WO2009071611A2 - Aufnahmeverfahren für das bild eines aufnahmeobjekts und aufnahmevorrichtung - Google Patents

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Peter Fornoff
Joachim Pfeiffer
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Sirona Dental Systems Gmbh
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    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an image of a recording object, in particular for dental purposes, comprising the steps of: projecting a stripe pattern onto the photographic object, recording the projected stripe pattern as a raw image with a camera, and calculating an image of the photographic object from the raw image.
  • the image may in particular be a height image or an intensity image of a prepared tooth or an impression thereof.
  • the invention relates to an apparatus for carrying out this method.
  • phase shift triangulation For the direct optical three-dimensional measurement of objects, eg. As for obtaining digital design data for computer-aided manufacturing, the principle of triangulation can be exploited, projected by a projection device, a single light bar or stripe pattern of parallel bars on the object to be recorded and the projected image under a parallax angle with a surface camera again is recorded. Due to the surface structure of the recording objects, the stripe course no longer appears straight, but curved and shifted in relation to the straight course. From the position of the light stroke lines can be closed to the surface structure of the recording objects back. To increase the accuracy of the so-called phase shift triangulation method (phase shifting triangulation) be used.
  • phase shifting triangulation phase shifting triangulation
  • a plurality of raw images of the same recording area, each with different positions of the phase position of a strip grid are generated in succession and calculated from these a phase image.
  • From the phase image can then be calculated using calibration data, a height image of the subject or a contrast image.
  • the height image can be present as a 3D data record.
  • strip patterns with sinusoidal intensity distribution are generally used. The triangulation and the phase shift
  • Triangulation method are described in detail for example in US 4,837,732.
  • the raw data are typically of inferior quality than in the measurement of completely opaque objects. This means, inter alia, that the raw data obtained on translucent objects have a lower signal amplitude, so that the three-dimensional data obtained therefrom have a lower quality. Due to the light which penetrates into the object and is backscattered by various mechanisms, a strong background signal is produced in the case of translucent recording objects, which provides no or falsified information with regard to the three-dimensional geometry of the surface of the object.
  • a contrast agent is typically used today.
  • This contrast agent is often a powder that is applied to the object to be measured and ensures that a larger proportion of the incident light is reflected at the object surface, whereby a higher signal amplitude can be obtained.
  • the application of a contrast agent leads to a higher cost and can also reduce the measurement accuracy with uneven application.
  • the disturbing background signals exist in all translucent objects or more generally in all objects in which backscattering takes place inside.
  • DE 103 04 111 A1 discloses an approach for increasing the accuracy of the data obtained by means of the phase-shift triangulation method, which is based on the division of raw images into groups in order to create a phase image from each group. The phase images thus obtained are averaged to suppress disturbances originating from the periodicity of the gratings.
  • this approach is not effective in the problem of increased backscatter within a subject.
  • the object underlying the invention to provide a method of the type mentioned for receiving an image of a recording object and to provide a device for creating an image of a recording object, in which even when dispensing with contrast agent sufficient measurement accuracy can be achieved.
  • Duty cycle is understood below to mean the ratio of illuminated or bright areas to non-illuminated or dark areas by the projected-on strip pattern. At a duty ratio less than 1, the projected fringe pattern has more dark areas than bright areas.
  • the invention is based on the fact that when using a stripe pattern with a duty cycle of less than 1, the original pattern is less broadened or less washed out.
  • the use of a stripe pattern with a duty ratio less than 1 results in a larger signal amplitude than a conventionally used sinusoidal stripe pattern with duty cycle equal to 1 or a stripe pattern with duty cycle greater than 1. Disturbing background signals are thus reduced to a significant extent, especially for translucent ones Surfaces.
  • the projection of the fringe pattern and the recording of the projected fringe pattern can be performed with the same orientation of the camera to the subject and at several different positions of the phasing of the fringe pattern, and the image can be calculated from the plurality of mutually phase shifted camera still images.
  • a plurality of raw images with different positions of the phase position of the grating are successively generated and from these a phase image is calculated. From the phase image, it is then possible, optionally with the aid of calibration data, to calculate a height image of the object to be photographed. From the raw images but also a contrast image can be calculated.
  • periodic stripe patterns are particularly suitable, especially in the phase shift triangulation method.
  • periodic fringe patterns a duty cycle less than 1 u.a. are reached when, within one period, the width of the area illuminated at an intensity of ⁇ 50% of the maximum beam intensity is smaller than the width of the area illuminated with an intensity of ⁇ 50% of the maximum radiation intensity.
  • the former range corresponds to a light stripe and the second-mentioned area corresponds to a dark stripe.
  • the area within a period that is illuminated at an intensity of ⁇ 30% of the maximum radiation intensity is larger than the area that is illuminated at an intensity of 50% or more of the maximum radiation intensity.
  • the area within a period which is illuminated with an intensity of ⁇ 20% of the maximum radiation intensity is greater than the area which is illuminated with an intensity of ⁇ 50% of the maximum radiation intensity.
  • the distribution of the light and dark stripes of the stripe pattern can correspond, for example, to a rectangular distribution.
  • a stripe pattern is projected, whose intensity distribution corresponds to a Gaussian distribution or a sine distribution with at least one further Oberwellenterm.
