JP7312770B2 - 角度ベースシェードマッチングを有する歯の3dスキャナ - Google Patents
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Description
a)口腔内スキャナを用いて3D歯表面表現を獲得するステップであって、3D歯表面表現は、表面データ及び色ベクトルの空間分解角度分布を含み、色ベクトルの空間分解角度分布は、表面データからの1つ又は複数の点位置を色ベクトルの対応する角度分布に関連付ける、ステップと、
b)1つ又は複数のシェード値を同定するステップであって、それぞれのシェード値は、色ベクトルの角度分布を色ベクトルの基準角度分布の集合と比較することによって、色ベクトルの空間分解角度分布からの色ベクトルの角度分布と関連付けられ、集合内のそれぞれの基準角度分布が、対応するシェード値と関連付けられる、ステップと、
c)1つ又は複数のシェード値の指示を有する表面データを表示し、記憶し、又は伝送するステップと、を含む。
本発明の実施形態についての以下のより具体的な説明から明らかであろう。図面の要素は、必ずしも互いに対して共通の尺度を有するわけではない。
双方向反射率分布関数(BRDF)が、照明及び様々な角度での観測の色シェードにおける影響をより正確に特性評価する方法を提供する。この関数の使用は、照明及び検出角度の寄与から生じる混乱を低減しながら、材料自体の色シェードを特性評価してもよい。単一色に関して、スキャナによる材料の表面特性評価のためのBRDFが、関係変数するの関数として以下のように表現される。
Eは、放射照度であって、単位面積あたりのパワーであり、
ωiは、入射光方向であり、
ωrは、反射光方向であり、
nは、所定の点における局所表面法線である。
(i)固定された照明及び検出角度が、口腔内カメラ16の設計によって指示されること、及び
(ii)表面の点についてのBRDFデータが、法線周りの回転について不変であると仮定されること、
が適用される。
図1の撮像装置90に関して、カメラ16は、反射率画像と、関連する深度情報と、を含む画像データの集合を取得する。制御論理プロセッサ80は、画像データを処理して、局所シェード指示を表面輪郭に提供する。
画像データから抽出された色と関連付けられた深度情報が用いられて、連続して増強されるか又は成長する表面輪郭を作成する。法線及び色を有する点群が、取得(高速な点挿入、削除)中に点群発達に適した適応性を提供するけれども、色付き/テクスチャ付き表面メッシュが、概してディスプレイ84(図1)上でユーザに表示される。
成長する表面輪郭上に取得された画像データからの法線及び色を有する表面輪郭のステッチング手順は、以下の汎用ステップを有する。(i)画像データからの法線及び色を有する表面輪郭についての及び成長する表面輪郭についての特徴記述子の1つの集合を推定するステップ、(ii)特徴記述子の両方の集合を用いる特徴マッチングを実行して、相対配置及びスコアを作成するステップ、(iii)スコアに基づいて相対配置を認容又は拒絶するステップ、(iv)反復最近接点アルゴリズムを用いて相対配置を改良して、距離測度を生成するステップ、及び(v)生成された距離測度に基づいて相対配置を認容又は拒絶するステップ。これらのステップについての詳細は、以下のようである。
(i)表面輪郭についての特徴記述子は、剛体変換(回転/並進)について不変である局所表面記述を表す。例えば、高速点特徴量ヒストグラム(FPFH)が、法線を有する表面輪郭のそれぞれの処理要求点について計算されてもよい。このことは、例えば、Rusu,R.B.の論文「Semantic 3D Object Maps for Everyday Manipulation in Human Living Environments」、pp.57-61(2009年8月17日)に記載されている。点群からの色情報をまた含む別の記述子が、用いられてもよい。
