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CN108478188B - 以结构光进行扫描的立体物件扫描装置 - Google Patents

以结构光进行扫描的立体物件扫描装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种立体物件扫描装置，通过特定单色光源的组合来建构结构光的内容而形成预设影像，以对特定的立体物件进行扫描。当蓝色以及绿色光源的组合投射于如口腔之类的环境时，能有效避免口腔中的红色或白色的反光干扰，提高扫描的鉴别率。预设影像另通过不同颜色的色块以特定方式排列而使得每一个预设图样均具有特定的编码讯息，能快速定位出相对应的位置，以获得建构影像中某一个区域的位置资讯。借此，能提高颜色的鉴别率、降低立体物件上白光、红光的干扰；能减少光机的体积、投影时的耗电量与发热量，降低扫描装置的制造成本；另外，使用有限数量的色光进行扫描，也能缩减扫描时间，提高取像速度。

Description

以结构光进行扫描的立体物件扫描装置
技术领域
本发明有关一种扫描装置，尤指一种以结构光进行扫描的立体物件扫描装置。
背景技术
传统的口腔扫描仪使用结构光的技术进行单一牙齿或是上下颚全口扫描。结构光扫描的原理是：通过扫描仪的投影装置于口腔内待测物上投射出一个已知的图样(pattern)，接着利用扫描仪的镜头撷取于该待测物上发生变形的图样。通过后端软体针对已知图样以及变形图样进行比对与计算，从而得到待测物立体的尺寸与形状，并据以建立待测物的立体模型。
由于口腔扫描的特殊情境，在口腔内部的血液、珐琅质、陶瓷、金属等高反光性物质，以及进入口腔的环境光线，都相当容易导致结构光的破坏或散射，造成最后的成像结果出现误差或是破洞。先前技术为了解决此等反光的问题，需要在进行口腔扫描前，先于口腔内喷涂非常细微的粉末以消除反光。然而这种喷粉的前置动作会消耗大量的粉末耗材、也增加了额外的临床操作时间与人力。另一方面，目前用来扫描口腔的仪器往往也有体积太大、耗电、产热过多、成本高以及取像速度不足等问题。最后，目前使用的结构光图样必须另外加上空间编码，才能加快辨识，若在结构光的图样中使用了较多的色彩，或是用了渐层的色彩，都会增加后端影像辨识上的困难度。
发明内容
本发明目的在于提供一种立体物件扫描装置，以解决上述的问题。
为达到上述目的，本发明提供一种以结构光进行扫描的立体物件扫描装置，包含：投影单元，包含第一单色光源以及第二单色光源，该投影单元用来将预设影像投射于立体物件上，以于该立体物件的表面形成建构影像，该预设影像包含多个预设图样；以及影像撷取单元，用来取得于该立体物件的表面所形成的该建构影像；其中，每一预设图样包含：第一群色块，该第一群色块包含最多两种相异的色块；以及第二群色块，该第二群色块包含最少两种、最多四种相异的色块。
较佳的，该多个预设图样彼此并排形成该预设影像，使该多个预设图样的该多个第一群色块以及该多个第二群色块彼此交互间隔而构成条纹态样的该预设影像。
较佳的，该第一群色块为黑色色块，该第二群色块内的最少两种、最多四种相异的色块包含：蓝色色块、绿色色块、青色色块以及黑色色块，其中该蓝色色块由该第一单色光源投射产生、该绿色色块由该第二单色光源投射产生，该青色色块由该第一单色光源以及该第二单色光源共同投射产生。
较佳的，每一第二群色块均由最少两种、最多四种相异的色块以异于其他第二群色块的方式排列形成。
较佳的，该多个预设图样为内含n x n个色块所构成的正方形图样，且彼此以棋盘式排列形成该预设影像，其中n为大于或等于5的正整数。
较佳的，每一预设图样的该第一群色块包含该预设图样中央的3x 3个色块，该第二群色块包含包围该第一群色块的多个色块。
较佳的，每一预设图样的该第一群色块具有第一型图样或第二型图样，该第一型图样的4个边块为黑色色块，该第二型图样的4个角块为黑色色块。