  • such distributions have the advantage that when using the phase-shift triangulation method in which several raw images are successively generated with different positions of the phase position of the fringe pattern, the formulas used for conventional sinusoidal distributions for evaluating the raw data to altitude or Contrast images can be applied.
  • a recording device which is suitable for carrying out the method described, contains a projection device for projecting a stripe pattern onto the recording object, a camera for recording the projected fringe pattern as a raw image and means for calculating an image of the recording object from the at least one raw image wherein the projection device is designed such that it projects a fringe pattern with a duty cycle of less than 1.
  • the striped pattern to be projected onto the recording object can be changeable in its position of the phase position in order to provide a plurality of raw images of different phase positions of the same recording area.
  • a drive device for the grating to be provided according to the invention, which leads by way of a corresponding velocity distribution to a projected fringe pattern with a duty cycle of less than 1. Both measures can be combined with each other.
  • a desired projection pattern can also be achieved by punctiform illumination of the recording object. follow, if the point is led over the surface to be absorbed so fast and the production of the raw picture lasts sufficiently long, that on the Rohre a projection pattern is mapped.
  • Such projection devices are known from the prior art.
  • Fig. Ia, b is a schematic representation of a recording device according to the principle of phase shift triangulation
  • FIGS. 2a to c are comparisons of different projected intensity distributions with the respectively measured intensity distributions
  • 3a to c show an inventive strip pattern with Gaussian intensity distribution and duty cycle less than 1;
  • 4a to c show a stripe pattern according to the invention with a distribution which corresponds to a sine function with the first harmonic term and has a duty cycle of less than 1;
  • FIG. 1 a shows a schematic representation of a receiving device, generally designated by 10, which according to the zip phase-shift triangulation works.
  • the projection device 12 thereby generates a light grid with parallel dashed lines, which is projected onto a receiving object, in the exemplary embodiment a dental prosthesis 20. Due to the three-dimensional surface structure of the tooth 20, the light grid lines on the tooth appear curved and unevenly spaced.
  • the image 22 projected over the projection beam 13 is recorded at a parallax angle with an area camera 14 arranged in the observation beam 15 and fed to an evaluation unit 16 for evaluation.
  • the projection device 12 and the camera 14 can also be combined in a structural unit 11.
  • FIG. 1 b shows the schematic structure of the projection device 12 in more detail.
  • a light source 30 generates a light beam which passes through an optical grating 32.
  • the grid 32 is constructed such that a stripe pattern is projected onto the denture 20 in which the dark areas are larger than the bright areas.
  • the grating 32 is designed in such a way that a stripe pattern with the desired intensity distribution with a duty cycle of less than 1 results in the projection plane on the dental prosthesis 20.
  • the drive 31 can be used to set different phase angles of the projected fringe pattern as part of the phase shift triangulation method.
  • the recorded images can be read out and stored via a cable 17 in the evaluation unit 16.
  • a height image of the dental prosthesis 20 can be calculated from at least one raw image, which is then stored approximately as a 3D data record.
  • the evaluation unit 16 can for this purpose components of a conventional computer have ters.
  • a digital three-dimensional data model of the dental prosthesis 20 is present in a memory of the evaluation unit 16 connected to the camera 14, which can be presented as an image, in particular as a contrast image, or as the basis for a computer-controlled design and production or quality control of dentures can serve.
  • FIGS. 2 a to c show various intensity distributions as they are projected onto the object to be photographed.
  • this is a conventional sinusoidal distribution (dashed line)
  • in FIG. 2b a rectangular distribution (dotted)
  • in FIG. 2c a stripe pattern with Gaussian distribution (dashed line). All three stripe patterns have the same grating period as well as the same maximum intensity. However, they differ in their duty cycle. While in a sinusoidal distribution the same number of areas are illuminated or bright as are not illuminated or dark (FIG.
  • the signals are shown schematically, which were measured after reflection on the subject at a parallax angle. It turns out that, given otherwise identical conditions, the measured signal of the measured intensities is greater at a duty factor of less than 1, compared with a duty cycle equal to 1, which leads to a higher measurement accuracy with a duty cycle of less than 1.
  • a Gaussian intensity distribution is a duty cycle of 1: 3, which is achieved when the half-width is a quarter of the period of the strip pattern.
  • FIGS. 3a to c A periodic Gaussian intensity distribution with a duty factor of 1: 3 is shown in FIGS. 3a to c.
  • the width H of the area which is illuminated with an intensity of ⁇ 50% of the maximum intensity is determined within a period.
  • the width D of the area which is illuminated at less than 50% ( Figure 3a), less than 30% ( Figure 3b), and less than 20% ( Figure 3c) of maximum intensity is determined.
  • the dark area should always be wider than the bright area. The measuring accuracy can be increased particularly well, if not only the range of an intensity of ⁇ 50% is wider than the bright range, but also the range with an intensity of ⁇ 30% or even ⁇ 20% of the maximum intensity.
  • the exposure time may need to be extended to obtain a sufficient overall intensity of the measured signal.
  • Particularly small duty cycles are therefore preferably used in applications in which the recording object is measured by means of a stationary receiving device.
  • dental prostheses can be measured during or during the completion of the production.
  • FIGS. 4a to c Another strip pattern according to the invention is shown in FIGS. 4a to c. It is an intensity distribution that corresponds to a sine distribution with the first harmonic term, ie a function sin (x) + sin (2x).
