面向口腔颌面数字化诊疗的结构光三维测量关键技术研究及系统开发

摘要

随着现代工业技术和计算机技术的飞速发展，各种计算机数字技术和方法与现代医学理论相结合，逐渐应用于口腔颌面外科治疗，解决了医学研究和实践中遇到的种种难以用传统医学技术解决的难题，使口腔颌面数字化诊疗成为现今口腔医学重要发展方向之一。口腔颌面数字化诊疗成功的一个前提条件是如何对患者口腔颌面三维形貌数据进行精确快速测量获取，这也成为实现精度高、效率高、效果好的新诊疗技术革新的关键。本文研究以此为背景，针对口腔颌面数字化诊疗重要的两大医学研究领域:颜面缺损修复和数字化齿科对三维测量技术的临床需求，开展结构光三维测量实现原理、系统建模、系统标定等关键技术研究，并在理论研究的基础上面向颜面缺损修复和数字化齿科进行临床应用三维测量系统的研发。
　　 结构光三维测量采用结构光编码技术对空间光线投射方向进行编码，通过图像解码建立成像点与光线投射方向的对应关系，再结合测量系统光路几何参数，实现被测物表面形状的三维重建。相对于双目立体视觉利用被测物表面固有图案或纹理的进行特征点识别、提取和匹配的方法，结构光三维测量技术所投射的编码图案是预先定义好的，在图像中更容易识别和提取，可简化匹配步骤，提高匹配效率、精确度和准确率。在结构光编码技术中，以格雷码和相移结合以及多频相移为代表的时域编码结构光三维测量技术，具有测量分辨率高、测量速度快、测量精度较高、全场测量等优点，已成为具有极大发展潜力的一种光学三维测量技术。本文对这两种结构光编码解码技术进行深入研究。
　　 结构光三维测量系统的数学建模主要针对摄像机和投影仪的透视成像过程以及从二维图像实现三维坐标重建的方法进行数学描述。测量系统数学模型的准确性对系统测量准确度和精度至关重要。论文研究了典型的测量系统数学模型，发现存在两个严重影响系统建模精度的问题:
　　 1）要求系统组成构件相互位姿关系满足一定的几何约束条件，导致测量系统加工和装配误差对系统测量精度产生较大影响;
　　 2）受投影仪一维编码的限制，投影仪的建模精度普遍不高。
　　 针对这两问题，本文提出了基于光线逆向投影的测量系统数学建模方法。通过合理选择建模参数，消除所有系统构件对尺寸及位姿的几何约束要求，降低测量系统加工和装配的精度要求;同时，提出的光线逆向投影的三维坐标重建方法使投影仪也可采用和摄像机完全一致的高阶镜头失真模型，提高其建模精度。
　　 结构光三维测量系统标定是通过实验和计算精确获取系统数学模型参数的过程，是保证系统测量准确度和精度的关键。本文分析了现有测量系统标定方法在标定模型、标定参考物以及标定流程存在的不足，提出了基于三维栅格点阵的结构光三维测量系统同步标定方法，其改进体现在以下方面:
　　 1）在标定模型上，采用了考虑高阶镜头失真的摄像机和投影仪模型以及测量系统参数同步优化求解模型，提高测量系统标定精度;
　　 2）在标定参考物上，采用在测量空间均匀分布并处于同一世界坐标系的高精度三维栅格点阵，避免系统标定精度受标定参考物精度不足以及空间不均匀分布的影响;
　　 3）在标定流程上，采用投影仪二维正交编码的方式同步提取三维栅格点的摄像机和投影仪二维对应点，解决了两步标定法中摄像机标定结果影响投影仪标定基础数据提取精度的问题。25mm标准距离测量结果表明本文的测量系统同步标定方法较现有标定方法提高了至少47％测量准确度以及28％测量精度。
　　 基于以上研究成果开发了颜面缺损修复三维测量系统，采用双单目测量结构，能在2秒内完成对颜面缺损患者自然状态完整软组织颜面的精确测量，获得近200万三维数据点云。该测量系统的临床应用可以取代传统颜面缺损修复中赝复体制作的印模制取工艺过程，大大缩短治疗周期，减少了技师工作强度并提高赝复体制作精度，降低了手术的风险性。针对义齿修复数字化诊疗开发了牙模三维测量系统，通过结构光三维测量头及两维旋转台可实现牙模整体型面三维数据的自动获取。目前开发的颜面缺损修复三维测量系统以及牙模三维测量系统均在上海第九人民医院得到了临床和科研应用。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 口腔颌面数字化诊疗及其对三维测量的需求

