CN112022408A - 一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，包括属于获取牙弓曲线技术领域，包括双目立体相机和激光点光源，所述双目立体相机包括左相机和右相机，本发明科学合理，使用安全方便，在实施过程中，先将双目立体相机校准，只需手动确定起始扫描位置，得到牙弓曲线后，可根据该牙弓曲线帮助找出待检查的病人与现有牙科全景成像装置预置的牙弓曲线中最相近的牙弓曲线，无需实际操作人员的主观判断和手动选择，尽量减少人工干预或至少提供一种参考；且本发明获得的牙弓曲线为动态制定牙弓扫描轨迹提供了可能性，可引入到牙科全景设备软硬件设计中。

Description

一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法

技术领域

本发明涉及技术领域，具体是一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法。

背景技术

牙科全景成像装置是通过X射线束和X射线探测器扫描虚拟牙弓曲线获得多帧图像，并结合位置和取向信息生成牙科全景图像的医疗装置；现有牙科全景成像装置都会预置牙弓曲线进行扫描并生成全景图像。普兰梅卡公布的该专利声称其可以生成多个层析成像层，并且还可构建和显示从不同方向观看的牙弓图像或部分图像。Vatech公布的美国专利[US 20150139524Al]中声称其牙科全景成像装置可自动融合多个层析成像层生成最清晰的全景图像。这使得预置的牙弓曲线与真实的牙弓曲线即使存在差异，但是在一些情况下，差异太大会影响适用，比如成人和儿童的牙弓差异太大而不可共用同一个牙弓曲线，需要选择不同的牙弓曲线进行扫描。菲森科技和安科先后公布了牙弓线生成方法相关的专利[CN 106204688 B][CN 110211200 A]，声称可利用牙科CT三维断层图像获取牙弓曲线的方法，并进一步生成牙科全景图像。这些方法虽然都能获得牙弓曲线，解决了牙弓个体差异性带来的问题。但这些方法都绕过了牙科全景成像装置，同时也失去了牙科全景成像装置所带来的优势：成像时间短，辐射剂量低，无金属伪影等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，以解决现有技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S100：设置扫描的基准位置，激光点光源以基准位置为中心，向位置左右两侧扫描前牙可见区上的N个点，记为扫描点集N，扫描点集中的每个点都形成一个光斑；

S200：双目立体相机采集以基准位置为中心的左右两张图像，并对两张图像中的光斑位置进行识别；

S300：以两个相机的光心连线的中点位置设为坐标原点，以左相机光心指向右相机光心的向量方向设为x轴方向，以相机光轴方向设为z轴方向，以重力方向设为y轴方向，构建三维空间，通过三角定位算法计算光斑在三维空间的位置；

S400：采用抛物线曲线拟合得到牙弓曲线；

实现基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法的装置为，在现有牙科全景成像装置基础上添加两个相机组成的双目立体相机，以及一个放置在双目立体相机中间的激光点光源，具体实施过程中，激光点光源扫描前牙可见区(可见区是指在病人张口之后，尽可能露出的牙齿区域)上左右对称均匀分布的N个点，这里N应大于等于5，且为奇数，然后双目立体相机采集以两个相机的光心连线为中点位置的左右两张图像，并通过网络传输到微型电脑(比如树莓派)自动识别这两张图像中激光点光源产生的光斑位置，三角定位的算法获得光斑在三维空间中的位置，最后根据这N个点的三维空间上的位置，经过曲线拟合获得牙弓曲线，(这里曲线拟合可以是抛物线拟合)。

所述步骤S100中，所述扫描点集N将基准位置作为中心左右对称且均匀分布的点，所述基准位置为中切牙固定位置，将扫描点集N的一半记为m，则

floor函数的作用在于取不大于N/2的最大整数；

N和m之间的关系为：N＝2*m+1，N≥5且为奇数；

floor函数的作用在于取取不大于N/2的最大整数，或称为向下取整，整数N和m之间保持N＝2*m+1，扫描点可标记为 (-m,-m+1,-m+2,…,0,…,m-2,m-1,m)；