  • This stripe pattern is particularly suitable net to be used in the phase shift triangulation method.
  • the phase or three-dimensional information can be calculated exactly using the pixel-by-pixel evaluation of the general tangent formula known from the literature.
  • the width of the light and dark regions of a period were also marked in FIGS. 4 a to c. Distributions with other or more harmonic waves are also suitable for achieving adequate measurement accuracy in the case of translucent objects without contrast media.
  • phase or three-dimensional information can be generated from the one or more recorded raw images:
  • phase-shift triangulation method one can choose a numerical approach for the evaluation. An exemplary embodiment is shown in FIG.
  • At least two raw images of a recording object are recorded at a different phase angle of the strip pattern with a duty factor of less than 1 in the projection plane on the recording object with the aid of a two-dimensional detector, the orientation of the detector or, a camera is equal to the recording object in the generation of the two raw images (step 101).
  • At least one measuring point is selected, which in all raw images corresponds to a specific position in the projection plane (step 103).
  • a compensation calculation is carried out in which the respectively at the measuring point in the individual raw images is compared with the projected intensity distribution (step 105).
  • the phase position of the intensity distribution at the position corresponding to the at least one measuring point in the projection plane can be determined (step 107).
  • the height of the recording object at this position can be determined (step 109).
  • the height is the coordinate perpendicular to the projection plane, i. essentially in the direction of the projection beam. It is a measure of the distance of the surface of the recording object from the projection plane.
  • stripe patterns with discontinuous that is to say resolved or discretized stripes, which are known, for example, as bar width-modulated gratings from the prior art.

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Abstract

Das Verfahren zur Aufnahme eines Bildes eines Aufnahmeobjekts, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke, umfasst die Verfahrensschritte a) Projizieren eines Streifenmusters auf das Aufnahmeobjekt, b) Aufnehmen des projizierten Streifenmusters als Rohbild mit einer Kamera, und c) Berechnen eines Bildes des Aufnahmeobjekts aus dem Rohbild. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Streifenmuster projiziert wird, dessen Tastverhältnis kleiner 1 ist, um die Messgenauigkeit bei der Vermessung von insbesondere transluzenten Aufnahmeobjekten zu erhöhen. Dadurch lässt sich auf zusätzliche Kontrastmittel für die Aufnahme verzichten. Mit einer Aufnahmevorrichtung kann dieses Verfahren durchgeführt werden.

Description

Beschreibung
Aufnahmeverfahren für ein Bild eines Aufnahmeobjekts und
AufnähmeVorrichtung
Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung eines Bildes eines Aufnahmeobjekts, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke, mit den Verfahrensschritten: Projizieren eines Streifenmusters auf das Aufnahmeobjekt, Aufnehmen des projizierten Streifenmusters als Rohbild mit einer Kamera und Berechnen eines Bildes des Aufnahmeobjekts aus dem Rohbild. Das Bild kann dabei insbesondere ein Höhenbild oder ein Intensitätsbild eines präparierten Zahns oder eines Abdrucks davon sein.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Stand der Technik
Zur direkten optischen dreidimensionalen Vermessung von Objekten, z. B. zur Gewinnung von digitalen Konstruktionsdaten für die rechnergesteuerte Fertigung, kann das Prinzip der Triangulation ausgenutzt werden, bei dem von einer Projektionseinrichtung ein einzelner Lichtstrich oder ein Streifenmuster aus parallelen Strichen auf das aufzunehmende Objekt projiziert und das projizierte Bild unter einem Parallaxenwinkel mit einer Flächenkamera wieder aufgenommen wird. Aufgrund der Oberflächenstruktur der Aufnahmeobjekte erscheint der Streifenverlauf nicht mehr grade, sondern gegenüber den graden Verlauf gekrümmt und verschoben. Aus der Lage der Lichtstrichlinien kann auf die Oberflächenstruktur der Aufnahmeobjekte zurück geschlossen werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann die so genannte Phasen- Shift-Triangulationsmethode (phase shifting triangulation) eingesetzt werden. Dabei werden nacheinander mehrere Rohbilder desselben Aufnahmebereichs mit jeweils verschiedenen Positionen der Phasenlage eines Streifengitters erzeugt und aus diesen ein Phasenbild berechnet. Aus dem Phasenbild kann dann mit Hilfe von Kalibrierdaten ein Höhenbild des Aufnahmeobjektes oder auch ein Kontrastbild berechnet werden. Das Höhenbild kann dabei als 3D-Datensatz vorliegen. Um die Bilder exakt berechnen zu können, werden allgemein Streifenmuster mit sinusförmiger Intensitätsverteilung ver- wendet. Die Triangulation sowie die Phasen-Shift-
Triangulationsmethode sind beispielsweise in der US 4,837,732 genauer beschrieben.
Bei der dreidimensionalen Vermessung insbesondere von transluzenten Objekten wie etwa Zähnen mittels Streifenpro- jektionsverfahren sind die Rohdaten typischerweise von einer schlechteren Qualität als bei der Vermessung von vollständig opaken Objekten. Das heißt unter anderem, dass die an transluzenten Objekten gewonnenen Rohdaten eine niedrigere Signalamplitude besitzen, so dass die daraus gewonne- nen dreidimensionalen Daten eine schlechtere Qualität besitzen. Aufgrund des in das Objekt eindringenden und durch diverse Mechanismen rückgestreuten Lichts entsteht bei transluzenten Aufnahmeobjekten ein starkes Untergrundsignal, das hinsichtlich der dreidimensionalen Geometrie der Oberfläche des Objekts keine oder eine verfälschte Information liefert .