(ii)法線を有する可動表面輪郭からの特徴記述子の1つの集合の、法線を有する標的表面輪郭からの特徴記述子の1つの集合への特徴マッチングは、特徴記述子同士の間の対応の作成を含む。FPFH特徴記述子は、ヒストグラムであり、距離は、2つの特徴記述子の間のヒストグラム差分のノルムとして定義されてもよい。対応は、1つの特徴記述子から特徴記述子の別の集合への最小距離として定義される。特徴マッチングは、次いで、相対配置を生成するための一群の一致の選択を含む。このステップは、概して、ランダムサンプルコンセンサス(RANSAC)アルゴリズムを用いて実行され、当該アルゴリズムは、候補の相対変換を計算し、次いで、この候補の相対変換と整合する一致の数をカウントするための3つの一致についてのランダム選択からなる。一致は、2つの特徴記述子から形成され、1つは可動点群からのものであり、1つは法線を有する標的点群からのものである。それぞれの特徴記述子は、処理要求点に対応する。一致は、候補の相対変換を用いて動かされる可動処理要求点が、標的処理要求点からの事前に決められた距離内部にあるならば、候補の相対変換と整合する。整合する一致についての最大数を有する候補の相対変換が、最終の相対配置になる。スコアは、最終の相対配置の品質を示し、整合する一致についての対応する数であってもよい。
(iii)相対配置は、スコアが予定された閾値以下であるという事象において拒絶されてもよい。この場合、ステッチングが起こり得ず、画像データは廃棄される。
(iv)反復最近接点(ICP)アルゴリズムを用いる相対配置の改良は、相対配置が可動表面輪郭に適用されるときに、最近接マッチングを見つけることによって、可動表面輪郭と標的表面輪郭との間の点対応を定義する。マッチング同士の間の最小自乗距離最小化は、相対配置の更新を提供する。点一致の選択及び相対配置の更新が、次いで、収束まで又は所定数の反復が達成されるまで、反復される。距離測度は、最終の更新された相対配置に対応する、最小自乗距離最小化に用いられる費用関数の値であってもよい。
(v)更新された相対配置は、距離測度が予定された閾値以下であるならば、拒絶されてもよい。この場合、ステッチングが起こり得ず、画像データは廃棄される。そうでなければ、ステッチングは成功である。
図5の論理流れ図は、本開示の実施形態に従う改善された色シェード同定及び表示のためのBRDF構造を取得して用いるためのシーケンスを表す。取得及び処理ステップS510において、表面輪郭画像が、取得された画像データから法線及び色情報を有する点群又はメッシュとして獲得される。色補正ステップS520が、(ステッチング前に)画像データの取得中に、それぞれの色チャネルについてのfr(ωi,ωr,n)を用いて、及びスキャナの座標系内の照明方向ωi及び検出器方向ωrを用いて、点群からの色をBRDF色データに変換する。ステップS520は、後の段階に延期されてもよいけれども、BRDF値を生成するための即時の色補正が、処理パイプライン内の初期に色のより良好な正規化を可能にし、それにより、補正された色が、歯材料のより正確な表現となり、照明/検出幾何形状により少なく依存するようになる。この方法を用いて、全ての後続のデータ構造が、補正された色値から利益を生み出される。
図4Bに表されるような1つの点P1における2つのBRDF関数の評価は、2つのBRDF値を与える。本開示に関して、BRDF値は、色ベクトルとも呼ばれる。2つのBRDF値の間の距離の概念が、以下で定義される。2つのBRDF関数の間のBRDF距離は、点P1の全ての容認された位置にわたる、色距離の積分として定義されてもよい。言い換えれば、積分領域は、入力変数ωi及びωrの角度範囲を網羅している。
図6の論理フローは、図5のプロセス中に用いられるBRDFライブラリを形成するためのステップを表す。図5プロセスのステップS540において、歯科材料の供給元から商業的に入手可能な従来のシェードタブの集積が用いられて、値をマッチングさせるために用いられるべきBRDFライブラリを生成してもよい。共通のシェード値が、Vita Classical(登録商標)シェードタブ(例えば、「A1」「A3.5」「D2」)、又はVita Linearguide 3D-MASTER(登録商標)(例えば、「2L1.5」又は「3M2」)から獲得されてもよい。
(1)反射率標準色ベクトルの色構成要素によって補正された色ベクトルから、それぞれの色成分を分割すること、
(2)この正規化された色ベクトルを三刺激XYZ値に変換すること、及び
(3)三刺激XYZ値をCIELab色に変換すること、に要約されてもよい。
