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微小型数字化口腔测量关键技术研究及应用

作　者: 崔海华
导　师: 廖文和
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械工程
关键词: 口腔三维测量口腔修复CAD/CAM 系统标定相位展开相位误差补偿快速相移测量数据拼合
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

数字化技术在口腔修复医学领域的应用引发了口腔修复的技术革命，简洁、高效、精确的数字化流程替代了繁琐、耗时、粗糙的传统手工方式，不仅提高了修复的精度，而且大大减轻了患者的痛苦。数字化口腔测量是口腔数字化修复得以进行的基础，直接决定着口腔修复的质量。本文结合口腔临床医学实际应用，深入研究了基于机器视觉的数字化口腔三维测量关键技术，包括图像处理技术、摄像机标定技术、相位求解技术、测量重建技术、数据拼接技术和系统软硬件研发技术等，并自主研发了两套高精度口腔专用测量原型系统：小型口外测量系统D3DscannerI和微型口内测量系统D3DscannerII。本文的主要研究内容概括为：1、建立了口腔三维测量模型，从标定和重建方面分别进行了分析，设计了口腔测量系统的研发思路和系统软硬件的总体研发框架。2、提出了基于整体测量误差分布模型的系统标定解决方案。首先根据CCD成像噪声及清晰度进行了标定前处理，使用基于矩的方法精确提取了标定输入数据，然后，基于径向一致约束，使用最小二乘和分布收敛算法获得系统元器件非线性参数初始标定，建立系统几何结构“捆绑”关系，优化标定结构参数，最后，将系统理论模型与实际物理模型误差作为目标优化函数，基于多平面隐式模型再次优化，实现系统参数的全局优化标定和恢复，其中的全局优化步骤解决了口内微型测量系统的特殊标定需求。3、提出了一种用于非连续牙齿曲面形态的相位展开算法。首先对相位质量评估因子从物理模型角度进行定义和扩展，并综合数理统计和图像处理技术提出了一种对相位噪声灵敏的“调制度-Laplace”质量评估因子，然后以绝对相位标识为导向进行相位展开，实现了复杂非连续牙齿曲面形态的稳定相位求解，其中的动态链表修改保证了相位展开的速度。4、提出了对非正弦性相位误差有抵抗力的线性正弦相移算法和无绝对相位线图的相移算法。前者综合利用反正切三角函数极值收敛特性和相位求解零点特性，使非正弦性波动误差降低为传统补偿算法的1/9，提高了相位求解精度；后者巧妙的利用三幅和四幅图像的调制度差异，将绝对相位标识图隐含，使相位求解所需的5幅图像减少为4幅，提高相位求解图像采集时间约20%。5、提出了面向小型口腔外测量系统的基于双转轴粗拼和ICP精拼的两步优化拼合算法。首先基于平面靶标采用特征值法实现转动轴和摆动轴的初始位姿标定，然后，采用融合点到点距离和点到面距离模型的综合度量函数的迭代收敛算法，通过分层次的迭代终止条件设定，实现小型口腔外测量数据的精确拼合。6、提出了用于空间无约束微型口内测量的优化拼合算法。基于测量过程中多源图像和三维点云数据的单应性关系，使用尺度不变性特征检测算子对灰度纹理二维图像和基于相移的二维半深度图像进行特征检测，然后，利用图像特征点匹配实现三维测量点云数据的空间初始定位，最后，采用改进的ICP算法实现口腔测量数据的精确、稳定的优化拼合。7、在基础理论和关键算法研究的基础上，研发两款不同类型的口腔修复用三维测量原型样机系统，实现了精确标定、快速测量、全景拼接、精确重建及同步协调等复杂功能模块，并进行了测量系统精度、效率及应用效果等方面验证，实测结果表明，研发的口腔外专用测量系统性能优越，完全满足口腔测量临床应用需要。研发的国内首套口腔内测量系统，基本达到临床使用要求。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-17
第一章绪论  17-32
  1.1 引言  17-19
  1.2 数字化口腔修复系统  19-20
    1.2.1 数字化口腔修复系统基本组成  19-20
    1.2.2 数字化口腔测量技术  20
  1.3 数字化口腔测量国内外技术发展现状  20-27
    1.3.1 国外技术发展现状  20-26
    1.3.2 国内技术发展现状  26-27
  1.4 本文的选题背景和主要研究内容  27-32
    1.4.1 本文的选题背景  27-29
    1.4.2 主要研究内容  29-32
第二章系统建模与构架  32-44
  2.1 引言  32
  2.2 用于口腔三维测量的典型系统模型  32-37
    2.2.1 基于双目立体视觉的口腔测量系统模型  32-34
    2.2.2 基于线激光的口腔测量系统模型  34-35
    2.2.3 基于面结构光的口腔测量系统模型  35-37
  2.3 基于一维正弦光栅编码的口腔三维测量系统建模  37-43
    2.3.1 口腔三维测量系统数学模型  37-38
    2.3.2 口腔三维测量系统标定模型  38-39
    2.3.3 口腔三维测量系统重建模型  39-41
    2.3.4 口腔三维测量系统研发总体构架  41-43
  2.4 本章小结  43-44
第三章基于相移的结构光编码技术研究  44-75
  3.1 引言  44-46
  3.2 结构光编码技术分类  46
    3.2.1 时间维编码技术  46
    3.2.2 空间维编码技术  46
  3.3 基于相移的空间维编码技术  46-73
    3.3.1 基于“调制度-Laplace 算子梯度方差”质量图导向相位展开算法  49-62
      3.3.1.1 相位质量因子数学描述  49-51
      3.3.1.2 “调制度-Laplace 算子梯度方差”质量评估因子  51-52
      3.3.1.3 非连续测量的相位展开路径设计  52-56
      3.3.1.4 绝对相位提取  56-57
      3.3.1.5 算法实例验证  57-62