取N个扫描点，且N大于等于5，有益于后续牙弓曲线的成功构建。

所述步骤S200中，所述双目立体相机包括两个相机，两个所述相机为左右对称分布，两个所述相机之间的距离即基线距设为B，所述相机的焦距设为f。

所述步骤S300包括以下步骤：

S310：将激光点光源扫描前牙区的点标记为从-m到m的所有整数，从左到右，依次定位到牙弓上的采样点p_i，i为从-m 到m之间的任意整数值；

S320：用双目立体相机中的左右相机以基准位置为中心，采集左右两幅图像，对两幅图像中所述扫描点集N中同一个点作为采样点进行采样，记为I_left、I_right；

S330：以两个相机的光心连线的中点位置设为坐标原点，以左相机光心指向右相机光心的向量方向设为x轴方向，以重力方向设为y轴方向，构建二维坐标系，计算S320步骤中的两幅图像中的采样点在二维坐标系中的位置，分别为(u_left,v_left) 和(u_right,v_right)；

S340：通过三角定位法扫描点形成的光斑，计算出光斑在三维空间中的位置p_i(x_i,y_i,z_i)，计算公式为：

双目视觉的三角定位算法可采用基于视差原理的三维测量技术。

B为基线距，f为焦距，D为视差，D＝u_left-u_right，由于完全相同的两个相机平视空间上的点，v_left和v_right理论上是相等的，即v＝v_left＝v_right；

先将两幅图像中所述扫描点集N中同一个点作为采样点进行采样，再求出采样点在二维坐标系中的位置，最后计算出采样点在三维坐标系中的位置，可以更加准确的定位采样点的位置。

所述步骤S400中，将牙弓与抛物线曲线进行拟合，方程表示为：

z＝a*x²+b

z为光斑位置在z轴的坐标，x为光斑位置在x轴的坐标， b是固定不变的常量,通过预先测量可获得，a为抛物线模型参数，通过最小二乘法计算出a的值：

为所有光斑在z轴坐标的中间量，

为所有光斑在x轴坐标的中间量，

为抛物线模型参数的估计值；

将采样点的位置坐标代入公式，得到牙弓曲线公式，可帮助找出待检查的病人与现有牙科全景成像装置预置的牙弓曲线中最相近的牙弓曲线，而无需实际操作人员的主观判断和手动选择，尽量减少人工干预或至少提供一种参考，本发明获得的牙弓曲线为动态制定牙弓扫描轨迹提供了可能性，如果将其引入到牙科全景设备软硬件设计中，或许有可能取代现有的预置牙弓的静态扫描方式。

所述步骤S300中：三维坐标中y坐标数值y_i的约束条件为：设置所有光斑y方向坐标的标准差小于预设值σ：

u为所有光斑y方向坐标的均值；

三维坐标中z坐标方向数值z₀的约束条件为：z₀与b的差异满足小于预设值τ：

|z₀-b|≤τ

τ为预设值常数，z₀为z坐标方向数值；

预设y方向坐标的误差值小于预设值σ，z方向数值坐标误差值小于预设值τ，有利于在实际实施过程中，提高精准度。

所述一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的装置适用于权利要求1-6中的任意一条权利要求，所述基于双目视觉获得人体牙弓曲线的装置为现有牙科全景成像装置基础上添加两个相机组成的双目立体相机和一个激光点光源；

测量装置在使用之前，需要对双目相机进行校准，这校准过程包括每个相机自身内部参数的校准以及用于确定两个相机之间位置关系的外部参数的校准。在机器视觉领域，相机校准可采用张正友标定法，与大多数口内设备相比，本发明扫描成像的过程中，不需要接触病人的牙齿，与牙科全景成像设备同属口外设备，可进行非接触式测量；测量时间短，只需要扫描采集牙弓曲线上的N个点，整个图像采集和处理的时间可在秒级完成；且本发明采用激光照射到牙弓形成的光斑也在可见光波段，双目相机可探测到光学信号一般也同在这一波段。