図8は、同じ座標系内に複数の要素を表す線図であり、セル72からなる3DのBRDFグリッド30が、シェードタブ94によって表された3Dの成長する表面輪郭を包含する空間分割を画定する。それぞれのセル72は、BRDF構造70を含み、当該BRDF構造は、スキャン中のその時に関連付けられたBRDFスナップショットによって表される。それぞれのセル72は、単一の1mm3部分によって遮断された表面等の歯表面の小さい部分に対応する。ステッチングステップS530(図5)中に、法線及び色を有する点群が3Dの成長する表面輪郭上にステッチングされるとき、BRDFセル72に対応する点群からの色及び法線を有するそれらの点は、そのセル内のBRDFデータ構造70と結合される。必要に応じて、BRDFグリッド30は、全てのステッチングされた点が有効なBRDFセル72内にあるように拡張される。次いで、点群からの全ての点が、成長する表面輪郭内に結合され、当該成長する表面輪郭は、ディスプレイ上で更新される。
(i)分割に対応する歯領域への法線のパラメータ、
(ii)照明の入射方向ωi、
(iii)検出された光の反射方向ωr、
(iv)RGB、CIE Lab、又は別の好適な色空間等の周知の色空間内の色ベクトル。色チャネルの数は、3以上であってもよい。
鏡面反射に対応する領域についての有効データを有しない。表面輪郭の残りのステッチング後に、対応するBRDF構造の座標を計算するための点、したがって法線が存在しない。関連付けられた深度情報が鏡面反射の領域の外側境界の近くでそれでも入手可能である場合、深度情報は、しばしばその領域において誤って推定される。このことは、法線が非常にノイズの多いことを意味することがある。また、たとえ深度情報が有効であっても、画像データからの反射率画像が飽和させられることがある。飽和は、センサのダイナミックレンジが十分でないために起こる。それらの誤った測定値をBRDF構造内に記憶するよりも拒絶する方がよい。拒絶は、拒絶閾値を点法線と半方向との余弦に設定することによって実装されてもよい(例えば、0.98を上回るならば、拒絶される)。別の実装形態では、色及び法線を有する点群からの点の色がカメラの彩度値に近いならば(例えば、全ての色チャネルが、最大255にまで至るカメラの範囲に対して値250を上回るならば)、BRDF構造内に記憶することを拒絶する。シェードタブ90から獲得された基準BRDFは、図6の論理流れ図に関して以前に述べたように、例えば、BRDFライブラリの要素として記憶されてもよい。
Claims (22)
- 口腔内3Dスキャニングのための方法であって、
a)口腔内スキャナを用いて3D歯表面表現を獲得するステップであって、前記3D歯表面表現は、表面データ及び色ベクトルの空間分解角度分布を含み、前記色ベクトルの空間分解角度分布は、前記表面データ内の複数の点位置のそれぞれに対する角度分布を含み、前記色ベクトルの各角度分布は、光相互作用と色ベクトルとを特徴付ける関数である、ステップと、
b)前記複数の点位置の少なくとも1つに対する色ベクトルの角度分布を色ベクトルの基準角度分布の集合と比較するステップであって、前記複数の点位置の前記少なくとも1つに対するシェード値を同定し、前記集合内のそれぞれの基準角度分布が、光相互作用を特徴付ける関数であって、対応するシェード値と関連付けられる、ステップと、
c)前記複数の点位置の前記少なくとも1つに対して同定された前記シェード値の指示を有する前記表面データを表示し、記憶し、又は伝送するステップと、を含む方法。 - 前記角度分布は、前記歯表面での入射照明方向、反射光方向、表面法線、及び位置のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記色ベクトルは、赤、緑、及び青の色データ値を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記色ベクトルは、CIELab色データ値を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記色ベクトルは、可視波長を網羅する波長を有するスペクトルを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記色ベクトルの基準角度分布及び関連付けられたシェード値は、歯のシェードタブの集合の測定から取得される、請求項1に記載の方法。
