三维成像系统技术方案

本发明专利技术涉及三维成像系统。可选地，公开了用于执行对象的轮廓测定的硬件和软件配置。描述了有优势的成像装置。还描述了有优势的确定成像仪位置的方法。所描述的每一个方面都可以不依赖于其他方面来被使用。而且，该教导可以在包括速度测量等的其他领域中得到应用。

【技术实现步骤摘要】
三维成像系统本申请为分案申请，其母案的专利技术名称为“三维成像系统”，申请日为2010年11月19日，申请号为201080068903.3。
技术介绍
多项专利，其中每一项都包括Gharib作为专利技术者并被转让给加州理工学院（CaliforniaInstituteofTechnology），覆盖了用于执行采用与单成像仪镜头以及一个或多个相机/成像仪相结合的多孔径散焦的轮廓测定（profilometry）的有用硬件配置。这些专利包括编号为6,278,847、7,006,132、7,612,869和7,612,870的美国专利，所有这些专利都由于此的受让人所许可，并且通过引用在其整体上结合到本文中。参考这些专利可以理解散焦原理，其中二维扫描数据被用于生成三维坐标信息。本文描述了用于应用这些散焦原理的进一步改进的硬件。不管这种硬件改进，对于聚集通过散焦所确定的三维信息以便映射对象的表面，灵敏的位置信息是必需的。该位置信息—通常被称为相机“姿态”—可以通过不同方式所获得。对于Zhang（转让给3M）的编号为7,605,817的美国专利描述一种方法，以及对于Gharib（转让给加州理工学院）的编号为2009/0295908的美国专利描述另一种。两种方法都无法提供本文所描述的姿态技术的优点。
技术实现思路
因此，可选地，公开了用于执行对象的轮廓测定的硬件和软件配置。描述了有优势的成像装置（即，成像仪、相机或扫描仪）。同样描述了有优势的用以确定成像仪位置的方法。虽然最好一起使用，但所述的每一个方面都可以不依赖于其他方面而被使用。而且，该教导可以在包括速度测量等的其他领域中得到应用。三维信息可以通过使用手持成像仪/相机/扫描仪来获得。有时，要扫描的主体大于扫描仪的视场，和/或将该主体从不同的有利位置进行扫描。为捕获这种信息，扫描仪装置的姿态在不同的时刻改变。然后，可以与跨越任意数量的图像场景，在空间相关的基础上确定相机姿态相结合来准备组合或聚集的图像场景。在给定相机姿态确定的保真度的情况下，其在下文中称为相机的“真实姿态”。用于通过比较场景来确定相机位置操作的这种实现是潜在可匹配的，对于该场景，指示场景的信息已经被确定。（其中匹配可以通过各种技术执行，包括互相关、最小均方、超分辨率PIV或下文进一步详细阐述的包括扭曲/反扭曲的方法）。最终或实际（即，出于组合用于系统输出的数据集的目的）的相机位置的真实姿态的确定在图像捕获后的后处理设定中执行。基于在图像捕获过程中（即，如以“实时”）执行的粗略精确的相机位置确定（即“粗略姿态”），场景被指示为潜在可匹配的。执行以“实时”进行的处理和其他行动，使得用户无法识别系统性能中的滞后。当可能时，通过匹配（如上述）基于数据集的给定暂定姿态信息来生成粗略姿态。要在确定粗略姿态（并不再依赖）方面使用的初始相机位置信息（即，“暂定姿态”）可以以多种方式被生成。一般地，采用稳健的过程来找到暂定姿态。一种方法是使用将得自于一帧的可易识别特征的简化数据集与来自后继帧的可易识别特征的简化数据集进行比较的标准技术。例如，参见在¶0010处的美国专利公开2008/0201101（描述申请优先权日之前的本领域技术现状）。然而，通过将当前帧中的这种特征与从先前（例如，20至100）帧累积或聚集的那些特征进行比较，这样的方法可以被改变和增强。在任何情况下，暂定姿态本身不以任何方式被使用于所述的方法中以用于组合主体数据以产生扫描仪输出。对于按需要提供用于牙冠产生和/或其他高精度轮廓测定应用的可运用图像文件输出，其分辨率远达不到本系统的要求。然而，在某些情况下，暂定姿态数据在通过空间/全局匹配执行真实姿态确定方面可以替代粗略姿态数据。使用一个比喻，暂定姿态提供位置数据，类似于为美国邮递指明州。更接近的位置—类似于调出区域的邮政编码—通过粗略姿态过程进行确定。真实姿态—类似于特定的邮政信箱位置—被单独用于提供最终交付。使用真实姿态用于图像聚集，从而避免了误差叠加以及与不精确地址信息相关联的数据/包丢失。使用暂定或粗略姿态使得找到真实姿态在计算上是可行的（当在较长扫描中—如在完整下颌的扫描中—采用粗略姿态时尤其如此，为此粗略姿态空间精度上的增强更加明显）。更直接地，“暂定姿态”是暂时被使用的位置信息，但是其是相当不确定和初步的。“粗略姿态”仍是不确定的，但在描述相机位置方面是更加精确的（粗略精确）。“真实姿态”是相机位置的确定，其精确到为出于预期目的而满足系统规范所需的程度。