專利名稱：顱面形態(tài)測量裝置以及測量顱面形態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顱面形態(tài)測量裝置，還涉及用該裝置測量顱面形態(tài)的方法。
技術(shù)背景顱面部形態(tài)是人體上最為復(fù)雜的形態(tài)區(qū)域，顱面部畸形及上下牙列的矯治，最終表現(xiàn)為 顱面部形態(tài)改變。參照圖3。文獻(xiàn)"申請?zhí)?公開號為200510021748.0/CN1742676的中國發(fā)明專利"公開 了一種人顱面三維測量器及其測量方法。該測量器包括垂直測量尺l、三組水平尺4， 7， 9、 三個連接件2， 10， 11、兩組滑動件3和5、兩組水平千分尺6和8和醫(yī)用細(xì)針，三組水平尺 4， 7， 9卡于垂直測量尺1上并可上下移動。用此三維測量器測量顱面的方法，是通過滑動 測量器上的不同構(gòu)件確定測量器定位點(diǎn)，從垂直測量尺和水平尺上讀出人顱面部任意一點(diǎn)的 三維測量數(shù)值，采用三維數(shù)字(X，Y,Z)表達(dá)顱面部任意點(diǎn)的三維測量數(shù)值。該三維測量器屬于 接觸式測量裝置，且不方便使用；該測量方法得到的是顱面部點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，用于顱面部 形態(tài)分析的線距和角度則需要經(jīng)手工計算，且無法完成面部曲面最短路徑的測量。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)接觸式測量誤差大、效率低的不足，本發(fā)明提供一種顱面形態(tài)測量裝 置，利用激光三維掃描儀獲取顱面部三維數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。 本發(fā)明還提供利用上述顱面形態(tài)測量裝置測量顱面形態(tài)的方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種顱面形態(tài)測量裝置，包括座椅，其特點(diǎn) 是還包括激光三維掃描儀、旋轉(zhuǎn)臺、支架、滑塊、滑軌，滑軌安放在工作室的地面，滑塊上 的U型槽與滑軌配合，卡放在滑軌上并可沿滑軌作360°移動，滑塊上方正中固連一支架， 支架上固連一旋轉(zhuǎn)臺，激光三維掃描儀放置在旋轉(zhuǎn)臺上，座椅固定在滑軌圓心處的地面上， 面對滑軌的0刻度位置。一種利用上述顱面形態(tài)測量裝置測量顱面形態(tài)的方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟(a) 被測量者端坐在座椅上，調(diào)節(jié)座椅高度，使得被測量者顱面部與激光三維掃描儀處于 同一水平面上，移動滑塊到滑軌的0度刻度線位置、左側(cè)面45度刻度線位置以及右側(cè)面45度刻 度線位置，用激光三維掃描儀進(jìn)行掃描，獲得三副顱面形態(tài)的圖像數(shù)據(jù)；(b) 采用激光三維掃描儀自帶軟件Rapidform2004對獲得的三副顱面形態(tài)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理，拼接合成為一個完整的顱面部形態(tài)三維數(shù)據(jù)模型；(c) 對于顱面形態(tài)直線距離，將兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)和(x2、 y2、 z2)代人歐式距離測量計算公式D = 7" - A)2 + Ol "2)2 + O！ - Z2)2 ，即得到兩點(diǎn)的直線距離D;(d) 對于顱面形態(tài)弧長，首先創(chuàng)建一個先進(jìn)先出的空隊列Queue，將起點(diǎn)v^,放入隊列Queue中，并標(biāo)記其在隊列中，如果隊列Queue為空，則停止；否則，從隊列Queue中取出隊首 節(jié)點(diǎn)v,,遍歷節(jié)點(diǎn)v,的所有鄰接點(diǎn)^ ，比較"到起點(diǎn)的路徑長度與起點(diǎn)經(jīng)過v,到"的路徑長度，如果"到起點(diǎn)的路徑長度小于起點(diǎn)經(jīng)過K到".