- 前記色ベクトルの角度分布は、双方向反射率分布関数値を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記色ベクトルの角度分布は、空間的に変化する双方向反射率分布関数(BRDF)値を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記色ベクトルの角度分布は、双方向表面散乱反射率分布関数(BSSRDF)又は双方向散乱分布関数(BSDF)値を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記3D歯表面表現は、点群、三角形メッシュ、又はスプライン曲面を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記同定されたシェード値のうちの1つ又は複数は、テキストラベル、色コード化ラベル、又は前記歯表面にわたる双方向反射率分布関数(BRDF)構造である、請求項1に記載の方法。
- 前記1つ又は複数のシェード値は、前記歯表面の上部3分の1、中部3分の1、又は下部3分の1のうちの少なくとも1つに対応する、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の点位置の前記少なくとも1つのそれぞれに対する色ベクトルの前記角度分布を前記色ベクトルの基準角度分布の集合と比較するステップは、2つの色ベクトルの間の色距離を算出するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の点位置の前記少なくとも1つに対するシェード値を同定するステップが、前記3D歯表面表現における全ての歯表面のシェード値を同定することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複数の点位置の前記少なくとも1つに対するシェード値を同定するステップは、前記3D歯表面表現内の選択された領域のシェード値を同定することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記表面データは、前記3D歯表面表現のデータを取得するデータ取得中に獲得されてもよいか、又は改良ステップの部分として生成されてもよい、請求項1に記載の方法。
- 前記表面データと前記色ベクトルの空間分解角度分布とは、同じデータ取得から獲得される、請求項1に記載の方法。
- 前記表面データと前記色ベクトルの空間分解角度分布とは、別個のデータ取得から獲得される、請求項1に記載の方法。
- 反射率標準の表面をスキャンすることによってスキャン信号を獲得するステップを更に含み、前記スキャン信号は、色ベクトル、又は双方向反射率分布関数(BRDF)構造を提供する、請求項1に記載の方法。
- 前記スキャン信号の色構成要素は、前記口腔内スキャナの視野にわたって空間的に分解される、請求項19に記載の方法。
- 口腔内3Dスキャニングのための方法であって、
口腔内スキャナを用いて3D歯表面表現を獲得するステップであって、前記3D歯表面表現は、表面データ、及び色ベクトルの空間分解角度分布を含み、前記色ベクトルの空間分解角度分布は、前記3D歯表面表現における複数の点のそれぞれについて、照明方向、反射光方向、及び表面法線を含む、ステップと、
前記複数の点のうちの1つ又は複数について、対応する前記色ベクトルの空間分解角度分布に従って、予め定められた色シェードの集合からの色シェードを関連付けるステップと、
前記関連付けられた色シェードのうちの1つ又は複数についての同定によって前記歯表面表現の少なくとも一部分を表示し、記憶し、又は伝送するステップと、
を含む方法。 - 口腔内撮像装置であって、
3D歯表面表現を取得し、色ベクトルの空間分解角度分布を取得する画像キャプチャ装置であって、前記色ベクトルの空間分解角度分布は、前記3D歯表面表現からの1つ又は複数の点位置を色ベクトルの対応する角度分布に関連付ける、画像キャプチャ装置と、
前記歯表面表現を獲得し、1つ又は複数のシェード値を同定するための論理命令を処理するようにプログラムされたプロセッサであって、それぞれのシェード値は、色ベクトルの角度分布を色ベクトルの基準角度分布の集合と比較することによって、前記色ベクトルの空間分解角度分布内の前記色ベクトルの1つの角度分布と関連付けられ、前記集合内のそれぞれの基準角度分布は、対応するシェード値と関連付けられる、プロセッサと、
前記3D歯表面表現を表示し、前記同定されたシェード値の指示を表示するディスプレイと、を備える口腔内撮像装置。
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