较佳的，具有该第一型图样的该第一群色块内的其他非黑色色块为蓝色色块、绿色色块或青色色块的其中之一且彼此同色，具有该第二型图样的该第一群色块内的其他非黑色色块为蓝色色块、绿色色块或青色色块的其中之一且彼此同色，其中该蓝色色块由该第一单色光源投射产生、该绿色色块由该第二单色光源投射产生，该青色色块由该第一单色光源以及该第二单色光源共同投射产生。
较佳的，每一第二群色块均由最少两种、最多四种相异的色块以异于其他第二群色块的方式包围该第一群色块排列形成。
较佳的，该第一单色光源为一蓝色光源，该第二单色光源为绿色光源，该投影单元仅包含该蓝色光源以及该绿色光源。
较佳的，该立体物件扫描装置还包含后端处理单元，用来依据该建构影像与该预设影像建构该立体物件的立体模型。
较佳的，该立体物件为牙齿，该立体物件扫描装置为口腔扫描仪。
与现有技术相比，本发明所提供的立体物件扫描装置，使用第一单色光源以及第二单色光源的组合对特定立体物件进行扫描，能提高颜色的鉴别率、降低立体物件上其他色光的干扰；投影单元仅使用第一单色光源以及第二单色光源，能减少光机的体积、投影时的耗电量与发热量，降低扫描装置的制造成本；另外，使用有限数量的色光进行扫描，也能缩减扫描时间，提高取像速度；本发明所提供的特殊设计的结构光图样更可内含空间编码以快速定位出相对应的位置。
附图说明
图1为本发明的一种立体物件扫描装置的功能方块示意图。
图2为本发明的立体物件扫描装置所投射出来的一种结构光的预设影像的第一实施例的示意图。
图3为本发明的立体物件扫描装置所投射出来的一种结构光的预设影像的第二实施例的示意图。
图4为本发明的立体物件扫描装置所投射出来的一种结构光的预设影像的第三实施例的示意图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的申请专利范围并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」或「连接」一词在此是包含任何直接及间接的电气或结构连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接/连接于第二装置，则代表该第一装置可直接电气/结构连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气/结构连接至该第二装置。
请参考图1，图1为本发明的一种立体物件扫描装置的功能方块示意图。立体物件扫描装置1用来投射结构光以扫描立体物件100，并拍摄立体物件100上的结构光影像且进行比对运算，而得到立体物件100的尺寸与形状。于一实施例中，本发明的立体物件扫描装置1为一种口腔扫描仪(intraoral scanner,IOS)，用来扫描口腔内的牙齿或齿颚，以建立牙齿(或齿颚)的立体模型。立体物件扫描装置1包含投影单元2、影像撷取单元3以及后端处理单元4。投影单元2用来将预设影像(即，特定图样的结构光)投射于立体物件100的表面，而该预设影像于立体物件100的表面被扭曲变形后形成建构影像，影像撷取单元3则取得于立体物件100表面的建构影像，并由后端处理单元4依据建构影像与预设影像的比对而建立立体物件100的立体模型。
本发明的投影单元2包含第一单色光源21以及第二单色光源22，对于作为口腔扫描仪的立体物件扫描装置1而言，为了适应口腔内的特殊环境并减少反光造成的干扰，较佳地使用蓝色光源作为第一单色光源21以及使用绿色光源作为第二单色光源22，并且于一较佳实施例中，投影单元2仅包含蓝色光源以及绿色光源(也就是没有红色光源的硬体设置)，如此可降低立体物件100上的白光、红光的干扰，同时在体积、效率、耗能、成本上都进一步最佳化。