Diese störende Wirkung der Transluzenz der Oberfläche auf die in Rohbildern enthaltene dreidimensionale Information über die Oberfläche wird mit größer werdender Gitterperiode des bei der Streifenprojektion verwendeten Gitterstreifenmusters immer geringer. Allerdings hat eine Erhöhung der Gitterkonstanten prinzipbedingt eine Verringerung der Messgenauigkeit zur Folge.
Daher wird heutzutage typischerweise ein Kontrastmittel eingesetzt. Dieses Kontrastmittel ist häufig ein Puder, das auf das zu vermessende Objekt aufgetragen wird und dafür sorgt, dass ein größerer Anteil des eingestrahlten Lichts an der Objektoberfläche reflektiert wird, wodurch sich eine höhere Signalamplitude erhalten lässt. Allerdings führt das Aufbringen eines Kontrastmittels zu einem höheren Aufwand und kann außerdem bei ungleichmäßigem Auftrag die Messgenauigkeit verringern. Die störenden Untergrundsignale bestehen bei allen transluzenten Objekten oder allgemeiner bei allen Objekten, bei denen im Inneren eine Rückstreuung stattfindet . Aus der DE 103 04 111 Al wird ein Ansatz zur Erhöhung der Genauigkeit der mittels der Phasen-Shift-Triangulations- methode gewonnenen Daten offenbart, der auf der Aufteilung von Rohbildern in Gruppen beruht, um aus jeder Gruppe ein Phasenbild zu erstellen. Die so gewonnenen Phasenbilder werden gemittelt, um Störungen unterdrücken, die aus der Periodizität der Gitter stammen. Diese Herangehensweise ist aber bei dem Problem der vermehrten Rückstreuung innerhalb eines Aufnahmeobjekts nicht zielführend.
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art zur Aufnahme eines Bildes eines Aufnahmeobjekts anzugeben und eine Vorrichtung zur Erstellung eines Bildes eines Aufnahmeobjekts bereit zu stellen, bei dem sich auch bei Verzicht auf Kontrastmittel eine ausreichende Messge- nauigkeit erreichen lässt.
Darstellung der Erfindung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass zur Erhöhung der Messgenauigkeit ein Streifenmuster auf das Aufnahmeobjekt projiziert wird, dessen Tastverhältnis kleiner 1 ist. Damit lassen sich Rohbilder für die Berechnung von Höhenbildern oder Intensitätsbildern bereit- stellen, wobei bereits abhängig vom jeweiligen Verfahren ein Rohbild ausreichend sein.
Unter Tastverhältnis wird im Folgenden das Verhältnis von ausgeleuchteten bzw. hellen Bereichen zu unausgeleuchteten bzw. dunklen Bereichen durch das aufprojizierte Streifen- muster verstanden. Bei einem Tastverhältnis kleiner 1 hat das aufprojizierte Streifenmuster flächenmäßig mehr dunkle als helle Bereiche.
Die Erfindung beruht darauf, dass bei der Verwendung eines Streifenmusters mit einem Tastverhältnis kleiner 1 das ur- sprüngliche Muster weniger verbreitert bzw. weniger ausgewaschen wird. Bei gleicher Gitterkonstante führt die Verwendung eines Streifenmusters mit einem Tastverhältnis kleiner 1 zu einer größeren Signalamplitude als ein herkömmlich verwendetes sinusförmiges Streifenmuster mit Tast- Verhältnis gleich 1 oder ein Streifenmuster mit Tastverhältnis größer 1. Störende Untergrundsignale werden so in einem wesentlichen Umfang verringert, insbesondere bei transluzenten Oberflächen.
Je niedriger das Tastverhältnis ist, desto größer ist der feststellbare positive Effekt. Eine Abnahme der auf das Aufnahmeobjekt treffende und von ihm reflektierten Intensität zu sehr kleinen Tastverhältnis hin kann durch eine ent- sprechende Verlängerung der Aufnahmezeit bei der Bilderstellung ausgeglichen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens können das Projizieren des Streifenmusters und das Aufnehmen des projizierten Streifenmusters bei gleicher Ausrichtung der Kamera zum Aufnahmeobjekt und bei mehreren verschiedenen Positionen der Phasenlage des Streifenmusters durchgeführt werden und das Bild kann aus den mehreren gegeneinander phasenverschobenen Kamerarohbildern berechnet werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit werden also nacheinander mehrere Rohbilder mit verschiedenen Positionen der Phasenlage des Gitters erzeugt und aus diesen ein Phasenbild berechnet. Aus dem Phasenbild kann dann, gegebenenfalls mit Hilfe von Kalibrierdaten, ein Höhenbild des Aufnahmeobjektes be- rechnet werden. Aus den Rohbildern kann aber auch ein Kontrastbild berechnet werden.