所述激光点光源位于双目视觉测量装置的中间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的方法可改进现有牙科全景成像装置，解决了预置的牙弓曲线与真实的牙弓曲线存在差异，影响适用的问题；本发明可在牙科全景设备扫描实施之前，预先获得牙弓曲线的信息，根据这些信息可找出待检查的病人与预置牙弓曲线最相近的牙弓曲线，而无需实际操作人员的主观判断和手动选择，尽量减少人工干预或至少提供一种参考；本发明获得牙弓曲线的先验信息也为动态制定牙弓扫描轨迹提供了可能性，如果将其引入到牙科全景设备软硬件设计中，可取代现有的预置牙弓的静态扫描方式。

附图说明

图1为本发明一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的测量步骤示意图；

图2为本发明一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的测量方法结构示意图；

图3为本发明一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的待观测点与双目立体视觉***的几何位置关系结构示意图。

图中标号：1、右相机；2、左相机；3、激光点光源；4、待测牙弓曲线；5、激光光斑位置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：如图1-2所示，一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，其特征在于：

假定无测量误差的情况下，即理想情况下的左右两个相机的焦距f＝2,基线距B＝6,像平面内的图像的长宽均为10，光轴与像平面的交点在二维图像正中心位置，即(u₀,v₀)＝(5,5),设基点位置P₀坐标为(0，0，10),则根据几何关系，基点在左图像中二维坐标为(u_left,v_left)＝(5.6,5),基点在右图像中二维坐标为(u_right,v_right)＝(4.4,5),代入公式可以计算出三维坐标，其中视差D＝u_left-u_right＝1.2，v＝(v_left+v_right)/2＝5, x₀＝(u_left-u₀)*B/D-B/2＝0，

z₀＝ f*B/D＝10,这里，抛物线模型中的参数b常量在该实例中为基点位置的z分量值，即取b＝10,假设通过该双目视觉***需要测量牙弓曲线上的7个点，即N＝7，n＝3，这里假设当a的值为 0.1时，代入抛物线模型，得到这7个点的理论上的三维坐标为：

i＝-3时，x＝-2，y＝0，z＝10.4；

i＝-2时，x＝-1.3333，y＝0，z＝10.1778；

i＝-1时，x＝-0.6667，y＝0，z＝10.0444；

i＝0时，x＝0，y＝0，z＝10；

i＝1时，x＝0.6667，y＝0，z＝10.0444；

i＝2时，x＝1.3333，y＝0，z＝10.1778；

i＝3时，x＝2，y＝0，z＝10.4；

在此种没有测量误差的情况下，可计算出a＝-0.1。

实施例二:

有误差的情况下，加入噪声模拟测量误差，假设测量误差为在x,y,z上从-0.05至0.05之间均匀分布的随机数，可产生七个点的坐标为：

i＝-3时，x＝-1.9898，y＝-0.0271，z＝10.3943；

i＝-2时，x＝-1.3570，y＝0.0413，z＝10.1384；

i＝-1时，x＝-0.6513，y＝-0.0348，z＝10.0906；

i＝0时，x＝0.0189，y＝0.0326，z＝9.9505；

i＝1时，x＝0.6915，y＝0.0038，z＝10.0719；

i＝2时，x＝1.3284，y＝0.0496，z＝10.2095；

i＝3时，x＝1.9584，y＝-0.0422，z＝10.4369；

可计算出a＝0.1055。

工作原理：先将双目立体相机校准，包括内部参数和外部参数的校准，在进行牙科全景扫描之前，调整人头部位置，尽量保持人体的牙弓曲线位于水平面，具体实施过程中，保持听眶线在水平面即可，然后通过中切牙咬合颌托上的固定支点，将中切牙固定在同一位置，该位置也是激光点光源扫描牙齿的基准位置，或者0标号位置；确定好牙弓曲线前牙区中N个点的扫描位置，应尽量均匀分布，并且以中切牙固定位置呈对称分布，为了后续曲线的形成和拟合，,具体实施过程中，可能只需要手动确定起始扫描位置，并且确保扫描位置都在双目立体相机的中的左右两个相机的视野范围内即可,在水平面内，也即牙弓曲线所处的平面内，双目立体相机中的左右相机采集两幅图像，从左到右，依次定位到牙弓上的采样点，然后通过三角定位法定位采样点，计算每个采样点在三维空间中的坐标，最后根据N个点的三维坐标采用抛物线曲线拟合得到牙弓曲线。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S100：设置扫描的基准位置，激光点光源以基准位置为中心，向位置左右两侧扫描前牙可见区上的N个点，记为扫描点集N，扫描点集中的每个点都形成一个光斑；