除了使用蓝色光源以及绿色光源作为投影结构光的主要光源以避免立体物件100上的色光干扰以及降低反光外，本发明更针对投影单元2所投射出来的结构光图样进行空间编码，使每个图样的各局部区域都能具有独特的编码讯息，更有利于建构影像与预设影像的比对。另外说明的是，一般以结构光进行扫描分为多重拍摄(multi-shots)与单一拍摄(single-shot)两大类型，本发明分别提供了几种具有空间编码的图样，以作为多重拍摄以及单一拍摄的立体建模的结构光图样。
请参考图2，图2为本发明的立体物件扫描装置所投射出来的一种结构光的预设影像的第一实施例的示意图。预设影像6包含了多个预设图样60，每一个预设图样60都包含了第一群色块61以及第二群色块62。在此实施例中，多个预设图样60彼此并排构成预设影像6，使得多个预设图样60的多个第一群色块61以及多个第二群色块62彼此交互间隔，因此第一实施例中的预设影像6为条纹态样的结构光。第一群色块61以及第二群色块62由多种不同颜色的色块64所构成。条纹态样的预设影像6中的每一个预设图样60的第一群色块61为黑色色块K，而第二群色块62则包含两种至三种相异的色块。例如在第一实施例中，第二群色块62包含了蓝色色块B、绿色色块G、青色色块C中其中两种色块64或三种色块64，并且蓝色色块B由蓝色的第一单色光源21投射产生、绿色色块G由绿色的第二单色光源22投射产生，而青色色块C则由第一单色光源21以及第二单色光源22共同投射产生，并且每一个预设图样60的第二群色块62的色块64排列方式都异于其他预设图样60的第二群色块62的色块64排列方式，因此对于预设影像6而言，多个预设图样60彼此相异，也就是说每一个预设图样60都具有独特的编码讯息。当预设影像6被投射于立体物件100并形成对应预设影像6的建构影像时，影像撷取单元3撷取该建构影像，由局部区域中所得到的图样内容即可快速地定位出相对应的位置，以利后端处理单元4依据该建构影像与预设影像6建构立体物件100的立体模型。
请参考图3，图3为本发明的立体物件扫描装置所投射出来的一种结构光的预设影像的第二实施例的示意图。相较于图2的第一实施例，第二实施例中的第二群色块62也可以包含黑色色块K，也就是每一个预设图样60中的第二群色块62包含了蓝色色块B、绿色色块G、青色色块C、黑色色块K中最少两种、最多四种相异的色块64以异于其他预设图样60的第二群色块62的方式排列形成。另外说明的是，图2以及图3的黑色与特定色条纹间隔的结构光影像较佳地用于进行多重拍摄的立体物件扫描，但不以此为限。
请参考图4，图4为本发明的立体物件扫描装置所投射出来的一种结构光的预设影像的第三实施例的示意图。预设影像7包含了多个预设图样70，每一个预设图样70都包含了第一群色块71以及第二群色块72。在此实施例中，多个预设图样70彼此以棋盘式排列构成预设影像7，因此第三实施例中的预设影像7为多个色块区域态样的结构光。每一个预设图样70为内含nxn个色块74所构成的正方形图样，在图4的第三实施例中则为5x5个色块74，并且于其他实施例中n也可为大于5的正整数。第一群色块71以及第二群色块72同样由多种不同颜色的色块74所构成，其中每一个预设图样70的第一群色块71为预设图样70中央的3x3个色块74，而第二群色块72则为预设图样70中的其他色块74，也就是包围第一群色块71的多个色块74，其中第一群色块71包含两种相异的色块74而第二群色块72则包含最少两种、最多四种相异的色块74。