Besonders geeignet, insbesondere bei der Phasen-Shift- Triangulationsmethode, sind periodische Streifenmuster. In Bezug auf periodische Streifenmuster kann ein Tastverhält- nis kleiner 1 u.a. dann erreicht werden, wenn innerhalb einer Periode die Breite des Bereichs, der mit einer Intensität von ≥50% der maximalen Strahlenintensität ausgeleuchtet wird, kleiner ist als die Breite des Bereichs, der mit einer Intensität von <50% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird. Der erstgenannte Bereich entspricht dabei einem Lichtstreifen und der zweitgenannte Bereich einem Dunkelstreifen .
Bevorzugt ist bei periodischen Streifenmustern der Bereich innerhalb einer Periode, der mit einer Intensität von <30% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird, größer als der Bereich, der mit einer Intensität von 50% oder mehr der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird. Besonders bevorzugt im Hinblick auf eine hohe Messgenauigkeit ist der Bereich innerhalb einer Periode, der mit einer Intensität von <20% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird größer als der Bereich, der mit einer In- tensität von ≥50% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird.
Die Verteilung der Hell- und Dunkelstreifen des Streifenmusters kann beispielsweise einer Rechteckverteilung entsprechen. In besonderen Ausführungsformen des Verfahrens wird ein Streifenmuster projiziert, dessen Intensitätsverteilung einer Gaußverteilung entspricht oder einer Sinusverteilung mit mindestens einem weiteren Oberwellenterm. Derartige Verteilungen haben gegenüber beispielsweise einer Rechteckverteilung den Vorteil, dass bei der Anwendung der Phasen-Shift-Triangulationsmethode, bei der nacheinander mehrere Rohbilder mit verschiedenen Position der Phasenlage des Streifenmusters erzeugt werden, die für herkömmliche Sinusverteilungen verwendeten Formeln zur Auswertung der Rohdaten zu Höhen- oder Kontrastbildern angewendet werden können.
Insbesondere im Bezug auf die Anwendung der Phasen-Shift- Triangulationsmethode hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, zur Auswertung und Berechnung des Bildes aus jedem Rohbild mindestens einen Messpunkt zu bestimmen, der in al- len Rohbildern einer bestimmten Position in der Projektionsebene entspricht, und die dort gemessenen Intensitäten mit der eingestrahlten Intensitätsverteilung im Rahmen einer Ausgleichsrechnung zu vergleichen, um die Phasenlage der Intensitätsverteilung an dem mindestens einen Messpunkt zu bestimmen und daraus auf die Höhe des Aufnahmeobjekts an dieser Position in der Projektionsebene zu schließen. Eine derartige numerische Auswertung der Daten erlaubt insbeson- dere auch bei Streifenverteilungen, für die sich keine geschlossenen Formeln zur Auswertung finden lassen, eine möglichst genaue Auswertung der Messdaten.
Eine erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung, die zur Durch- führung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist, enthält eine Projektionseinrichtung zum Projizieren eines Streifenmusters auf das Aufnahmeobjekt, eine Kamera zum Aufnehmen des projizierten Streifenmusters als Rohbild und Mittel zum Berechnen eines Bildes des Aufnahmeobjektes aus dem mindes- tens einen Rohbild, wobei die Projektionseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie ein Streifenmuster mit einem Tastverhältnis kleiner 1 projiziert.
Dies kann beispielsweise durch die Bereitstellung einer Projektionseinrichtung mit einem entsprechenden Gitter oder mit einem entsprechenden Projektionsmuster geschehen, dessen Breite der lichtdurchlässigen Abschnitte soviel geringer ist als die Breite der lichtundurchlässigen Abschnitte, dass in der Projektionsebene am Aufnahmeobjekt die helleren Bereiche schmaler sind als die dunkleren Bereiche. Vorteilhafterweise kann das auf das Aufnahmeobjekt zu projizierende Streifenmuster in seiner Position der Phasenlage veränderbar sein, um mehrere Rohbilder unterschiedlicher Phasenlage desselben Aufnahmebereichs bereitzustellen.
Es kann beispielsweise auch eine Antriebseinrichtung für das erfindungsgemäß bereitzustellende Gitter vorgesehen sein, das durch eine entsprechende Geschwindigkeitsverteilung zu einem projizierten Streifenbild mit einem Tastverhältnis kleiner 1 führt. Es können auch beide Maßnahmen miteinander kombiniert werden. Schließlich kann ein gewünschtes Projektionsmuster auch durch eine punktförmige Beleuchtung des Aufnahmeobjekts er- folgen, wenn der Punkt so schnell über die aufzunehmende Oberfläche geführt wird und die Erstellung des Rohbildes ausreichend lange dauert, dass auf dem Rohbild ein Projektionsmuster abgebildet ist. Derartige Projektionsvorrich- tungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es sind jeweils nur die für das Verständnis der Er- findung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigen
Fig. Ia, b eine schematische Darstellung einer Aufnahmevorrichtung nach dem Prinzip der Phasen- Shift-Triangulation;
Fig. 2a bis c Gegenüberstellungen von verschiedenen proji- zierten Intensitätsverteilungen mit den jeweils gemessenen Intensitätsverteilungen;
Fig. 3a bis c ein erfindungsgemäßes Streifenmuster mit gaußartiger Intensitätsverteilung und Tastverhältnis kleiner 1 ; Fig. 4a bis c ein erfindungsgemäßes Streifenmuster mit einer Verteilung, die einer Sinusfunktion mit dem ersten Oberwellenterm entspricht und ein Tastverhältnis kleiner 1 hat;
Fig. 5 eine Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufnahmeverfahrens unter
Verwendung der Phasen-Shift-Triangulations- methode .