S200：双目立体相机采集以基准位置为中心的左右两张图像，并对两张图像中的光斑位置进行识别；

S300：以两个相机的光心连线的中点位置设为坐标原点，以左相机光心指向右相机光心的向量方向设为x轴方向，以相机光轴方向设为z轴方向，以重力方向设为y轴方向，构建三维空间，通过三角定位算法计算光斑在三维空间的位置；

S400：采用抛物线曲线拟合得到牙弓曲线。

2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，其特征在于：所述步骤S100中，所述扫描点集N将基准位置作为中心左右对称且均匀分布的点，所述基准位置为中切牙固定位置，将扫描点集N的一半记为m，则

floor函数的作用在于取不大于N/2的最大整数。

3.根据权利要求2所述的一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，其特征在于：所述步骤S200中，所述双目立体相机包括两个相机，两个所述相机为左右对称分布，两个所述相机之间的距离即基线距设为B，所述相机的焦距设为f。

4.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，其特征在于：所述步骤S300包括以下步骤：

S310：将激光点光源扫描前牙区的点标记为从-m到m的所有整数，从左到右，依次定位到牙弓上的采样点p_i，i为从-m到m之间的任意整数值；

S320：用双目立体相机中的左右相机以基准位置为中心，采集左右两幅图像，对两幅图像中所述扫描点集N中同一个点作为采样点进行采样，记为I_left、I_right；

S330：以两个相机的光心连线的中点位置设为坐标原点，以左相机光心指向右相机光心的向量方向设为x轴方向，以重力方向设为y轴方向，构建二维坐标系，计算S320步骤中的两幅图像中的采样点在二维坐标系中的位置，分别为(u_left，v_left)和(u_right，v_right)；

S340：通过三角定位法扫描点形成的光斑，计算出光斑在三维空间中的位置p_i(x_i，y_i，z_i)，计算公式为：

B为基线距，f为焦距，D为视差，D＝u_left-u_right，由于完全相同的两个相机平视空间上的点，v_left和v_right理论上是相等的，即v＝v_left＝v_right。

5.根据权利要求4所述的一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，其特征在于：所述步骤S400中，将牙弓与抛物线曲线进行拟合，方程表示为：

z＝a*x²+b

z为光斑位置在z轴的坐标，x为光斑位置在x轴的坐标，b是固定不变的常量，通过预先测量可获得，a为抛物线模型参数，通过最小二乘法计算出a的值：

勾所有光斑在z轴坐标的中间量，

为所有光斑在x轴坐标的中间量，

为抛物线模型参数的估计值。

6.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法，其特征在于：所述步骤S300中：

三维坐标中y坐标数值y_i的约束条件为：设置所有光斑y方向坐标的标准差小于预设值σ：

为所有光斑y方向坐标的均值；

三维坐标中z坐标

方向数值z₀的约束条件为：z₀与b的差异满足小于预设值τ：

|z₀-b|≤τ

τ为预设值常数，z₀为基点z坐标方向数值。

7.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的装置，其特征在于：所述装置为现有牙科全景成像装置基础上添加两个相机组成的双目立体相机和一个激光点光源，所述装置执行如权利要求1-6任意一项所述的基于双目视觉获得人体牙弓曲线的方法。

8.根据权利要求7所述的一种基于双目视觉获得人体牙弓曲线的装置，其特征在于：所述激光点光源位于双目视觉测量装置的中间。

Images