的路徑長度，則更新"的最短路徑長度路徑和上一節(jié)點(diǎn)；并判斷該點(diǎn)是否在隊列中，若不在將該點(diǎn)加入到隊列中，從終點(diǎn)出發(fā)，取得其最短路徑的長度值，通過回溯找到該點(diǎn)到起點(diǎn)的最短路徑即弧長；(e) 對于顱面形態(tài)角度，將三點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)、 (x2、 y2、 z2)和(x3、 y3、 z3)代人歐式距離測量計算公式，分別計算出三點(diǎn)兩兩間的距離D,、 D2和03，根據(jù)余弦定理， 求出三點(diǎn)夾角的余弦值a，通過反余弦公式，得到三點(diǎn)的夾角值；(f) 對于頓面形態(tài)的比例，將四點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)、 (x2、 y2、 z2)、 (x3、 y3、 z3)和(x4、 y4、 z4)代人歐式距離測量計算公式，計算出其中兩對點(diǎn)的距離，得到一組直線距離D,和D2，計算這組直線距離的比例因子T,得到顱面形態(tài)的的比例值，g(]T = A。本發(fā)明的有益效果是由于采用激光三維掃描儀獲取顱面部三維數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了非接 觸式測量。顱面形態(tài)測量裝置測量顱面形態(tài)的方法，通過鼠標(biāo)拾取，就可方便得到顱面任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，以Farkas顱面部直接測量法為準(zhǔn)則，通過配置測量項文件，順序拾取測量 特征點(diǎn)的方法，實(shí)現(xiàn)對所有測量項的自動測量，測量誤差小于3mm，并且提高了測量效率。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明顱面形態(tài)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是背景技術(shù)人顱面三維測量器結(jié)構(gòu)示意圖。1-垂直測量尺，2-第一連接件，3-第一組滑動件，4-第一水平尺，5-第二組滑動件，6-第 一組水平千分尺，7-第二水平尺，8-第二組水平千分尺，9-第三水平尺，10-第二連接件，11-第三連接件，12-醫(yī)用細(xì)針，21-激光三維掃描儀，22-旋轉(zhuǎn)臺，23-支架，24-滑塊，25-滑軌， 26-座椅。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l。參照圖l,本發(fā)明包括激光三維掃描儀21、旋轉(zhuǎn)臺22、支架23、滑塊24、滑 軌25和座椅26?；?5安放在一個3X6m的工作室，要求地面平整、光潔?；?5的內(nèi) 徑為2m、外徑為2.4m、高為0.2m;滑塊24是與滑軌25配合的U型塊，卡放在滑軌25上 并可沿滑軌作360。移動；滑塊24固連一支架23，支架23上固連一旋轉(zhuǎn)臺22，激光三維掃 描儀21放置在旋轉(zhuǎn)臺22上，座椅26固定在滑軌25圓心處的地面上，面對滑軌25的0刻度 線位置，且其高度可以調(diào)節(jié)，以保證不同的人顱面處于同一個垂直高度?；?5圓周側(cè)面有 刻度線。激光三維掃描儀21的數(shù)據(jù)存儲在存儲卡上，通過計算機(jī)處理，獲得完整的顱面形態(tài)。 計算機(jī)的配置要求CPU Celeron2.0、 512M內(nèi)存、80G硬盤、Windows XP操作系統(tǒng)、帶USB 接口。實(shí)施例2。參照圖2，采用實(shí)施例l顱面形態(tài)測量裝置測量顱面形態(tài)的方法，具體操作步 驟如下整理被測量者的頭發(fā)，使顱面部和耳朵完全露出無遮擋。對其眉毛和鬢角處的頭發(fā)等部 位進(jìn)行抹粉，或戴一個深色的頭套，以防止這些部位吸收激光，形成鏤空，戴眼鏡者必須摘 下眼鏡，戴帽者必須脫下帽子。被測量者端坐在座椅26上，根據(jù)被測量者顱面部所處的水平高度，上下調(diào)節(jié)座椅26的高度， 使得被測量者顱面部與激光三維掃描儀21處于同一水平面上，保持頭位為自然姿位。首先將滑 塊24滑動到滑軌25的0度刻度線位置，保持被測量者靜止?fàn)顟B(tài)，激光三維掃描儀21采用保質(zhì) 掃描Fine方式進(jìn)行掃描，獲得被測量者顱面形態(tài)的正面數(shù)據(jù)；被測量者保持不動，將滑塊24滑 動到滑軌25的左側(cè)面45度刻度線位置，采用相同的掃描方式，獲得被測量者顱面形態(tài)的左側(cè) 45度數(shù)據(jù)；再將滑塊滑動到滑軌25的右側(cè)面45度刻度線位置進(jìn)行同樣掃描，獲得被測量者顱 面形態(tài)的左側(cè)45度數(shù)據(jù)，至此獲得三副顱面形態(tài)的圖像數(shù)據(jù)。