Ausführungsbeispiele
Fig. Ia zeigt in schematischer Darstellung eine allgemein mit 10 bezeichnete Aufnahmevorrichtung, die nach dem Prin- zip der Phasen-Shift-Triangulation arbeitet. Die Projektionseinrichtung 12 erzeugt dabei ein Lichtgitter mit parallelen Strichlinien, das auf ein Aufnahmeobjekt, im Ausführungsbeispiel eine Zahnprothese 20, projiziert wird. Auf- grund der dreidimensionalen Oberflächenstruktur des Zahns 20 erscheinen die Lichtgitterlinien auf dem Zahn gekrümmt und unter ungleichmäßigen Abständen. Das über den Projektionsstrahl 13 projizierte Bild 22 wird unter einem Parallaxenwinkel mit einer im Beobachtungsstrahl 15 angeordneten Flächenkamera 14 aufgenommen und zur Auswertung einer Auswerteeinheit 16 zugeführt. Die Projektionseinrichtung 12 und Kamera 14 können auch in einer baulichen Einheit 11 zu- sammengefasst sein.
Fig. Ib zeigt dabei detaillierter den schematischen Aufbau der Projektionseinrichtung 12. Eine Lichtquelle 30 erzeugt einen Lichtstrahl, der durch ein optisches Gitter 32 durchtritt. Das Gitter 32 ist derart aufgebaut, dass ein Streifenmuster auf die Zahnprothese 20 projiziert wird, bei dem die dunklen Flächen größer als die hellen Flächen sind. Da- zu ist das Gitter 32 im vorliegenden Beispiel derart ausgestaltet, dass sich in der Projektionsebene an der Zahnprothese 20 ein Streifenmuster mit der gewünschten Intensitätsverteilung mit Tastverhältnis kleiner 1 ergibt. Der Antrieb 31 lässt sich einsetzen, um im Rahmen der Phasen- Shift-Triangulationsmethode unterschiedliche Phasenlagen des projizierten Streifenmusters einzustellen.
Die aufgenommenen Bilder können über ein Kabel 17 in die Auswerteeinheit 16 ausgelesen und gespeichert werden. Mittels der Auswerteeinheit 16 kann aus mindestens einem Roh- bild ein Höhenbild der Zahnprothese 20 berechnet werden, das dann etwa als 3D-Datensatz abgespeichert wird. Die Auswerteeinheit 16 kann dazu Komponenten eines üblichen Compu- ters aufweisen. Nach dem Messvorgang liegt in einem Speicher der mit der Kamera 14 verbundenen Auswerteeinheit 16 ein digitales dreidimensionales Datenmodell der Zahnprothese 20 vor, das als Bild, insbesondere als Kontrastbild dar- gestellt werden kann oder als Grundlage für eine rechnergesteuerte Konstruktion und Herstellung bzw. Qualitätskontrolle von Zahnersatz dienen kann.
In den Fig. 2a bis c sind verschiedene Intensitätsverteilungen dargestellt, wie sie auf das Aufnahmeobjekt proji- ziert werden. Dabei handelt es sich in Fig. 2 a um eine herkömmliche sinusförmige Verteilung (gestrichelt), in Fig. 2b um eine Rechteckverteilung (gepunktet) und in Fig. 2c um ein Streifenmuster mit Gaußverteilung (gestrichelt) . Alle drei Streifenmuster weisen die gleiche Gitterperiode sowie die gleiche maximale Intensität auf. Sie unterscheiden sich allerdings in ihren Tastverhältnissen. Während bei einer sinusförmigen Verteilung gleich viele Bereiche ausgeleuchtet bzw. hell sind wie unausgeleuchtet bzw. dunkel sind (Fig. 2a, Tastverhältnis = 1), sind bei der Rechteckvertei- lungen und der Gaußverteilung die Breiten der hellen bzw. ausgeleuchteten Bereiche erfindungsgemäß derart gewählt, dass sie kleiner als die unausgeleuchteten bzw. dunklen Bereiche sind (Fig. 2b, c, Tastverhältnis < 1) .
Mit einer durchgezogenen Linie sind jeweils die Signale schematisch dargestellt, die nach Reflektion an dem Aufnahmeobjekt unter einem Parallaxenwinkel gemessen wurden. Es zeigt sich, dass bei ansonsten gleichen Bedingungen das gemessene Signal der gemessenen Intensitäten bei einem Tastverhältnis kleiner 1 größer ist als bei einem Tastverhält- nis gleich 1, was bei einem Tastverhältnis kleiner 1 zu einer höheren Messgenauigkeit führt. Der Vergleich der Rechteckverteilung mit der Gaußverteilung, die beide die gleiche Halbwertsbreite aufweisen, zeigt, dass durch die weitere Verringerung des intensiv ausgeleuchteten Bereichs zugunsten des dunklen Bereiches bei der Gaußverteilung im Vergleich zur Rechteckverteilung das Tastverhältnis weiter verringert wird und damit eine höhere Signalamplitude bei der gemessenen Intensität erreicht wird.