1．1．1 口腔颌面数字化诊疗技术

1．1．2 颜面部缺损赝复的数字化诊疗需求

1．1．3 口腔义齿修复的数字化诊疗需求

1．1．4 口腔颌面数字化诊疗对三维测量的技术需求

1．2 口腔颌面数字化诊疗中三维测量技术研究现状及趋势

1．2．1 颜面部缺损赝复数字化诊疗中的三维测量技术

1．2．2 口腔义齿修复数字化诊疗中的三维测量技术

1．2．3 口腔颌面数字化诊疗三维测量技术发展趋势

1．3 结构光三维测量技术研究现状

1．3．1 结构光三维测量技术原理

1．3．2 结构光三维测量编码原理

1．3．3 结构光三维测量建模技术

1．3．4 结构光三维测量标定技术

1．4 本文主要内容及章节安排

1．4．1 研究背景及意义

1．4．2 主要研究内容及章节安排

第二章 结构光三维测量原理研究

2．1 结构光三维测量原理及系统组成

2．1．1 双目立体视觉测量原理

2．1．2 结构光三维测量原理

2．1．3 结构光三维测量系统组成

2．2 格雷码与相移结合相位编码原理

2．2．1 格雷码编码技术

2．2．2 相移编码技术

2．2．3 格雷码和相移结合的编码技术

2．3 多频相移相位编码原理

2．3．1 多频相移编码原理

2．3．2 基于查找表的多频相移解码技术

2．3．3 基于外差法的多频相移解码技术

2．4 本章小结

第三章 结构光三维测量建模技术研究

3．1 基于参考相位的测量系统建模方法

3．2 基于线面求交的测量系统建模方法

3．3 基于光线逆向投影的结构光三维测量系统建模方法

3．3．1 摄像机模型

3．3．2 投影仪模型

3．3．3 光线逆向投影三维重建模型

3．4 本章小结

第四章 结构光三维测量系统标定技术

4．1 空间三维栅格点阵的测量系统标定参考物

4．2 测量系统标定基础数据的获取流程

4．3 测量系统标定模型及系统模型参数的确定

4．4 结构光三维测量系统标定实验

4．5 本章小结

第五章 人体颜面部结构光三维测量系统研究与开发

5．1 颜面部结构光三维测量系统总体方案设计

5．1．1 单目结构光三维测量方案

5．1．2 双单目结构光三维测量方案

5．2 颜面部结构光三维测量系统硬件方案设计

5．2．1 图像采集系统

5．2．2 高精密组合光栅器件设计及制作

5．2．3 结构光投影系统

5．3 颜面部结构光三维测量系统软件方案设计

5．3．1 软件开发平台及关系结构

5．3．2 系统组件结构图

5．4 颜面三维测量系统开发与临床应用

5．4．1 试衣间式颜面三维测量系统开发

5．4．2 便携式颜面三维测量系统开发

5．4．3 颜面三维测量系统临床应用

5．5 本章小结

第六章 义齿修复牙模三维测量系统研究与开发

6．1 牙模三维测量总体方案

6．2 牙模三维测量系统硬件方案设计

6．2．1 结构光三维测量模块

6．2．2 两轴转台模块

6．3 牙模测量系统控制方案设计

6．3．1 系统控制硬件方案

6．3．2 PLC-PC通讯方案及协议

6．3．3 系统控制软件方案

6．4 两轴转台标定方案设计

6．4．1 两轴转台标定目的

6．4．2 基于双标准球的两轴转台标定方案

6．5 牙模三维测量系统开发与应用

6．6 本章小结

第七章 全文总结

7．1 主要结论

7．2 研究展望

参考文献

博士后工作期间论文、专利及软件著作权

博士后工作期间负责或参与的科研项目

致谢