法以

及重心法，通過對(duì)圖像灰度值設(shè)定一個(gè)閾值，將采集圖像中低于閾值部分的灰度值取為0，保留高灰度值部分，再通過逐點(diǎn)搜索對(duì)高灰度值部分灰度坐標(biāo)進(jìn)行提取.

由于光刀光強(qiáng)從中心處向兩邊逐漸衰減，因此光刀在成像平面的成像灰度值呈正態(tài)分布，如圖3(b)所示，光刀中心處光強(qiáng)最強(qiáng)，其灰度值也為最大值，假設(shè)成像平面u軸像素坐標(biāo)為Un(n=0，1，2，…，1 024)，所對(duì)應(yīng)灰度值為Gn(n=0，1，2，…，1 024)，此時(shí)需要利用重心法提取峰值處成像坐標(biāo)，激光中心線最大灰度值對(duì)應(yīng)的像素值Gu為

(2)

圖3　z軸方向標(biāo)定成像示意圖

光刀平面y軸方向標(biāo)定原理如圖4所示，通過z軸光刀中心成像坐標(biāo)與標(biāo)定平面刻度的疊加，提取各高度成像平面交點(diǎn)處像素值，完成光刀相對(duì)于攝像機(jī)y軸方向的標(biāo)定.

圖4　y軸方向標(biāo)定成像示意圖

2　實(shí)驗(yàn)及分析

系統(tǒng)標(biāo)定的圖像采集過程是基于線結(jié)構(gòu)光義齒測(cè)量系統(tǒng)完成的，激光器發(fā)出的光線為線結(jié)構(gòu)光，通過左右CCD攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，攝像機(jī)采集圖像的分辨率為1 280pixel×1 024pixel.實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)定塊水平固定在電動(dòng)平移臺(tái)上，隨電動(dòng)平移臺(tái)水平移動(dòng)9mm，采集10個(gè)高度下光刀成像圖以及標(biāo)定平面刻度線成像圖.在圖像采集的過程中，由于采集的光刀圖受噪聲影響，因此，在對(duì)標(biāo)定點(diǎn)像素坐標(biāo)提取之前，需要對(duì)其進(jìn)行中值濾波處理，處理結(jié)果如圖5所示.圖5表示中值濾波前后某一高度光刀中心坐標(biāo)在成像平面的像素值.橫坐標(biāo)為成像平面v軸像素值，縱坐標(biāo)為成像平面v軸像素值.濾波之前由于噪聲影響，光刀中心坐標(biāo)提取結(jié)果并不理想，通過中值濾波可以對(duì)光刀中心坐標(biāo)進(jìn)行平滑處理.

對(duì)采集圖像進(jìn)行濾波之后，便可以對(duì)標(biāo)定坐標(biāo)進(jìn)行提取，提取結(jié)果如圖6所示，圖6(a)為光刀z軸方向標(biāo)定結(jié)果，橫坐標(biāo)為光刀標(biāo)定表面的高度值，縱坐標(biāo)為光刀中心像素值；圖6(b)為光刀y軸方向標(biāo)定結(jié)果，橫坐標(biāo)為標(biāo)定表面的刻度值，縱坐標(biāo)為光刀中心與刻度交點(diǎn)的像素值.由圖6可以看出，標(biāo)定結(jié)果基本呈線性分布，同時(shí)，在標(biāo)定過程中，光刀成像坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理位置坐標(biāo)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式進(jìn)行標(biāo)定，在之后的輪廓測(cè)量中利用標(biāo)定結(jié)果對(duì)每一點(diǎn)進(jìn)行還原，因此該標(biāo)定方法能夠很好的避免相機(jī)畸變對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.

通過具有一定高度差的階梯狀模塊對(duì)標(biāo)定后的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，階梯狀模塊高度差為4.78mm，測(cè)量結(jié)果見表1.由表1可以看出，測(cè)量值與實(shí)際高度有一定的偏差，通過重復(fù)測(cè)量驗(yàn)證得出，測(cè)量系統(tǒng)通過標(biāo)定后對(duì)物體測(cè)量的誤差在0.04mm之內(nèi).

圖5　中值濾波示意圖

圖6　標(biāo)定結(jié)果示意圖

實(shí)際高度差/mm測(cè)量高度差/mm測(cè)量一測(cè)量二測(cè)量三測(cè)量四測(cè)量五測(cè)量六測(cè)量七測(cè)量精度/mm4.784.744.814.754.744.824.814.740.04

3　結(jié) 論

1) 本文提出了一種用于測(cè)量義齒三維輪廓的線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)，該標(biāo)定技術(shù)采用具有一定斜面的立方體作為標(biāo)定塊，通過標(biāo)定塊的單方向平移，便可得到每一個(gè)高度下空間物理位置點(diǎn)在攝像機(jī)成像平面的像素值，從而完成對(duì)標(biāo)定范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)的標(biāo)定.

2) 與傳統(tǒng)標(biāo)定方法相比較，該方法解決了其不連續(xù)、標(biāo)定過程繁瑣等問題，提高了標(biāo)定速度，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定.改進(jìn)后標(biāo)定方法的標(biāo)定過程具有連續(xù)性，且改進(jìn)之后標(biāo)定過程可按照需要對(duì)測(cè)量范圍之內(nèi)的任意一點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法標(biāo)定過程操作簡(jiǎn)易方便，標(biāo)定精度達(dá)到0.04 mm.

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(責(zé)任編輯、校對(duì)潘秋岑)

Calibration Method for 3D Profile of Denture Based on Light Sectioning Measurement

CAIWenze1，TIANAiling1，LIUBingcai1，WANGHongjun1，CHENHua2

(1.Shaanxi Province Key Laboratory of Thin Film Technology and Optical Test,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China;2.School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to improve the measurement accuracy,a light sectioning measurement based calibration method of the 3D profile of denture is proposed.A cube with certain slope is used as the calibration block,which is unidirectionaly translated to get the pixel value in the camera image plane for every point of each height in space,and obtain grid-style calibration parameters.The test results prove the measurement.The accuracy of measurement reaches 0.04 mm and the continuity of height calibration is achieved.All the information of the calibration can be obtained through twice unidirectional translation of the block.It is more flexible than the ordinary methods and has a good performance of speed and accuracy.

three-dimensional contour measurement;system calibration;denture;calibration speed

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.003

2015-10-14

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2010JC09)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2015DFA10360)；

蔡文澤(1990-)，男，西安工業(yè)大學(xué)碩士研究生

田愛玲(1964-)，女，西安工業(yè)大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代光學(xué)制造與檢測(cè)技術(shù).E-mail: 414369869@qq.com.

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A

1673-9965(2016)08-0618-05

陜西省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目(2014KW05)