Während bei einer Rechteckverteilung die typischerweise für eine Sinusverteilung geltenden Formen zur Auswertung der Phasen- bzw. Höheninformation aus dem Signalverlauf nicht anwendbar sind bzw. zu starken systematischen Abweichungen führen, ist dies bei Gittern mit gaußartigen Intensitätsverteilungen nicht der Fall. Bei gaußartigen Intensitätsverteilungen ist der systematische Fehler im Rahmen der notwendigen Messgenauigkeit bei z.B. der Herstellung eines optischen Abdrucks von Zähnen oder anderen Objekten vernachlässigbar .
Besonders bevorzugt bei einer gaußartigen Intensitätsverteilung ist ein Tastverhältnis von 1:3, das man erreicht, wenn die Halbwertsbreite ein Viertel der Periode des Strei- fenmusters beträgt.
Eine periodische gaußartige Intensitätsverteilung mit einem Tastverhältnis von 1:3 ist in den Figuren 3a bis c gezeigt. Zur Illustration des Konzepts des Tastverhältnisses ist eine Möglichkeit dargestellt, das Tastverhältnis quantitativ zu bestimmen. Dazu wird innerhalb einer Periode die Breite H des Bereichs bestimmt, der mit einer Intensität von ≥50% der maximalen Intensität ausgeleuchtet wird. Außerdem wird die Breite D des Bereiches bestimmt, der mit weniger als 50% (Fig. 3a), weniger als 30% (Fig. 3b) bzw. weniger als 20% (Fig. 3c) der maximalen Intensität ausgeleuchtet wird. Um die Messgenauigkeit verglichen mit herkömmlichen Streifenmuster mit Sinusverteilung und Tastverhältnis gleich 1 zu verbessern, sollte der dunkle Bereich immer breiter sein als der helle Bereich. Die Messgenauigkeit lässt sich besonders gut erhöhen, wenn nicht nur der Bereich einer Intensität von <50% breiter als der helle Bereich ist, son- dern auch der Bereich mit einer Intensität <30% oder sogar <20% der maximalen Intensität.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei sehr kleinen Tastverhältnissen die Belichtungszeit gegebenenfalls verlängert werden muss, um eine hinreichende Gesamtintensität des ge- messenen Signals zu erhalten. Besonders kleine Tastverhältnisse werden daher vorzugsweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen das Aufnahmeobjekt mit Hilfe einer stationären Aufnahmevorrichtung vermessen wird. In stationäre Aufnahmevorrichtungen können während oder zum Abschluss der Ferti- gung Zahnprothesen zur Kontrolle vermessen werden.
Bei Anwendungen, bei denen eine bewegliche Aufnahmevorrichtung eingesetzt wird, wie etwa bei der Aufnahme eines Zahns mittels einer Interoralkamera, werden eher etwas höhere Tastverhältnisse bevorzugt, um ein Verwackeln der Rohbilder durch Handzittern beim Halten der Aufnahmevorrichtung zu vermeiden .
An Stelle des in den Fig. 3a bis c dargestellten Streifenmusters mit gaußartiger Intensitätsverteilung ist es auch möglich, andere Gittermuster zu verwenden. Besonders bevor- zugt sind Intensitätsverteilungen, bei denen das Streifenmuster im Bereich der von null verschiedenen Intensitätswerte einen eindeutigen Verlauf hat.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Streifenmuster ist in den Fig. 4a bis c dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Intensitätsverteilung, die einer Sinusverteilung mit dem ersten Oberwellenterm entspricht, d.h. einer Funktion sin (x) +sin (2x) . Dieses Streifenmuster ist besonders geeig- net, um im Rahmen der Phasen-Shift-Triangulationsmethode verwendet zu werden. Für diese Intensitätsverteilung lässt sich die Phasen- bzw. dreidimensionale Information mithilfe der pixelweisen Auswertung der aus der Literatur bekannten allgemeinen Tangensformel exakt berechnen. Wie in den Fig. 3a bis c wurden auch in den Fig. 4a bis c die Breite der Hell- bzw. Dunkelbereiche einer Periode gekennzeichnet. Auch Verteilungen mit anderen oder mehreren Oberwellenter- men sind geeignet, um bei transluzenten Aufnahmeobjekten auch ohne Kontrastmittel eine hinreichende Messgenauigkeit zu erreichen.
Die Verwendung einer der beschriebenen vorteilhaften Intensitätsverteilungen des Streifenmusters erhöht die für die Auswertung relevante Signalamplitude in den Rohbildern ge- rade bei Aufnahmeobjekten mit transluzenten Oberflächen.
Je nach Genauigkeitsanforderung der Anwendung sind verschiedene Auswertungen möglich, mit denen aus dem einen o- der mehreren aufgenommenen Rohbildern die Phasen- bzw. dreidimensionale Information generiert werden kann: Man kann eine Auswertung im Sinne einer passiven Triangulation durchführen, bei der ein Rohbild aufgenommen wird. Man kann auch die Phasen-Shift-Triangulationsmethode benutzen und bei geeigneten Intensitätsverteilungen die für Sinusverteilungen bekannten Standardformeln anwenden. Ebenso kann man bei der Phasen-Shift-Triangulationsmethode eine numerische Herangehensweise für die Auswertung wählen. Eine beispielhafte Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt. Zunächst werden mindestens zwei Rohbilder eines Aufnahmeobjekts bei unterschiedlicher Phasenlage des Strei- fenmusters mit Tastverhältnis kleiner 1 in der Projektionsebene am Aufnahmeobjekt mithilfe eines zweidimensionalen Detektors aufgenommen, wobei die Ausrichtung des Detektors bzw, einer Kamera auf das Aufnahmeobjekt bei der Erzeugung der beiden Rohbilder gleich ist (Schritt 101) .