作为一个例子，此精度是这样的，使得其可以提供具有以下规范的轮廓测定输出文件：对于单个牙齿约35微米或更好的RMS误差，以及对于3个牙齿约40微米或更好的RMS误差。在提供这种结果方面，于此的专利技术人已发现，当可能时，对于在确定真实姿态方面进一步利用，改进暂定姿态以生成粗略姿态是重要的，因为对按顺序/时间生成的位置信息（即，暂定姿态）的依赖导致误差的叠加或积累。当扫描重要/相关区域（如在用于牙冠产生的扫描中）时，生成的误差可能太大以至于无法精确地聚集信息以产生相关模型。这里考虑的另一方面是执行匹配本身的方式。采用了各种技术。这些技术包括如下所述的互相关技术，以及在总体“基于姿态匹配”的过程中可选地结合旋转元件。旋转一帧以更紧密地匹配具有某种程度上已知的（即，暂定或粗略了解的）空间关系的另一帧允许了互相关，此互相关不能以其他方式发生。就有优势的硬件实现而言，在进行所引用的方法时，其采用具有多孔径的单镜头。优选的实施例，采用了商业上可获得的传感器的不同颜色通道，以利用简化的硬件来捕获不同波长的光（可选地由诸如LED的单色光源所发射）。如此，不需要额外的光束分离器、带锁定的对准控制器或其他繁琐的硬件，从而允许产生高度紧凑和稳健（防震动、热循环等）的成像仪机头。本专利技术包括主体装置和方法，包括体现了其的硬件和软件。更详细的讨论结合下文中的附图来呈现。此申请要求2010年9月3日提交的标题为“具有多次确定的三维图像系统”的美国临时专利申请61/380094的权益，该申请通过引用在其整体上被结合到本文中。附图说明本文所提供的附图不一定按比例绘制，为清晰放大了某些组件和特征。从所描绘的实施例可以想到本专利技术的变形。因此，附图中本专利技术的方面和元件的描绘并不意在限制本专利技术的范围。在附图中，图1A示出了实施例的硬件的框图，以及图1B说明了与商业上可获得的颜色传感器相关联的过滤器特性；图2示出了概要流程图；图3A-3C示出了图2中实时活动的更详细的流程图；图4A和4B详细描述了互相关匹配；图4C是说明3-D点位置确定的流程图；图5图解说明了扫描过程；图6说明了结合获取主体牙齿的图像的多个不同库的使用；图7示出了执行全局匹配的方式；图8说明了在参考图3C和图7时基于姿态的扭曲的过程中的帧查找和平移；以及图9在功能上详细描述了基于姿态的扭曲的技术。具体实施方式本专利技术的各种示例性实施例在以下被描述。以非限制性的意义来对这些示例做出引用。它们被提供来说明本专利技术的更广泛可适用的方面。在不脱离本专利技术的真实精神和范围的情况下，可对所描述的专利技术做出各种改变以及可替换等同物。此外，可以做出许多修改，来针对本专利技术的一个或多个目标、精神或范围，适应特定的情况、材料、物质的组成、过程、一个或多个过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的成像设备，该设备包括图像传感器；孔径的阵列，以具有指定形状的图案进行布置，布置在所述成像传感器和场景之间；透镜部分，所述透镜部分、成像传感器和孔径被布置以捕获从场景的大量孤立可区分点反射或由其发射的光，所述光穿过多个孔径中的每一个并在图像传感器处作为多个孤立可区分点图像而被接收，所述孤立可区分点图像均包括数目与多个孔径的数目相同的多个图像点；以及处理器，其用以在来自图像传感器的每一个孤立可区分点图像中分析每一个图像点，来确定场景中每一个孤立可区分点相对于场景中每一个其他孤立可区分点的相对位置，以映射场景的完整三维图像，其中所述改进包括：具有三个颜色通道的图像传感器；以及由两个孔径组成的孔径的阵列；每一个孔径被编码为两个照明元件颜色中的一个，以将场景的可区分点隔离到对应的图像传感器颜色通道上。

【技术特征摘要】
2010.09.03 US 61/3800941.一种改进的成像设备，该设备包括图像传感器；孔径的阵列，以具有指定形状的图案进行布置，布置在所述成像传感器和场景之间；透镜部分，所述透镜部分、成像传感器和孔径被布置以捕获从场景的大量孤立可区分点反射或由其发射的光，所述光穿过多个孔径中的每一个并在图像传感器处作为多个孤立可区分点图像而被接收，所述孤立可区分点图像均包括数目与多个孔径的数目相同的多个图像点；以及处理器，其用以在来自图像传感器的每一个孤立可区分点图像中分析每一个图像点，来确定场景中每一个孤立可区分点相对于场景中每一个其他孤立可区分点的相对位置，以映射场景的完整三维图像，其中所述改进包括：具有三个颜色通道的图像传感器；以及由两个孔径组成的孔径的阵列；每一个孔径被编码为两个照明元件颜色中的一个，以将场景的可区分点隔离到对应的图像传感器颜色通道上。2.根据权利要求1的设备，包括只有两个颜色的多个照明元件。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：M格哈里布，A哈佛，J卢，S谢，
申请(专利权)人：加州理工学院，
类型：发明
国别省市：美国,US