釆用激光三維掃描儀自帶軟件Rapidform2004對掃描獲得的三副顱面形態(tài)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理，刪除那些與所需人臉圖像以外的多余部分以及一些邊緣噪聲點(diǎn)，使圖像整體分辨率 歸一化。將處理后三副圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接合成為一個完整的顱面部形態(tài)三維數(shù)據(jù)模型。依據(jù)Farkas顱面部形態(tài)表面直接測量法選擇測量項目，完成對顱面形態(tài)的直線距離測量、 弧長測量、角度測量和比例測量。本實(shí)施例選擇129項測量項進(jìn)行測量，其中直線距離60項、 兩點(diǎn)間最短曲面距離17項、角度測量4項，比例指數(shù)48項。這129項測量項涉及顱面解剖 結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)52個，其中面部正中矢狀面上的點(diǎn)12個，左右對稱的點(diǎn)40個。確定一個所有特征點(diǎn)的拾取順序，在顱面形態(tài)三維數(shù)據(jù)模型上按順序依次拾取所有特征 點(diǎn)，存儲到一個特征點(diǎn)數(shù)組中，這樣數(shù)組的每一個索引值和一個特定的特征點(diǎn)對應(yīng)起來。在 拾取過程中，如果出現(xiàn)某一個特征點(diǎn)選擇位置不準(zhǔn)確或順序錯誤，可將該點(diǎn)從數(shù)組中刪除重新拾取。根據(jù)特征點(diǎn)的索引值和特征點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，配置測量項配置文件。根據(jù)測量項的類型， 對所有測量項進(jìn)行分類，分為直線距離、弧長、角度和比例測量項，在具體測量項前面用不 同的符號標(biāo)明，如直線距離項用〈distance、弧長項用〈arO，角度項用Ongle、比例項用 <scale>，遇到這些標(biāo)識符，表明其后是對應(yīng)的測量項，直到遇到下一個類型的標(biāo)識符；對于 具體的測量項，采用測量項對應(yīng)特征點(diǎn)的名稱和該特征點(diǎn)的索引值組合起來表示，如測量項 <item name="sn-gn" indexl="5" index2="12"> </item>，表示sn點(diǎn)即鼻下點(diǎn)，是特征點(diǎn)數(shù)組中 的第5個點(diǎn)，gn點(diǎn)即頦下點(diǎn)，是特征點(diǎn)數(shù)組中的第12個點(diǎn)，sn-gn表示這兩點(diǎn)間的測量，根 據(jù)其所屬的測量類型，從數(shù)組中取出這兩個點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的測量。對這四類測量所采用的方法分別為直線距離的測量就是三維空間中兩點(diǎn)間的歐氏距離。設(shè)兩個特征點(diǎn)pt和p2 ，它們的 三維坐標(biāo)分別以(xl、 yl、 zl)和(x2、 y2、 z2)表示，將這兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)代人歐式距離測量計算公式<formula>formula see original document page 6</formula>中，經(jīng)過計算即得到兩點(diǎn)的直線距離D。 弧長測量弧長測量轉(zhuǎn)化為如何求出一個三角網(wǎng)格模型上任意兩點(diǎn)間的最短路徑問題。 目前在三角網(wǎng)格模型上求解最短路徑的算法，按精度可分為精確的最短路徑算法和近似最短 路徑算法兩類。由于本發(fā)明采用激光三維掃描儀采集數(shù)據(jù)，能夠獲得非常致密的面部軟組織 模型，采用近似最短路徑算法即可獲得很高的精度，無需采用在時間和空間上都要耗費(fèi)很高 代價的精確最短路徑算法。弧長的測量采用faster shortest path algorithm算法來求解，faster shortest path algorithm算法簡稱FSPA算法。