Zur Auswertung wird mindestens ein Messpunkt ausgewählt, der in allen Rohbildern einer bestimmten Position in der Projektionsebene entspricht (Schritt 103) . Für diesen mindestens einen Messpunkt wird eine Ausgleichsrechnung durchgeführt, bei der die jeweils am Messpunkt in den einzelnen Rohbildern mit der projizierten Intensitätsverteilung verglichen wird (Schritt 105) . Aus dem Ergebnis der Aus- gleichsrechnung lässt sich die Phasenlage der Intensitätsverteilung an der dem mindestens einen Messpunkt entsprechenden Position in der Projektionsebene ermitteln (Schritt 107) . Aus der Phasenlage an der Position in der Projektionsebene der bekannten projizierten Intensitätsverteilung mit Tastverhältnis kleiner 1 lässt sich die Höhe des Aufnahmeobjekts an dieser Position bestimmen (Schritt 109) . Dabei wird mit Höhe die Koordinate senkrecht zur Projektionsebene, d.h. im Wesentlichen in Richtung des Projektionsstrahls bezeichnet. Sie ist ein Maß für den Abstand der 0- berflache des Aufnahmeobjekts von der Projektionsebene.
Anstelle eines Streifenmusters mit einem kontinuierlichen Verlauf der Helligkeit der Streifen können auch Streifenmuster mit diskontinuierlichem, also aufgelösten oder dis- kretisierten Streifen eingesetzt werden, die beispielsweise als strichbreitenmodulierte Gitter aus dem Stand der Technik bekannt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erstellung eines Bildes eines Aufnahmeobjekts, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke, mit den Verfahrensschritten: a) Projizieren eines Streifenmusters auf das Aufnahmeobjekt, b) Aufnehmen des auf das Aufnahmeobjekt projizierten Streifenmusters als Rohbild mit einer Kamera und c) Berechnen eines Bildes des Aufnahmeobjekts aus dem Rohbild, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Aufnahmeobjekt ein Streifenmuster projiziert wird, dessen Tastverhältnis kleiner 1 ist .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) bei gleicher Ausrichtung der Kamera zum Aufnahmeobjekt und bei mehreren verschiedenen Positionen der Phasenlage des Streifenmusters durchgeführt werden und dass das Bild aus den mehreren gegeneinander phasenverschobenen Rohbildern berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein periodisches Streifenmuster projiziert wird, bei dem innerhalb einer Periode die Breite des Bereichs, der mit einer Intensität von ≥50% der maximalen Strahlenintensität ausgeleuchtet wird, kleiner ist als die Breite des Bereichs, der mit einer Intensität von <50% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein periodisches Streifenmuster projiziert wird, bei dem innerhalb einer Periode die Breite des Bereichs, der mit einer Intensität von ≥50% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird, kleiner ist als die Breite des Bereichs, der mit einer Intensität von <30% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein periodisches Streifenmuster projiziert wird, bei dem innerhalb einer Periode die Breite des Bereichs, der mit einer Intensität von >50% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird, kleiner ist als der Bereich, der mit einer Intensität von <20% der maximalen Strahlungsintensität ausgeleuchtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streifenmuster projiziert wird, dessen Intensitätsverteilung einer Gaußverteilung ent- spricht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tastverhältnisse von 1:3 vorliegt, bei dem also die Halbwertsbreite ein Viertel der Periode des Streifenmusters beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Streifenmuster projiziert wird, dessen Intensitätsverteilung einer Sinusverteilung mit mindestens einem weiteren Oberwellenterm entspricht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass zur Berechnung des Bildes aus jedem Rohbild mindestens ein Messpunkt bestimmt wird, der in allen Rohbildern einer bestimmten Position in der Projektionsebene entspricht, und man die dort gemessenen Intensitäten mit der eingestrahlten Intensitätsvertei- lung im Rahmen einer Ausgleichsrechnung vergleicht, um die Phasenlage an dem mindestens ein Messpunkt zu bestimmen und daraus auf die Höhe an der Position in der Projektionsebene zu schließen.
10. Aufnahmevorrichtung zur Erstellung eines Bildes eines Aufnahmeobjekts, mit einer Projektionseinrichtung (12) zum Projizieren eines Streifenmusters auf das Aufnahmeobjekt und mit einer Kamera (14) zum Aufnehmen des projizierten Streifenmusters als Rohbild und mit Mitteln (16) zum Berechnen eines Höhenbildes des Aufnahmeobjektes aus mindestens einem Rohbild, dadurch gekennzeich— net, dass die Projektionseinrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass sie ein Streifenmuster mit einem Tastverhältnis kleiner 1 auf das Aufnahmeobjekt projiziert.
11. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das auf das Aufnahmeobjekt zu projizie- rende Streifenmuster in seiner Position der Phasenlage veränderbar ist.
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