在第三实施例中，第一群色块71可以有两种图样：第一型图样I或第二型图样II。如图4所示，具有第一型图样I的第一群色块71的4个边块(也就是3x3个色块74中的4个边且不为角块的色块74)为黑色色块K，而第一群色块71的其他色块74则可以是蓝色色块B、绿色色块G或青色色块C其中之一且彼此同色(图中为绿色色块G)。相对而言，具有第二型图样II的第一群色块71的4个角块(也就是3x3个色块74中的4个角落的色块74)为黑色色块K，而第一群色块71的其他色块74同样可以是蓝色色块B、绿色色块G或青色色块C其中之一且彼此同色(图中为蓝色色块B)。至于第二群色块72则包含了蓝色色块B、绿色色块G、青色色块C以及黑色色块K中最少两种、最多四种相异的色块74，并且每一个预设图样70的第二群色块72的色块74排列方式也都异于其他预设图样70的第二群色块72的色块74排列方式。
对于预设影像7而言，多个预设图样70彼此相异，也就是说每一个预设图样70都具有独特的编码讯息。举例而言，第三实施例的编码方式至少可以以三阶层方式进行快速比对判断。当影像撷取单元3撷取到的该建构影像(举例为至少部分预设影像7投影于立体物件100上而呈现的变形影像)对应特定预设影像7的至少部分，而后端处理单元4以下述步骤判断该建构影像对应到预设影像7中的特定预设图样70：首先通过判断建构影像内圈的第一群色块71为第一型图样I或第二型图样II，接着再比对第一群色块71内非黑色色块是蓝色色块B、绿色色块G或青色色块C。这样即将预设影像7中多个棋盘排列的预设图样70过滤到剩下约1/6个预设图样70。最后再比对这些预设图样70中外圈的第二群色块72，即可快速由立体物件100上局部区域中所得到的建构影像内容快速地定位出建构影像的位置。
另外说明的是，第三实施例中的第二群色块72可以如图4所示包含了蓝色色块B、绿色色块G、青色色块C、黑色色块K中最少两种、最多四种相异的色块74，也可以不包含黑色色块K而仅包含蓝色色块B、绿色色块G、青色色块C中最少两种、最多三种相异的色块74，且图4的结构光影像较佳地用于进行单一拍摄的立体物件扫描，但不以此为限。
本发明所提供的立体物件扫描装置，通过特定单色光源的组合来建构结构光的内容而形成预设影像，以对特定的立体物件进行扫描。当蓝色以及绿色光源的组合投射于如口腔之类的环境时，能有效避免口腔中的红色或白色的反光干扰，提高扫描的鉴别率。预设影像另通过不同颜色的色块以特定方式排列而使得每一个预设图样均具有特定的编码讯息，能快速定位出相对应的位置，以获得建构影像中某一个区域的位置资讯。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种以结构光进行扫描的立体物件扫描装置，其特征在于，该立体物件为牙齿，该立体物件扫描装置为口腔扫描仪，该立体物件扫描装置包含：
投影单元，包含第一单色光源以及第二单色光源，该第一单色光源为蓝色光源，该第二单色光源为绿色光源，该投影单元仅包含该蓝色光源以及该绿色光源；该投影单元用来将预设影像投射于立体物件上，以于该立体物件的表面形成建构影像，该预设影像包含多个预设图样；以及
影像撷取单元，用来取得于该立体物件的表面所形成的该建构影像；
其中，每一预设图样包含：
第一群色块，该第一群色块包含最多两种相异的色块；以及
第二群色块，该第二群色块包含最少两种、最多四种相异的色块；该第一群色块为黑色色块，该第二群色块内的最少两种、最多四种相异的色块包含：蓝色色块、绿色色块、青色色块以及黑色色块，其中该蓝色色块由该第一单色光源投射产生、该绿色色块由该第二单色光源投射产生，该青色色块由该第一单色光源以及该第二单色光源共同投射产生；
该多个预设图样彼此并排形成该预设影像，使该多个预设图样的该多个第一群色块以及该多个第二群色块彼此交互间隔而构成条纹态样的该预设影像。
2.如权利要求1所述的立体物件扫描装置，其特征在于，每一第二群色块均由最少两种、最多四种相异的色块以异于其他第二群色块的方式排列形成。
3.如权利要求1所述的立体物件扫描装置，其特征在于，还包含后端处理单元，用来依据该建构影像与该预设影像建构该立体物件的立体模型。
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