算法基本思想由三角形網(wǎng)格模型上的節(jié)點(diǎn)和邊的長度來生 成一個帶權(quán)圖，然后采用FSPA法動態(tài)計算該帶權(quán)圖上任意兩點(diǎn)之間的最短距離來得到最初近 似最短路徑。算法中隨時記錄和修改每個點(diǎn)到初始點(diǎn)的最短距離，以及它到初始點(diǎn)最短路徑的 前一頂點(diǎn)，這樣回溯得到整個路徑。在弧長測量中，由三角形網(wǎng)格模型上的節(jié)點(diǎn)和邊長來生成帶權(quán)圖，然后采用FSPA法動態(tài) 計算圖上任意兩點(diǎn)之間的最短距離來得到最初近似最短路徑。求取過程如下(1) 創(chuàng)建一個先進(jìn)先出的空隊列Queue。將所有在節(jié)點(diǎn)集合中的節(jié)點(diǎn)v，設(shè)置其到起點(diǎn)的 最短路徑長度為一個很大的值，相當(dāng)于無窮大，標(biāo)記該點(diǎn)不在隊列中，且其沒有上一個節(jié)點(diǎn)；(2) 將起點(diǎn)v"。"放入隊列Queue中，標(biāo)記其在隊列中；(3) 如果隊列Queue為空，則停止；否則，從隊列Queue中取出隊首節(jié)點(diǎn)"'，遍歷節(jié)點(diǎn)"' 的所有鄰接點(diǎn)Vv ，比較、到起點(diǎn)的路徑長度與起點(diǎn)經(jīng)過v'到^的路徑長度，如果"到起點(diǎn)的路徑長度小于起點(diǎn)經(jīng)過v'到^的路徑長度，則更新"的最短路徑長度路徑和上一節(jié)點(diǎn)；并判 該點(diǎn)是否在隊列中，若不在將該點(diǎn)加入到隊列中。(4) 繼續(xù)循環(huán)(3)直到隊列為空，此時已不存在可以優(yōu)化的最短路徑了。(5) 從終點(diǎn)出發(fā)，取得其最短路徑的長度值，通過回溯找到該點(diǎn)到起點(diǎn)的最短路徑。 角度測量根據(jù)三個特征點(diǎn)p卜P2和P3的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)、 (x2、 y2、 z2)和(x3、 y3、 z3)測量pi、 P2和p3的夾角a，將三點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)、 (x2、 y2、 z2) 和(x3、 y3、 z3)代人歐式距離測量計算公式，分別計算出三點(diǎn)兩兩間的距離D卜D2和D3,以D!代表p,和p2兩點(diǎn)間的直線距離，D2為P2和P3兩點(diǎn)間的直線距離，D3代表P2和P3兩點(diǎn) 間的直線距離，根據(jù)余弦定理，將這三個距離代人到余弦定理公式<formula>formula see original document page 7</formula>中，由此可求得三點(diǎn)夾角的余弦值a，通過反余弦公式<formula>formula see original document page 7</formula>得到三點(diǎn)的夾角值。比例測量比例測量主要是計算兩個空間直線距離的比例。將四點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)、 (x2、 y2、 z2)、 (x3、 y3、 z3)和(x4、 y4、 z4)代人歐式距離測量計算公式，計算出 其中兩對點(diǎn)的距離，得到一組直線距離D,和D2，計算這組直線距離的比例因子T來得到測量的比例值，即1 = D1/D2。讀取測量項配置文件，進(jìn)行逐條解析測量。首先解析到的是測量類型，如遇到〈distance、 表明它的子項是直線距離的測量項，循環(huán)解析它的子項，從其子項中解析到要測量的點(diǎn)對的 索引，根據(jù)索引從特征點(diǎn)數(shù)組中取出點(diǎn)對，根據(jù)測量項類型調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，完成該項測量， 直到該類測量的所有子項都已測量完成；解析下一個測量類型，進(jìn)行相同的操作，直到配置 文件中所有的測量類型和測量項都己經(jīng)測量完畢，至此完成了顱面形態(tài)的測量。
權(quán)利要求
1、一種顱面形態(tài)測量裝置，包括座椅，其特征在于還包括激光三維掃描儀、旋轉(zhuǎn)臺、支架、滑塊、滑軌，滑軌安放在工作室的地面，滑塊上的U型槽與滑軌配合，卡放在滑軌上并可沿滑軌作360°移動，滑塊上方正中固連一支架，支架上固連一旋轉(zhuǎn)臺，激光三維掃描儀放置在旋轉(zhuǎn)臺上，座椅固定在滑軌圓心處的地面上，面對滑軌的0刻度位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述顱面形態(tài)測量裝置，其特征在于所述的滑軌圓周側(cè)面有刻度線。