    3.3.2 非正弦性相位误差分析与补偿技术  62-67
      3.3.2.1 非正弦性相位误差源分析  62
      3.3.2.2 非正弦性相位误差有抵抗力的相移算法  62-65
      3.3.2.3 算法实例验证  65-67
    3.3.3 无绝对相位线的快速相移方法  67-73
      3.3.3.1 算法原理  67-70
      3.3.3.2 算法实例与分析  70-73
  3.4 实例验证与对比分析  73-74
  3.5 本章小结  74-75
第四章基于误差补偿的系统标定技术研究  75-105
  4.1 引言  75-76
  4.2 标定前处理技术研究  76-81
    4.2.1 CCD 成像噪声滤除  76-77
      4.2.1.1 CCD 噪声分类  76-77
      4.2.1.2 CCD 噪声滤除  77
    4.2.2 靶标图像质量评估  77-78
    4.2.3 靶标特征点精确检测和定位  78-81
      4.2.3.1 靶标板设计  78
      4.2.3.2 靶标特征点亚像素检测  78-79
      4.2.3.3 靶标特征点拓扑定位  79-81
  4.3 “三步法”系统参数标定  81-95
    4.3.1 基于最小二乘的非线性系统参数初始标定  81-92
      4.3.1.1 典型的摄像机标定方法分析  81-84
      4.3.1.2 摄像机模型与标定  84-89
      4.3.1.3 投影设备模型与标定  89-92
    4.3.2 系统参数优化标定算法  92-95
      4.3.2.1 基于结构强约束的“第二步”系统优化  92-93
      4.3.2.2 基于实际测量误差补偿的“第三步”系统优化  93-95
  4.4 系统标定实验  95-104
    4.4.1 靶标特征点检测结果  95-98
    4.4.2 系统参数标定结果  98-99
    4.4.3 系统标定重投影误差分析  99-102
    4.4.4 第三步优化标定稳定性验证  102-104
  4.5 本章小结  104-105
第五章多视角测量数据拼合技术研究  105-133
  5.1 引言  105-106
  5.2 口腔三维测量多视角数据初始拼接技术  106-122
    5.2.1 基于双转轴转台的口外测量自动全周拼接  106-113
      5.2.1.1 双转轴拼接坐标转换关系  106-108
      5.2.1.2 “多点法”转轴标定算法  108-111
      5.2.1.3 算法实例验证与分析  111-113
    5.2.2 基于多源图像特征匹配的口内测量全周自适应拼接  113-122
      5.2.2.1 基于测量图像特征匹配的三维拼接算法原理  113-117
      5.2.2.2 映射三维拼接  117-119
      5.2.2.3 算法实例验证与分析  119-122
  5.3 口腔三维测量多视角数据优化拼接技术  122-127
    5.3.1 本文的 ICP 优化拼接算法  122-125
      5.3.1.1 初层次收敛  123-124
      5.3.1.2 第二层次收敛  124-125
    5.3.2 多视角数据融合技术  125-127
      5.3.2.1 基于二维图像拼接关系的三维数据初始融合  126-127
      5.3.2.2 精确融合  127
  5.4 口腔三维测量数据拼接实例验证  127-132
    5.4.1 基于双转轴的口外测量系统数据拼接  127-130
    5.4.2 微型口内测量系统数据拼接  130-132
  5.5 本章小结  132-133
第六章小型口外测量原型样机研发及应用  133-148
  6.1 引言  133
  6.2 小型口外测量原型样机  133-137
    6.2.1 原型样机硬件结构设计与组成  133-134
    6.2.2 系统软件设计  134-137
      6.2.2.1 软件总体框架  134-135
      6.2.2.2 软件界面  135-136
      6.2.2.3 软件测量流程  136-137
  6.3 样机综合性能实验  137-147
    6.3.1 样机测量精度实验  137-142
      6.3.1.1 基于标准件测量的绝对精度验证  137-140
      6.3.1.2 与商用测量系统的精度对比分析  140-142
    6.3.2 样机测量速度实验  142
    6.3.3 样机测量应用实例  142-147
  6.4 本章小结  147-148
第七章微型口内测量原型样机研发及应用  148-158
  7.1 引言  148
  7.2 微型口内测量原型样机  148-152
    7.2.1 原型样机硬件结构设计  148-151
    7.2.2 原型样机系统软件设计  151-152
      7.2.2.1 软件总体框架  151
      7.2.2.2 软件界面  151
      7.2.2.3 测量流程  151-152
  7.3 样机综合性能与应用实验  152-156
    7.3.1 准件测量精度验证  152-153
    7.3.2 样机测量速度实验  153-154
    7.3.3 样机测量应用实例  154-156
  7.4 本章小结  156-158
第八章研究总结与展望  158-161
  8.1 研究工作总结  158-159
  8.2 研究工作创新点  159
  8.3 研究工作展望  159-161
参考文献  161-175
致谢  175-176
在学期间的研究成果及发表的学术论文  176-178
附录  178-179

微小型数字化口腔测量关键技术研究及应用

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