3、 一種利用權(quán)利要求l所述顱面形態(tài)測量裝置測量顱面形態(tài)的方法，其特征在于包括以下步驟(a) 被測量者端坐在座椅上，調(diào)節(jié)座椅高度，使得被測量者顱面部與激光三維掃描儀處于 同一水平面上，移動滑塊到滑軌的0度刻度線位置、左側(cè)面45度刻度線位置以及右側(cè)面45度刻 度線位置，用激光三維掃描儀進(jìn)行掃描，獲得三副顱面形態(tài)的圖像數(shù)據(jù)；(b) 采用激光三維掃描儀自帶軟件R叩idform2004對獲得的三副顱面形態(tài)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理，拼接合成為一個完整的顱面部形態(tài)三維數(shù)據(jù)模型；(c) 對于顱面形態(tài)直線距離，將兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)和(x2、 y2、 z2)代人 歐式距離測量計算公式-Z) = V(x, -x2)2 + O, — y2)2 + (X — z2)2 ，即得到兩點(diǎn)的直線距離D;(d) 對于顱面形態(tài)弧長，首先創(chuàng)建一個先進(jìn)先出的空隊列Queue，將起點(diǎn)v、.,art放入隊列 Queue中，并標(biāo)記其在隊列中，如果隊列Queue為空，則停止；否則，從隊列Queue中取出隊首 節(jié)點(diǎn)v,，遍歷節(jié)點(diǎn)v,.的所有鄰接點(diǎn)"，比較"到起點(diǎn)的路徑長度與起點(diǎn)經(jīng)過v,到"的路徑長度，如果"到起點(diǎn)的路徑長度小于起點(diǎn)經(jīng)過v,.到^.的路徑長度，則更新、的最短路徑長度路徑和上一節(jié)點(diǎn)；并判斷該點(diǎn)是否在隊列中，若不在將該點(diǎn)加入到隊列中，從終點(diǎn)出發(fā)，取得 其最短路徑的長度值，通過回溯找到該點(diǎn)到起點(diǎn)的最短路徑即弧長；(e) 對于顱面形態(tài)角度，將三點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)、 (x2、 y2、 z2)和(x3、 y3、 z3)代人歐式距離測量計算公式，分別計算出三點(diǎn)兩兩間的距離D卜D2和03，根據(jù)余弦定理， 求出三點(diǎn)夾角的余弦值a,通過反余弦公式，得到三點(diǎn)的夾角值；(f) 對于顱面形態(tài)的比例，將四點(diǎn)的三維坐標(biāo)(xl、 yl、 zl)、 (x2、 y2、 z2)、 (x3、 y3、 z3)和(x4、 y4、 z4)代人歐式距離測量計算公式，計算出其中兩對點(diǎn)的距離，得到一組直線距離D!和D2，計算這組直線距離的比例因子t，得到顱面形態(tài)的的比例值，<formula>formula see original document page 2</formula>。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種顱面形態(tài)測量裝置，包括座椅，其特點(diǎn)是還包括激光三維掃描儀、旋轉(zhuǎn)臺、支架、滑塊、滑軌，滑軌安放在工作室的地面，滑塊上的U型槽與滑軌配合，卡放在滑軌上并可沿滑軌作360°移動，滑塊上方正中固連一支架，支架上固連一旋轉(zhuǎn)臺，激光三維掃描儀放置在旋轉(zhuǎn)臺上，座椅固定在滑軌圓心處的地面上，面對滑軌的0刻度位置。本發(fā)明還公開了利用上述顱面形態(tài)測量裝置測量顱面形態(tài)的方法，通過激光三維掃描儀獲取顱面部圖像數(shù)據(jù)，合成顱面三維數(shù)據(jù)模型，再對三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)了非接觸性測量。
文檔編號A61B5/107GK101234023SQ20081001722
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月4日
發(fā)明者洪 周, 張艷寧, 施建宇, 映 李, 林增剛, 翟培芳 申請人:西北工業(yè)大學(xué)